拋石擠淤處理深度設(shè)計與施工控制

劉海林,曾春鳴

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司深圳分公司,廣東深圳 518032)

拋石擠淤處理深度設(shè)計與施工控制

劉海林,曾春鳴

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司深圳分公司,廣東深圳 518032)

擠淤深度是拋石擠淤加固方式的重要質(zhì)量控制參數(shù)。文章基于工程實例,首先對拋石擠淤加固機理進行分析,隨后根據(jù)工程特點建立拋石擠淤處理深度有限元計算模型。通過計算,確定滿足了工程要求的處理深度,最后通過檢測結(jié)果分析該擠淤深度設(shè)計方法的合理性,并總結(jié)了現(xiàn)場施工控制要點。

拋石擠淤；擠淤深度；有限元；計算模型；檢測結(jié)果

拋石擠淤由于其質(zhì)量控制指標較難量化、施工控制措施粗放、加固機理不夠明確,而通常被認為是一種比較簡單、粗放的軟基處理方式。在拋石擠淤的眾多質(zhì)量控制參數(shù)中,擠淤深度是反映拋石擠淤處理效果的關(guān)鍵參數(shù),也是拋石擠淤設(shè)計的核心指標,但受諸多因素的影響,現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范中并未明確拋石擠淤加固深度的計算方法和施工控制措施[1～3]。設(shè)計時，擠淤深度通常依靠經(jīng)驗確定,設(shè)計保守可能造成工程浪費,設(shè)計偏于冒險則可能影響工程質(zhì)量,甚至導(dǎo)致工程事故。另外,當前的拋石擠淤施工大部分是粗放無序的,施工方法以經(jīng)驗為主,可靠性差,影響拋石擠淤效果。本文通過工程實例,介紹一種拋石擠淤處理深度量化設(shè)計方法以及施工控制措施,以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

深圳市河道污泥福永處理場二期工程利用深圳機場預(yù)留用地處置深圳市河道底泥以及附近污水處理廠污泥。為了使整個處理場形成閉合場地,確保處理場地與機場規(guī)劃內(nèi)海域隔閉,在場地西南側(cè)修建隔堤,長度約1 000 m,堤頂寬度6.0 m,堤身高度3.6～5.2 m。場地原始地貌單元為海陸交互相濱海地貌,后修筑海堤改造成為魚塘,部分魚塘干涸成為荒地,魚塘水深一般0.3～1.5 m,水下即為淤泥層,由上至下土層分布為：淤泥層厚3.5～5.6 m,淤泥質(zhì)細砂層厚0.3～2.3 m,砂質(zhì)粘性土層厚2.6～17.2 m,下部為震旦系混合花崗巖。

隔堤的主要功能是分隔處理場與機場規(guī)劃海域,并兼做場內(nèi)臨時道路。堤身由碎石+礫質(zhì)粘性土+粘性土組成,采用泥結(jié)碎石路面,為了保證堤身穩(wěn)定,基礎(chǔ)采用拋石擠淤處理。

本工程需處理的淤泥層厚度為3.5～5.6 m,通常情況下,可以選擇拋石擠淤至淤泥層底面,以控制隔堤后期沉降和整體穩(wěn)定。該方案處理徹底、效果好,但費用高,且未體現(xiàn)本工程特點。考慮到此隔堤為內(nèi)海堤,且使用時間不長(約為3～5年),允許一定沉降,因此,應(yīng)在保證隔堤穩(wěn)定的前提下,盡量減少處理深度,以降低工程費用。

2 加固機理

拋填體主要依靠自重以及上部施工機械壓力作用下沉,下沉深度與擠淤形式、拋填體總厚度、拋石容重以及淤泥性質(zhì)等因素有關(guān)[4-5]。擠淤形式為整式擠淤,施工方法采用龍?zhí)ь^法,沿隔堤縱向,齊頭并進展開拋填,拋填體總厚度控制是保證拋石擠淤處理深度的關(guān)鍵。將拋石斷面簡化為矩形,如圖1所示。

圖1 拋石擠淤計算

采用傳統(tǒng)的極限平衡分析法得出的拋填體總厚度H與拋石擠淤處理深度D的計算公式[6]為

式中:Cu為淤泥的十字板抗剪強度,kPa；γ、γs分別為拋填塊石及淤泥的容重,kN/m3;B為填筑體寬度,m。

3 模擬計算

為分析拋石擠淤加固深度對堤身穩(wěn)定性的影響,借助國際通用的巖土穩(wěn)定分析軟件GeoStudio中的SEEP/W模塊分析臨水側(cè)水位對堤身的滲透性以及相應(yīng)水位下的堤身浸潤線,再利用SLOPE/W模塊分析相應(yīng)水位時堤身的穩(wěn)定性。

3.1 計算工況

新建隔堤外側(cè)仍有海堤,因此新建隔堤臨水側(cè)水位受海水漲落潮影響較小,水位依據(jù)20年一遇的防洪標準確定,約為3.0 m。由于擋水側(cè)水壓一直存在,污泥堆填后,對臨泥側(cè)坡面能起到反壓加固作用,因此污泥未堆填之前,臨泥側(cè)坡面穩(wěn)定性更差。根據(jù)隔堤的主要功能,結(jié)合場區(qū)的工藝流程,選取隔堤施工及運營期內(nèi)可能發(fā)生的最不利工況進行計算,即計算堤身結(jié)構(gòu)堆填至設(shè)計高程后,在臨水側(cè)高水位、穩(wěn)定滲流的情況下,堤身在不同荷載作用下的穩(wěn)定性。荷載包括施工期間的機械、運營期間的運輸車輛以及地震荷載。根據(jù)上述原則,確定以下計算工況：1)工況Ⅰ。設(shè)計工況,臨水側(cè)高水位,已形成穩(wěn)定滲流,臨泥側(cè)未堆填污泥,堤身受車輛荷載；2)工況Ⅱ。校核工況,臨水側(cè)高水位,已形成穩(wěn)定滲流,臨泥側(cè)未堆填污泥,堤身受車輛荷載和地震荷載。

參考《廣東省海堤設(shè)計導(dǎo)則(試行)》(DB44/T182-2004)及《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2002)等相關(guān)規(guī)范,隔堤正常工況下圓弧滑動穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.20;非常工況下圓弧滑動穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.05。

3.2 計算模型及參數(shù)

GeoStudio是加拿大GEO-SLOPE公司開發(fā)的一套功能強大、適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算的軟件,在地質(zhì)構(gòu)造、土木工程、采礦工程、巖土工程、地下水分析中得到了廣泛應(yīng)用。GeoStudio的一個突出優(yōu)點就是其所有軟件都可以在同一環(huán)境下運行,各模塊間可以聯(lián)合使用,分析結(jié)果可以互相調(diào)用。利用GeoStudio中SEEP/W(地下水滲流分析)模塊對堤身滲流進行分析,待SLOPE/W(邊坡穩(wěn)定性分析)模塊進行堤身穩(wěn)定分析時,導(dǎo)入SEEP/W模塊計算成果,即可得到相應(yīng)水位時堤身穩(wěn)定狀況。

巖土體的物理力學(xué)參數(shù)是模擬計算的關(guān)鍵,原狀土參數(shù)選用勘察資料成果,擠淤塊石和回填碎石參數(shù)選用同類工程的經(jīng)驗參數(shù),回填礫質(zhì)粘性土以及粘性土參數(shù)選用場區(qū)已建隔堤同類回填材料檢測結(jié)果。計算模型如圖2所示,計算參數(shù)如表1所示。

圖2 計算模型(以A1+280示意)

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)地勘資料,選取樁號A0+560、A0+960以及A1+280三個典型斷面進行分析,計算中發(fā)現(xiàn)：1)工況Ⅰ下(設(shè)計工況),堤身穩(wěn)定主要受堤身填料強度控制,由此可以確定填料類型以及相應(yīng)技術(shù)要求。2)工況Ⅱ下(校核工況),堤身穩(wěn)定主要受拋石擠淤處理深度控制,根據(jù)臨界安全條件要求(Fs≥1．05),反算出現(xiàn)場施工精度可控的最小處理深度,在保證安全可靠的前提下,做到經(jīng)濟合理。計算結(jié)果,詳見表2及圖3～圖8所示。計算斷面淤泥厚度/m處理深度/m安全系數(shù)Fs工況Ⅰ工況ⅡA0+5604．903．701．3351．069 A0+9604．504．001．2771．054 A1+2804．303．701．2351．052

圖3 A0+560斷面工況Ⅰ

圖4 A0+560斷面工況Ⅱ

圖5 A0+960斷面工況Ⅰ

圖6 A0+960斷面工況Ⅱ

圖7 A1+280斷面工況Ⅰ

圖8 A1+280斷面工況Ⅱ

4 質(zhì)量檢驗

4.1 檢測方法

拋石擠淤處理深度檢測方法有鉆孔探摸法、地質(zhì)雷達法、面波檢測法等多種方法,每種方法各有其適用條件和優(yōu)缺點,為了提高檢測精度,采用鉆孔探摸法和地質(zhì)雷達法聯(lián)合檢測,具體要求如下：1)地質(zhì)雷達法。按縱橫向布設(shè)檢測斷面,橫斷面測線間距80 m,共布設(shè)12條橫斷面掃描測線,測點間距0．5 m;縱斷面布設(shè)1條測線,位置為斷面正中,測點間距1．0 m。采用拉托維亞雷達系統(tǒng)公司生產(chǎn)的Zond-12e雙通道型地質(zhì)雷達測量系統(tǒng),共完成測點1 313點。2)鉆孔探摸法。按橫斷面布置鉆孔,斷面間距200 m,共布設(shè)4條斷面,考慮到驗證地質(zhì)雷達法的需要,盡量與地質(zhì)雷達斷面重合,每斷面3個鉆孔,分別位于斷面正中、左右兩側(cè)距中線1/4寬度處。采用北京探礦機械廠生產(chǎn)的XY-1型液壓百米鉆機,靜壓及回轉(zhuǎn)方式鉆進,共鉆孔12個。

4.2 檢測結(jié)果

檢測結(jié)果如表3(橫斷面)、表4所示。

表3 地質(zhì)雷達檢測結(jié)果統(tǒng)計

表4 鉆孔探摸法檢測結(jié)果統(tǒng)計

從表3、表4結(jié)果可知：1)相同斷面,鉆孔探摸法檢測結(jié)果略大于地質(zhì)雷達法,差值約為5%,說明兩種方法檢測結(jié)果相近,可互為驗證。2)地質(zhì)雷達法縱、橫斷面拋石厚度平均值分別為4.22 m和4.08 m,鉆孔探摸法拋石厚度平均值為4.36 m,均符合設(shè)計要求,說明設(shè)計方法可行。3)沉入淤泥內(nèi)部拋填體斷面形態(tài)類倒梯形,中部厚兩側(cè)相對較薄,主要由于拋填體中部為施工車輛主要通道,但拋填體沉入深度計算中未完全考慮該部分荷載,導(dǎo)致最終沉入深度略大于計算值；兩側(cè)拋填體受施工車輛荷載影響較小,加之兩側(cè)壅起淤泥影響,兩側(cè)拋填體下沉阻力較中部大,導(dǎo)致沉入深度小于中部。

5 結(jié)語

本文結(jié)合深圳市河道污泥福永處理場二期工程實例,通過分析工程特點,明確影響拋石擠淤處理深度的主要因素是隔堤穩(wěn)定性,利用數(shù)值計算方法對各工況下的隔堤穩(wěn)定性進行了分析,得到了滿足工程要求的最小處理深度,在保證安全可靠地前提下,做到了經(jīng)濟合理,避免了依靠經(jīng)驗設(shè)計的諸多缺點。檢測結(jié)果表明,拋填體斷面形態(tài)及擠淤深度受施工方法影響很大,應(yīng)保證堆載高度以及上部荷載的大小,在拋填體兼做施工便道的情況下,通常中部拋填體處理深度會略大于設(shè)計要求,但兩側(cè)拋填體受壅起淤泥的影響,下沉阻力增加,處理深度可能不及設(shè)計要求,施工時應(yīng)及時清理兩側(cè)壅起淤泥。

[1]JTG D30-2004,公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JTG F10-2006,公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]SL 260-98,堤防工程施工規(guī)范[S].

[4]楊光煦.壓載擠淤研究[J].巖土工程學(xué)報,1992,14(2):72-76.

[5]余海忠,劉國楠,徐玉勝,等.拋石擠淤成堤斷面形態(tài)研究[J].中國鐵道科學(xué),2011,32(3):1-7.

[6]龔曉南.地基處理手冊[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

Analysis on Depth Design and Construction Control of Riprapping Extrusion Sludge

LIU Hailin,ZENG Chunming
(Shenzhen Branch of China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518032,China)

Extrusion depth is an important quality control parameter of riprapping extrusion sludge reinforcement.Based on engineering practice,this paper first makes an analysis on the mechanism of riprapping extrusion sludge reinforcement,and then establishes finite element calculation model for riprapping extrusion depth according to the project characteristic to confirm the depth that meet the project requirement.Finally,it is analyzed through detection result that this design method of extrusion sludge is reasonable and summarizes the control point of on-site construction to provide reference for other similar projects.

riprapping extrusion sludge;extrusion depth;finite element;calculation model;detection result

U416.1

B

1004-4345(2014)03-0007-04

2014-03-06

劉海林(1983—),男,主要從事巖土工程設(shè)計與研究工作。