城市污水处理厂中砂性土地基处理及基坑围护设计优化研究

崔嵩

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

污水处理厂在设计施工过程中，由于单体不规则性以及污水处理工艺特殊性，由构筑物不均匀沉降所导致的结构破坏问题十分常见。进行污水处理厂中基坑围护设计时，由于受到场地限制以及施工条件制约，工程质量难以保证，基坑安全事故屡见不鲜。如何进行有效的污水厂单体地基土置换改良，确保基坑围护安全，是现今设计研究的主要难点。

由于沿海地区砂性土较为常见，且其具有渗透系数较大，易产生承压水及流砂的特点，对工程安全提出了更高的挑战。现阶段已有很多关于砂质地基土体理论的研究。在塑性理论、临界状态理论、各向异性张量模拟砂土物理力学性能的同时，合适的强度理论和三维化方法是描述多轴应力空间中本构模型的重要方面。在土体强度理论方面已经有了较为成熟的理论[1-4]，根据强度理论的数学表达式，现阶段砂性土强度理论分为两大类，分别是线性强度理论和非线性强度理论。线性强度理论的数学表达式为一次的线性方程，子午面上的破坏曲线为直线或分段直线。线性强度理论在解析分析中非常方便，通常可以求得问题的解析解，因而已得到广泛应用。除线性强度理论以外其余均为非线性强度理论。常规的线性、简化研究手段已经逐渐不能满足现阶段设计要求，需要采用非线性模型来提高设计安全性。

本文采取Zhang等[5-6]提出的本构模型用于描述地基土在结构重力以及施工过程中动荷载作用下的剪切变形问题。基于有限元计算软件，建立一个有效的计算模型，将结构重力荷载和动荷载加载到模型顶部边界上，通过有限元分析计算，可以得到对地基及基坑的安全性评价。

1 弹塑性本构模型

Zhang等[5]的本构模型是基于上下负荷面的概念而建立的。定义正常屈服面和上负荷面应力的比值R*，下负荷面和上负荷面应力的比值R，该模型采用关联流动法则，应力应变关系可以表示为：

式（1）中的Λ为标量系数，可以表示为：

式（2）中：

相关变量定义如下：

上述式中；sij为偏应力张量；βij为各向异性张量；σij、σmn、σpq为有效应力张量；ηij为总应力张量；M及Ms为临界状态剪应力比及中间剪应力比；D为膨胀参数；mR*，mR和br分别为结构性、超固结和各向异性的发展控制参数；f为偏导计算函数；bl为各向异性的发展控制参数初始值；Eijkl、Emnpq为弹性模量张量；p与po分别为土体孔隙比及初始孔隙比；λ为土体压缩变形；κ为土体渗透系数。Zhang等[6]认为该模型可有效描述砂土在交变荷载作用下的力学行为。

2 计算软件

本文进行有限元计算所使用的程序是基于完全耦合理论的水土耦合动力有限元程序。程序中固体用有限元方法离散，液体用有限差分方法计算。该程序能够进行二维和三维有限元分析，能够处理长期构筑物荷载及短期振动荷载对土体的影响，很好地模拟砂性土受力变形特性。

进行有限元分析计算的主要步骤如图1所示。核心计算模块是程序的核心部分。首先根据实际问题确定合适的时间步长，在每个时间步中，计算各单元质量矩阵、材料本构矩阵、单元刚度矩阵和阻尼矩阵，然后对单元刚度进行总集形成总刚矩阵，并计算动力方程右端项，最后对方程进行求解。

3 结果与讨论

3.1 砂性土地基处理

污水处理厂大型构筑物持力层落于软弱土层，常规采用地基土置换改良或者桩基来满足承载力要求。当基础采用中粗砂置换时，则需要考虑其下软弱土层长期固结徐变效应。为了确保基础不产生不均匀沉降，需要砂性土换填层做到厚度及密度均匀，才能起到褥垫层的效果以保护构筑物底板钢筋混凝土结构的稳定。

本研究采用简化计算模型对换填做法进行分析。模型长度为60 m（常规构筑物尺寸一般小于20 m），计算土层厚度取20 m，分为4层土，第一层为中粗砂换填与细砂土层，第二层为模拟淤泥质软弱层，第三层为沉积粘性土层，第四层为粉质土层。其计算模型简图见图2，土体沉降结果见图3。从图3可以看出沉降结果相对均匀，底板产生裂缝破坏风险较小。

图1 程序计算简图

图2 计算模型简图

图3 土体沉降结果

3.2 砂性土中基坑围护设计

砂性土由于渗透系数较大，埋深有一定深度时，常常存在承压水，在基坑开挖过程中，容易出现流砂等情况，对基坑安全构成较大的威胁。理论上，提高砂性土黏聚力，可以有效弥补砂性土的缺点，提高土体的物理力学性质。工程实际中，常规加固措施包括注浆、高压旋喷桩、搅拌桩等施工工艺，通过加固，可以使一定范围内的砂性土体具备较好的黏聚力，从而满足基坑工程安全要求。

对于砂性土中的基坑工程，最需要注意，也是在工程实际中容易遇到的问题就是流砂管涌。流砂涌入基坑内，容易导致基坑周边土体塌陷等工程危害。为预防这一类问题的发生，有效的止水措施是关键，核心就是在砂性土中掺入一定量的浆液，提高其黏聚力，改善其物理力学性质。在工程实际中，传统注浆工艺的施工质量常常难以保证，浆液会在砂性土中较为分散，难以形成有效的止水帷幕，而高压旋喷桩可以有效加固砂性土，形成较为坚固的桩型，起到止水及支护的作用。

在南方沿海，例如珠海，厦门等地，经过大量的工程实践，大直径三轴搅拌桩加固在砂性土中的止水及支护效果较为理想，但是考虑到其对场地的要求较高，一般城区改造类项目很难大规模应用三轴搅拌桩加固。在场地条件较好的情况下，建议采用大直径（常规直径850 mm，搭接250～300 mm）三轴搅拌桩。砂性土地基加固常规采用大直径三轴搅拌桩也可以很好地满足地基承载力要求。

3.3 砂性土地基抗震性能研究

现阶段污水厂设计及施工阶段，较少考虑地震荷载作用下土体变形等导致的构筑物破坏问题。由于相关规范的不完善，在工程建设阶段，设计方一般仅考虑砂性土承载力特性，而忽视了在地震荷载作用下的砂性土易液化的弊端，为未来工程长期运行安全埋下较大的隐患。

为了进一步研究在地震荷载作用下砂性土的响应表现，本文利用有限元计算软件，计算不同土质地基表面对于地震加速度的响应结果，并分析中粗砂与软弱粘土层对地基抗震性能的影响。计算结果揭示出中粗砂对地震的响应较为剧烈，液化风险大大高于软弱黏性土层。

本次验算采用的地震波输入数据源自1995年日本阪神地震时期埋置于地下32 m处的地震波感应器所记录下的地震加速度，其地震峰值可以达到4.9 m/s2，这是有真实记录以来的最大地震波。

本节计算模型中，顶层土层的弹塑性模型参数分别采用中粗砂土的模型参数和软弱黏性土层的弹塑性参数。图4为建筑物下部不同土层地震加速度对比图，可以看出，中粗砂在强震荷载作用下的地震加速度响应更为剧烈。由于砂性土中孔隙水不能及时排出，超孔隙水压力会导致其液化，从而使得其丧失强度，进而使地表沉降加大，这对上部建筑的危害要大于软弱黏性土层。由于软弱黏性土层对地震剪切波具有较大的削弱作用，所以计算结果显示其地表沉降较小。

图4 不同土质地震加速度响应结果

因此，为进一步提高砂性土抗震性能，减少在地震作用下土体液化的风险，一般采用三轴搅拌桩加固等措施，在砂性土中掺入粘性物，以提高砂性土的黏聚力，从而有效改善砂性土在地震荷载下易液化的弊端。

4 结论

（1）基于砂性土的弹塑性模型可以有效描述中粗砂垫层在建筑荷载作用下的沉降问题。计算结果显示其沉降发生较为均匀，底板产生破坏的风险较为可控。证明了砂性褥垫层保护污水处理厂大型构筑物安全的有效性。

（2）对于砂性土中的基坑工程，一般采用高压旋喷桩或者三轴搅拌桩来进行加固，从而保证其止水能力及抗变形能力。

（3）对于落于砂性土基础的污水处理厂构筑物，应重点考虑地震作用下的地基液化风险，在设计中应进行有效的地基加固措施。工程实际中，三轴搅拌加固可以较好地满足要求。