葉上揚,劉術(shù)儉,顧寬海,張逸帆
(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,上海 200032)
在一些填海造地或者濱海景觀大道等臨海工程中,常常需要在深厚軟土地基的臨?;蛴畟?cè)新建護岸,一般常采用斜坡式護岸作為擋水擋土結(jié)構(gòu)。此種護岸結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工簡單,單項施工造價低,但同等規(guī)劃尺度下該護岸形式占用水域陸域范圍較大[1],影響海洋水流流態(tài),破壞海洋生態(tài)環(huán)境,而且護岸坡面容易受海水沖刷、侵蝕等造成護岸破壞。現(xiàn)實工程建設(shè)中往往受海域、河道水域以及陸域場地等限制,無法采用斜坡式護岸結(jié)構(gòu),為此需要研究能夠適應(yīng)深厚軟土地質(zhì)條件,且防滲止水能力強、節(jié)約空間、擋土高度高的擋墻結(jié)構(gòu)。
在深厚軟土地基的回填工程中新建護岸,結(jié)構(gòu)變形控制、地基承載力和施工工藝選擇往往是關(guān)鍵,目前國內(nèi)外部分學者已經(jīng)對軟基上的護岸工程進行了一些研究[2-4],而針對深厚軟土地基同時受復(fù)雜環(huán)境條件限制下的護岸研究較少。因此結(jié)合結(jié)構(gòu)變形控制、地基承載力和施工工藝深入、系統(tǒng)地開展相關(guān)設(shè)計技術(shù)研究是十分有意義的。
本文以澳門國際機場擴建工程為實例,針對深厚軟土地質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境條件,限時、限高等機場特殊施工條件,開展護岸相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究,提出了較好的解決方案,可為類似工程提供借鑒。
澳門國際機場擴建需要圍填造陸,根據(jù)《澳門機場擴建方案水利研究報告》研究成果[5],機場跑道人工島西側(cè)三角區(qū)水域圍墾,將改變上、下水域的連通現(xiàn)狀,可能會對周邊水域的生態(tài)環(huán)境及機場西側(cè)陸域排水等產(chǎn)生不利影響。為了實現(xiàn)機場南北兩端水體交換,在靠近機場現(xiàn)有跑道處,布置一條貫穿機場填土區(qū)的排洪道。排洪道長1 250 m、寬80 m,走向與現(xiàn)狀機場人工跑道平行布置,距離人工跑道直線距離220 m,排洪道兩側(cè)須新建護岸[6]。排洪道平面布置見圖1。
澳門機場西側(cè)現(xiàn)狀水域水深在-6.0~0.0 m,工程地質(zhì)軟土層深厚,場區(qū)表土沉積物推斷主要為海相沉積物及沖積土層,海相沉積層主要為淤泥,厚度12~22 m,主要呈流塑-軟塑狀,海相沉積層以下為沖積土層,厚度4.5~53.5 m,主要呈可塑-硬塑,土體物理參數(shù)取值見表1。
圖1 排洪道平面布置(單位:m)
表1 土體物理參數(shù)
本工程在機場擴建回填區(qū)中部設(shè)置有永久排洪道,永久排洪道將整個回填區(qū)一分為二,其中排洪道東側(cè)距離原有機場僅220 m左右,排洪道的北側(cè)為機場北聯(lián)絡(luò)橋,南側(cè)為機場南聯(lián)絡(luò)橋,機場周邊相關(guān)設(shè)施包括陸域部分和海域部分,其陸域部分自北向南分別為北安碼頭、建筑廢料堆填區(qū)、路環(huán)電廠及九澳港西側(cè)碼頭等設(shè)施,海域部分包括周邊水域的航道及錨地。
根據(jù)本工程地質(zhì)勘察和地形測量資料顯示,工程區(qū)域地質(zhì)條件差,軟土覆蓋層深厚,上部土層主要為淤泥層,淤泥層厚度達12~22 m,淤泥土層含水量高,土體指標差。
根據(jù)民航局規(guī)定,跑道每周一、三、五在凌晨4:00—6:00停用,在跑道停用階段,跑道以西300 m范圍內(nèi)可進行施工,其他時間不能進行任何施工活動;南北聯(lián)絡(luò)橋間正常水深在0~1 m,大型駁船不能駛?cè)耄慌艿牢鞑?00 m范圍內(nèi)有高度限制,限制高度22 m。
本工程排洪道具有實現(xiàn)機場南北兩端水體交換、機場防洪以及機場場地護岸等多種功能,護岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要滿足防洪、過流以及后方機場場地的使用要求,澳門機場防洪等級高、機場場地對護岸結(jié)構(gòu)的使用要求高。
護岸結(jié)構(gòu)選型須遵循以下原則:1)護岸結(jié)構(gòu)須適應(yīng)本工程區(qū)域水深較深、軟土覆蓋層深厚的地形地質(zhì)條件;2)護岸結(jié)構(gòu)形式應(yīng)使回填海工程對周邊水文環(huán)境的影響盡量??;3)護岸結(jié)構(gòu)施工工藝盡量單一、簡單,適應(yīng)現(xiàn)場施工條件,方便材料、構(gòu)件的運輸;4)積極采用科技新成果,充分考慮新結(jié)構(gòu)新技術(shù)可能帶來的風險以及解決問題的方法;5)圍堤結(jié)構(gòu)選型應(yīng)滿足工程投資的經(jīng)濟合理性。
在回填工程中新建護岸常常采用斜坡式結(jié)構(gòu),為了保證堤岸的穩(wěn)定,堤身總寬度較大。在本工程建設(shè)中,由于受海域以及陸域場地等限制,無法采用斜坡式護岸結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)工程區(qū)地形、地質(zhì)、水文、波浪等自然條件以及后方陸域回填使用情況,提出4種適合深厚軟土地質(zhì)的直立式結(jié)構(gòu),依次為:前板樁后樁基的高樁承臺結(jié)構(gòu)形式、低樁扶壁式結(jié)構(gòu)形式、斜頂板樁結(jié)構(gòu)形式和拉錨板樁結(jié)構(gòu)形式,見圖2。
圖2 結(jié)構(gòu)形式斷面(高程:m)
低樁扶壁式結(jié)構(gòu)可靠性好、總體位移變形小、低樁基礎(chǔ)地基承載力可以滿足使用要求,適用于深厚軟土地基,堤身高度適用范圍為6~15 m。本工程受施工條件限制影響,扶壁結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場澆筑,須大開挖形成干地施工條件,基坑開挖面大、回填土滲水量大,若做好止水,投資大、不合適。
斜頂板樁結(jié)構(gòu)對軟土地基適應(yīng)性較強,施工工序較簡單,施工速度較快,使用期位移較大。大管樁單排斜頂樁適用堤身高度不大于10 m,大管樁雙排斜頂樁適用堤身高度10~15 m。本工程受施工限高影響,另外打樁船也無法進入該區(qū)域,施工不可行。
拉錨板樁結(jié)構(gòu)技術(shù)方案成熟,并已在多處沿海接岸工程中得以應(yīng)用,對軟土地基適應(yīng)性較強,但施工工序復(fù)雜,需與后方陸域回填的工序充分協(xié)調(diào)合理安排,施工工期較長,而且需要一定的拉錨空間,該結(jié)構(gòu)適用于后方沉降控制要求不高的工程,堤身高度為8~15 m,本工程工期較緊,也不是最優(yōu)選擇。
前板樁后樁基的高樁承臺結(jié)構(gòu)具有適合于深厚軟土地基、承載能力強、變形小、施工適應(yīng)強等特點,適用于空間較狹窄的區(qū)域,可以使得圍堤結(jié)構(gòu)永久安全穩(wěn)定??紤]到本工程限高、大型設(shè)備難以進場等情況,樁基可采用鉆孔灌注樁,并可采用接高施工,可以滿足建設(shè)要求。通過綜合比較深厚軟土適應(yīng)性、地基承載力、整體變形、施工便利性、工程費用等因素,考慮采用前板樁后樁基的高樁承臺結(jié)構(gòu)。
溢洪道護岸采用高樁承臺板樁式結(jié)構(gòu),承臺頂寬0.5 m,墻身厚0.5~0.8 m,墻頂高程8.30 m。底板寬10.0 m、厚1.0 m,前排樁采用φ1 000 mm灌注樁樁長25 m,間距1 150 mm。前排板樁后設(shè)置雙排高壓旋噴樁,施工期可以止水,使用期防止后方土體滲漏。并在前排密排灌注樁前設(shè)置混凝土擋板,防止在水流波浪的作用下后方土體滲漏,旋噴樁樁長22 m。后排樁采用φ1 200 mm灌注樁樁長25 m,間距1 500 mm。其結(jié)構(gòu)斷面見圖3。
圖3 排洪道護岸斷面(高程:m;尺寸:mm)
高樁承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計須進行穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)計算。穩(wěn)定性驗算可采用圓弧滑動法,結(jié)構(gòu)計算主要方法有經(jīng)典土壓力計算法、豎向彈性地基梁法、連續(xù)介質(zhì)有限元法等。豎向彈性地基梁法是將樁視為豎放于文克爾地基中的彈性地基梁,以地基系數(shù)法來計算板樁墻入土段的土抗力,考慮了入土段墻體的變形對土抗力分布的影響。針對大部分規(guī)范所推薦采用的m法,樁的撓曲線微分方程變?yōu)椋?/p>
(1)
式中:E為樁材料彈性模量(kNm2);I為樁的慣性矩(m4);y為樁的水平變位(m);x為樁的入土深度(m);b0為樁的計算寬度(m);m為地基反力系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)(kNm4)。
m法微分方程可以采用冪級數(shù)法、有限差分法、有限元法等求出其數(shù)值解。工程中一般采用通用有限元軟件進行求解,其設(shè)計過程如下:
1)按照構(gòu)件尺寸進行實體建模。
2)對預(yù)制樁增加約束。樁基軸向剛性系數(shù)采用下列公式計算軸向剛性系數(shù)[7]:
(2)
C=TcQud
(3)
式中:K為樁的軸向剛性系數(shù)(kNm);L0為樁在計算泥面以上長度(m):Ep為樁材料的彈性模量(kPa);Ap為樁身截面面積(m2);C為樁入土部分單位變形所需軸力(kNm);Tc為系數(shù),宜取115~145;Qud為單樁垂直極限承載力標準值(kPa)。
樁寬度計算方法參見JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄P[8]。樁的水平地基抗力系數(shù)取值采用m法,剛度系數(shù)為:
K=m0b0h0Z
(4)
(5)
(6)
式中:K為樁的水平向地基抗力系數(shù)(kNm);m0為考慮群樁系數(shù)的土體水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)(kNm4);Z為彈簧距泥面深度(m);h0為土體單元高度(m);k為平行于水平力作用方向的樁間相互影響系數(shù);kf為樁形換算系數(shù),視水平力作用面而定,圓形截面取0.9,矩形截面取1.0;d為樁徑;L1為平行于水平力作用方向的樁間凈距離;h1為地面或局部沖刷線以下樁的計算埋入深度,取為3(d+1);b2為系數(shù),與平行于水平力作用方向的一排樁的樁數(shù)有關(guān)。
當水平荷載方向樁間距小于8倍樁徑時,屬于群樁基礎(chǔ),還需要考慮群樁折減率。
m0=ξm
(7)
(8)
式中:m為土體水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)(kNm4);ξ為群樁折減率;SD為水平荷載方向距徑比;u為沿水平荷載方向每排樁的樁數(shù);v為垂直水平荷載方向每排樁的樁數(shù)。
3)對結(jié)構(gòu)施加自重、后方均載、土重、水重、土壓力、水壓力,并計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。
4)按規(guī)范要求,對樁基礎(chǔ)豎向、水平向承載力和裂縫寬度進行驗算,對擋墻變形、應(yīng)力以及裂縫寬度進行驗算。
機場溢洪道護岸墻前泥面線-0.7 m,后方填土高度8.0 m,護岸頂高程8.3 m。采用豎向彈性地基梁法,利用結(jié)構(gòu)計算軟件Auto Robot進行建模計算,模型沿河道方向取10 m作為研究對象。L形擋墻立板與底板采用板單元進行模擬,預(yù)制樁基采用梁單元模擬。對樁底施加豎向彈簧約束,對樁身施加水平向彈簧約束。前板樁后樁基高樁承臺結(jié)構(gòu)三維模型見圖4。
圖4 前板樁后樁基高樁承臺結(jié)構(gòu)三維模型
在深厚軟土地基的回填工程中新建護岸結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的變形控制、地基承載力往往是設(shè)計的關(guān)鍵。樁基內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果可見表2。
表2 計算結(jié)果
根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果驗證結(jié)構(gòu)配筋,擋墻的變形、承載力以及裂縫寬度以及樁基豎向承載力、水平承載力和裂縫寬度均滿足規(guī)范和使用要求。
根據(jù)機場擴建最新規(guī)劃要求,海泥回填區(qū)域在東西兩方向須分別與機場人工島、停機坪相接,南北側(cè)與機場南北聯(lián)絡(luò)橋相鄰,整個回填區(qū)域中部預(yù)留永久排洪道,排洪道接近機場人工島,將整個回填區(qū)域分割成兩塊,西側(cè)回填面積較大,東側(cè)回填面積較小。
為了更好地實施海泥回填,降低中部排洪道對整體回填的影響,針對排洪道區(qū)域采用先填后挖的整體實施思路,一方面可使整個回填區(qū)作為一個整體進行實施,另一方面可為排洪道護岸工程創(chuàng)造內(nèi)側(cè)干地施工條件,降低回填工序?qū)ψo岸岸壁結(jié)構(gòu)的影響。同時,開挖出的回填料尚可用于后期工程的陸域回填。
南北聯(lián)絡(luò)橋間正常水深在0~1 m,大型駁船不能駛?cè)?,且漲水時水面離橋底只有1 m,海上通道僅可利用小船在聯(lián)絡(luò)橋底通過;其次,在限高區(qū)域,不能使用一般意義上的施工機械??紤]以上限制,對施工工藝、設(shè)備選型有巨大影響,因此本工程主要采用鉆孔灌注樁和現(xiàn)澆擋墻施工工藝,減小了施工難度,從而適應(yīng)本工程苛刻的施工限制條件。
1)在深厚軟土地基同時受復(fù)雜環(huán)境條件限制條件下的回填工程中新建護岸,現(xiàn)實工程建設(shè)中往往受海域、河道水域以及陸域場地等限制,結(jié)構(gòu)變形控制、地基承載力和施工工藝選擇往往是關(guān)鍵。
2)在綜合考慮工程各種不利條件的情況下,本文提出了4種結(jié)構(gòu)方案,并說明了每個方案的適用范圍,不僅豐富了深厚軟土地質(zhì)條件的直立堤結(jié)構(gòu)形式,使得直立堤結(jié)構(gòu)形式更具有選擇性。
3)本文提出的前板樁后樁基的高樁承臺結(jié)構(gòu)方案,能較好地解決深厚軟土、環(huán)境復(fù)雜、限時、限高等機場特殊施工條件下的護岸變形控制、地基承載力和施工難題,可為類似工程提供借鑒。