淤泥質(zhì)地基堤防填筑施工控制技術(shù)研究

郭 軍 陸美凝 霍中元

（江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 金湖 211600）

0 引言

南水北調(diào)金湖站工程是南水北調(diào)東線一期工程的第2 梯級泵站，位于江蘇省金湖縣銀集鎮(zhèn)境內(nèi)三河攔河壩下的金寶航道輸水線上。泵站底板底面高程-3.35～-2.10 m，上游引河設(shè)計堤頂高程15.0 m，下游引河設(shè)計堤頂高程9.5 m，上、下游引河河底高程分別為4.5 m 和1.5 m。場地地面平均高程為6.5 m，下臥層包含過濕雜填土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含水率大，強度低，壓縮性高，嚴(yán)重制約了工程正常施工進(jìn)度，并影響工程后期安全運行。泵站淤泥質(zhì)土層主要分布在高程5.0 m～2.0 m 之間，所以淤泥質(zhì)土層施工控制技術(shù)是河道開挖和堤防填筑施工過程中的關(guān)鍵。

1 研究目的

在過濕軟土地基場地進(jìn)行挖填方施工存在工藝和技術(shù)兩大難題：其一是場地可進(jìn)入性差，限制了開挖機具和運輸機具作業(yè)；其二是軟基開挖坡體穩(wěn)定性差，施工進(jìn)度過快容易導(dǎo)致塌方。對于場地高地下水位的處理，最為常用的方法是進(jìn)行井點降水或預(yù)壓固結(jié)，前者適用于挖方工程，后者較適用于填方工程。選擇合理的降排水方案以提供良好的作業(yè)面是本技術(shù)研究順利開展的重要保障。軟基填方工程中，施工速率控制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分期加荷可階段性提高軟基土體的不排水強度，從而保證填方邊坡施工過程中的整體穩(wěn)定性。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基能夠顯著提高持力層豎向承載力，有效控制地基沉降，因而廣泛應(yīng)用于各種類型的軟土地基處理中。與一般建筑物軟基加固有所不同，堤防等軟基邊坡工程的加固處理的首要問題是提高邊坡整體抗滑穩(wěn)定性。由于攪拌樁復(fù)合地基發(fā)揮抗滑作用時樁體在軟土層中的懸臂效應(yīng)易引起彎折問題，從而使樁體抗滑能力受到限制。同時，攪拌樁施工過程中容易形成隨機分布的水平劣質(zhì)夾層致使部分樁體喪失水平抗力。因此，采用攪拌樁處理軟基邊坡，其抗滑穩(wěn)定的加固效果不甚理想。

針對本工程中存在的主要工程問題，提出了以下游堤防龍溝降水聯(lián)合堆載預(yù)壓挖填方施工技術(shù)和上游水泥土攪拌樁連拱抗滑墻與抗滑樁聯(lián)合應(yīng)用加固軟基技術(shù)為主體思路，解決下游引河堤防過濕場地挖填方施工控制和上游引河堤防邊坡穩(wěn)定問題。

1.1 下游堤防龍溝降水聯(lián)合堆載預(yù)壓挖填方施工技術(shù)

金湖站下游引河堤防總體特點是：淺挖低填，開挖面寬大。若采用強制機械式降水方案，一方面存在布置范圍廣、工程造價高、持續(xù)工期長等問題，不僅影響施工作業(yè)面，而且增加施工困難；另一方面，本工程下游堤防填筑因缺少優(yōu)質(zhì)土源，施工組織設(shè)計方案擬定采用淤泥質(zhì)土筑堤，將面臨挖填土方含水率控制以及填筑后整體堤防穩(wěn)定性分析等一系列問題。因此，提出采用龍溝降水聯(lián)合堆載預(yù)壓的施工技術(shù)研究，挖方施工實施分塊遞進(jìn)削坡以保障坡體穩(wěn)定性；堤身填筑碾壓控制在軟土地基強度逐步提高過程中分層分級施工，以達(dá)到通過龍溝降水提供良好的開挖作業(yè)面，并通過降水聯(lián)合堆載預(yù)壓提高軟基土體強度，從而保障堤身填筑主體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。

1.2 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻與抗滑樁聯(lián)合應(yīng)用加固軟基邊坡研究

本項目提出采用水泥土連拱抗滑墻構(gòu)造加固軟基邊坡的應(yīng)用與分析研究。連拱抗滑墻構(gòu)造主要是由沿滑動方向并排排列的水泥土攪拌樁抗滑墻和以墻端為拱腳的水泥土攪拌樁連拱墻兩部分構(gòu)成，抗滑墻墻端設(shè)置鋼筋混凝土抗滑樁以進(jìn)一步提高抗滑能力。拱墻作用在于承擔(dān)不平衡土壓力并將其傳遞到抗滑墻上；抗滑墻作用在于將大部分拱墻及墻間土傳遞來的水平推力轉(zhuǎn)移到下部硬土層和抗滑樁，抗滑墻須進(jìn)入硬土層足夠深度以保證其發(fā)揮抗滑作用?？梢?，連拱抗滑墻能夠充分發(fā)揮水泥土的抗壓能力和抗剪能力，同時該結(jié)構(gòu)型式水平截面的抗彎能力大，基本不存在彎折問題。由于結(jié)構(gòu)整體性好，即使單個樁體在施工過程中有隨機出現(xiàn)的劣質(zhì)層，也不會顯著削弱抗滑墻整體抗滑能力。拱墻作為嵌入地基中的結(jié)構(gòu)性拱不僅提供了更可靠的土壓力傳遞機制，而且增加了抗滑墻在布置上的靈活性。

2 主要研究內(nèi)容及研究方法

2.1 主要研究內(nèi)容

（1）筑堤土體基本室內(nèi)試驗

選取代表性施工場地地基土樣做土體基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗，主要進(jìn)行顆粒分析試驗、滲透試驗、液塑限試驗、強度試驗、固結(jié)試驗和擊實試驗等。

（2）上游引河堤防攪拌樁加固型式優(yōu)化及機理研究

考慮淤泥土質(zhì)特點、堤防設(shè)計要求、填筑工藝以及工期造價等因素，本項研究提出長墻連拱結(jié)合混凝土抗滑樁加固方案，能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)抗滑能力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化探討。

（3）現(xiàn)場試驗研究

測試堤防施工期和運行期引河上游堤防、地基土體和攪拌樁拱墻加固體的變形和應(yīng)力的變化規(guī)律，為分析優(yōu)化方案處理地基的加固效果提供依據(jù)，同時為分析堤防在施工期和運行期的安全穩(wěn)定性提供參考，并應(yīng)用現(xiàn)場測試技術(shù)，掌握施工過程中地基土力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。主要包括：堤身變形監(jiān)控、堤身及堤基含水率動態(tài)測試、孔隙水應(yīng)力測試，以充分了解軟土地基在持續(xù)排水、間斷加載筑堤及堆載預(yù)壓等工程措施條件下的壓縮固結(jié)及強度增長規(guī)律。

（4）軟基開挖和筑堤過程滲流分析與控制

根據(jù)施工方案，結(jié)合工程水文和地質(zhì)條件，研究在淤泥土地基上進(jìn)行河道開挖和堤防填筑過程的滲流場特性及堤防抗?jié)B特征；研究施工期不同工況滲流場變化及其對施工期工程穩(wěn)定性影響；同時對工后堤防典型運行工況下的滲流場變化規(guī)律進(jìn)行研究，以提出施工期滲流控制方法。

（5）淤泥質(zhì)土地基堤防填筑整體穩(wěn)定性變化規(guī)律

針對施工過程加、卸載特征，結(jié)合堤防滲流場變化規(guī)律，深入研究堤身和地基應(yīng)力場分布及其變化特征，揭示堤防整體穩(wěn)定性隨加、卸載在時間過程上的變化規(guī)律。

（6）河道開挖和堤防填筑施工優(yōu)化

通過模擬分析開挖和填筑工程條件的土力學(xué)參數(shù)變化，充分結(jié)合開挖卸荷、充分排水固結(jié)和堆載及超載預(yù)壓固結(jié)等有利作用，提出優(yōu)化施工工序控制方法。

（7）堤防開挖與筑堤過程固結(jié)分析及施工預(yù)測模型

通過數(shù)值分析方法，研究開挖和填筑過程中土體固結(jié)變化規(guī)律，從而進(jìn)行適應(yīng)淤泥土質(zhì)地基土開挖和堆載預(yù)壓及復(fù)合地基處理等反演分析及預(yù)測研究。

2.2 研究方法

本項目研究通過土工試驗、現(xiàn)場測試、數(shù)值分析和理論研究系統(tǒng)論證龍溝降水聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)的可行性及固結(jié)引起強度增長過程中邊坡安全性變化規(guī)律，驗證連拱抗滑墻加固軟基邊坡的可靠性。

2.2.1 土工試驗

選取代表性施工場地地基土樣做土體基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗，主要進(jìn)行顆粒分析試驗、滲透試驗、強度試驗、固結(jié)試驗、擊實試驗等。取樣數(shù)量：共設(shè)取芯鉆孔10 孔；全孔取樣，取樣深度8.0 m。

對于現(xiàn)場取得原狀土主要直接做剪切試驗、固結(jié)試驗、滲透試驗與固結(jié)不排水剪切試驗；對于中間軟弱淤泥土夾層則重點進(jìn)行強度與壓縮固結(jié)特性分析。

2.2.2 現(xiàn)場測試

根據(jù)本工程施工特點、周邊環(huán)境特點及設(shè)計常規(guī)要求，監(jiān)測主要內(nèi)容為：①地表沉降觀測和地基土體深層沉降觀測；②地基土體深層水平位移觀測；③坡面沉降和水平位移觀測；④地基土體孔隙水壓力、土體壓力觀測；⑤堤身土體含水率測試。

（1）地表沉降觀測

堤防填土施工前在地基表面預(yù)埋沉降板，沉降板底部鋼板的平面尺寸為500 mm×500 mm，厚度為10 mm，鋼板中心焊接長度為30 cm，沉降觀測所用水準(zhǔn)儀為自動安平水準(zhǔn)儀，鋼尺為銦鋼尺。

（2）土體深層沉降位移觀測

在地基的壓縮深度范圍內(nèi)埋設(shè)分層沉降儀，以測定地基不同深度在不同時期土體的分層壓縮量。分層沉降觀測采用分層沉降儀，分層沉降儀測頭放入沉降管后，在磁環(huán)位置會鳴叫，為保證測試精度，先將測頭放入最下面磁環(huán)以下，然后慢慢上提測頭，記錄磁環(huán)位置，反復(fù)兩次取均值。

（3）地基土體深層水平位移觀測

測斜管采取鉆孔埋入式，在支護(hù)結(jié)構(gòu)附近土體打孔，然后將測斜管埋入，安裝時其中一對槽口要垂直于挖土面。預(yù)設(shè)計為4 點，孔深設(shè)置為12 m，觀測所用儀器為伺服加速度測斜儀。測斜管埋設(shè)示意圖如圖1。

圖1 測斜管埋設(shè)示意圖

（4）坡面沉降和水平位移觀測

坡面沉降和水平位移測點采用預(yù)制式觀測標(biāo)志，在設(shè)計埋設(shè)位置處采用動力打入的方式將觀測標(biāo)志打入邊坡坡面的土中。沉降觀測所用水準(zhǔn)儀為自動安平水準(zhǔn)儀，所用鋼尺為銦鋼尺。水平位移觀測采用三角網(wǎng)法，用TOPCON 全站儀觀測。

（5）地基土體孔隙水應(yīng)力觀測

孔隙水壓力觀測采用XP-02 型振弦式頻率計進(jìn)行。

（6）堤身填土含水率測試

根據(jù)不同的埋置深度挖相應(yīng)深度的坑，將土壤濕度計豎直放入，用力下壓使其頭部的鋼針插入開挖底面以下的填土中，并注意填土和土壤濕度計應(yīng)緊密接觸，然后將填土分層填入并夯實。含水率采用土壤濕度計測試。

（7）測試斷面及測點布置

測試共布置4 個斷面，上游、下游堤身中各2 個，具體布設(shè)方案見圖2、圖3。

2.2.3 數(shù)值分析和理論研究

對于土體沉降預(yù)測采用反分析理論，建立太沙基一維固結(jié)模型。根據(jù)太沙基固結(jié)理論，固結(jié)度計算公式為：

式中：

反演分析所需要的沉降計算公式為：

式中：

u0—附加應(yīng)力值，取加載于原地面的土體荷載值u0=γh=60 kPa；

mv=av/（1+e）使用室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，取為0.893 MPa-1；

H—排水距離，考慮整體沉降，定為10 m。

反分析所用目標(biāo)函數(shù)：

J（CV）=Σ［S（T）-S′（T）］2式中：

S′（T）—T 時刻實測位移值；

S（T）—T 時刻計算位移值。

本項目在實測資料的基礎(chǔ)上開展參數(shù)反演和沉降預(yù)測，與實測沉降規(guī)律符合較好，預(yù)測的工后沉降可作為施工和工程管理的參考依據(jù)。

對于堤防墻體加固方案采用FLAC 軟件建立三維數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用摩爾-庫倫彈塑性模型，考慮在單跨拱段內(nèi)為對稱問題，建模時采用半跨建模，利用極限平衡方法對迎、背水坡墻體單拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析。

3 主要研究成果

3.1 取得的研究成果

（1）對于偏弱透水性過濕場地開挖工程，采用主龍溝降水能夠形成良好的工作面，同時結(jié)合采用分塊削坡方案，可以顯著降低新生成坡面表土含水率，降低局部流滑可能性。

圖2 下游測試斷面布置示意圖

圖3 上游測試斷面布置示意圖

（2）通過龍溝降水結(jié)合堆載預(yù)壓方案加速軟基排水固結(jié)，軟土強度得到逐漸提高，采取分區(qū)分級動態(tài)控制填方邊坡填筑速率有效地保障了施工過程邊坡整體穩(wěn)定性。

（3）攪拌樁復(fù)合地基加固軟基邊坡存在懸臂效應(yīng)和隨機出現(xiàn)的水平劣質(zhì)層，降低了攪拌樁的抗滑能力，若采用復(fù)合強度進(jìn)行穩(wěn)定分析，存在安全系數(shù)被高估的風(fēng)險。連拱抗滑墻加固軟基邊坡能夠充分發(fā)揮水泥土抗壓能力和抗滑能力，在相同置換率的情況下大幅提升了邊坡安全性和可靠性。

3.2 本項目創(chuàng)新之處

（1）龍溝降水和堆載預(yù)壓聯(lián)合應(yīng)用，可避免采用管井降水、真空預(yù)壓等方案而增加工程成本，保障了工程安全；采用數(shù)值方法聯(lián)合求解固結(jié)和地下水降水過程，同時得到堤基固結(jié)度，可建立軟土強度增長模型用以指導(dǎo)施工。

（2）提出采用連拱抗滑墻結(jié)合抗滑樁加固有限深度軟基邊坡，在結(jié)構(gòu)形式上可避開攪拌樁彎折問題且不受劣質(zhì)層影響，加固效率高，可靠性好。

4 研究成果的科學(xué)意義和應(yīng)用前景

本項目將中心龍溝降水與堆載預(yù)壓相結(jié)合用于解決過濕場地挖填方的技術(shù)困難和保障堤防邊坡的穩(wěn)定性，超越了挖方中簡單明溝排水和填方中分級加載控制技術(shù)，突出了施工控制對于保障工程質(zhì)量的重要性，具有創(chuàng)新性；根據(jù)水泥土抗壓能力強的特點，提出采用水泥土連拱抗滑墻加固上游有限深度軟基，克服了攪拌樁復(fù)合地基存在的主要工程問題，具有理論突破性。

項目的研究成果可以應(yīng)用于長江中下游地區(qū)軟基堤防和各類邊坡工程加固，也可以推廣到一般具有軟弱地基的擋墻、路基等工程中。對于本項目的后續(xù)研究，可進(jìn)一步通過不同類型軟基邊坡現(xiàn)場試驗和應(yīng)用研究獲得更豐富的數(shù)據(jù)和適用性支持，以使成果得到更廣泛的推廣應(yīng)用。