拋砂擠淤工程中擠淤深度的計(jì)算方法研究

盧曉東，李曉舟，詹田進(jìn)

(中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120)

引言

對于在深厚淤泥地層上的筑堤工程，拋石擠淤是常用的地基處理方法，對于拋石擠淤的相關(guān)研究也比較多。楊光煦研究得出了壓載擠淤計(jì)算公式[1]（下稱文獻(xiàn)公式1）；閆澍旺等人基于倒梯形截面假設(shè)推導(dǎo)了拋石擠淤公式2（下稱文獻(xiàn)公式2）和基于矩形截面假設(shè)推導(dǎo)的拋石擠淤公式3（下稱文獻(xiàn)公式3）[2]；林本義等人用驗(yàn)算地基穩(wěn)定的方法提出了只要淤泥軟弱，填石（土）也能對20 m 厚淤泥進(jìn)行擠淤置換[3]。對于缺少石頭的地區(qū)，采用拋砂替代拋石進(jìn)行擠淤是一項(xiàng)新的軟弱地基處理技術(shù)，其研究和應(yīng)用目前還很少。拋砂擠淤技術(shù)作用原理主要是依靠拋填砂自身的重量及拋填時(shí)的沖擊力，使下層軟弱地基土穩(wěn)定性遭到破壞后被強(qiáng)制擠出，達(dá)到置換地基軟土的目的。

1 工程概況

本文研究的依托工程位于馬來西亞新山，工程造地面積約66 萬m2（不含內(nèi)湖），造地高程為 +3.0 m，成陸采用建設(shè)圍堤后吹填的方法，外側(cè)圍堤總長約3 200 m，內(nèi)側(cè)圍堤長約860 m。圍堤區(qū)域下部存在約9.6 m 厚的淤泥，承載力很低（淤泥性質(zhì)參數(shù)見表1）筑堤前必須進(jìn)行地基處理。考慮到馬來西亞砂料較多而石頭較缺，因此設(shè)計(jì)采用拋砂擠淤的新方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拋石擠淤。為了更好地研究拋砂擠淤的機(jī)理，評價(jià)擠淤效果，在圍堤西南角設(shè)置了試驗(yàn)段，按照施工順序?qū)υ囼?yàn)段斷面的土層分布變化情況進(jìn)行了跟蹤觀測[5]。

表1 淤泥性質(zhì)參數(shù)

項(xiàng)目自2017 年3 月份開始施工，至2019 年10月基本完工。試驗(yàn)段典型研究斷面為REV0+310，該斷面自2018 年2 月份開始施工，3 月份基本出水達(dá)到3 m 設(shè)計(jì)高程，砂堤拋填過程逐月統(tǒng)計(jì)見表2，根據(jù)監(jiān)測資料繪制的地形變化見圖1。

圖1 試驗(yàn)斷面0+310 拋砂過程地形斷面

表2 砂堤拋填過程逐月統(tǒng)計(jì)（REV0+310）

2 施工前后地質(zhì)情況

根據(jù)工前地勘資料，S13 為堤前2017 年4 月工前鉆孔，鉆孔資料顯示上部淤泥層厚約9.6 m，淤泥層下部為土質(zhì)較好的細(xì)砂層。2018 年4 月拋砂后再次進(jìn)行試驗(yàn)段的鉆孔檢測，鉆孔位置為圖2 中的P2、P3、P4，其中P2、P3 淤泥基本被砂擠掉，P4基本不受砂體影響，仍為原狀土，鉆孔剖面如圖3所示。

圖2 鉆孔平面布置

圖3 試驗(yàn)段P2、P3、P4 鉆孔檢測剖面

3 拋砂擠淤計(jì)算公式研究

3.1 計(jì)算公式

楊光煦研究得出的壓載擠淤計(jì)算公式[1]（下稱文獻(xiàn)公式1）如下，其運(yùn)用土體極限平衡分析方法推導(dǎo)，計(jì)算示意如圖4。

圖4 壓載擠淤計(jì)算示意

文獻(xiàn)公式1 適用于整體擠淤且填筑體底寬施工期應(yīng)滿足下式：

其中填筑體總高度H、擠淤深度D、填筑體高出原淤泥面厚度h有以下關(guān)系（下稱拋砂高度公式）：

式中：t為淤泥深度（m）；B為填筑體寬度（m）；γs為淤泥容重（kN/m3）；γ為填筑體容重（kN/m3）；φ為填筑體內(nèi)摩擦角；Cu為淤泥不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；H為填筑體厚度（m）；D為擠淤深度（m）；h為填筑體高出原淤泥面厚度（m）；L 為填筑體底寬。

閆澍旺等人推導(dǎo)的拋石擠淤公式[2]（下稱文獻(xiàn)公式2、公式3）如下：

文獻(xiàn)公式2（倒梯形截面假設(shè)）：

文獻(xiàn)公式2 適用于拋石下沉深度較小的情況。

文獻(xiàn)公式3（矩形截面假設(shè)）：

式中：B為填筑體寬度（m）；γs為淤泥容重（kN/m3）；γ為填筑體容重（kN/m3）；Cu為淤泥不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；H為填筑體厚度（m）；D為擠淤深度（m）。

文獻(xiàn)公式3 適用于拋石下沉深度較大的情況，并忽略泥面上碎石滑落所形成的坡度。

3.2 計(jì)算結(jié)果以及分析討論

擠淤深度的計(jì)算淤泥容重γs取為12.8 kN/m3，淤泥不排水抗剪強(qiáng)度Cu取為4 kPa，拋砂體容重γ取為18 kN/m3。

將拋砂高度公式（4）和試驗(yàn)斷面REV0+310拋砂過程（2018.4～2018.5）的高度及寬度數(shù)據(jù)（表1）分別代入上文中的3 個(gè)文獻(xiàn)公式計(jì)算，并繪制圖表，求出曲線交點(diǎn)，交點(diǎn)即為方程的解[4]，計(jì)算結(jié)果見圖5～7 以及表3。

圖5 擠淤深度計(jì)算結(jié)果（B=10 m，h=10.3 m）

圖6 擠淤深度計(jì)算結(jié)果（B=20 m，h=12.3 m）

圖7 擠淤深度計(jì)算結(jié)果（B=82.6 m，h=12.5 m）

表3 試驗(yàn)斷面文獻(xiàn)公式計(jì)算結(jié)果（0+310）

上表中“*”標(biāo)識(shí)的實(shí)際擠淤深度數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際用砂量按梯形截面等效計(jì)算，如圖8。

圖8 試驗(yàn)斷面REV0+310 計(jì)算示意

從圖5～7 和表3 中可以看出，文獻(xiàn)公式2、文獻(xiàn)公示3 與拋砂高度公式的交點(diǎn)與實(shí)際值差異較大，明顯不適用。由表3 可知文獻(xiàn)公式1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際接近，誤差最大為11.8 %，在可接受范圍內(nèi)。2018 年4 月砂體已經(jīng)著底，擠淤深度達(dá)到最大值9.6 m，2018 年5 月拋砂高度不變，大幅增加砂體寬度，擠淤深度計(jì)算結(jié)果增加不明顯，也與事實(shí)相符，由此可推測應(yīng)用于拋石擠淤的文獻(xiàn)公式1 也適用于拋砂擠淤的計(jì)算。

對于以上計(jì)算結(jié)果及公式適用性結(jié)論，筆者的分析如下：文獻(xiàn)公式1 與文獻(xiàn)公式2 在形式上很相似，是由于其基于相同的推導(dǎo)原理：當(dāng)淤泥中填筑體壓力大于淤泥極限承載能力時(shí)，淤泥產(chǎn)生整體滑移破壞，兩側(cè)淤泥隆起，填筑體下沉，直到達(dá)到新的極限平衡狀態(tài)。

不同的是：在文獻(xiàn)公式1 的推導(dǎo)中考慮隆起淤泥對填筑體產(chǎn)生較大阻滑力和上托力；而文獻(xiàn)公式2 中隆起淤泥阻滑作用則考慮一定折減（公式推導(dǎo)過程見閆澍旺等人的《拋石擠淤深度的計(jì)算方法和模型試驗(yàn)》），且增大填筑體產(chǎn)生的滑動(dòng)作用，故文獻(xiàn)公式2 的計(jì)算的擠淤效果總好于文獻(xiàn)公式1。在拋石擠淤時(shí)，填筑體粒徑、重度、擠淤深度等對擠淤效果有著重大影響，當(dāng)填筑體粒徑較小、重度較小時(shí)應(yīng)考慮增大隆起淤泥的阻滑作用和上托作用，適當(dāng)減小填筑體的滑動(dòng)作用；當(dāng)填筑體粒徑越大、重度越大，阻滑、上托作用需考慮折減，并增大填筑體的滑動(dòng)作用。本次工程填筑體材料是砂，砂的粒徑小，重度較小，故計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮增大阻滑、上托作用，減小砂體產(chǎn)生的滑動(dòng)作用，條件符合文獻(xiàn)公式1。

文獻(xiàn)公式1 有計(jì)算條件要求，見式（3）。整體擠淤時(shí)，填筑體與淤泥需要滿足一定接觸長度，使得填筑體能懸浮于淤泥中且不增寬，不解體。根據(jù)（3）式L 應(yīng)大于131 m，實(shí)際施工時(shí)底寬為 81.2 m，小于L。但拋砂擠淤時(shí)砂會(huì)混入泥中形成3～3.5 m 的泥沙混合層，會(huì)形成一定強(qiáng)度的“保護(hù)層”在一定程度上使得砂體不易解體，從地勘資料中也可以得到驗(yàn)證。

文獻(xiàn)公式3 基于截面為矩形的假設(shè)推導(dǎo)，砂的比重比塊石小，內(nèi)摩擦角小，加之砂更容易混入淤泥形成混合層，不能忽略其向兩側(cè)增寬產(chǎn)生的坡度，難以形成矩形截面，地勘資料也顯示截面近似倒梯形，如圖5 所示，由文獻(xiàn)公式3 計(jì)算的擠淤深度也將偏大。綜上所述，文獻(xiàn)公式1 適用于拋砂擠淤擠淤深度的計(jì)算。文獻(xiàn)公式1 計(jì)算值普遍大于實(shí)際值可能的原因如下：

1）可能與皮帶機(jī)船拋填工藝有關(guān)，皮帶機(jī)船施工時(shí)，拋填砂體會(huì)有一定的速度，對淤泥有沖擊作用，增加擠淤效果。

2）淤泥含水量大，基本成流塑狀態(tài)，粘性小，抗剪能力極差，極容易被砂擠出。

3）連續(xù)拋砂，砂體荷載持續(xù)增加，淤泥來不及排水固結(jié)，有利于擠淤。

4 結(jié)語

1）楊光煦的壓載擠淤公式（文獻(xiàn)公式1）同樣可用于拋砂擠淤深度值的計(jì)算。

2）閆澍旺等人的倒梯形截面、矩形截面拋石擠淤公式雖與楊光旭的壓載擠淤公式都基于整體滑移原理推導(dǎo)，但主要針對較大粒徑和重度的拋石填筑體，在對截面形狀、填筑體滑動(dòng)作用、淤泥阻滑作用的考慮上與拋砂填筑體不同，故不適用于拋砂擠淤深度值的計(jì)算。