城市污水處理廠中砂性土地基處理及基坑圍護(hù)設(shè)計優(yōu)化研究

崔嵩

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

污水處理廠在設(shè)計施工過程中，由于單體不規(guī)則性以及污水處理工藝特殊性，由構(gòu)筑物不均勻沉降所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞問題十分常見。進(jìn)行污水處理廠中基坑圍護(hù)設(shè)計時，由于受到場地限制以及施工條件制約，工程質(zhì)量難以保證，基坑安全事故屢見不鮮。如何進(jìn)行有效的污水廠單體地基土置換改良，確保基坑圍護(hù)安全，是現(xiàn)今設(shè)計研究的主要難點(diǎn)。

由于沿海地區(qū)砂性土較為常見，且其具有滲透系數(shù)較大，易產(chǎn)生承壓水及流砂的特點(diǎn)，對工程安全提出了更高的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段已有很多關(guān)于砂質(zhì)地基土體理論的研究。在塑性理論、臨界狀態(tài)理論、各向異性張量模擬砂土物理力學(xué)性能的同時，合適的強(qiáng)度理論和三維化方法是描述多軸應(yīng)力空間中本構(gòu)模型的重要方面。在土體強(qiáng)度理論方面已經(jīng)有了較為成熟的理論[1-4]，根據(jù)強(qiáng)度理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式，現(xiàn)階段砂性土強(qiáng)度理論分為兩大類，分別是線性強(qiáng)度理論和非線性強(qiáng)度理論。線性強(qiáng)度理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式為一次的線性方程，子午面上的破壞曲線為直線或分段直線。線性強(qiáng)度理論在解析分析中非常方便，通?？梢郧蟮脝栴}的解析解，因而已得到廣泛應(yīng)用。除線性強(qiáng)度理論以外其余均為非線性強(qiáng)度理論。常規(guī)的線性、簡化研究手段已經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)階段設(shè)計要求，需要采用非線性模型來提高設(shè)計安全性。

本文采取Zhang等[5-6]提出的本構(gòu)模型用于描述地基土在結(jié)構(gòu)重力以及施工過程中動荷載作用下的剪切變形問題?；谟邢拊嬎丬浖⒁粋€有效的計算模型，將結(jié)構(gòu)重力荷載和動荷載加載到模型頂部邊界上，通過有限元分析計算，可以得到對地基及基坑的安全性評價。

1 彈塑性本構(gòu)模型

Zhang等[5]的本構(gòu)模型是基于上下負(fù)荷面的概念而建立的。定義正常屈服面和上負(fù)荷面應(yīng)力的比值R*，下負(fù)荷面和上負(fù)荷面應(yīng)力的比值R，該模型采用關(guān)聯(lián)流動法則，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為：

式（1）中的Λ為標(biāo)量系數(shù)，可以表示為：

式（2）中：

相關(guān)變量定義如下：

上述式中；sij為偏應(yīng)力張量；βij為各向異性張量；σij、σmn、σpq為有效應(yīng)力張量；ηij為總應(yīng)力張量；M及Ms為臨界狀態(tài)剪應(yīng)力比及中間剪應(yīng)力比；D為膨脹參數(shù)；mR*，mR和br分別為結(jié)構(gòu)性、超固結(jié)和各向異性的發(fā)展控制參數(shù)；f為偏導(dǎo)計算函數(shù)；bl為各向異性的發(fā)展控制參數(shù)初始值；Eijkl、Emnpq為彈性模量張量；p與po分別為土體孔隙比及初始孔隙比；λ為土體壓縮變形；κ為土體滲透系數(shù)。Zhang等[6]認(rèn)為該模型可有效描述砂土在交變荷載作用下的力學(xué)行為。

2 計算軟件

本文進(jìn)行有限元計算所使用的程序是基于完全耦合理論的水土耦合動力有限元程序。程序中固體用有限元方法離散，液體用有限差分方法計算。該程序能夠進(jìn)行二維和三維有限元分析，能夠處理長期構(gòu)筑物荷載及短期振動荷載對土體的影響，很好地模擬砂性土受力變形特性。

進(jìn)行有限元分析計算的主要步驟如圖1所示。核心計算模塊是程序的核心部分。首先根據(jù)實際問題確定合適的時間步長，在每個時間步中，計算各單元質(zhì)量矩陣、材料本構(gòu)矩陣、單元剛度矩陣和阻尼矩陣，然后對單元剛度進(jìn)行總集形成總剛矩陣，并計算動力方程右端項，最后對方程進(jìn)行求解。

3 結(jié)果與討論

3.1 砂性土地基處理

污水處理廠大型構(gòu)筑物持力層落于軟弱土層，常規(guī)采用地基土置換改良或者樁基來滿足承載力要求。當(dāng)基礎(chǔ)采用中粗砂置換時，則需要考慮其下軟弱土層長期固結(jié)徐變效應(yīng)。為了確?；A(chǔ)不產(chǎn)生不均勻沉降，需要砂性土換填層做到厚度及密度均勻，才能起到褥墊層的效果以保護(hù)構(gòu)筑物底板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

本研究采用簡化計算模型對換填做法進(jìn)行分析。模型長度為60 m（常規(guī)構(gòu)筑物尺寸一般小于20 m），計算土層厚度取20 m，分為4層土，第一層為中粗砂換填與細(xì)砂土層，第二層為模擬淤泥質(zhì)軟弱層，第三層為沉積粘性土層，第四層為粉質(zhì)土層。其計算模型簡圖見圖2，土體沉降結(jié)果見圖3。從圖3可以看出沉降結(jié)果相對均勻，底板產(chǎn)生裂縫破壞風(fēng)險較小。

圖1 程序計算簡圖

圖2 計算模型簡圖

圖3 土體沉降結(jié)果

3.2 砂性土中基坑圍護(hù)設(shè)計

砂性土由于滲透系數(shù)較大，埋深有一定深度時，常常存在承壓水，在基坑開挖過程中，容易出現(xiàn)流砂等情況，對基坑安全構(gòu)成較大的威脅。理論上，提高砂性土黏聚力，可以有效彌補(bǔ)砂性土的缺點(diǎn)，提高土體的物理力學(xué)性質(zhì)。工程實際中，常規(guī)加固措施包括注漿、高壓旋噴樁、攪拌樁等施工工藝，通過加固，可以使一定范圍內(nèi)的砂性土體具備較好的黏聚力，從而滿足基坑工程安全要求。

對于砂性土中的基坑工程，最需要注意，也是在工程實際中容易遇到的問題就是流砂管涌。流砂涌入基坑內(nèi)，容易導(dǎo)致基坑周邊土體塌陷等工程危害。為預(yù)防這一類問題的發(fā)生，有效的止水措施是關(guān)鍵，核心就是在砂性土中摻入一定量的漿液，提高其黏聚力，改善其物理力學(xué)性質(zhì)。在工程實際中，傳統(tǒng)注漿工藝的施工質(zhì)量常常難以保證，漿液會在砂性土中較為分散，難以形成有效的止水帷幕，而高壓旋噴樁可以有效加固砂性土，形成較為堅固的樁型，起到止水及支護(hù)的作用。

在南方沿海，例如珠海，廈門等地，經(jīng)過大量的工程實踐，大直徑三軸攪拌樁加固在砂性土中的止水及支護(hù)效果較為理想，但是考慮到其對場地的要求較高，一般城區(qū)改造類項目很難大規(guī)模應(yīng)用三軸攪拌樁加固。在場地條件較好的情況下，建議采用大直徑（常規(guī)直徑850 mm，搭接250～300 mm）三軸攪拌樁。砂性土地基加固常規(guī)采用大直徑三軸攪拌樁也可以很好地滿足地基承載力要求。

3.3 砂性土地基抗震性能研究

現(xiàn)階段污水廠設(shè)計及施工階段，較少考慮地震荷載作用下土體變形等導(dǎo)致的構(gòu)筑物破壞問題。由于相關(guān)規(guī)范的不完善，在工程建設(shè)階段，設(shè)計方一般僅考慮砂性土承載力特性，而忽視了在地震荷載作用下的砂性土易液化的弊端，為未來工程長期運(yùn)行安全埋下較大的隱患。

為了進(jìn)一步研究在地震荷載作用下砂性土的響應(yīng)表現(xiàn)，本文利用有限元計算軟件，計算不同土質(zhì)地基表面對于地震加速度的響應(yīng)結(jié)果，并分析中粗砂與軟弱粘土層對地基抗震性能的影響。計算結(jié)果揭示出中粗砂對地震的響應(yīng)較為劇烈，液化風(fēng)險大大高于軟弱黏性土層。

本次驗算采用的地震波輸入數(shù)據(jù)源自1995年日本阪神地震時期埋置于地下32 m處的地震波感應(yīng)器所記錄下的地震加速度，其地震峰值可以達(dá)到4.9 m/s2，這是有真實記錄以來的最大地震波。

本節(jié)計算模型中，頂層土層的彈塑性模型參數(shù)分別采用中粗砂土的模型參數(shù)和軟弱黏性土層的彈塑性參數(shù)。圖4為建筑物下部不同土層地震加速度對比圖，可以看出，中粗砂在強(qiáng)震荷載作用下的地震加速度響應(yīng)更為劇烈。由于砂性土中孔隙水不能及時排出，超孔隙水壓力會導(dǎo)致其液化，從而使得其喪失強(qiáng)度，進(jìn)而使地表沉降加大，這對上部建筑的危害要大于軟弱黏性土層。由于軟弱黏性土層對地震剪切波具有較大的削弱作用，所以計算結(jié)果顯示其地表沉降較小。

圖4 不同土質(zhì)地震加速度響應(yīng)結(jié)果

因此，為進(jìn)一步提高砂性土抗震性能，減少在地震作用下土體液化的風(fēng)險，一般采用三軸攪拌樁加固等措施，在砂性土中摻入粘性物，以提高砂性土的黏聚力，從而有效改善砂性土在地震荷載下易液化的弊端。

4 結(jié)論

（1）基于砂性土的彈塑性模型可以有效描述中粗砂墊層在建筑荷載作用下的沉降問題。計算結(jié)果顯示其沉降發(fā)生較為均勻，底板產(chǎn)生破壞的風(fēng)險較為可控。證明了砂性褥墊層保護(hù)污水處理廠大型構(gòu)筑物安全的有效性。

（2）對于砂性土中的基坑工程，一般采用高壓旋噴樁或者三軸攪拌樁來進(jìn)行加固，從而保證其止水能力及抗變形能力。

（3）對于落于砂性土基礎(chǔ)的污水處理廠構(gòu)筑物，應(yīng)重點(diǎn)考慮地震作用下的地基液化風(fēng)險，在設(shè)計中應(yīng)進(jìn)行有效的地基加固措施。工程實際中，三軸攪拌加固可以較好地滿足要求。