唐山堿渣場蒸發(fā)池項目軟基處理

莊 崗，董 鋼，付庭玉

(1.海南省水利水電勘測設(shè)計研究院，海南 ?？?570100；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230000)

1 工程概況

唐山三友堿渣綜合利用蒸發(fā)池項目位于河北省唐山市，為平地型尾礦庫，項目占地約3000畝，分為1#、2#兩個蒸發(fā)池。本工程旨在緩解現(xiàn)有堿渣場的庫容壓力，進一步提高企業(yè)生產(chǎn)能力。

工程壩體總長為5763m，設(shè)計壩頂高程26.00m，最大壩高24m，壩頂寬度為10m，分五期進行填筑。壩體總占地寬度為129.55m，有效庫容為3348.48萬m3。

地基土共劃分為7個工程地質(zhì)層，自上而下分別為①素填土②粉質(zhì)粘土③粉砂④粉質(zhì)粘土⑤粉質(zhì)粘土⑥粉砂及⑦粉質(zhì)粘土。其中第②、④均為軟粘土，埋藏深、厚度大、強度低、壓縮性高，標貫擊數(shù)僅為3擊左右。加之工程所在場地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，屬設(shè)計地震第一組。

基于上述情況，要求蒸發(fā)池最大壩高達到24m，容易發(fā)生強烈的不均勻下沉，可能因滑動變形造成地基或邊坡失穩(wěn)，引發(fā)嚴重的環(huán)境污染和安全事故。因此如何合理選擇壩基處理方案，確保壩基及壩體邊坡穩(wěn)定，直接關(guān)系工程安全及投資。有效地進行地基處理是本工程關(guān)鍵。

2 地基處理方案的確定

本工程壩基主要為淤泥質(zhì)粘土，呈軟塑到流塑狀態(tài)，抗剪強度低，壓縮性大，透水性小，靈敏度高，埋深超過8m。結(jié)合相關(guān)工程地基處理經(jīng)驗，可供考慮的地基處理方案主要有下述7種。

2.1 開挖換填

該方案施工難度小，對于埋深較淺、層厚較小的軟弱地層處理是較為有效的處理方案。對于本工程開挖及換填量過大，將產(chǎn)生較大的工程投資并帶來極大的施工難度。

2.2 砂井預壓

該方法是由砂井及其頂部的砂墊層構(gòu)成的排水系統(tǒng)和臨時荷載加壓系統(tǒng)組成，一般適用于軟土層接近建基面或埋藏較淺的地基，否則會因預壓面積過大或砂井埋藏較深增加地基處理費用[2]，且該地基處理方法的排水固結(jié)周期長。

2.3 振沖碎石樁

適用于松散的砂性土地基，可有效解決軟弱地基沙土液化、承載力及抗剪強度等問題，單對于軟粘土地基的改善效果不及砂土顯著。在本工程地基中，除含有粉砂層外，主要軟弱層為淤泥質(zhì)軟弱粘土層，且采用振沖碎石樁普遍樁徑較大，工程投資大。

2.4 反壓平臺

該方法能有效地控制壩坡的滑移，阻止裂縫的擴展，并通過竣工后對壩體的持續(xù)監(jiān)測，驗證了反壓平臺法治理壩體滑坡是非常有效的。但考慮反壓平臺占地規(guī)模大，會大幅降低有效庫容，且反壓平臺土方工程量大，投資也較大，同時由于反壓平臺未進行基礎(chǔ)處理，會導致壩體沉降量大。

2.5 強夯法

一種常用的地基處理方法，廣泛應(yīng)用于砂礫土、砂土、粘性土和低飽和粉土中。朱峰結(jié)合汾河太原城區(qū)段治理工程介紹了強夯法在粉土、粉細砂等地層上處理成果，各建筑物沉降在允許范圍內(nèi)，且顯著節(jié)省地基處理成本[6]。然而，對于高含水量、大孔隙比、低滲透、低強度的軟土地基，強夯法會導致土體中形成超孔隙水壓力，這對工程安全是不利的。在壓實條件下，超孔隙水壓力很難及時消散，會導致土體的抗剪強度損失[7]。同時本工程軟弱粘土層基礎(chǔ)埋藏較深，采用強夯法會極大增加工程投資。

2.6 竹網(wǎng)堆載管井排水法

此方法加固軟土地基采用間距0.5m的竹網(wǎng)、鋪設(shè)1.0m厚砂墊層對吹填超軟土進行表層處理，形成施工工作面。該方法通常只適用于埋藏較淺的軟土層地基處理，本工程軟弱地基埋藏深度超過8m，采用該方法進行處理可行性不大。

2.7 水泥攪拌樁(噴粉法)

深層攪拌法加固地基方法的一種形式，一般適用于15m以內(nèi)軟土地基處理，水泥和軟土通過攪拌混合，水泥吸收周圍土層的水分而發(fā)生相應(yīng)物理化學反應(yīng)，使軟土硬結(jié)，形成足夠強度和穩(wěn)定性的復合地基整體[9]。本工程采用粉噴樁除可有效提高復合地基強度、控制壩體沉降外，地基處理還可以采用分期施工，大幅降低前期投資規(guī)模。

綜合分析比較以上地基處理方法，充分考慮工程安全、施工難易程度、工程投資和優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)等因素，本工程最終采用水泥粉噴樁進行地基處理。

3 地基處理方案設(shè)計

本工程壩基處理主要解決下游壩坡穩(wěn)定和壩基

沉降問題。設(shè)計粉噴樁樁徑為0.6m，正三角形布置，水泥摻量為15%，設(shè)計深度至③層粉砂層底部高程-9.0m處。

根據(jù)壩坡抗滑穩(wěn)定分析，庫內(nèi)側(cè)由于充填堿渣壓載壩坡及壩基，上游壩坡抗滑穩(wěn)定相對較易滿足。而下游壩坡外側(cè)為臨空面，因此壩體下游時本工程抗滑穩(wěn)定的控制位置，根據(jù)壩坡穩(wěn)定分析以及對分析成果的不斷優(yōu)化，本次設(shè)計壩基粉噴樁采用“上游側(cè)疏、下游側(cè)密”的分區(qū)布置方案，進而減少工程投資。

同時針對不同部位、不同施工期采用不同的樁間距。一期樁從上游基坑坡頂線至壩腳6.0m范圍內(nèi)設(shè)置4排粉噴樁，樁間距2.0m；二期樁從壩體上游至下游壩腳106.5m范圍內(nèi)布置粉噴樁，其中上游42m、下游24m范圍內(nèi)樁間距為2m；中間40.5m范圍內(nèi)樁間距為1.5m。另在蒸發(fā)池內(nèi)部及壩坡迎水側(cè)設(shè)置HDPE防滲土工膜及粘土覆蓋層，降低壩體浸潤線，進一步提高壩體及壩坡穩(wěn)定。最終地基處理型式如圖1所示。

4 壩體穩(wěn)定分析及沉降計算

4.1 計算方法與程序

本次壩體抗滑穩(wěn)定計算采用二維穩(wěn)定滲流有限元法，計算分析軟件采用“AUTOBANK-水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)”(以下簡稱“AUTOBANK”)及“STABLE邊坡穩(wěn)定分析程序”(以下簡稱“STABLE”)，互為印證進行計算分析。兩種程序均采用最優(yōu)化法主動搜索最小安全系數(shù)和相應(yīng)的臨界滑裂面。

4.2 計算方案與條件

計算采用文獻[12]推薦的方法與條件，邊坡穩(wěn)定允許的最小安全系數(shù)參照文獻[13]要求確定，計算滑裂面采用圓弧滑裂面。工程等別為4等，大壩等主要建筑物為4級，各工況對應(yīng)的邊坡允許的最小安全系數(shù)見表1。

圖1 地基處理斷面圖

計算條件計算方案允許最小安全系數(shù)正常運行正常運行期水位24.50的穩(wěn)定滲流期1.25洪水運行洪水運行期水位25.50的穩(wěn)定滲流期1.15特殊運行正常運行期遇8級地震(0.20g)1.10

4.3 計算方法、參數(shù)與條件

在不斷優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)斷面和壩基處理型式的基礎(chǔ)上，對壩體正常運行期、特殊運行期等可能最不利工況下壩坡穩(wěn)定進行計算分析。

在工程實踐中，粉噴樁主要用于增強地基承載力，同時提高基礎(chǔ)的抗滑穩(wěn)定性，計算考慮其對提高壩體整體抗滑穩(wěn)定性的作用。加固區(qū)土體形成復合地基，采用面積比法[11]計算復合地基強度指標。

4.3.1 復核地基強度計算方法

復合地基強度指標Cc、φc分別按下式計算：

Cc=Cs(1-m)+mCp

(1)

tgφc=tgφs(1-m)+tgφpm

(2)

式中，Cs，Cp—樁間土和樁體的凝聚力，kPa；φs，φp—樁間土和樁體的內(nèi)摩擦角；m—攪拌樁面積置換率。

4.3.2 不同樁徑對應(yīng)的置換率計算

復合地基中，一根樁和它所承擔的樁間土體為一復合土體單元。在此復合土體單元中，樁的斷面面積與復合土體單元面積之比，稱為面積置換率。根據(jù)文獻[14]相關(guān)規(guī)定，可按照如下方法計算面積置換率：

m=d2/(s·de)2

(3)

式中，m—樁土面積置換率；d—樁身平均直徑，m；de—1根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑。等邊三角形布樁de=1.05s；正方形布樁de=1.13s；矩形布樁de=1.13(s1｀s2)/2(s為樁間距)。

以等邊三角形布樁；不同樁徑、樁間距和排數(shù)下的置換率計算結(jié)果見表2。

表2 不同樁徑、樁間距和排數(shù)下的置換率計算結(jié)果

注：根據(jù)規(guī)范要求，樁間距宜取為2.0～3.0倍樁徑

4.3.3 不同樁徑下的復合地基強度計算結(jié)果

壩基中普遍存在一層淤泥質(zhì)粘土，呈現(xiàn)軟塑狀，根據(jù)試驗結(jié)果并對比以往工程經(jīng)驗，其強度可取為C=15.0kPa，Φ=10°。此外，根據(jù)有關(guān)資料攪拌樁的凝聚力Cp約120kPa，Φp=34°。

在實際計算分析過程中，充分考慮成樁條件，水泥粉噴樁徑為0.6m時，將樁間距2.0m復合地基強度取為：黏聚力C=30kPa，內(nèi)摩擦角Φ=11°；將樁間距1.5m復合地基強度取為：黏聚力C=40kPa，內(nèi)摩擦角Φ=13°。

4.3.4 主要計算參數(shù)選取

設(shè)計一期、二期壩體為粘土填筑，三期至五期為堿渣、粘土和粉煤灰等拌合料，計算分析采用的主要參數(shù)見表3。

表3 主要地層及參數(shù)指標取值

4.3.5 壩體穩(wěn)定分析

壩坡穩(wěn)定分析選取經(jīng)過多次計算比選最終優(yōu)化后的地基處理方式和壩體典型斷面，在邊坡穩(wěn)定計算過程中，壩體浸潤線主要依據(jù)壩體防滲穩(wěn)定計算獲得。其中AUTOBANK計算結(jié)果如圖2—4所示，STABLE計算結(jié)果如圖5—7所示。

圖2 正常運行工況穩(wěn)定計算圖

圖3 洪水運行工況穩(wěn)定計算圖

圖4 地震運行工況穩(wěn)定計算圖

圖5 正常運行工況穩(wěn)定計算圖

圖6 洪水運行工況穩(wěn)定計算圖

圖7 地震運行工況穩(wěn)定計算圖

經(jīng)計算，三種工況下兩種軟件壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 土層物理力學性質(zhì)統(tǒng)計表

從表4可以看出，對比分析兩種軟件計算結(jié)果，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值均大于允許值，進一步說明該地基處理形式滿足壩坡穩(wěn)定要求。

4.3.6 壩體沉降計算

沉降計算采用分層總和法，附加應(yīng)力的計算采用文獻[12]E.2.4推薦方法1進行計算。地基土層物理力學性質(zhì)見表5。

表5 土層物理力學性質(zhì)統(tǒng)計表

由于⑤粉砂層埋藏較深，透水性較好，壓縮模量較大，其壓縮量可忽略不計，故本次計算至④粉質(zhì)粘土底面。經(jīng)計算，最終壩體最大沉降0.36m，壩基最大沉降1.96m，大壩最大總沉降量為2.32m，小于總壩高的10%。

5 結(jié)語

(1)通過合理選定粉噴樁樁徑、樁間距及水泥摻量等參數(shù)，可以在復雜地質(zhì)工程條件下對軟弱地基進行大面積、中等深度有效處理。本文處理方法可供類似工程借鑒和參考。

(2)在應(yīng)用水泥粉噴樁對軟弱地基進行處理前，應(yīng)通過勘探試驗查明軟弱地層空間分布、物理力學特性等，綜合分析各種地基處理方法，通過論證指定行之有效的處理方法。

(3)水泥粉噴樁在設(shè)計階段，應(yīng)進行試樁試驗，避免由于地質(zhì)報告提供的數(shù)值偏于保守而增加樁數(shù)，最終合理選定樁型及樁體物理力學參數(shù)。

(4)在國外某些工程中有采用礦渣水泥土樁進行軟基處理的工程實例，可參閱文獻[15]，或能應(yīng)用于與本工程類似的軟弱地基處理中，其具體應(yīng)用有待行業(yè)工作者共同探索。由于受知識水平所限，本文所述不完善之處歡迎批評指正。