地基處理方法在河道工程中的應(yīng)用與研究

楊蔚為

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200056）

1 概 述

上海某河道工程內(nèi)容包括實(shí)地開挖圍場(chǎng)河一條、聯(lián)系河一條、調(diào)蓄湖一個(gè)。圍場(chǎng)河南北走向，兩端與現(xiàn)狀河道相連，總長(zhǎng)度約13.68 km，河道寬度為18～45 m，北窄南寬，河底高程為-1.00～0.50 m。聯(lián)系河?xùn)|西走向，連接圍場(chǎng)河和現(xiàn)狀河道，總長(zhǎng)度498.39 m，寬45 m，河底高程為0.00 m。調(diào)蓄湖位于南側(cè)，總面積1.5 km2，湖底高程為0.00 m。河道工程總體布置如圖1 所示。

圖1 河道工程總體布置圖

工程場(chǎng)址2011 年實(shí)施圈圍工程，根據(jù)2013 年完成的詳勘報(bào)告，該地區(qū)地層主要分成四大層區(qū)：

（1）地表層區(qū)。主要由吹填、堆填、促淤形成，土質(zhì)不均、土性較差。

（2）淺部層區(qū)。土性變化較大，包括黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以及砂質(zhì)粉土。

（3）中部層區(qū)。以飽和軟黏性土為主，包括淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土。

（4）深部層區(qū)。包括黏質(zhì)粉土和粉砂。

各層土的物理力學(xué)主要參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)勘察報(bào)告并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，該工程地質(zhì)條件主要呈現(xiàn)以下兩大特征：

（1）土體含水率高，淤泥和淤泥質(zhì)土較厚。從鉆孔資料來看，淺層主要為淤泥及淤泥質(zhì)土，部分鉆孔深度達(dá)到20 m 時(shí)依然存在④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

（2）地質(zhì)條件復(fù)雜多變，局部土層分布不均勻。從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，總體上大致呈現(xiàn)河道東岸地質(zhì)條件略優(yōu)于西岸，河道南北兩端地質(zhì)條件略優(yōu)于河道中段的特點(diǎn)。

該工程典型地質(zhì)剖面圖如圖2 所示。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

2 地基處理方法的應(yīng)用與研究

2.1 換填法

換填法即將基礎(chǔ)底面以下淺層一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后以質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、粉煤灰、礦渣等材料以及土工合成材料分層充填，同時(shí)以人工或機(jī)械方法分層壓、夯、振動(dòng)，使之達(dá)到要求的密實(shí)度，成為良好的人工地基[1]。

該工程施工過程中，河道局部岸段坡面塌陷無法成型。以位于河道最南側(cè)（ZX0+000.00～ZX0+908.81）的A 型護(hù)岸為例，該護(hù)岸為斜坡式護(hù)岸，斜坡坡比為1∶3（見圖3）。在坡面開挖后出現(xiàn)滑坡，生態(tài)砌塊擋墻后方充泥管袋施工便道隨之下沉，進(jìn)而河底隆起。針對(duì)上述問題，對(duì)斜坡段下方地基進(jìn)行碎石間隔土換填，換填厚度為0.5 m。此外為了進(jìn)一步保證坡面穩(wěn)定性，在坡腳導(dǎo)梁下方進(jìn)行拋石擠淤，拋石厚1.5 m，采用倒梯形布置。經(jīng)過上述碎石間隔土換填和拋石擠淤處理后，坡面逐漸趨于穩(wěn)定并順利開挖成型。

換填法屬于地基的淺層處理方法，與深層處理方法相比，一般使用的工藝技術(shù)和施工設(shè)備比較簡(jiǎn)便，耗費(fèi)材料較少，工程投資相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)，適用于上部荷載較小、深度較淺的淤泥、淤泥質(zhì)土以及暗浜、暗溝等的處理。

圖3 A 型護(hù)岸地基處理斷面圖

2.2 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法的基本原理是在需要加固的軟黏土地基內(nèi)設(shè)置砂井或者塑料排水帶，然后在地面鋪設(shè)砂墊層、上覆不透氣的密封膜與大氣隔絕。通過埋設(shè)于砂墊層中帶有濾水孔的分布管道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，在膜內(nèi)外形成壓力差，使土體中孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力提高，加速土體固結(jié)[1]。

該工程調(diào)蓄湖（ZX0+908.81～ZX2+528.29）東岸以及河道中段（ZX5+976.30～ZX7+969.20）東岸是整個(gè)河道工程地質(zhì)條件最差的岸段，設(shè)計(jì)采用了真空預(yù)壓法進(jìn)行地基處理。以調(diào)蓄湖（ZX0+908.81～ZX2+528.29）東岸的B 型護(hù)岸為例，將處理范圍劃分為四個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行真空預(yù)壓，單個(gè)區(qū)域的處理面積一般為2 萬～4 萬m2。施工時(shí)首先采用回填砂平整場(chǎng)地并打設(shè)塑料排水板，常用正方形布置或者等邊三角形布置。塑料排水板間距一般為0.7～1.5 m[2]，該工程取0.7 m，長(zhǎng)度采用9 m 和11 m兩種。之后布設(shè)濾管使之與塑料排水板相連接并形成排水體系。上述工作完成后從下而上依次鋪設(shè)三維土工排水網(wǎng)一層、300 g/m2無紡布一層以及密封膜兩層。抽真空設(shè)備均勻布置在真空預(yù)壓區(qū)四周，每臺(tái)機(jī)器控制面積在900～1100 m2。加壓時(shí)需保證設(shè)備連續(xù)工作，逐級(jí)加壓。膜內(nèi)真空度一般最低要求為80 kPa[3]，也有相關(guān)規(guī)范要求86.7 kPa[4]或者96 kPa[5]以上。B 型護(hù)岸真空預(yù)壓處理斷面如圖4 所示。

圖4 B 型護(hù)岸地基處理斷面圖

在加壓過程中對(duì)土體沉降進(jìn)行觀測(cè)（見圖5）。沉降監(jiān)測(cè)從3 月30 日開始，數(shù)據(jù)截止日期是5 月21 日，共計(jì)52 d（后續(xù)加載持續(xù)至90 d）。從圖中可以看出土體累計(jì)沉降量隨著時(shí)間增加逐漸增大，最大沉降量達(dá)到了近90 cm。前期加壓時(shí)，沉降速率隨時(shí)間增加而增加，在5 月1 日之后沉降速率逐漸變小，至5 月9 日以后沉降逐漸趨于穩(wěn)定，表明預(yù)壓區(qū)土體固結(jié)基本完成。

圖5 B 型護(hù)岸真空預(yù)壓1# 區(qū)土體沉降觀測(cè)圖

圖6 河底隆起導(dǎo)致格埂損壞

圖7 F 形護(hù)岸地基處理斷面圖（單位：mm）

真空預(yù)壓是一種深層的地基處理方式。處理范圍大、效果好，適用于對(duì)含水率高的淤泥及上部荷載較大的地基進(jìn)行深層處理，但是該處理方式施工復(fù)雜且費(fèi)用高，且需要至少90 d 的預(yù)壓時(shí)間。該方法目前在水利工程中運(yùn)用較少，更多運(yùn)用在機(jī)場(chǎng)跑道、鐵路、碼頭堆場(chǎng)等堆載要求較高的領(lǐng)域。

2.3 鋼筋混凝土格埂對(duì)撐

該工程河道最北段（ZX10+932.88～ZX13+682.56）河口較窄，設(shè)計(jì)河口寬度15～18.5m，設(shè)計(jì)河底寬度3.5 m。該岸段河底原設(shè)計(jì)采用灌砌塊石護(hù)砌，素混凝土格埂分倉(cāng)。在河道施工過程中局部岸段出現(xiàn)坡面塌陷、河道隆起等問題，河底隆起引起新建的素混凝土格埂開裂錯(cuò)斷（見圖6）?？紤]到該岸段河道較窄，設(shè)計(jì)將原有的素混凝土格埂變更為鋼筋混凝土格埂，并在下部換填0.5 m 厚碎石間隔土。F 形護(hù)岸地基處理斷面如圖7 所示。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，鋼筋混凝土格埂澆筑完成后，搶時(shí)間完成灌砌塊石施工，之后施工方利用先前錯(cuò)斷廢棄的素混凝土格埂反壓在護(hù)底上部，進(jìn)一步阻止河底淤泥隆起。待兩側(cè)護(hù)坡及擋墻施工完成后逐步卸載上部荷載。鋼筋混凝土格埂面層抗拉鋼筋保證了河底淤泥隆起不至于引起格埂開裂，縱橫向格埂對(duì)撐鎮(zhèn)住坡腳，防止滑坡。待兩側(cè)擋墻和護(hù)坡完成后，整個(gè)河道斷面形成整體，穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)。這種方法適用于底寬較小的河道，具有相對(duì)經(jīng)濟(jì)、方便的特點(diǎn)。

2.4 方樁密打

受場(chǎng)地條件限制，該工程重型機(jī)械無法入場(chǎng)，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土板樁無法使用。此外，受投資限制，也無法大規(guī)模使用鋼板樁。因此該工程在聯(lián)系河（ZX10+932.88）南側(cè)局部地層下方具有一定持力層的岸段實(shí)踐性地采用方樁聯(lián)排密打處理方式。方樁密排布置，兩根250 mm×250 mm×10000 mm@1000 mm 方樁之間打設(shè)5 根200 mm×200 mm×6000 mm 方樁，在土層中形成類似板樁效果的連續(xù)墻阻斷淤泥，如圖8、圖9 所示。由于擠土效應(yīng)存在，該方法采用的樁型不宜過大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)來看，方樁宜間隔打設(shè)，打設(shè)至設(shè)計(jì)樁頂高程時(shí)預(yù)留一定距離，以便在相鄰方樁打設(shè)時(shí)兩樁同時(shí)向下入土達(dá)到設(shè)計(jì)高程。該方法適用于淤泥層厚度相對(duì)較淺、地基下方具有一定持力層，且由于客觀條件限制不宜使用傳統(tǒng)混凝土板樁的情況。

圖8 方樁密打地基處理斷面圖（單位：mm）

圖9 方樁密打現(xiàn)場(chǎng)照片

3 結(jié) 語

（1）針對(duì)河道工程中坡面塌陷無法成型、河底淤泥隆起等軟土地基問題，工程綜合采用換填法、真空預(yù)壓法、鋼筋混凝土格埂對(duì)撐、方樁密打等方法，保證了工程順利實(shí)施。

（2）不同地基處理方法之間受工程投資、處理范圍和軟土地基條件等因素限制，宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理選用不同方法。換填法用于淺層淤泥處理，真空預(yù)壓法適用于深層淤泥處理，鋼筋混凝土對(duì)撐適用于淺層淤泥窄河道，方樁密打適用于淺層淤泥且大型設(shè)備進(jìn)出困難的情況。

（3）對(duì)于圈圍造地形成的區(qū)域，河道工程中要特別重視地基處理，對(duì)于控制工程投資、保證施工進(jìn)度具有非常重要的作用。