一種適用于大面積淤泥包的充填砂被工作墊層

楊茯苓 ，鮑樹峰 ，余東華 ，鄭廣

（1.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；4.中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

0 引言

新近吹填淤泥上進(jìn)行真空預(yù)壓相關(guān)工序施工時，工作墊層起到了承上啟下的重要作用。新近吹填淤泥含水率高，工程特性極差，地基承載力幾乎為0[1]。該類地基上進(jìn)行水力吹填砂墊層施工過程中往往因吹填管口處砂水混合流體的沖擊力不均勻而出現(xiàn)擠淤、拱淤現(xiàn)象，最終導(dǎo)致整個吹填區(qū)域范圍內(nèi)形成許多大面積淤泥包。對于面積較?。ǎ?00 m2）的淤泥包而言，其處理方法一般是先鋪設(shè)土工布，再鋪設(shè)土工格柵或竹柵，然后采用鉤機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)、推土機(jī)推砂等方式補(bǔ)填砂料，這種常規(guī)處理方法基本能達(dá)到預(yù)期效果。然而，對于大面積淤泥包而言，常規(guī)處理方法往往會加劇淤泥包的嚴(yán)重程度，且最終不能較好地解決問題。

本文提出了一種適用于大面積淤泥包的充填砂被工作墊層，簡要闡述其工作機(jī)理，依托廣州港南沙港區(qū)三期工程疏浚吹填及軟基處理工程II區(qū)工程進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 砂被工作墊層及其工作機(jī)理

水工行業(yè)廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)大型砂被是指用上下兩層高強(qiáng)度、透水性良好的土工布按設(shè)計長寬縫制成大型砂袋，在上下兩層土工布之間按設(shè)計長寬設(shè)置若干個具有一定高度的隔倉，且在各隔倉的上層土工布表面上按設(shè)計間距設(shè)置若干個具有一定長度的充填袖口；用高壓水槍將充填砂料沖攪成滿足設(shè)計濃度的砂漿，并通過泥漿泵按對稱充填的方式輸送進(jìn)砂袋內(nèi)，以確保最佳的充盈率；然后靜置一段時間使砂漿中的水分通過砂袋的孔隙自然排出而形成整體密實(shí)的結(jié)構(gòu)體[2-3]。

大面積淤泥包承載力極低、甚至為0，無法滿足地基處理施工機(jī)械安全施工的要求。相對于上述傳統(tǒng)大型砂被而言，大面積淤泥包上的砂被工作墊層無須設(shè)置隔艙，主要工作機(jī)理為：

1）應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)。荷載面積下的砂被使上覆荷載在傳遞過程中被擴(kuò)散到較大的軟土面積上。

2）表層封閉效應(yīng)。當(dāng)上覆荷載作用于砂被表面時，砂被發(fā)生下沉變形，而其下臥流塑狀的土體則向周圍發(fā)生擠出變形并同時向上發(fā)生隆起變形。由于砂被的表面約束作用，使得下臥土體體積只能受到壓縮，從而限制了下臥土體發(fā)生較大的擠出變形及隆起變形。此時，下臥土體具有雙重身分，既表現(xiàn)為體積相對可壓縮的變形體，又表現(xiàn)為體積相對不可壓縮的液體，從而改變了下臥土體中的應(yīng)力分布，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的水平壓力及豎向壓力，使下臥土體需要較大的荷載才能發(fā)生滑動破壞（剪切破壞）。簡而言之，荷載面積以外的砂被起到了表層封閉作用。

因此，這種砂被工作墊層具有厚度均勻、整體強(qiáng)度高（承載力高）、整體性強(qiáng)、保土性能好、能適應(yīng)地基變形等特點(diǎn)，鋪設(shè)在大面積淤泥包上能最大程度地避免下臥土體發(fā)生整體滑動破壞。

2 依托工程概況

廣州港南沙港區(qū)三期工程疏浚吹填及軟基處理Ⅱ區(qū)工程港區(qū)陸域是在原有珠江口水域之中淤積的灘涂地基上吹填淤泥形成的，上部為呈流動狀的新近吹填淤泥，下部為深厚原狀軟土，主要為流泥、淤泥及淤泥質(zhì)黏土等[4]。根據(jù)該工程的圍堰工程設(shè)計，I區(qū)吹填排水口布設(shè)于I區(qū)與II區(qū)的交界圍堰中間處，另外，I區(qū)施工時在交界圍堰處新增了排水口（圖1），這共同導(dǎo)致了I區(qū)吹填淤泥、流泥以及尾水大量涌入II區(qū)吹填區(qū)域內(nèi)，特別是II區(qū)西北角區(qū)域上部的吹填淤泥層厚度高達(dá)7～9 m，如圖1陰影部分所示的D19—D21區(qū)，面積約10萬m2。

圖1 吹填淤泥影響區(qū)域Fig.1 Influence region of hydraulic reclamation silt

II區(qū)西北角區(qū)域周圍沒有可供車載運(yùn)輸?shù)呐R時道路，該范圍內(nèi)的砂墊層必須采取水力吹填的施工方式形成。另外，該區(qū)域的吹填距離較遠(yuǎn)（約為1.5 km），為了避免吹填施工過程中吹填管路發(fā)生嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象，必須采用較大的泵送壓力進(jìn)行吹填施工。

由于II區(qū)西北角區(qū)域上部的吹填淤泥層的承載力非常低，因此，過大的泵送壓力致使在吹填砂墊層的過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻性現(xiàn)象，從而使場地內(nèi)出現(xiàn)大面積拱淤、編織土工布土工格柵大面積破裂等異?，F(xiàn)象，最終形成多個大面積淤泥包。

淤泥包分布情況如圖2所示，最大的淤泥包面積1 166 m2，其它各淤泥包區(qū)域的面積為460～740 m2。

圖2 砂墊層異常區(qū)域位置分布圖Fig.2 Distribution map of abnormal region of sand cushion

3 砂被工作墊層充填施工工藝流程

根據(jù)砂被工作墊層的工作機(jī)理，其充填施工方案的斷面圖如圖3所示。

圖3 砂被工作墊層充填施工方案斷面圖Fig.3 Section map of filling construction scheme for sand quilt working cushion

砂被工作墊層施工流程概括如下：

1）在淤泥包表面鋪設(shè)1層200 g/m2編織土工布。鋪設(shè)范圍為在淤泥包范圍的基礎(chǔ)上往周圍外擴(kuò)3～5 m，各幅編織土工布的接縫處采用包縫形式縫接。

2）在編織土工布上面鋪設(shè)1層竹柵墊層。竹柵墊層的鋪設(shè)范圍與編織土工布的鋪設(shè)范圍相同；竹柵綁扎間距為0.6 m×0.6 m，搭接長度不小于1.0 m；通過細(xì)鐵絲將底層編織布與竹柵墊層綁接，每3.0 m綁一道。

3）在竹柵墊層上鋪設(shè)1層充填袋體。鋪設(shè)范圍為在竹柵墊層范圍的基礎(chǔ)上往周圍外擴(kuò)1～2 m，以避免充填施工過程中竹柵端部出現(xiàn)嚴(yán)重翹起現(xiàn)象。充填施工過程中，須通過人工不斷踩踏的方式以增大充填砂料的流動范圍，并且需要及時移動吹填管口從四周往中間充填以確保充填厚度的均勻性。充填袋體的充填厚度控制在0.6～1.0 m的范圍內(nèi)。

4）預(yù)先挖好排水溝以促進(jìn)充填施工過程中的排水，從而避免場地出現(xiàn)嚴(yán)重積水現(xiàn)象。

4 施工技術(shù)控制要點(diǎn)

施工技術(shù)控制要點(diǎn)包括材料質(zhì)量、充填工藝和過程管理三方面。相對而言，充填工藝方面為關(guān)鍵控制要點(diǎn)。由于吹填距離較遠(yuǎn)（約1.5 km）、吹填管線較長，為避免吹填管線在施工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象，采取2條泵船同時進(jìn)行泵送的方式吹填砂料，以確保足夠的泵送壓力。另外，吹填管線管徑的大小也直接影響吹填施工的成效，因此，通過在吹填管路中間增設(shè)三叉接頭的方法，將管徑為40 cm的吹填管路分流成2條管徑為20 cm的軟管進(jìn)行充填砂袋施工，以避免充填施工過程中因泵送壓力過大而導(dǎo)致的吹填管口附近出現(xiàn)編織布格柵撕裂、砂料嚴(yán)重堆積等現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響充填的均勻性。

針對上述三方面要點(diǎn)制定了相應(yīng)的對策措施，如表1所示。

表1 對策措施及其技術(shù)控制要點(diǎn)Table 1 Countermeasures and key points of technical control

5 砂被工作墊層鋪設(shè)后效果

在砂被工作墊層鋪設(shè)之前，大面積淤泥包上無法安全行走施工機(jī)械，砂被工作墊層鋪設(shè)后情況如圖4所示，砂被工作墊層厚度均勻、整體性強(qiáng)、保土性能好、能適應(yīng)下臥土層變形，承載力可以滿足插板機(jī)安全施工的要求。

圖4 插板機(jī)在砂被工作墊層上正常施工Fig.4 The plate-plugged machine worked normally on the sand quilt working cushion

6 結(jié)語

針對大面積淤泥包上無法滿足施工機(jī)械安全施工要求的難題，本文深入分析了砂被工作墊層的工作機(jī)理，依托現(xiàn)場實(shí)際工程對砂被工作墊層進(jìn)行了成功拓展應(yīng)用。結(jié)論如下：

1）大面積淤泥包上砂被工作墊層的工作機(jī)理主要體現(xiàn)在兩方面：①應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)。荷載面積下的砂被使上覆荷載在傳遞過程中被擴(kuò)散到較大的軟土面積上；②表層封閉效應(yīng)。荷載面積以外的砂被起到了表層封閉作用。

2）砂被工作墊層的施工技術(shù)控制要點(diǎn)包括材料質(zhì)量、充填工藝和過程管理三方面。相對而言，充填工藝方面為關(guān)鍵控制要點(diǎn)。合理地設(shè)計充填工藝，能有效避免吹填管口附近出現(xiàn)編織布格柵撕裂、砂料嚴(yán)重堆積等導(dǎo)致嚴(yán)重影響充填均勻性的現(xiàn)象。

3）本文提出的砂被工作墊層具有厚度均勻、整體強(qiáng)度高（承載力高）、整體性強(qiáng)、保土性能好、能適應(yīng)下臥土變形等特點(diǎn)，鋪設(shè)在大面積淤泥包上能最大程度地避免下臥土體發(fā)生整體滑動破壞，可在類似工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。