唐山碱渣场蒸发池项目软基处理

庄 岗，董 钢，付庭玉

(1.海南省水利水电勘测设计研究院，海南 海口 570100；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230000)

1 工程概况

唐山三友碱渣综合利用蒸发池项目位于河北省唐山市，为平地型尾矿库，项目占地约3000亩，分为1#、2#两个蒸发池。本工程旨在缓解现有碱渣场的库容压力，进一步提高企业生产能力。

工程坝体总长为5763m，设计坝顶高程26.00m，最大坝高24m，坝顶宽度为10m，分五期进行填筑。坝体总占地宽度为129.55m，有效库容为3348.48万m3。

地基土共划分为7个工程地质层，自上而下分别为①素填土②粉质粘土③粉砂④粉质粘土⑤粉质粘土⑥粉砂及⑦粉质粘土。其中第②、④均为软粘土，埋藏深、厚度大、强度低、压缩性高，标贯击数仅为3击左右。加之工程所在场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，属设计地震第一组。

基于上述情况，要求蒸发池最大坝高达到24m，容易发生强烈的不均匀下沉，可能因滑动变形造成地基或边坡失稳，引发严重的环境污染和安全事故。因此如何合理选择坝基处理方案，确保坝基及坝体边坡稳定，直接关系工程安全及投资。有效地进行地基处理是本工程关键。

2 地基处理方案的确定

本工程坝基主要为淤泥质粘土，呈软塑到流塑状态，抗剪强度低，压缩性大，透水性小，灵敏度高，埋深超过8m。结合相关工程地基处理经验，可供考虑的地基处理方案主要有下述7种。

2.1 开挖换填

该方案施工难度小，对于埋深较浅、层厚较小的软弱地层处理是较为有效的处理方案。对于本工程开挖及换填量过大，将产生较大的工程投资并带来极大的施工难度。

2.2 砂井预压

该方法是由砂井及其顶部的砂垫层构成的排水系统和临时荷载加压系统组成，一般适用于软土层接近建基面或埋藏较浅的地基，否则会因预压面积过大或砂井埋藏较深增加地基处理费用[2]，且该地基处理方法的排水固结周期长。

2.3 振冲碎石桩

适用于松散的砂性土地基，可有效解决软弱地基沙土液化、承载力及抗剪强度等问题，单对于软粘土地基的改善效果不及砂土显著。在本工程地基中，除含有粉砂层外，主要软弱层为淤泥质软弱粘土层，且采用振冲碎石桩普遍桩径较大，工程投资大。

2.4 反压平台

该方法能有效地控制坝坡的滑移，阻止裂缝的扩展，并通过竣工后对坝体的持续监测，验证了反压平台法治理坝体滑坡是非常有效的。但考虑反压平台占地规模大，会大幅降低有效库容，且反压平台土方工程量大，投资也较大，同时由于反压平台未进行基础处理，会导致坝体沉降量大。

2.5 强夯法

一种常用的地基处理方法，广泛应用于砂砾土、砂土、粘性土和低饱和粉土中。朱峰结合汾河太原城区段治理工程介绍了强夯法在粉土、粉细砂等地层上处理成果，各建筑物沉降在允许范围内，且显著节省地基处理成本[6]。然而，对于高含水量、大孔隙比、低渗透、低强度的软土地基，强夯法会导致土体中形成超孔隙水压力，这对工程安全是不利的。在压实条件下，超孔隙水压力很难及时消散，会导致土体的抗剪强度损失[7]。同时本工程软弱粘土层基础埋藏较深，采用强夯法会极大增加工程投资。

2.6 竹网堆载管井排水法

此方法加固软土地基采用间距0.5m的竹网、铺设1.0m厚砂垫层对吹填超软土进行表层处理，形成施工工作面。该方法通常只适用于埋藏较浅的软土层地基处理，本工程软弱地基埋藏深度超过8m，采用该方法进行处理可行性不大。

2.7 水泥搅拌桩(喷粉法)

深层搅拌法加固地基方法的一种形式，一般适用于15m以内软土地基处理，水泥和软土通过搅拌混合，水泥吸收周围土层的水分而发生相应物理化学反应，使软土硬结，形成足够强度和稳定性的复合地基整体[9]。本工程采用粉喷桩除可有效提高复合地基强度、控制坝体沉降外，地基处理还可以采用分期施工，大幅降低前期投资规模。

综合分析比较以上地基处理方法，充分考虑工程安全、施工难易程度、工程投资和优化投资结构等因素，本工程最终采用水泥粉喷桩进行地基处理。

3 地基处理方案设计

本工程坝基处理主要解决下游坝坡稳定和坝基

沉降问题。设计粉喷桩桩径为0.6m，正三角形布置，水泥掺量为15%，设计深度至③层粉砂层底部高程-9.0m处。

根据坝坡抗滑稳定分析，库内侧由于充填碱渣压载坝坡及坝基，上游坝坡抗滑稳定相对较易满足。而下游坝坡外侧为临空面，因此坝体下游时本工程抗滑稳定的控制位置，根据坝坡稳定分析以及对分析成果的不断优化，本次设计坝基粉喷桩采用“上游侧疏、下游侧密”的分区布置方案，进而减少工程投资。

同时针对不同部位、不同施工期采用不同的桩间距。一期桩从上游基坑坡顶线至坝脚6.0m范围内设置4排粉喷桩，桩间距2.0m；二期桩从坝体上游至下游坝脚106.5m范围内布置粉喷桩，其中上游42m、下游24m范围内桩间距为2m；中间40.5m范围内桩间距为1.5m。另在蒸发池内部及坝坡迎水侧设置HDPE防渗土工膜及粘土覆盖层，降低坝体浸润线，进一步提高坝体及坝坡稳定。最终地基处理型式如图1所示。

4 坝体稳定分析及沉降计算

4.1 计算方法与程序

本次坝体抗滑稳定计算采用二维稳定渗流有限元法，计算分析软件采用“AUTOBANK-水工结构有限元分析系统”(以下简称“AUTOBANK”)及“STABLE边坡稳定分析程序”(以下简称“STABLE”)，互为印证进行计算分析。两种程序均采用最优化法主动搜索最小安全系数和相应的临界滑裂面。

4.2 计算方案与条件

计算采用文献[12]推荐的方法与条件，边坡稳定允许的最小安全系数参照文献[13]要求确定，计算滑裂面采用圆弧滑裂面。工程等别为4等，大坝等主要建筑物为4级，各工况对应的边坡允许的最小安全系数见表1。

图1 地基处理断面图

计算条件计算方案允许最小安全系数正常运行正常运行期水位24.50的稳定渗流期1.25洪水运行洪水运行期水位25.50的稳定渗流期1.15特殊运行正常运行期遇8级地震(0.20g)1.10

4.3 计算方法、参数与条件

在不断优化坝体结构断面和坝基处理型式的基础上，对坝体正常运行期、特殊运行期等可能最不利工况下坝坡稳定进行计算分析。

在工程实践中，粉喷桩主要用于增强地基承载力，同时提高基础的抗滑稳定性，计算考虑其对提高坝体整体抗滑稳定性的作用。加固区土体形成复合地基，采用面积比法[11]计算复合地基强度指标。

4.3.1 复核地基强度计算方法

复合地基强度指标Cc、φc分别按下式计算：

Cc=Cs(1-m)+mCp

(1)

tgφc=tgφs(1-m)+tgφpm

(2)

式中，Cs，Cp—桩间土和桩体的凝聚力，kPa；φs，φp—桩间土和桩体的内摩擦角；m—搅拌桩面积置换率。

4.3.2 不同桩径对应的置换率计算

复合地基中，一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元。在此复合土体单元中，桩的断面面积与复合土体单元面积之比，称为面积置换率。根据文献[14]相关规定，可按照如下方法计算面积置换率：

m=d2/(s·de)2

(3)

式中，m—桩土面积置换率；d—桩身平均直径，m；de—1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径。等边三角形布桩de=1.05s；正方形布桩de=1.13s；矩形布桩de=1.13(s1｀s2)/2(s为桩间距)。

以等边三角形布桩；不同桩径、桩间距和排数下的置换率计算结果见表2。

表2 不同桩径、桩间距和排数下的置换率计算结果

注：根据规范要求，桩间距宜取为2.0～3.0倍桩径

4.3.3 不同桩径下的复合地基强度计算结果

坝基中普遍存在一层淤泥质粘土，呈现软塑状，根据试验结果并对比以往工程经验，其强度可取为C=15.0kPa，Φ=10°。此外，根据有关资料搅拌桩的凝聚力Cp约120kPa，Φp=34°。

在实际计算分析过程中，充分考虑成桩条件，水泥粉喷桩径为0.6m时，将桩间距2.0m复合地基强度取为：黏聚力C=30kPa，内摩擦角Φ=11°；将桩间距1.5m复合地基强度取为：黏聚力C=40kPa，内摩擦角Φ=13°。

4.3.4 主要计算参数选取

设计一期、二期坝体为粘土填筑，三期至五期为碱渣、粘土和粉煤灰等拌合料，计算分析采用的主要参数见表3。

表3 主要地层及参数指标取值

4.3.5 坝体稳定分析

坝坡稳定分析选取经过多次计算比选最终优化后的地基处理方式和坝体典型断面，在边坡稳定计算过程中，坝体浸润线主要依据坝体防渗稳定计算获得。其中AUTOBANK计算结果如图2—4所示，STABLE计算结果如图5—7所示。

图2 正常运行工况稳定计算图

图3 洪水运行工况稳定计算图

图4 地震运行工况稳定计算图

图5 正常运行工况稳定计算图

图6 洪水运行工况稳定计算图

图7 地震运行工况稳定计算图

经计算，三种工况下两种软件坝坡抗滑稳定安全系数计算结果见表4。

表4 土层物理力学性质统计表

从表4可以看出，对比分析两种软件计算结果，抗滑稳定安全系数计算值均大于允许值，进一步说明该地基处理形式满足坝坡稳定要求。

4.3.6 坝体沉降计算

沉降计算采用分层总和法，附加应力的计算采用文献[12]E.2.4推荐方法1进行计算。地基土层物理力学性质见表5。

表5 土层物理力学性质统计表

由于⑤粉砂层埋藏较深，透水性较好，压缩模量较大，其压缩量可忽略不计，故本次计算至④粉质粘土底面。经计算，最终坝体最大沉降0.36m，坝基最大沉降1.96m，大坝最大总沉降量为2.32m，小于总坝高的10%。

5 结语

(1)通过合理选定粉喷桩桩径、桩间距及水泥掺量等参数，可以在复杂地质工程条件下对软弱地基进行大面积、中等深度有效处理。本文处理方法可供类似工程借鉴和参考。

(2)在应用水泥粉喷桩对软弱地基进行处理前，应通过勘探试验查明软弱地层空间分布、物理力学特性等，综合分析各种地基处理方法，通过论证指定行之有效的处理方法。

(3)水泥粉喷桩在设计阶段，应进行试桩试验，避免由于地质报告提供的数值偏于保守而增加桩数，最终合理选定桩型及桩体物理力学参数。

(4)在国外某些工程中有采用矿渣水泥土桩进行软基处理的工程实例，可参阅文献[15]，或能应用于与本工程类似的软弱地基处理中，其具体应用有待行业工作者共同探索。由于受知识水平所限，本文所述不完善之处欢迎批评指正。