新疏浚土吹填地區(qū)開挖成河方案探討

張楊楊，謝先坤

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

為了因勢(shì)利導(dǎo)整合水流、穩(wěn)固長(zhǎng)江入海口處邊灘，避免航道疏浚土外拋大海對(duì)環(huán)境的影響，并緩解城市發(fā)展用地緊張局勢(shì)，采用疏浚淤泥吹填淺灘成陸。為加快新成陸區(qū)土地利用、解決防洪排澇及生態(tài)建設(shè)需要，新成陸區(qū)需修建蓄排水河道。但新疏浚土含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低，常規(guī)方法成河開挖難度大，易產(chǎn)生流土及邊坡坍塌現(xiàn)象，影響工程進(jìn)度及質(zhì)量。

在吹填土上修建儲(chǔ)油罐、房屋、廠房等建筑物已有很多成功案例。在吹填土的特性研究中，室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面也研究廣泛[1- 2]。閆澍旺等(2010)采用大直徑原狀試樣進(jìn)行了三軸不固結(jié)不排水蠕變?cè)囼?yàn)，研究了濱海新區(qū)吹填土的蠕變變形的規(guī)律性[3]；雷華陽(2012)開展了不同加荷方式下濱海典型軟土和圍海造陸吹填土的蠕變特性試驗(yàn)對(duì)比研究[4]；陳曉平等(2001)通過數(shù)值模擬方法分析了軟黏土的固結(jié)、彈性、塑性、蠕變等基本性質(zhì)的耦合效應(yīng)及考慮土體的蠕變對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響[5]。目前也已總結(jié)出不少吹填土地基加固處理方法，分為物理加固和化學(xué)加固兩類。物理方法有強(qiáng)夯法、砂石樁法、堆載預(yù)壓法及真空預(yù)壓法等；化學(xué)加固方法有深層攪拌、粉噴樁法、淤泥固化等[6]。

新疏浚土吹填成陸地區(qū)開河工程較少，該方面研究鮮見，且河道為線性工程，采用一般地基處理方法，工程費(fèi)用較大。本文在研究新疏浚吹填土物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出滿足河道開挖的經(jīng)濟(jì)適用地基處理措施與施工方案，并通過工程實(shí)踐加以總結(jié)積累，可為類似工程提供參考。

1 新疏浚吹填土物理力學(xué)特性分析

吹填土是由海相淤泥經(jīng)吹填機(jī)械松動(dòng)、擾動(dòng)、與水混合成泥漿后從管道吹至場(chǎng)區(qū)、重新淤積、沉淀而成。其沉積過程通常可分為水流沖蝕、動(dòng)力擴(kuò)散沉積、靜水沉積、失水固結(jié)等四個(gè)階段。由于水力吹填和顆粒分選作用，吹填區(qū)在管口附近形成由粗顆粒組成的扇狀微三角洲，三角洲前部有一處深槽，為混合水流的主要通道，三角洲以外的吹填土以細(xì)顆粒為主。吹填后場(chǎng)地標(biāo)高為中間低、四周高，三角洲前緣呈鋸齒狀并逐漸過渡為淤泥層[7- 8]。

本文結(jié)合上海某灘涂治理成陸工程分析新疏浚吹填土物理力學(xué)特性。為確保圍區(qū)防洪排澇安全，該工程在圍區(qū)內(nèi)需實(shí)施水系河道工程，包括橫一河、橫二河、縱三～縱十河共10條河道，如圖1所示。

圖1 某灘涂治理工程新成陸區(qū)河道平面布置圖

場(chǎng)地內(nèi)表層主要特殊性土層為：新近沉積層①a層吹填土(砂質(zhì)粉土)、①b層吹填土(淤泥質(zhì)黏土)、④層灰色淤泥質(zhì)黏土。其中①b、④層土含水率高、孔隙比大、壓縮性高，土性軟弱，未完全完成排水固結(jié)。根據(jù)該區(qū)域地勘參數(shù)，采用阿別列夫經(jīng)驗(yàn)公式分析吹填土的壓密狀態(tài)，計(jì)算出吹填土的超固結(jié)應(yīng)力比OCR<1，為欠固結(jié)土；根據(jù)土體固結(jié)試驗(yàn)，壓縮性屬中等。

新吹填土①a主要集中在圍區(qū)南側(cè)(橫二河)處，①b層分布于橫二河以北。粒徑分布表明疏浚土從管口出來后，顆粒大的土體在重力作用下先沉積固結(jié)，顆粒小的在水流作用下流到遠(yuǎn)處再沉積固結(jié)。近吹填口處吹填土顆粒大、重度大、孔隙比小、含水量低、強(qiáng)度高。吹填土顆粒分析及物理力學(xué)特性見表1- 2。

表1 吹填土顆粒分析表 單位：%

表2 吹填土物理力學(xué)特性表

2 開挖成河方案

新疏浚吹填土含水量高、尚未固結(jié)、土體強(qiáng)度低，為保證河道開挖邊坡穩(wěn)定，需對(duì)擬成河道邊坡地基加固處理，即采取措施加快土體固結(jié)速率。新疏浚土固結(jié)與排水速率密切相關(guān)，不同地基處理方案直接影響到排水的快慢，因此新疏浚土吹填地基加固處理需考慮多方面因素，綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件，針對(duì)疏浚吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)，選擇最為合適的加固處理方案。本工程因吹填土及地基土均含粉細(xì)砂，難以形成抽真空條件，且河道開挖有大量土源可作為加載，經(jīng)方案比選采用堆載預(yù)壓聯(lián)合塑料排水板加固土體[9- 10]，如圖2所示。

圖2 堆載預(yù)壓法加固處理圖

根據(jù)擬開挖的河道邊坡，初步計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，根據(jù)滑弧的進(jìn)出口位置確定垂直河道方向處理范圍。水平排水體采用通長(zhǎng)砂袋，覆蓋擬加固吹填土體平面范圍；豎向排水體采用塑料排水板，穿過擬加固的吹填土體，與水平排水設(shè)施連接在一起，確保排水通暢；加載系統(tǒng)利用擬開挖河道內(nèi)及岸側(cè)周邊土體，經(jīng)濟(jì)便利。

考慮堆載土源為河道內(nèi)及周邊圍區(qū)的吹填土，難以堆壓成形，先在水平排水設(shè)施通長(zhǎng)管袋兩側(cè)堆填沖泥管袋棱體圍堰成庫(kù)，以支擋作為堆載作用的吹填土，再充泥至庫(kù)。圍堰內(nèi)吹填土高度根據(jù)被加固土體性質(zhì)及河道開挖進(jìn)度確定，水平排水結(jié)構(gòu)上部?jī)啥藝唔敻叱滩坏陀趪邇?nèi)吹填土頂高程。待擬建河道岸坡處土體加固達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除上部堆載土體，按照設(shè)計(jì)邊坡進(jìn)行河道開挖，實(shí)施河道護(hù)坡護(hù)底結(jié)構(gòu)。

開挖成河施工方案如圖3所示。首先鋪設(shè)水平排水通長(zhǎng)管袋，兩側(cè)構(gòu)筑管袋棱體子圍堰，開挖河道中間①區(qū)的土方回填于②區(qū)堆載預(yù)壓；當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后挖除②區(qū)堆載土體；然后按設(shè)計(jì)邊坡開挖③區(qū)土方；最后采用挖泥船疏浚開挖④區(qū)土方。

圖3 土方開挖順序示意圖

3 成河方案評(píng)價(jià)

3.1 地基處理方案數(shù)值模擬

采用PLAXIS對(duì)堆載時(shí)間和堆載后效果進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，選用高級(jí)土體本構(gòu)模型HS模型，固結(jié)基本方程使用Biot理論。滲流問題采用達(dá)西(Darcy)定理，假設(shè)土骨架彈性變形，且基于小應(yīng)變理論。根據(jù)太沙基(Terzaghi)原理，土中的應(yīng)力分為有效應(yīng)力和孔隙壓力：

σ=σ'+m(psteady+pexcess)

式中，σ=(σxxσyyσzzσxyσyzσzx)T;m=(111000)T

psteady=∑Mweight·pinput

式中，σ—總應(yīng)力矢量；σ'—有效應(yīng)力；pexcess—超孔隙水壓力；m—包含單位正應(yīng)力分量和零剪應(yīng)力分量的矢量；psteady—固結(jié)過程最終的穩(wěn)態(tài)解；pinput—孔隙壓力。

選擇地表荷載作用中心點(diǎn)附近一節(jié)點(diǎn)，其孔隙水壓力和豎向位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，如圖4—5所示。根據(jù)孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線可以判斷，50～60d地基土體已基本固結(jié)，孔隙水壓力接近0。土體豎向位移在加載初期快速增加，曲線較陡，隨著時(shí)間推移，孔隙水壓力消散，曲線趨于穩(wěn)定，最大位移為237mm，至30d位移基本保持不變。

圖4 孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線

圖5 位移隨時(shí)間變化曲線

計(jì)算結(jié)果表明，堆載預(yù)壓60d后，處理范圍內(nèi)土體已基本固結(jié)穩(wěn)定，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 土體物理力學(xué)指標(biāo)變化

基于有效固結(jié)壓力法及堆載預(yù)壓加固機(jī)理，土體強(qiáng)度增長(zhǎng)可用下式表達(dá)[11]：

△τ=△σUt(1-sin2φ)tanφ

式中，Ut—任一時(shí)刻土體的固結(jié)度。

經(jīng)河道位置處吹填土體勘察，地基處理后土體組成如下：①a1灰色吹填土：為管袋充填堆載土；①a2灰黃色吹填土即地基處理前的①a層土；①b灰色吹填土；②3- 2灰色砂質(zhì)粉土。

吹填土自身沉積時(shí)，基本處于懸浮狀態(tài)，后在自身重力作用下慢慢固結(jié)，但由于沉積時(shí)間短，處于欠固結(jié)狀態(tài)。在堆載預(yù)壓固結(jié)處理后吹填土體重度增加，含水量減小，內(nèi)摩擦角與壓縮模量均有較大提升，距離吹填管口較遠(yuǎn)處的①b層土較吹填管口較近處①a層土的強(qiáng)度和壓縮模量增加相對(duì)值明顯高，表明預(yù)壓效果良好。

表3 土體各指標(biāo)對(duì)比(以①a層為例)

表4 土體各指標(biāo)對(duì)比(以①b層為例)

3.3 開挖過程安全性評(píng)價(jià)

對(duì)河道開挖過程中土體的邊坡穩(wěn)定進(jìn)行安全性分析，采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算各施工開挖步下的穩(wěn)定安全系數(shù)，為河道開挖順序的選擇提供依據(jù)。

依據(jù)地基處理設(shè)計(jì)方案中的河道斷面及開挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬，建立模型，土體采用HS模型，參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告及補(bǔ)充室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，其中地基處理部分采用固結(jié)后土體參數(shù)，建立平臺(tái)以上、以下土體挖除兩個(gè)分析步，分別對(duì)其設(shè)置安全性計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，地基處理前河道邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為0.776，不滿足規(guī)范要求。地基處理后各開挖步下土體的增量位移云圖如圖6—7所示，并選擇坡頂處節(jié)點(diǎn)，輸出其增量乘子∑Msf與總位移∣u∣變化關(guān)系曲線，如圖8所示。根據(jù)圖表可以看出，挖除平臺(tái)以上土體后河道邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.62，平臺(tái)以下土體挖除后河道邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.58，均滿足規(guī)范要求。因此河道開挖順序合理，開挖過程中的土體穩(wěn)定均滿足要求。

圖6 平臺(tái)以上土體挖除后增量位移云圖

圖7 平臺(tái)以下土體挖除后增量位移云圖

圖8 開挖過程穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結(jié)語

為解決新疏浚土吹填區(qū)常規(guī)成河存在的問題，本文結(jié)合工程實(shí)例，研究了新疏浚吹填土物理力學(xué)特性。主要結(jié)論如下：

(1)新疏浚吹填土含水率高、孔隙比大、壓縮性高，土性軟弱，未完全完成排水固結(jié)；顆粒大的土體在重力作用下先沉積固結(jié)，顆粒小的在水流作用下流到遠(yuǎn)處再沉積固結(jié)。

(2)綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件，本工程案例選擇堆載預(yù)壓聯(lián)合塑料排水板加固土體，既可利用開挖土體，預(yù)壓對(duì)后期邊坡穩(wěn)定及圍區(qū)排水也有利。

(3)堆載預(yù)壓60d后，土體已基本固結(jié)穩(wěn)定，物理力學(xué)指標(biāo)有大幅提升，河道開挖順序合理，土體穩(wěn)定滿足要求。