沿海地區(qū)污水處理廠建設軟土地基處理設計探討

郭佩佩

(中國航天建設集團有限公司浙江分公司,浙江 杭州 310004)

浙江沿海地區(qū)城鎮(zhèn)工業(yè)化水平發(fā)展迅猛,然而隨之而來的工業(yè)污水排放量也不斷增加。由于污水處理廠建設遠落后于工業(yè)化發(fā)展的進程,且浙江沿海工業(yè)開發(fā)區(qū)地基因填海多為軟土地基,這對污水處理廠及相應的污水管網(wǎng)建設都造成了困難。隨著習近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的科學論斷重要思想不斷深入和推進,沿海工業(yè)化城鎮(zhèn)配套污水處理廠建設迫在眉睫。筆者以浙江省內(nèi)某沿海全國百強縣為例,結(jié)合目前現(xiàn)有的軟土地基處理方法[1-2],并針對沿海地區(qū)地質(zhì)特點,對沿海開發(fā)區(qū)污水處理廠建設的軟土地基處理設計進行深入分析。

1 地質(zhì)情況及地基處理設計原則

浙江某沿海全國百強縣的開發(fā)區(qū)污水處理廠選址區(qū)域地質(zhì)剖面見圖1,根據(jù)巖土工程初步勘察報告,場地淺部土層自上而下共分7個地質(zhì)大層、13個地質(zhì)亞層,分別為第1層耕土、第3層淤泥、第4層粉質(zhì)黏土、第5層淤泥質(zhì)黏土、第5-夾層含粉質(zhì)黏土碎石、第6-1層粉質(zhì)黏土、第6-1夾層含粉質(zhì)黏土碎石、第6-2層黏土、第6-3層含粉質(zhì)黏土碎石、第7-1層粉質(zhì)黏土、第7-2層黏土、第7-3層粉質(zhì)黏土、第8層礫砂。主要壓縮土層為第3層淤泥與第5層淤泥質(zhì)黏土,厚度19～27 m,自西南向東北主要壓縮土層厚度逐漸減小,該壓縮土層具有強度低、壓縮量大、含水量高、滲透性小、靈敏度高等軟土的典型特點。

污水處理廠地基處理設計的基本原則可以歸納為以下四點：

1)方案合理,取材方便,施工便捷,造價經(jīng)濟；

2)地基土經(jīng)處理后能夠滿足建、構(gòu)筑物承載力要求；

3)工后沉降滿足規(guī)范要求,50年基準期工后沉降≤200 mm；

4)施工工期在許可范圍內(nèi)。

工程場地呈西北—東南走向,長448～453 m,寬293～308 m,面積約133 783.50 m2,其中一期場地長約293 m,寬約182～193 m,面積約55 465.65 m2,場地內(nèi)地形較平坦,現(xiàn)狀標高0.3～1.1 m,設計標高4.0 m,填土高度2.9～3.7 m。若不進行地基處理,則基準期內(nèi)地基沉降將達600 mm以上,無法滿足廠區(qū)建、構(gòu)筑物及管線變形及使用要求,故對本工程場地軟土地基進行處理十分有必要。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

2 軟土地基處理方法討論

常用的軟土地基處理方法主要有換填墊層法、振沖碎石樁法、堆載預壓法、強夯法、水泥土攪拌法、預應力管樁法等[3-4]。換填墊層法及強夯法主要適用于不太深的軟弱土層或不均勻土層的地基處理,本工程軟土層較厚(最深達27 m),無法達到處理效果；振沖碎石樁法主要適用于擠密處理松散砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、素填土、雜填土等地基,以及用于處理可液化地基,而本工程需處理軟土主要為淤泥及淤泥質(zhì)土,故振沖碎石樁法不宜使用；堆載預壓法由于預壓時間較長,無法滿足本工程要求,需結(jié)合塑料排水板加速地基的排水固結(jié),節(jié)約工期。

因此,通過上述分析,適用于本工程場地軟土地基處理的方法主要有：堆載預壓結(jié)合塑料排水板法、水泥攪拌樁法、預應力管樁法等,針對這三種地基處理方案的比選見表1。

表1 軟基處理方案比選詳表

這三個方案均須考慮回填土的來源及廢棄土方的外運處理。經(jīng)過綜合比選,水泥攪拌樁由于樁長較長,成樁效果難以保證,且三軸攪拌樁費用較高；預應力管樁加固效果好,但其成本較高；塑料排水板結(jié)合堆載預壓具有技術(shù)成熟、管理規(guī)范、造價較低的優(yōu)點,能夠滿足本工程工期要求。因此,本次設計推薦采用塑料排水板結(jié)合堆載預壓進行軟基處理,考慮后期構(gòu)筑物開挖,需采用良質(zhì)素土回填。

3 堆載預壓設計

3.1 總體設計

本工程場地整平標高0.50 m,場地設計標高4.00 m,設計最大填土高度為3.50 m,考慮預留施工期及預壓期沉降,經(jīng)計算實際填土高度5.645 m,共分三次填筑,分別為2、2、1.645 m,見圖2。第1次填筑時間2個月,間歇期2個月；第2次填筑時間2個月,間歇期2個月；第3次填筑時間2個月,滿載預壓期2個月。

塑料排水板間距1.3 m,正三角形布置,打設深度25 m。塑料排水板性能指標見表2。

3.2 詳細設計

1) 水平向排水系統(tǒng)設計 在整平層上,鋪設0.5 m的砂墊層,在砂墊層中縱、橫向每隔20 m設置一排盲溝,盲溝采用土工布包裹碎石形式,縱橫盲溝交匯處設置集水井。

2)豎向排水系統(tǒng)設計 在砂墊層上,按照布置形式設置塑料排水板,塑料排水板要打穿淤泥層,進入下臥層至少500 mm,上端高出排水砂墊層200 mm。

3) 廠區(qū)土方填筑 土方填筑厚度為廠區(qū)設計填高+地基土預留沉降量,本次場地設計最大填土高度為3.5 m,估算實際填土高度約5.645 m,共分三次填筑,分別為 2、2、1.645 m。土方填筑時應按照設計填筑厚度控制填筑量,并分層填筑碾壓夯實,分層厚度不大于250 mm,壓實度不小于95%。

圖2 堆載預壓橫斷面示意圖

項目規(guī)格(C型)條件厚度/mm4.5寬度/mm100縱向通水量/(cm3/s)≥40側(cè)壓力350 kPa濾膜滲透系數(shù)/(cm/s)≥5×10-3試件在水中浸泡24 h濾膜等效孔徑/μm<75以O95計塑料排水板抗拉強度/(kN/10cm)≥1.5延伸率10%時濾膜抗拉強度縱向干態(tài)/N/cm橫向濕態(tài)N/cm≥30≥25延伸率10%時延伸率15%時,試件在水中浸泡24 h

3.3 計算分析

本次設計采用理正巖土軟土地基路堤、堤壩設計軟件進行計算分析,計算參數(shù)取值如下：

1)采用有效固結(jié)應力法進行地基土穩(wěn)定性評價,安全系數(shù)≥1.2；

2)采用經(jīng)驗系數(shù)法(e-p)曲線進行沉降計算分析；

3)填土容重：18 kN/m3,粘聚力取30 kPa,內(nèi)摩擦角取12.5°；

4)地基土粘聚力、內(nèi)摩擦角按地質(zhì)勘察資料提供直剪固快(峰值)；

5)地面超載按15 kPa取值。

地基穩(wěn)定計算結(jié)果顯示,第1次、第2次、第3次加載結(jié)束后地基土整體穩(wěn)定系數(shù)分別為2.505、1.507、1.222,均滿足規(guī)范要求。

地基土沉降計算結(jié)果顯示：填土最高點(中心點)施工期內(nèi)地基沉降2.145 m,基準期內(nèi)(按50年取值)地基沉降0.141 m,基準期結(jié)束時地基總沉降為2.286 m；填土最低點(坡腳處)施工期內(nèi)地基沉降0.475 m,基準期內(nèi)(按50年取值)地基沉降為0.041 m,基準期結(jié)束時地基總沉降0.516 m。

根據(jù)沉降影響曲線分析,填土坡腳5 m以外基本無附加沉降。

4 施工監(jiān)測

為了在堆載預壓加載過程中滿足地基承載力和穩(wěn)定控制要求,應進行豎向變形、水平位移及孔隙水壓力的監(jiān)測。堆載預壓加載速率應滿足地基最大豎向變形量≤15 mm/d,堆載預壓邊緣處水平位移≤5 mm/d。堆載預壓監(jiān)測斷面示意見圖3。

土體分層沉降監(jiān)測目的為檢測堆載作用下的沉降量及其隨時間的發(fā)展過程。一方面可用來評價填土加載速率的安全合理性；另一方面可通過對觀測結(jié)果的分析,計算出淤泥的實際固結(jié)度,復核地基土工后沉降值。通過鉆機成孔埋設土體分層沉降觀測管進行觀測,堆載預壓范圍內(nèi)監(jiān)測點呈方形布置,每50～80 m布置一個測點,觀測孔深35 m。

孔隙水壓力監(jiān)測目的為了解孔隙水壓力增長與消散過程情況,了解土體的強度增長情況,控制堆載施工速度。通過鉆機成孔埋設孔隙水壓力計進行觀測,堆載預壓范圍內(nèi)監(jiān)測點呈方形布置,每50～80 m布置一個測點,觀測孔深35 m。

深層土體水平位移監(jiān)測目的為觀測不同深度處土體水平位移,判定某深度處軟土地基水平變形發(fā)展規(guī)律。通過鉆機成孔埋設測斜管進行觀測,采用測斜儀測試,每500 mm測讀一次數(shù)據(jù),沿坡腳每50 m布置一個測點,觀測孔深10 m。

監(jiān)測頻率：填筑期1次/d,填筑完成后1次/3 d(第1個月),1次/周(第2～3個月),1次/月(第3～6個月)。

監(jiān)測結(jié)果表明,土體分層沉降在觀測孔深度位置沉降量為34.6 mm,壓縮率為0.69%；孔隙水壓力在40 d后基本趨于穩(wěn)定,在觀測孔深度位置可以達到-85 kPa以上；深層土體水平位移值和位移速率都不大,水平位移基本在200 mm以內(nèi)。上述監(jiān)測結(jié)果表明,本設計地基處理效果良好。

圖3 堆載預壓監(jiān)測斷面示意圖

5 結(jié) 語

筆者以浙江某沿海全國百強縣為例,對沿海工業(yè)城鎮(zhèn)污水處理廠建設過程中普遍遇到的軟土地基問題進行了系統(tǒng)地分析。從設計原則、處理方法、設計方法和施工監(jiān)測等方面對污水處理廠建設軟土地基處理進行了全面的設計分析。該污水處理廠已經(jīng)在地基處理的基礎上完成了建設和驗收,大大提高了當?shù)鼐用竦纳钇焚|(zhì)。同時，本文也可作為其他沿海工業(yè)化城鎮(zhèn)的污水處理廠及污水管網(wǎng)的地基處理設計的參考。