楊苗苗，陳 俊，陳一梅

（東南大學 交通學院，南京210096）

地基處理是護岸工程的重要組成部分?，F(xiàn)階段國內(nèi)對于護岸工程中軟土地基處理往往只從地質(zhì)條件、施工場地、施工設備、施工工藝等因素結(jié)合施工造價考慮，比較得出各種地基處理方案的優(yōu)缺點，而針對能耗等因素的綜合分析研究尚處于探索階段。本文以鹽河 （楊莊—武障河）航道整治工程8 標段（沈陽路大橋上游—新渡雙壩村）的護岸工程為例，對護岸軟土地基處理方案中換填塊石、水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁這3 種方案，先從能耗、造價兩個因素進行定量分析，然后選取能耗、造價、施工便利性、質(zhì)量控制4 個指標進行綜合評價，為護岸工程軟土地基處理方案的選擇提供參考。

1 護岸工程軟土地基的特性

軟土指天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水量大于液限，并具有靈敏結(jié)構(gòu)性的細粒土［1］，包括淤泥、淤泥質(zhì)土（淤泥質(zhì)的粘土、粉土、粉質(zhì)粘土等）、泥炭、泥炭質(zhì)土等。工程中一般以淤泥和淤泥質(zhì)土總稱為軟（粘）土［2］。軟土一般分布在濱海、海陸過渡區(qū)、湖泊、沼澤、谷地和河灘沉積帶，具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、承載力低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)穩(wěn)定時間長、觸變性、流變性、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復雜、各土層之間物理力學性質(zhì)相差較大等特點，工程性質(zhì)差，未經(jīng)處理不宜直接作為建筑物地基。

由于護岸屬于臨河建筑，地下和地上的水位變動性大，且經(jīng)常遭受水流沖擊和波浪淘刷，具有更復雜的工程特性，導致護岸工程中的軟土地基較一般建筑物地基處理難度加大。

2 能耗分析與計算

對鹽河航道整治8 標段護岸工程的兩種護岸結(jié)構(gòu)（空箱式KX 和重力式ZL）的軟土地基處理方案進行能耗分析與比較。根據(jù)護岸的上部結(jié)構(gòu)不同分成兩組，其中每組護岸的上部結(jié)構(gòu)完全相同（形式、尺寸、大?。?，只是地基處理方法不同（換填塊石、水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁）。由于施工統(tǒng)計資料中護岸工程的上部結(jié)構(gòu)與地基處理部分是放在一起的，在護岸上部結(jié)構(gòu)完全相同而地基處理方法不同的情況下，可用整個護岸工程的總能耗來對比分析不同地基處理方案的能耗差異。

2.1 能耗分析

借鑒前人研究［3］，將護岸工程總能耗分為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的材料能耗、運輸環(huán)節(jié)的運輸能耗和施工環(huán)節(jié)的施工能耗。

材料能耗為生產(chǎn)環(huán)節(jié)中工程建筑材料的總內(nèi)含能量，指工程施工過程中所用的全部建筑材料的內(nèi)含能量，包括從原材料獲取到制成成品的全過程能量消耗、轉(zhuǎn)化為建筑元素所消耗的能量和進行裝配所消耗的能量。根據(jù)鹽河航道整治8 標段護岸工程的實際情況，這里計入能耗的材料包括鋼筋、水泥、砂、石料、PVC、無紡布等。

運輸能耗為工程建筑材料運輸總能耗，指工程施工所用建筑材料從生產(chǎn)地到施工現(xiàn)場的運輸過程能耗。在鹽河航道整治8 標段護岸工程中，水泥、黃砂、石料、鋼筋等主材用量較大，所以運輸能耗主要針對這幾種主材來計算。其中，水泥、鋼筋采用陸運，水泥運距20km，鋼筋運距50km；黃砂、石料采用水運，黃砂運距90km，石料運距120km。根據(jù)2012年《交通統(tǒng)計年鑒》，公路運輸?shù)暮牟裼土?7.69kg/kt·km，水路運輸?shù)暮牟裼土?.59kg/kt·km。每千克柴油耗能42652kJ，產(chǎn)生3.16kg 的碳排放量［4］。

施工能耗為建筑物施工過程總能耗，指工程施工現(xiàn)場的各種施工過程中大量施工和運輸機械 （如卡車、吊車、攪拌機等）的能耗。在分析鹽河航道整治8 標段護岸工程的施工能耗時，以每種施工工序的燃料動力費（即耗油和用電的多少）計算出各種施工工序的耗油和用電量。

2.2 能耗計算

總能耗Ee的數(shù)學模型定義為［5］：

式中 Em、Et、Ep分別為生產(chǎn)、運輸和施工環(huán)節(jié)的能耗。

各組護岸結(jié)構(gòu)每延米的總能耗計算結(jié)果如表1所示。

表1 兩組護岸結(jié)構(gòu)每延米總能耗

由于每組護岸的上部結(jié)構(gòu)完全相同 （形式、尺寸、大?。?，只是地基處理方法不同，這里以地基處理方法是水泥攪拌樁的護岸結(jié)構(gòu)為基準，計算換填塊石、鋼筋混凝土方樁地基處理能耗的差值△Ee和能耗增量百分比r，計算公式如下：

其中下標1，2，3 分別表示換填塊石、水泥攪拌樁和鋼筋混凝土方樁。

計算結(jié)果如表2和圖1。

表2 3 種地基處理方案的每延米能耗比較

圖1 3 種地基處理方案的每延米能耗增量比柱狀圖

由表2和圖1可知，水泥攪拌樁在3 種地基處理方案中能耗最小，但換填塊石和鋼筋混凝土方樁在空箱式結(jié)構(gòu)組和重力式結(jié)構(gòu)組出現(xiàn)完全相反的結(jié)果，如圖1所示，空箱式結(jié)構(gòu)組中換填塊石能耗增量比大于鋼筋混凝土方樁，重力式結(jié)構(gòu)組則恰恰相反。其原因是：空箱式結(jié)構(gòu)組中鋼筋混凝土方樁處理的軟土層厚為3.0m，樁長4m 便可達到承載力要求，而重力式結(jié)構(gòu)組中鋼筋混凝土方樁處理的軟土層厚為3.3m，樁長5m 才能滿足承載力要求，樁長的增加導致能耗值也相應增加。為了消除軟土層處理厚度不同的影響，這里進一步將每延米能耗差值△Ee折合成單位軟土層厚度的能耗差值△Ee/h，其中h 為軟土層總厚度，計算公式如下：

計算結(jié)果如表3。

表3 3 種地基處理方案的單位軟土層厚度能耗比較

由表3可知，在消除了軟土層厚度不同對能耗的影響后，兩組護岸結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果趨向一致，換填塊石單位軟土層能耗均大于鋼筋混凝土方樁。另外，經(jīng)過折合單位軟土層厚度的處理后，換填塊石與鋼筋混凝土方樁的能耗差異變大。在表2中最后一列，空箱式結(jié)構(gòu)組的換填塊石能耗高出鋼筋混凝土方樁19.2%，而在表3中最后一列，空箱式結(jié)構(gòu)組單位軟土層地基處理的能耗換填塊石高出鋼筋混凝土方樁155.2%，重力式結(jié)構(gòu)組為換填塊石高出鋼筋混凝土方樁138.8%，可見考慮了軟土層厚度對地基處理能耗的影響后，3種方案在軟基處理中的能耗差異更顯著。

綜合以上分析，在鹽河航道整治8 標段護岸工程中，上部結(jié)構(gòu)采用空箱式和重力式，水泥攪拌樁處理軟土地基的能耗最小，其次是鋼筋混凝土方樁，換填塊石的能耗最大。

3 護岸工程軟土地基處理的造價計算

同能耗計算一樣，在護岸上部結(jié)構(gòu)完全相同而只是地基處理方法不同時，可利用整個護岸工程的總造價來間接分析不同地基處理方案的造價差異。同樣以地基處理方法是水泥攪拌樁的護岸結(jié)構(gòu)為基準，計算換填塊石、鋼筋混凝土方樁地基處理造價的差值△C 和折合成單位軟土層厚度的造價差值△C/h，計算結(jié)果如表4所示。

表4 3 種地基處理方案的每延米造價比較

由表4可知，在鹽河航道整治8 標段護岸工程中，上部結(jié)構(gòu)采用空箱式和重力式，水泥攪拌樁處理軟土地基的造價最低，其次是鋼筋混凝土方樁，換填塊石的造價最高。

4 3 種地基處理方法的綜合評價

根據(jù)以上對能耗、造價的定量計算與分析，以及鹽河航道整治工程實踐，在選擇護岸軟土地基處理方法時，除了需要考慮地基承載力、工程質(zhì)量、施工便利性、經(jīng)濟性等傳統(tǒng)因素，隨著工程建設領域節(jié)能減排意識的提高，還需要增加節(jié)能因素。首先需要明確的是，鹽河屬于內(nèi)河限制性航道，在其8 標段護岸工程中軟土層厚度普遍不超過5m，3 種地基處理方法均能滿足承載力要求。下面選取能耗、造價、施工便利性、質(zhì)量控制4 個指標，對本工程的3 種地基處理方法進行綜合評價，評價模型如下：

式中 S 為地基處理方法綜合得分；Bi為分項指標得分；Ai為各指標權(quán)重。

采用指數(shù)標度法（1.316n，n 為1～9 標度值）對評價指標進行重要性標度［6-8］，如表5，建立判斷矩陣，計算其最大特征值對應的特征向量，再將特征向量歸一化即為相對權(quán)重向量，可得各指標權(quán)重值：能耗0.21，造價0.26，施工便利性0.23，質(zhì)量控制0.30。

表5 評價指標重要性標度

對能耗和造價來講，前文已有定量計算的數(shù)據(jù)，只需將這些量化數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，轉(zhuǎn)換成十分制，其中能耗和造價最低的方案記為10 分，最高的方案記為5 分。以能耗為例，選擇表3中△Ee/h一列數(shù)據(jù)作為打分依據(jù)，先將空心式結(jié)構(gòu)組和重力式結(jié)構(gòu)組分別對應相加取平均值，然后按照式（9）進行規(guī)范化處理：

式中 bj為3 種地基處理方法能耗分項得分（j=1，2，3）。

施工便利性包括是否需要圍堰、土方開挖與回填量、施工場地、施工設備、施工工藝、施工速度與工期等，這里只能定性分析，然后以十分制打分。換填塊石方案的土方開挖與回填量較大［9］，將使其該項得分較低。在本工程軟土層厚度普遍不超過5m 的情況下，3 種地基處理方案的施工場地、設備、工藝及施工速度與工期等因素對施工便利性的影響差別不是很大，另外考慮到水泥攪拌樁現(xiàn)場施工的震動和噪音較?。?0-11］，對周邊環(huán)境幾乎沒有影響，而且鋼筋混凝土方樁的預制、養(yǎng)護需要耗費一定時間，由此看水泥攪拌樁稍優(yōu)于鋼筋混凝土方樁。

對質(zhì)量控制來講，定性分析然后以十分制打分。目前在軟土地基處理方面的施工技術(shù)已經(jīng)相當先進，由于本工程軟土層厚度普遍不超過5m，3 種地基處理方案在質(zhì)量控制上沒有明顯差別，但由于鋼筋混凝土方樁是預制法成樁，更易保證樁身質(zhì)量［10］，也便于檢測成樁缺陷，將使其該項得分較高。

在4 個指標分項得分的基礎上，計入各指標權(quán)重，即可得到3 種地基處理方法的綜合得分，如表6所示。

表6 3 種地基處理方法分項及綜合得分

由表6可知，綜合考慮能耗、造價、施工便利性、質(zhì)量控制4 個指標，水泥攪拌樁得分最高，其次是鋼筋混凝土方樁，換填塊石得分最低，水泥攪拌樁為最優(yōu)的地基處理方法。

5 結(jié)語

護岸工程軟土地基處理達到相同效果的情況下，不同地基處理方案的能耗差異顯著，本文研究的工程實例中，空箱式護岸結(jié)構(gòu)單位軟土層厚地基處理的能耗換填塊石高出鋼筋混凝土方樁155.2%，重力式護岸結(jié)構(gòu)換填塊石高出鋼筋混凝土方樁138.8%。從節(jié)能減排的角度來說，護岸工程設計中，應注意地基處理方案中能耗的比較。

不論從能耗或造價，還是綜合評價能耗、造價、施工便利性、質(zhì)量控制4個指標，本例中水泥攪拌樁都是3種地基處理方法中的首選，而且水泥攪拌樁施工過程的棄土污染、震動、噪音及擠土效應危害小，對周圍居民及相鄰建筑物的影響不大［10-11］，因此具有廣闊的應用前景，可以在護岸工程中大力推廣使用。

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