鄭志龍
(上海園林(集團(tuán))有限公司,上海200011)
“無水不成園”,我國(guó)古典園林講究挖湖堆山,塑造地形的造景手法,山得水而活,水得山而媚,山水之美讓人有一種豁然開朗的感覺。受我國(guó)古典園林造園思想影響,挖湖堆山造景手法被廣泛運(yùn)用在現(xiàn)代城市景觀設(shè)計(jì)中。
南通紫瑯公園位于南通市中央創(chuàng)新區(qū)內(nèi),總規(guī)劃面積2.02×106m2,新開路以西,興富路以東,包括建筑工程、橋梁工程、人工地形堆筑、河道開挖及人工湖等景觀項(xiàng)目。該工程最大的特色之一在公園南端區(qū)域開挖中心湖景、貫通水系,北端區(qū)域堆筑山體,營(yíng)造山水生態(tài)景觀,堆筑山體高度在0~23m,山體坡度12°~30°,主峰高度23m,東、南2座次峰高度分別為11m和9m,總土方量約8×105m3。
本工程山體高、荷載大、工期緊,且原有地質(zhì)條件及周邊環(huán)境對(duì)高堆山有不利影響。高堆土山區(qū)域在部分原有河道暗浜上,且環(huán)山三面新開挖人工河道,開挖河道將減弱地基的整體性。本堆山場(chǎng)地地質(zhì)淺層以黏質(zhì)粉土為主作為持力層,承載力特征值可取120k Pa,而根據(jù)計(jì)算山體最大荷載約400k Pa,最大堆山高度超過地基土下臥層的承載力,另一方面,場(chǎng)地水系發(fā)達(dá),地下水位高。
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),在堆山工程施工期間,由于填土堆載,致使地基水土壓力增大,如果土體堆填速度過快,孔隙水壓力不能充分消散,土體固結(jié)不充分導(dǎo)致其強(qiáng)度不能相應(yīng)增長(zhǎng),可能會(huì)由于抗剪強(qiáng)度不足而引起剪切破壞,具體表現(xiàn)為山體沉降量及差異沉降增大,地基土體發(fā)生水平方向滑移,山體周邊自然地面和河道隆起等[1]。
根據(jù)勘察報(bào)告顯示,紫瑯公園的土體構(gòu)成除表層填土與淤泥,其余屬第四紀(jì)長(zhǎng)江沖積層,25m深度內(nèi)以淺土層以粉砂、粉土為主,一般為中等壓縮性,局部為中等偏高壓縮性,力學(xué)強(qiáng)度為一般~較高;26~36m深度范圍內(nèi)以粉土、粉質(zhì)黏土為主,中等偏高壓縮性土,力學(xué)強(qiáng)度較低;其下40m淺土層以粉砂為主,中~中偏低壓縮性土,力學(xué)強(qiáng)度較高。土層分布及性質(zhì)如表1所示。
表1 土層及壓縮性分布
人工堆山施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、地域性強(qiáng),供參考的施工經(jīng)驗(yàn)較少,而且本項(xiàng)目建設(shè)單位不接受將巨大的工程資金放在地下的地基加固施工中。綜合考慮堆山的安全性、造價(jià)控制要求等因素,勘察、設(shè)計(jì)、施工多次論證,并對(duì)地基穩(wěn)定性進(jìn)行分析,針對(duì)地基不利因素,制訂天然地基堆筑的堆山方案,并實(shí)施堆山監(jiān)測(cè)保證安全措施。
估算得出山體最大荷載約400k Pa,堆載變形量影響范圍主要為25~40m以淺土層。根據(jù)地基土層分布及載荷條件,計(jì)算地基土極限承載力:
根據(jù)地基土層分布及載荷條件(山體):
式中,fa為由土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力特征值,k Pa;Mb、Mc、Md為承載力系數(shù);b 為基礎(chǔ)底面寬度,m,大于 6m時(shí)按6m取值,對(duì)于砂土,小于3m時(shí)按3m取值;d為基礎(chǔ)埋置深度,m,γ為土的重度,k N/m3;γm為基礎(chǔ)地面以上土的加權(quán)平均重度,k N/m3;Ck為基底下一倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值,MPa,本工程Ck取一倍短邊(6m)范圍內(nèi)土層Ck標(biāo)準(zhǔn)值,Ck取(15.9×3.2+23.5×2.8)/6=19.4[2];
查表得:Mb=0.49,Md=3.02,Mc=5.52
計(jì)算分析:(1)fa計(jì)算公式的理論依據(jù)為太沙基、漢森理論,理論計(jì)算式偏于保守,土體計(jì)算式pu1/4小于pu1/3;pu1/4和pu1/3分別是允許地基產(chǎn)生Zmax=b/4和Zmax=b/3范圍塑性區(qū)所對(duì)應(yīng)的2個(gè)臨界荷載;(2)26m堆載區(qū)域?yàn)橹虚g局部,從土體深寬修正的理論出發(fā),周邊土體回填于26m處起到一個(gè)反壓的作用,為有利因素。
受附加荷載所致的變形產(chǎn)生的超孔隙水壓力主要位于25m以淺土層,該范圍內(nèi)以粉砂、粉土為主,超孔隙水壓力一般易于消散,不利因素是②1表層土以黏質(zhì)粉土為主,滲透性較差,其下部孔隙水不易排出,且約15m以淺土層中夾水平薄層粉質(zhì)黏土,滲透性較差,故應(yīng)采取必要的排水措施,以減小超孔隙水可能導(dǎo)致的承載力、抗剪能力的損失,同時(shí),加快地基土的固結(jié)速度,避免出現(xiàn)整體失穩(wěn)情況。
根據(jù)設(shè)計(jì)方案,山體的坡比主要在1∶4~1∶8,山體土源為挖湖土體,以粉土、粉砂為主,初步判斷,只要控制土體的含水量和回填中的密實(shí)度,山體一般可達(dá)自身整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。
根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),針對(duì)堆山地表軟黏土地基承載力低、含水量大、超孔隙水壓力無法消散等不利因素,為保證堆山的安全性,常采用管樁處理、深層攪拌樁、堆載預(yù)壓聯(lián)合排水固結(jié)的地基處理方案。
對(duì)于本項(xiàng)目堆山工程,對(duì)基底土采用塑料排水板或砂樁做排水豎井,以增強(qiáng)淺層土承載能力,提高降水效率和效果,并控制堆山速度最為理想。但是,為了不增加地基處理的工程造價(jià),在工期允許和堆山監(jiān)測(cè)保障的條件下,經(jīng)施工單位、勘察、設(shè)計(jì)等各方技術(shù)人員及相關(guān)地質(zhì)專家多次開會(huì)研討論證,并結(jié)合地基穩(wěn)定性分析情況,確定本工程采用井字盲溝(透水溝)結(jié)合分層壓實(shí)堆筑的施工方案,從2個(gè)方面把控土體回填:(1)粉砂土填筑壓實(shí)度滿足要求;(2)場(chǎng)地做底部排水通道,利用土體的自重固結(jié)和堆載對(duì)地基土的固結(jié)效應(yīng),結(jié)合排水措施將回填土中的孔隙水及地基土中超孔隙水逐漸排出,以達(dá)到新的力學(xué)平衡。另一方面,對(duì)環(huán)山挖湖區(qū)域提前施工輕型井點(diǎn)降水來配合盲溝排水,提高降水效率和效果。
針對(duì)本工程的特點(diǎn),綜合采取如下設(shè)計(jì)方案:
1)考慮擬堆山區(qū)域表層黏土作為持力層承載力透水性差,但可資源利用山體表面1.5m種植土,對(duì)表層原種植土全部收集到將來要開挖河道區(qū)域或紅線外區(qū)域;
2)26m山體區(qū)域排設(shè)盲溝H1500mm×L2000mm@50000mm,采用無紡?fù)凉げ及献悠ńㄖ矇K,粒徑小于10cm)。縱橫交接處盲溝為4000mm×4000mm@50000mm進(jìn)行施工;
3)13~15 m山及周邊堆筑區(qū)域縱橫排設(shè) H1500mm×L3000mm@50000mm,用砂土回填透水溝,開挖透水溝的土方放在溝的兩側(cè);
4)擬堆山區(qū)域通過盲溝和透水溝的施工使堆筑區(qū)域形成縱橫交錯(cuò)“井”字形的排水系統(tǒng)(見圖1),排水系統(tǒng)通向四周河道,使土體加速固結(jié),提高土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
圖1 盲溝和透水溝示意圖
山體堆填順序的科學(xué)部署有助于保證工程質(zhì)量、降低安全風(fēng)險(xiǎn),加快施工進(jìn)度。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)堆筑3個(gè)高度不同的山丘,并在山體外圍新開挖一圈河道,綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)因素,最終確定先堆筑山體,再開挖河道,且各山丘的堆填順序是平行堆填,提出這一方案的理由是:(1)自然原始地坪是整體穩(wěn)定的,對(duì)堆筑區(qū)域有加固承載和支撐作用;如先開挖河道再堆筑山體,或一邊開挖一邊堆筑,就打破原始地坪基礎(chǔ)的整體性;(2)從經(jīng)濟(jì)成本考慮,山體芯土堆筑完成后,河道開挖表層種植土可就近做山體表層1.5m覆蓋土,減少河道表層土二次挖運(yùn)費(fèi)用;(3)為保證山體均勻沉降,3座山體同時(shí)堆筑,采用同一等高線同時(shí)堆筑方案,使山體均衡上升,從而保證地基的受力均勻。
原有河道暗浜內(nèi)淤泥、淤泥質(zhì)土對(duì)山體的穩(wěn)定不利,采用全部挖除,并回填砂土分層碾壓。在清理河道暗浜的淤泥前進(jìn)行排水,排水結(jié)束后,再用挖機(jī)進(jìn)行清淤,淤泥駁運(yùn)至河道邊或不影響晾曬的區(qū)域堆積、灘涂,進(jìn)行充分晾曬,等晾干后再和表層土進(jìn)行混合作為種植土使用。淤泥清理必須清至原始土才可結(jié)束。清理淤泥后再用砂土分層回填,每層回填的厚度為60~80cm,每層回填完成用壓路機(jī)碾壓,壓實(shí)系數(shù)不低于85%。
山體堆筑芯土的含水率對(duì)山體的穩(wěn)定尤為重要。按照設(shè)計(jì)土方平衡的要求,堆山的土源為挖湖土體,根據(jù)湖區(qū)地質(zhì)資料,主要為粉土、粉砂為主。為保證山體的穩(wěn)定性,從3個(gè)方面控制土質(zhì):(1)含水量較大的黏性土、淤泥質(zhì)土、含雜草、建筑垃圾等物的雜質(zhì)土不得作用堆山芯土,以避免夯填不實(shí);(2)土的含水率控制在最佳含水率。需對(duì)土源進(jìn)行最佳含水量測(cè)試,土源進(jìn)入堆山區(qū)進(jìn)行檢測(cè),最佳含水量為80%時(shí),可分層碾壓;(3)堆土按“非”字形順序布置,現(xiàn)場(chǎng)管理按土源質(zhì)量分區(qū)堆填,粉土、粉砂土先用于修筑“非”字形堆筑通道,不合要求的土待處理后碾壓
山體造型根據(jù)測(cè)量放樣等高線的坐標(biāo)(X,Y)進(jìn)行,先用GPS定位(X,Y),再用水準(zhǔn)儀測(cè)量標(biāo)高,造型標(biāo)高用竹竿標(biāo)記控制,挖機(jī)根據(jù)竹竿標(biāo)記標(biāo)高進(jìn)行造型。山體在堆筑時(shí)分層回填,回填厚度60~80cm,先用推機(jī)推平,再用震動(dòng)壓路機(jī)反復(fù)碾壓。為了保證回填土壓實(shí)的均勻性和密實(shí)度,在壓路機(jī)碾壓前先用推機(jī)推平,低速預(yù)壓4~5遍,使表面平實(shí)。震動(dòng)壓路機(jī)在壓實(shí)過程中,應(yīng)控制行駛速度,平壓、震動(dòng)碾壓不超過2km/h。根據(jù)設(shè)計(jì)要求檢測(cè)土方的壓實(shí)度,每3m檢測(cè)一次,壓實(shí)度檢測(cè)要求不低于85%。檢測(cè)時(shí)實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)見證取樣,檢測(cè)方法采用環(huán)刀法,壓實(shí)度檢測(cè)符合要求再繼續(xù)堆筑,為不耽誤工期,回填檢測(cè)采用分段流水施工。
自然地基堆山施工速度控制對(duì)堆山的安全性和山體的穩(wěn)定性尤為重要。根據(jù)地勘資料,首先通過理論估算地基土沉降量,推算指導(dǎo)性總工期10個(gè)月。在實(shí)際堆山過程中,堆山的速度控制參照監(jiān)測(cè)的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行,關(guān)鍵控制監(jiān)測(cè)報(bào)警期間的施工速度,土體分層豎向位移和場(chǎng)地地表沉降變化超報(bào)警值必須停止施工,待土體分層豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回到允許值且變化恢復(fù)正常后進(jìn)行下級(jí)堆筑。為了既快又安全地完成堆山任務(wù),堆山進(jìn)度控制分為2個(gè)階段:在地基土承載力范圍內(nèi),施工快速連續(xù)分級(jí)堆筑,此期間各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定;隨著堆筑高度升高,堆載量超過地基承載力,監(jiān)測(cè)指標(biāo)接近報(bào)警值,該階段堆載速度放緩,大于報(bào)警值后立即暫停堆筑,待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行下級(jí)堆筑。
本次監(jiān)測(cè)為了確保堆山的安全,及時(shí)跟蹤掌握在施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)的各種不利現(xiàn)象,掌握堆山的穩(wěn)定狀態(tài)、安全程度,為設(shè)計(jì)和施工單位提供信息,以便隨時(shí)修改施工方案,合理安排施工的進(jìn)度和方式。同時(shí),監(jiān)測(cè)還可以作為堆山景觀最終穩(wěn)定性的依據(jù)。
監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括:(1)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)(10個(gè)點(diǎn)數(shù));(2)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)(10個(gè)點(diǎn)數(shù));(3)土體分層豎向位移監(jiān)測(cè)(27個(gè)點(diǎn)數(shù));(4)地面沉降觀測(cè)(12個(gè)點(diǎn)數(shù));(5)地下水位(10個(gè)點(diǎn)數(shù))。
本堆山工程從施工進(jìn)場(chǎng)起,到山體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),總工期約300d,監(jiān)測(cè)共計(jì)60期。根據(jù)不同堆筑階段設(shè)定監(jiān)測(cè)頻次:堆筑前期1次/7d,監(jiān)測(cè)報(bào)警期間1次/2d,山體全部堆筑完成,且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后,1次/15d。在加載過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?;蝾A(yù)警,及時(shí)通知業(yè)主和相關(guān)單位,停止堆載并采取措施,等各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到要求后,方可進(jìn)入下一級(jí)加載。
監(jiān)測(cè)報(bào)警指標(biāo)一般以總變化量和變化速率2個(gè)量控制,變化速率的報(bào)警指標(biāo)不宜超過設(shè)計(jì)限值。本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)報(bào)警指標(biāo)有:(1)邊界側(cè)向位移小于5mm/d;(2)場(chǎng)地的土體分層豎向位移速率小于5mm/d;(3)場(chǎng)地周邊地面沉降量以3mm/d控制。
監(jiān)測(cè)結(jié)果為:
1)堆筑高度0~12m,全部監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)穩(wěn)定,場(chǎng)地地表沉降、土體深層水平位移和土體分層豎向位移都低于報(bào)警值,在允許的變化范圍內(nèi);地表最大沉降為-500mm,土層深部最大累計(jì)沉降為-220mm,土層深部水平位移累計(jì)最大為向山體外位移1.85mm。由于場(chǎng)地周邊降水,水位和孔隙水壓力整體小幅下降。
2)堆筑高度超過12m以上,土體分層豎向位移逐漸接近報(bào)警值,隨著堆筑高度增加,數(shù)據(jù)超過報(bào)警值成正比增大,但場(chǎng)地地表沉降和土體深層水平位移數(shù)據(jù)都低于報(bào)警值,在允許的變化范圍;考慮其他2個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目低于報(bào)警值,施工只是結(jié)合土體分層豎向位移監(jiān)測(cè)報(bào)告,放緩了堆筑速度,加強(qiáng)分層碾壓。
3)堆筑高度達(dá)到20m時(shí),土體分層豎向位移報(bào)警數(shù)據(jù)達(dá)到極值20~30mm/d,土壓力數(shù)值也大幅度增加,孔隙水壓力和水位小幅增大,地表最大沉降為-1820mm,土層深部最大累計(jì)沉降為-1020mm;場(chǎng)地地表沉降和土體深層水平位移數(shù)據(jù)都低于報(bào)警值,場(chǎng)地地表沉降變化速率2mm/d以內(nèi),土層深部水平位移1mm/d以內(nèi)。后續(xù)堆筑期間,施工結(jié)合監(jiān)測(cè)報(bào)告技術(shù)歇停,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率以及周邊地面的觀測(cè)。待土體分層豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回到允許值且變化恢復(fù)正常后,每天只堆筑800~900m3,最高峰6m高度共計(jì)20 000m3土用了30d堆筑完成。
4)山體堆筑完成后,沉降速率減小趨于穩(wěn)定。山體全部綠化種植完成6個(gè)月后,監(jiān)測(cè)周邊地面沉降累計(jì)最大-201.6mm;土層深部水平位移累計(jì)最大向山體外位移-10.59mm,土層深部水平位移累計(jì)最大向山體內(nèi)位移24.40mm;主峰山頂范圍土層累計(jì)沉降最大,地表最大累計(jì)沉降-2880mm,土層深部最大累計(jì)沉降-1380mm。山體堆筑對(duì)周邊道路、河道沒有影響。
南通紫瑯公園的規(guī)劃設(shè)計(jì)突出“生態(tài)優(yōu)先”,尊重原有地形地貌,保護(hù)和利用原有河流、水系,采用堆山挖湖、造山水景的造景手法,通過生態(tài)恢復(fù)營(yíng)造植物種類多樣、季相變化豐富的山水生態(tài)公園。
本文主要介紹了南通紫瑯公園高堆土地基處理的設(shè)計(jì)方案論證思路,以及堆山安全性控制要點(diǎn)和監(jiān)測(cè)分析。結(jié)合堆土施工技術(shù)控制和監(jiān)測(cè)保證,盲溝排水增加堆山穩(wěn)定性的天然地基堆筑方法得到了成功應(yīng)用,這種堆山地基處理方式既生態(tài)又經(jīng)濟(jì),可以為后續(xù)類似工程提供借鑒。