某土壤修復(fù)項目攪拌樁止水帷幕施工對珠江堤防安全影響分析

謝健萍，溫 勇

(1.中國水產(chǎn)廣州建港工程有限公司，廣州 510220；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，廣州 510225；3.廣東省嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠色建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，廣州 510225；4.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院可持續(xù)建筑與節(jié)能研究所，廣州 510225)

1 工程概況

1.1 概述

某工程位于廣州市白云區(qū)，占地面積約15.2萬m2，由于工程場地環(huán)境調(diào)查工作與土壤風(fēng)險評估顯示：砷的致癌風(fēng)險和非致癌危害商均大于可接受水平，風(fēng)險不可接受；總氟化物和石油烴(C10-C40)的非致癌危害商均大于可接受水平，風(fēng)險不可接受，需對污染土壤進行修復(fù)。經(jīng)對比分析，最終采用修復(fù)方案為：含砷、總氟化物、石油烴(C10-C40)污染土均采用異地水泥窯進行協(xié)同處置；地塊內(nèi)地下水采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕阻隔方式進行風(fēng)險管控。

工程地塊邊界建有珠江堤防，根據(jù)河道管理范圍及堤防安全評價等相關(guān)規(guī)定[1-4]，由于此次土壤修復(fù)項目三軸水泥攪拌樁止水帷幕在其管理范圍之內(nèi)，而攪拌樁的施工對堤防安全有一定的影響，如俞元盛等[5]針對堤腳附近水泥攪拌樁軟基處理對加固斷面海堤穩(wěn)定性影響進行了評估，胡峰強等[6]采用FLAC強度折減法數(shù)值模擬分析了建在防洪堤防上的主橋墩樁基施工對該堤防穩(wěn)定性影響，徐良英等[7]研究了杭州市錢江新城城市主陽臺水域工程樁施工期間對錢塘江標(biāo)準(zhǔn)堤影響程度的監(jiān)測情況。

因此，為了分析本工程攪拌樁止水帷幕施工對珠江堤防影響，本文擬采用大型通用有限元軟件 MIDAS/GTS NX對攪拌樁止水帷幕施工過程進行模擬，得出堤防結(jié)構(gòu)受力及變形變化，最終根據(jù)計算結(jié)果評估堤防的安全性。

1.2 工程地質(zhì)條件

在勘探孔深度控制范圍內(nèi)，場地地層按地質(zhì)成因分為第四系人工填土層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)和石炭系基巖(C)，自上而下分述如下：

1) 素填土：褐灰色，松散～稍壓實，主要成分為粘土及中細砂顆粒，底部含淤泥。

2) 淤泥：灰色，流塑，飽和，味腥，含有機質(zhì)，局部含中細砂顆粒。

3) 細中砂：灰白色，褐灰色，松散，飽和，主要成分為石英，局部含淤泥，級配一般，分選性差。

4) 粉質(zhì)黏土：灰黃色，灰褐色，可塑，濕，粘性較大，粘粒為主，含少量中細砂顆粒，韌性及干強度較好。

5) 粗砂：灰白色，褐灰色，松散，飽和，主要成分為石英，局部含淤泥，級配一般，分選性差。

6) 中風(fēng)化石灰?guī)r：深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，多見灰白色方解石脈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀。

1.3 攪拌樁止水帷幕施工

1) 根據(jù)施工工藝的要求，根據(jù)工程的規(guī)格和工期的要求以及現(xiàn)場場地、用電等情況合理確定設(shè)備的投入力量和機器的配套工具。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，設(shè)計攪拌樁樁徑Φ850@600，樁長為8～15 m(施工階段需根據(jù)實際地層情況進行適當(dāng)調(diào)整)，使用42.5R普通硅酸鹽水泥，單排每米水泥摻入比為15%～20%。

2) 施工順序

本工程止水帷幕攪拌樁施工按圖1順序進行，其中陰影部分為重復(fù)套鉆，保證圍護結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和接頭的施工質(zhì)量，三軸水泥攪拌樁的搭接以及施工設(shè)備的垂直度補救是依靠重復(fù)套鉆(搭接為250 mm)保證，以達到止水的作用。

圖1 攪拌樁施工示意(單位：mm)

3) 開挖溝槽

根據(jù)放樣出的水泥土攪拌樁圍護中心線，用挖掘機沿圍護中心線平行方向開掘工作溝槽，溝槽寬度根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)寬度確定，槽寬約1.0 m，深度為0.6～1.0 m。

場地遇有地下障礙物時，利用鎬頭機將地下障礙物破除干凈，如破除后產(chǎn)生過大的空洞，則需回填壓實，重新開挖溝槽，確保施工順利進行。暗浜區(qū)埋深較深，若影響成樁質(zhì)量則應(yīng)清除及換土。

4) 樁機就位

由當(dāng)班班長統(tǒng)一指揮樁機就位，移動前看清上、下、左、右各方面的情況，移動結(jié)束后檢查定位情況并及時糾正；樁機應(yīng)平穩(wěn)、平正，并用經(jīng)緯儀或線錘進行觀測以確保鉆機的垂直度。

5) 攪拌及注漿

三軸水泥攪拌試樁采用一噴二攪施工工藝。在下沉攪拌和提升注入水泥漿液時嚴(yán)格控制下沉和提升速度，保持勻速下沉或提升，提升時不應(yīng)在孔內(nèi)產(chǎn)生負壓造成周邊土體的過大擾動，在樁底部分重復(fù)攪拌注漿，并做好原始記錄。

在施工現(xiàn)場搭建拌漿施工平臺，平臺附近搭建水泥庫，儲存足夠的施工用水泥。在開機前應(yīng)對不同的直徑和攪拌深度計算工法樁每米的水泥摻入量，每天以書面形式,采用施工指令。水泥漿液攪制小組根據(jù)書面指令進行漿液的攪制，根據(jù)設(shè)計所標(biāo)深度，鉆機在鉆孔和提升全過程中，保持螺杄勻速轉(zhuǎn)動，勻速下鉆，勻速提升，并采取高壓噴氣在孔內(nèi)使水泥土翻攪拌和，在樁底部分必須重復(fù)攪拌注漿，保證整樁攪拌充分、均勻，確保攪拌樁的質(zhì)量。

2 攪拌樁止水帷幕施工對堤岸安全影響分析

2.1 計算方法

1) MIDAS/GTS NX介紹

計算采用MIDAS/GTS NX有限元軟件，MIDAS /GTS NX是用于土木工程等領(lǐng)域的有限元分析軟件，因界面友好、操作簡單、功能強大而受歡迎，具有巖土分析所需的基本分析功能，并為用戶提供了包含最新分析理論的強大的分析功能，包含施工階段的應(yīng)力分析和滲透分析等巖土和隧道所需的幾乎所有分析功能，是巖土和隧道分析與設(shè)計的解決方案之一[8-9]。

MIDAS/GTS NX的施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果。即上一個施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。

2) 施工過程模擬

按照如下施工順序模擬攪拌樁止水帷幕施工對堤防的影響:工況1：計算自重應(yīng)力，并進行位移清零；工況2：施工攪拌樁；工況3：攪拌樁硬化。

2.2 計算模型及參數(shù)

1) 計算模型

根據(jù)攪拌樁止水帷幕與堤防相互關(guān)系布置平面圖、堤防斷面圖以及相應(yīng)地質(zhì)鉆孔圖，建立本次計算模型(如圖2所示)。整個模型尺寸：50.5 m×21.95 m(長×寬)，總單元數(shù)E=4 263個，節(jié)點N=4 171個。

圖2 有限元計算模型示意

2) 計算參數(shù)

根據(jù)本項目工程地質(zhì)勘察成果并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗[10-13]，本次計算模型中土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)取值

2.3 計算結(jié)果及分析

對攪拌樁止水帷幕施工不同工序情況下的堤防擋墻、碼頭平臺及灌注樁的變形和受力分別進行計算，分析攪拌樁止水帷幕施工對堤防影響。

1) 結(jié)構(gòu)變形

不同工序情況下的堤防各結(jié)構(gòu)變形(橫向位移和豎向位移)情況見表2、圖3所示。由表2、圖3可知：攪拌樁施工期(工況2)，擋土墻橫向變形為0.95 mm，豎向變形為0.16 mm；攪拌樁施工后(工況3)，擋土墻橫向變形為1.38 mm，豎向變形為0.22 mm。攪拌樁施工期(工況2)，灌注樁橫向變形為0.88 mm，豎向變形為0.027 mm；攪拌樁施工后(工況3)，灌注樁橫向變形為1.30 mm，豎向變形為0.34 mm。攪拌樁施工期(工況2)，碼頭平臺橫向變形為0.89 mm，豎向變形為0.16 mm；攪拌樁施工后(工況3)，擋土墻橫向變形為1.31 mm，豎向變形為0.21 mm。

表2 堤防結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果 mm

a 擋土墻變形曲線

綜上所述，攪拌樁止水帷幕施工對堤防結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的橫向位移和豎向位移，但變形值均小于 1.5 mm，相比于各結(jié)構(gòu)尺寸均小。

2) 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

不同工序情況下的堤防各結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況見表3、圖4所示。由表3、圖4可知：初始狀態(tài)-施工前(工況1)，擋土墻剪應(yīng)力為65.12 kPa；攪拌樁施工期(工況2)，擋土墻剪應(yīng)力為63.29 kPa；攪拌樁施工后(工況3)，擋土墻剪應(yīng)力為62.81 kPa，即擋土墻的應(yīng)力稍有減少。初始狀態(tài)-施工前(工況1)，碼頭平臺剪應(yīng)力為324.39 kPa；攪拌樁施工期(工況2)，碼頭平臺剪應(yīng)力為322.91 kPa；攪拌樁施工后(工況3)，碼頭平臺剪應(yīng)力為322.53 kPa，即碼頭平臺的應(yīng)力稍有減少。初始狀態(tài)-施工前(工況1)，灌注樁彎矩為571.55 kN·m，剪力為378.98 kN；攪拌樁施工期(工況2)，灌注樁彎矩為586.46 kN·m，剪力為388.85 kN；攪拌樁施工后(工況3)，灌注樁彎矩為592.90 kN·m，剪力為393.03 kN，即灌注樁的內(nèi)力稍有增大。

表3 堤防結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果

a 擋土墻內(nèi)力曲線

綜上所述，攪拌樁止水帷幕施工對堤防結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定內(nèi)力，但相比于未施工時(工況1)堤防結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，變化值均很小。

3 結(jié)語

本文利用MIDAS/GTS NX對某土壤修復(fù)項目攪拌樁止水帷幕施工過程進行了模擬，分析其對珠江堤防安全影響，計算結(jié)果表明：攪拌樁止水帷幕施工對堤防結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的內(nèi)力及變形，但內(nèi)力值及變形值均很小，不會危及堤防的安全和正常使用。研究方法及成果可供類似工程參考或借鑒。