新型泥砂互層結構埝體變形特性

尹長權

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222；4.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

1 概述

過去幾十年，出現(xiàn)了眾多圍埝結構形式[1-2]，但多以山石、砂土或膜袋土為-料，隨著沙石材料的緊缺及價格的持續(xù)走高，圍埝的修筑成本大幅提高[3-4]；另一方面，每年由航道疏浚產(chǎn)生的疏浚土處理給相關企業(yè)帶來很大的壓力，如何不影響環(huán)境又能資源化利用是疏浚土處理的瓶頸。

目前為止，除了傳統(tǒng)的斜坡堤形式，又出現(xiàn)了更適于深水區(qū)的大直徑圓筒直立堤、沉箱結構直立堤、半圓體防波堤等新型結構[5]。國內(nèi)水利水運工程采用模袋砂被堤也已相當廣泛。進入21世紀后，又出現(xiàn)了模袋固化土作為堤心材料的圍堤。

現(xiàn)行國家及行業(yè)標準中有關充填袋筑堤技術的應用，均規(guī)定應選用含泥量小于10%的砂性土作為充填材料，淤泥質(zhì)土的應用完全超出了該技術限制[6]。淤泥質(zhì)土作為充填袋筑堤填筑材料，將會因充填料滲透性差、排水時間長、固結較慢，袋體結構壓縮率大、強度低，而影響圍堤結構穩(wěn)定性及運營安全。因此，使用淤泥質(zhì)土作為埝體填筑材料鮮有應用和報道[7-8]。

2 新型圍埝結構

項目組擬充分利用軟弱地基本身資源，使用淤泥質(zhì)土作為埝體填筑材料，提出泥砂互層結構埝體，使用大型充灌泥袋聯(lián)合充灌砂袋技術形成埝體，砂袋和充泥袋分層間隔施工，上下的充砂袋可作為快速橫向排水通道，充泥袋體為雙面排水，可大大加快充泥袋內(nèi)土體固結，實現(xiàn)埝體的快速填筑，本研究利用理論研究、仿真分析和現(xiàn)場試驗對新型埝體的填筑過程進行分析，旨在為新型埝體的設計和施工提供理論支持。

2.1 基本機理

埝體使用大型充灌泥袋和充灌砂袋分層間隔填筑，利用砂層作為水平排水層和上部荷載，對淤泥質(zhì)土等軟弱層進行排水固結，降低軟弱土的含水率，改善被處理土層的物理力學指標，提高地基承載力，逐級為后續(xù)施工提供一個相對較好的施工條件，最終形成可用的堤心結構。埝體填筑時，充灌埝體由于自重會進行擠淤，置換強度很小的吹填土。若要形成永久結構，可在埝體形成并達到一定強度后，在埝頂部向下打設排水板，對充灌埝體下部土體進行加固，有必要時可增加一些堆載載荷，增大加固后埝體及地基強度，減少后期變形，以達到使用要求。

2.2 斷面設計

吹填土泥面以下有部分擠淤后的大型粉砂充灌袋和淤泥質(zhì)土充灌袋，埝體底部鋪設荊笆和土工軟體排；設置豎向排水井（見圖1）；充砂袋和充泥袋體互層，充砂袋厚度0.3~0.6 m，充泥袋厚度0.8~1.5 m；在埝體上部鋪設土工倒濾布，并進行土袋壓護；若要形成永久結構，埝體形成并達到一定強度后，在埝頂部向下打設排水板。

圖1 互層埝體結構示意圖Fig.1 Layout plan of embankment with interbedded structure

具體的施工方法如下：

1）為了確保人員可進場進行土工布和充灌布袋的施工，首先在泥面上鋪設荊笆，使泥面形成一定的承載能力，人工在荊笆面上鋪設土工布軟體排。

2）設置排水井作為豎向排水通道，與砂層直接聯(lián)通，用潛水泵排水，降低水位，使砂層中的水有效排出，分節(jié)施工，井頂高高于埝體頂面，井底部要低于軟體排20 cm以上。

3）及時壓鋪充灌布袋，充泥袋采用塑料編織土工布縫制而成，縫制位置的橫向抗拉強度不得小于編織土工布的抗拉強度。然后采用水力吹填的方法進行充灌施工，充砂袋在自重作用下產(chǎn)生擠淤作用，沉入一定深度后，在充砂袋上繼續(xù)施工充泥袋，固結排水1~5 d，新鋪設的袋體繼續(xù)擠淤下沉。重復充砂袋和充泥袋的過程，直至埝頂。

4）鋪設上部土工倒濾布，并進行土袋壓護。

5）若要形成永久結構，可在埝體形成并達到一定強度后，在埝頂部向下打設排水板，對充灌埝體下部土體進行加固，有必要時可增加一些堆載載荷，增大埝體和地基固結后強度，減少后期變形，以達到使用要求。

3 新型埝體結構仿真分析

利用大型巖土專業(yè)有限元軟件PLAXIS3D對埝體結構進行仿真分析，泥砂互層結構埝體最底層為充灌砂袋，厚度0.4 m，砂袋底面位于地面下2.8 m，寬度為32 m。砂袋上為1層泥袋，厚度1 m，寬度30 m，再上繼續(xù)1層泥袋1層砂袋間隔填筑，直到埝體頂面。埝體最頂層為砂袋，埝體頂寬21.6 m，超出地面4.6 m，共6層砂袋，5層泥袋。埝體中泥袋寬度比其下一層泥袋寬度少2 m，砂袋比其下一層泥袋寬度少0.4 m。埝體中間設排水井，施工中保證井中水面維持在埝體底面，模型中利用“排水線”進行模擬。埝體為對稱結構，建模時僅取一半，整個模型長度為70 m，高度為22.6 m。根據(jù)天津地區(qū)吹填疏浚土性質(zhì)及前期對充填模袋材料研究結果，取建模計算參數(shù)如表1所示。

表1 真空吸水埝體模型材料參數(shù)Table 1 Material parameters of vacuum suction embankment model

模型采用分步計算，埝體從下向上填筑，第1個計算步添加第1層砂袋、第1層泥袋和第2層砂袋，采用固結計算，計算時間5 d。第2個計算步添加第2層泥袋和第3層砂袋，同樣計算5 d。然后每個計算步都添加1層泥袋和1層砂袋，計算5 d，直到第5個計算步埝體全部添加完成，然后再固結30 d，共計算55 d。

圖2 泥砂互層埝體位移云圖Fig.2 Displacement nephogram of mud-sand interbedded embankment

圖2 為泥沙互層埝體位移云圖，由圖2可以看出，泥砂互層埝體的位移最大值為2.73 m，發(fā)生在埝體頂面。模型變形前頂面標高為4.6 m，地面標高為0，埝體開始施工55 d后，埝體頂面高出地面約1.9 m。根據(jù)設計要求，施工完成并固結30 d后圍埝頂標高應大于1.5 m，此種圍埝結構形式及施工工藝滿足工程要求。埝體本身豎向變形最大值為1.38 m，較大的壓縮發(fā)生在埝體中部，埝體兩側壓縮較小。分析-因，由于埝體中心為埝體自重應力集中區(qū)域，自重導致基礎相應范圍內(nèi)孔壓消散加速，沉降逐漸增大。

圖3為模型超孔壓云圖，由圖3可以看出，埝體部分的超孔壓已接近零，-因在于埝體排水條件良好，超孔壓消散較快。地基中尚有超孔壓未消散，說明固結尚未全部完成，后期地基還會發(fā)生沉降。

圖4為泥砂互層埝體總體積應變云圖，由圖4可以看出，埝體結構地面之上部分的應變較大，泥袋的應變較大，在0.3~0.5之間，砂袋應變較小。計算結束后，埝體頂面中心處的總豎向位移為2.73 m，埝體底面中心處豎向位移為0.68 m，埝體整個計算階段發(fā)生了2.05 m的壓縮，壓縮比例為27.7%。

圖3 泥砂互層埝體孔壓云圖Fig.3 Pore water pressure nephogram of mud-sand interbedded embankment

圖4 泥砂互層埝體總體積應變云圖Fig.4 Total volumetric strain nephogram of mud-sand interbedded embankment

圖5 為泥砂互層埝體固結計算前后形狀對比圖，其中深色圖形為固結計算結束后變形圖，從圖中可以基本看出筑埝完成且繼續(xù)固結1個月后埝體的形狀。

圖5 埝體計算結束后的形狀Fig.5 Final state after calculation of embankment

通過模擬埝體的填筑過程，經(jīng)過計算得到了以下結果：

1）泥砂互層埝體的位移最大值為2.73 m，計算結束之后，埝體頂面突出地面約1.9 m，埝體都滿足后期施工要求。

2）埝體本身壓縮主要發(fā)生在埝體中部，底部和頂部壓縮較小。

3）泥砂互層結構埝體壓縮率約為27.7%。

4 結語

1）本文提出了新型泥砂互層結構埝體，根據(jù)項目團隊多年相關工程經(jīng)驗，提出了切實可能的施工方案。

2）根據(jù)提出的新型泥砂互層結構埝體施工方案，按照施工順序進行了有限元仿真分析，通過計算結果可知新型埝體的最終沉降量滿足施工要求，埝體本身壓縮都主要發(fā)生在埝體中部。

3）埝體的設計和施工皆滿足工程要求，是軟土地基上切實可行的快速筑埝技術。