劉麗英
(福州市規(guī)劃設計研究院集團有限公司 福建福州 350108)
受沖海積、淤積平原地貌影響,福州濱海地區(qū)地基開挖多為軟弱土層且多為淤泥、淤泥質土。由于淤泥屬高壓縮性軟弱土層、含水量高、富含有機質等,從而導致其承載力極低、工程力學性質極差。這種軟土地基的承載力特征值一般只有40~50 kPa,甚至更低,如果不進行妥善處理,不僅不能作為建構筑物的持力層或是形成穩(wěn)定的自然邊坡,還會占用大量的土地資源,無法循環(huán)利用。傳統(tǒng)處理軟基的方法有:拋石擠淤、換填法、堆載預壓、攪拌樁地基處理等。這些傳統(tǒng)的處理方法,往往受到施工場地條件和施工工期的限制,而淤泥固化具有施工便捷、強度可控、適用范圍廣、水穩(wěn)定性好、綠色環(huán)??删偷厝〔募翱蓽p少淤泥外運等優(yōu)點[1]。
早在幾千年前,人類就利用過石灰和火山灰來固化土壤[2],而將它作為一門課題研究,僅有百余年的歷史[3]。固化劑加固淤泥,是淤泥和固化材料發(fā)生水解和水化反應后產生膠凝物質、結晶物質的一個過程[4](圖1),最后使得淤泥的含水率大大降低并產生一定的結構強度,且其強度能夠在較長時間內穩(wěn)定增長,以達到設計使用要求。
淤泥固化劑分為無機固化劑和有機固化劑兩種[5]。本工程采用的是無機復合類固化劑,它綜合了各種其他單一無機固化劑(如:水泥類固化劑、石膏和石灰固化劑、粉煤灰固化劑等)對淤泥固化效果的優(yōu)點,彌補了單一固化材料的缺陷。
本工程位于福州市瑯岐島,場地現(xiàn)狀主要為田地、葡萄園、林地、魚塘及水溝、田埂、灘涂、基建工地等。
本工程擬建一系列的廣場硬地、景觀綠化造坡、景觀結構和開挖面積達196 148.35 m2的湖體。地勘揭示場地上部土層主要為較薄的素填土,中、下部土層主要為較厚的淤泥、淤泥夾薄層砂、淤泥質土,主要土層物理力學參數(shù)如表1所示。湖體開挖深度范圍內多為素填土、河泥及淤泥,如圖2所示。場地內深厚的高含水率淤泥,給湖體開挖和地基處理帶來一定的難度。
圖2 典型地質剖面圖
本工程場地內“高壓縮性、高孔隙比、低強度”的淤泥層,難以滿足擬建景觀綠化造坡、硬地廣場等設施的地基承載力。而大面積的湖體開挖“卸載”、坡頂景觀綠化造坡“堆載”,淤泥極易產生較大的橫向和豎向變形,對地基的穩(wěn)定性造成不利影響。
由表1可知,該工程淤泥的地基承載力特征值只有40 kPa,超過2 m填方的地方,地基承載力明顯不足。隨著新填土荷載的增加,軟土地基也會產生較大的沉降變形,采用理正6.5PB3對填方處的軟土地基進行沉降變形分析計算,結果如圖3所示。
表1 主要土層物理力學參數(shù)
圖3 加固前的不同厚度新填土處的地基沉降量
對湖體開挖處的邊坡穩(wěn)定性采用理正深基坑7.5進行分析計算,得出最不利邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=0.645(表2),不滿足邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst≥1.30[6]的要求。
表2 加固前湖體邊坡滑裂面數(shù)據(jù)
由此可知,為了滿足相應設計條件下的地基承載力、變形的要求和湖體開挖的邊坡穩(wěn)定安全問題,必須對本工程的軟土進行加固處理。
水泥土攪拌樁地基處理應用成熟,但該工程中存在較厚的欠固結的淤泥、淤泥夾薄層砂、淤泥質土,且淤泥含水率近70%,傳統(tǒng)水泥土攪拌樁的水泥用量大且難成樁或成樁效果差、承載力低。
拋石擠淤是一種較為簡單的處理方法,但僅適用于范圍較小的流塑狀淤泥的處理,且石料消耗量難以預測,容易造成不均勻沉降,石料采挖對生態(tài)資源破壞大,該工程中湖體開挖大量暴露的深厚淤泥不適合使用拋石擠淤。
換填墊層法施工簡單但處理深度有限,一般適用于不超過3 m的淺層軟土處理。本工程若采用換填墊層法,除了要大量運進換填材料外,還會有大量的淤泥需要外運,無論從經濟效益還是社會效益上都無法占有優(yōu)勢。
堆載預壓比較適用于市政道路或建筑的大面積深厚軟土地基處理,一般通過排水固結的方式達到提高地基承載力的目的。由于該方法進行地基處理工期較長,僅在景觀綠化造坡的局部填方處,適當結合該方法加快固結,減少后期沉降。
固化劑加固淤泥處理技術,適用范圍廣、無明顯限制條件。大面積高含水率淤泥使用固化劑加固效果更好,且固化效果可控,可根據(jù)設計參數(shù)達到不同的處理深度和強度。尤其是在湖體處,結合深層的原位攪拌固化處理,湖體邊坡,既可以保證湖體開挖過程邊坡安全,又能將固化區(qū)作為湖體開挖的施工便道,還能利用固化后的淤泥平衡場地內的土方,最大程度節(jié)省工期和造價。軟土采用固化劑加固。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)固化處理后便于湖體開挖,節(jié)約開挖成本
場地內的淤泥進行固化處理后,土體固結使其整體性和強度提升,相比原本具有流動性、承載力低的淤泥更便于該工程湖體的土方開挖、湖體邊坡成型,并能為施工設備提供更安全的作業(yè)環(huán)境及臨時施工便道,可減少一些湖體開挖過程中的臨時支護措施,降低了開挖成本。
(2)淤泥經固化處理可循環(huán)利用,經濟環(huán)保
將淤泥固化處理后,部分固化土可作為回填土方或地基材料在本項目內部平衡消化:強度低的固化土作為景觀綠化造坡的底部回填材料,強度較高的固化土作為停車場或廣場的地基材料。
(3)減少土石料不可再生資源的浪費,有效提高經濟效益、社會效益
對原本需進行大量土石料回填或換填的地方,現(xiàn)采用淤泥固化土進行替代,大大減少了土石料等不可再生資源的使用,最大限度地節(jié)省了工程造價。同時,避免大量的淤泥外運、堆放造成土地資源的浪費和生態(tài)環(huán)境的污染[7]。
(4)施工便捷、質量可靠
本工程淤泥含水率較高,采用固化劑加固淤泥,在高含水率時效果最佳,且施工設備簡單、可原位或異位固化、不受施工條件影響、不需臨建設施。
考慮到景觀綠化造坡、硬地廣場等處新填土荷載的產生,會引起地基承載力不足和沉降變形,本工程對場地填方區(qū)的軟土地基進行了固化加固處理(圖4):每隔3m×3m加固一塊區(qū)域,結合上部景觀綠化填方,分層分時堆載,加設排水板進行深層輔助固結排水;場地內湖體開挖多余的淤泥,經加固處理后,部分用于景觀綠化造坡的堆填方,最大限度地減少土方外購和淤泥外運。
圖4 堆填方處軟土地基加固典型斷面
根據(jù)不同填方厚度,固化后軟土地基承載力fak、粘聚力C、內摩擦角φ設計的參數(shù)如表3所示,采用地基承載力、粘聚力C、內摩擦角φ作為竣工驗收檢測指標,均滿足設計要求。
表3 不同填方厚度下的軟土地基加固
因本工程大面積填土的地塊主要為景觀造坡,對沉降要求不高,故此處僅對沉降變形進行對比參照分析,不作為本工程竣工驗收檢測指標。采用理正6.5 PB3對加固后的軟土地基進行變形分析,根據(jù)文獻[8]的固化土基本土工指標范圍的試驗數(shù)據(jù)分析,保守取本工程加固后土的Es=5 MPa,沉降量均比未加固前降低了約30%(圖5),且處理效果可控,因此,適當提高加固土參數(shù)指標,就可進一步降低變形。
圖5 加固前后的不同厚度新填土處的地基沉降量
由前述2.2節(jié)分析可知,雖然本工程景觀設計的1∶6自然緩坡入水的生態(tài)駁岸形式坡度緩和,但由于本工程高含水率淤泥的存在,仍無法滿足邊坡穩(wěn)定要求。另外,土堤放坡面土層受湖水浸泡后會有強度變低及蠕變的情況,湖體的大面積開挖“卸載”以及湖岸上新建建筑、新堆填的土方荷載也可能引起土體的滑移甚至隆起,將會對工程造成安全和質量問題。故本工程采用淤泥固化劑對湖岸沿線放坡開挖的地方進行加固處理(圖6):放坡處進行原位固化1 m形成永久湖畔邊坡,沿湖堤坡中和坡腳分別原位固化3 m×6 m、5 m×5 m的土區(qū)以保證湖體邊坡的穩(wěn)定性,同時可兼作為施工便道使用。
圖6 湖體邊坡處的加固典型斷面
按照設計的湖體邊坡,采用理正深基坑7.5試算8組分別以粘聚力C、內摩擦角φ為變量的加固參數(shù)下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst,結果如圖7~圖8所示。
圖7 粘聚力C為變量的湖體邊坡穩(wěn)定計算結果
圖8 內摩擦角φ為變量的湖體邊坡穩(wěn)定計算結果
由圖7~圖8數(shù)據(jù)結果可知,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst隨著粘聚力C、內摩擦角φ的增大而增大,且在C=25 kPa,φ=12°時達到1.35,滿足規(guī)范要求1.3[6],故取湖體邊坡淤泥的設計固化土參數(shù)為:C=25 kPa,φ=12°?,F(xiàn)場對加固后的淤泥取芯進行直剪試驗檢測粘聚力C、內摩擦角φ,試驗結果滿足設計要求。
加固后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.35相比加固前Fst=0.645(2.2節(jié)),F(xiàn)st提高了約2.1倍,可見按照上述方案進行淤泥固化后,湖體的邊坡滿足穩(wěn)定要求且邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提高顯著。
沿海地區(qū)深厚飽和流塑狀淤泥,是工程中常見的一種地質。這種不利的地質條件常給工程建設造成一定的困難,結合對本工程實例應用和分析可知,淤泥采用固化劑加固后,力學性能有較大的改善,固化效果優(yōu)勢明顯。目前本工程已竣工3年,各種使用情況良好,未出現(xiàn)明顯沉降變形,湖體邊坡穩(wěn)定。
淤泥固化應用范圍除了地基處理外,還可以用于施工便道、固化土沖灌袋、止水圍堰、墻后被動土區(qū)加固、環(huán)保清淤等[9]。相信隨著淤泥固化技術研究的不斷發(fā)展,淤泥固化技術一定能為城市建設創(chuàng)造更多的經濟效益和社會效益。