一种适用于大面积淤泥包的充填砂被工作垫层

杨茯苓 ，鲍树峰 ，余东华 ，郑广

（1.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510290；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；3.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230；4.中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

0 引言

新近吹填淤泥上进行真空预压相关工序施工时，工作垫层起到了承上启下的重要作用。新近吹填淤泥含水率高，工程特性极差，地基承载力几乎为0[1]。该类地基上进行水力吹填砂垫层施工过程中往往因吹填管口处砂水混合流体的冲击力不均匀而出现挤淤、拱淤现象，最终导致整个吹填区域范围内形成许多大面积淤泥包。对于面积较小（＜100 m2）的淤泥包而言，其处理方法一般是先铺设土工布，再铺设土工格栅或竹栅，然后采用钩机转运、推土机推砂等方式补填砂料，这种常规处理方法基本能达到预期效果。然而，对于大面积淤泥包而言，常规处理方法往往会加剧淤泥包的严重程度，且最终不能较好地解决问题。

本文提出了一种适用于大面积淤泥包的充填砂被工作垫层，简要阐述其工作机理，依托广州港南沙港区三期工程疏浚吹填及软基处理工程II区工程进行应用分析。

1 砂被工作垫层及其工作机理

水工行业广泛应用的传统大型砂被是指用上下两层高强度、透水性良好的土工布按设计长宽缝制成大型砂袋，在上下两层土工布之间按设计长宽设置若干个具有一定高度的隔仓，且在各隔仓的上层土工布表面上按设计间距设置若干个具有一定长度的充填袖口；用高压水枪将充填砂料冲搅成满足设计浓度的砂浆，并通过泥浆泵按对称充填的方式输送进砂袋内，以确保最佳的充盈率；然后静置一段时间使砂浆中的水分通过砂袋的孔隙自然排出而形成整体密实的结构体[2-3]。

大面积淤泥包承载力极低、甚至为0，无法满足地基处理施工机械安全施工的要求。相对于上述传统大型砂被而言，大面积淤泥包上的砂被工作垫层无须设置隔舱，主要工作机理为：

1）应力扩散效应。荷载面积下的砂被使上覆荷载在传递过程中被扩散到较大的软土面积上。

2）表层封闭效应。当上覆荷载作用于砂被表面时，砂被发生下沉变形，而其下卧流塑状的土体则向周围发生挤出变形并同时向上发生隆起变形。由于砂被的表面约束作用，使得下卧土体体积只能受到压缩，从而限制了下卧土体发生较大的挤出变形及隆起变形。此时，下卧土体具有双重身分，既表现为体积相对可压缩的变形体，又表现为体积相对不可压缩的液体，从而改变了下卧土体中的应力分布，在一定范围内产生较大的水平压力及竖向压力，使下卧土体需要较大的荷载才能发生滑动破坏（剪切破坏）。简而言之，荷载面积以外的砂被起到了表层封闭作用。

因此，这种砂被工作垫层具有厚度均匀、整体强度高（承载力高）、整体性强、保土性能好、能适应地基变形等特点，铺设在大面积淤泥包上能最大程度地避免下卧土体发生整体滑动破坏。

2 依托工程概况

广州港南沙港区三期工程疏浚吹填及软基处理Ⅱ区工程港区陆域是在原有珠江口水域之中淤积的滩涂地基上吹填淤泥形成的，上部为呈流动状的新近吹填淤泥，下部为深厚原状软土，主要为流泥、淤泥及淤泥质黏土等[4]。根据该工程的围堰工程设计，I区吹填排水口布设于I区与II区的交界围堰中间处，另外，I区施工时在交界围堰处新增了排水口（图1），这共同导致了I区吹填淤泥、流泥以及尾水大量涌入II区吹填区域内，特别是II区西北角区域上部的吹填淤泥层厚度高达7～9 m，如图1阴影部分所示的D19—D21区，面积约10万m2。

图1 吹填淤泥影响区域Fig.1 Influence region of hydraulic reclamation silt

II区西北角区域周围没有可供车载运输的临时道路，该范围内的砂垫层必须采取水力吹填的施工方式形成。另外，该区域的吹填距离较远（约为1.5 km），为了避免吹填施工过程中吹填管路发生严重堵塞现象，必须采用较大的泵送压力进行吹填施工。

由于II区西北角区域上部的吹填淤泥层的承载力非常低，因此，过大的泵送压力致使在吹填砂垫层的过程中出现严重的不均匀性现象，从而使场地内出现大面积拱淤、编织土工布土工格栅大面积破裂等异常现象，最终形成多个大面积淤泥包。

淤泥包分布情况如图2所示，最大的淤泥包面积1 166 m2，其它各淤泥包区域的面积为460～740 m2。

图2 砂垫层异常区域位置分布图Fig.2 Distribution map of abnormal region of sand cushion

3 砂被工作垫层充填施工工艺流程

根据砂被工作垫层的工作机理，其充填施工方案的断面图如图3所示。

图3 砂被工作垫层充填施工方案断面图Fig.3 Section map of filling construction scheme for sand quilt working cushion

砂被工作垫层施工流程概括如下：

1）在淤泥包表面铺设1层200 g/m2编织土工布。铺设范围为在淤泥包范围的基础上往周围外扩3～5 m，各幅编织土工布的接缝处采用包缝形式缝接。

2）在编织土工布上面铺设1层竹栅垫层。竹栅垫层的铺设范围与编织土工布的铺设范围相同；竹栅绑扎间距为0.6 m×0.6 m，搭接长度不小于1.0 m；通过细铁丝将底层编织布与竹栅垫层绑接，每3.0 m绑一道。

3）在竹栅垫层上铺设1层充填袋体。铺设范围为在竹栅垫层范围的基础上往周围外扩1～2 m，以避免充填施工过程中竹栅端部出现严重翘起现象。充填施工过程中，须通过人工不断踩踏的方式以增大充填砂料的流动范围，并且需要及时移动吹填管口从四周往中间充填以确保充填厚度的均匀性。充填袋体的充填厚度控制在0.6～1.0 m的范围内。

4）预先挖好排水沟以促进充填施工过程中的排水，从而避免场地出现严重积水现象。

4 施工技术控制要点

施工技术控制要点包括材料质量、充填工艺和过程管理三方面。相对而言，充填工艺方面为关键控制要点。由于吹填距离较远（约1.5 km）、吹填管线较长，为避免吹填管线在施工过程中出现严重的堵塞现象，采取2条泵船同时进行泵送的方式吹填砂料，以确保足够的泵送压力。另外，吹填管线管径的大小也直接影响吹填施工的成效，因此，通过在吹填管路中间增设三叉接头的方法，将管径为40 cm的吹填管路分流成2条管径为20 cm的软管进行充填砂袋施工，以避免充填施工过程中因泵送压力过大而导致的吹填管口附近出现编织布格栅撕裂、砂料严重堆积等现象，从而严重影响充填的均匀性。

针对上述三方面要点制定了相应的对策措施，如表1所示。

表1 对策措施及其技术控制要点Table 1 Countermeasures and key points of technical control

5 砂被工作垫层铺设后效果

在砂被工作垫层铺设之前，大面积淤泥包上无法安全行走施工机械，砂被工作垫层铺设后情况如图4所示，砂被工作垫层厚度均匀、整体性强、保土性能好、能适应下卧土层变形，承载力可以满足插板机安全施工的要求。

图4 插板机在砂被工作垫层上正常施工Fig.4 The plate-plugged machine worked normally on the sand quilt working cushion

6 结语

针对大面积淤泥包上无法满足施工机械安全施工要求的难题，本文深入分析了砂被工作垫层的工作机理，依托现场实际工程对砂被工作垫层进行了成功拓展应用。结论如下：

1）大面积淤泥包上砂被工作垫层的工作机理主要体现在两方面：①应力扩散效应。荷载面积下的砂被使上覆荷载在传递过程中被扩散到较大的软土面积上；②表层封闭效应。荷载面积以外的砂被起到了表层封闭作用。

2）砂被工作垫层的施工技术控制要点包括材料质量、充填工艺和过程管理三方面。相对而言，充填工艺方面为关键控制要点。合理地设计充填工艺，能有效避免吹填管口附近出现编织布格栅撕裂、砂料严重堆积等导致严重影响充填均匀性的现象。

3）本文提出的砂被工作垫层具有厚度均匀、整体强度高（承载力高）、整体性强、保土性能好、能适应下卧土变形等特点，铺设在大面积淤泥包上能最大程度地避免下卧土体发生整体滑动破坏，可在类似工程中进行推广应用。