新型泥砂互层结构埝体变形特性

尹长权

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；3.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；4.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

1 概述

过去几十年，出现了众多围埝结构形式[1-2]，但多以山石、砂土或膜袋土为-料，随着沙石材料的紧缺及价格的持续走高，围埝的修筑成本大幅提高[3-4]；另一方面，每年由航道疏浚产生的疏浚土处理给相关企业带来很大的压力，如何不影响环境又能资源化利用是疏浚土处理的瓶颈。

目前为止，除了传统的斜坡堤形式，又出现了更适于深水区的大直径圆筒直立堤、沉箱结构直立堤、半圆体防波堤等新型结构[5]。国内水利水运工程采用模袋砂被堤也已相当广泛。进入21世纪后，又出现了模袋固化土作为堤心材料的围堤。

现行国家及行业标准中有关充填袋筑堤技术的应用，均规定应选用含泥量小于10%的砂性土作为充填材料，淤泥质土的应用完全超出了该技术限制[6]。淤泥质土作为充填袋筑堤填筑材料，将会因充填料渗透性差、排水时间长、固结较慢，袋体结构压缩率大、强度低，而影响围堤结构稳定性及运营安全。因此，使用淤泥质土作为埝体填筑材料鲜有应用和报道[7-8]。

2 新型围埝结构

项目组拟充分利用软弱地基本身资源，使用淤泥质土作为埝体填筑材料，提出泥砂互层结构埝体，使用大型充灌泥袋联合充灌砂袋技术形成埝体，砂袋和充泥袋分层间隔施工，上下的充砂袋可作为快速横向排水通道，充泥袋体为双面排水，可大大加快充泥袋内土体固结，实现埝体的快速填筑，本研究利用理论研究、仿真分析和现场试验对新型埝体的填筑过程进行分析，旨在为新型埝体的设计和施工提供理论支持。

2.1 基本机理

埝体使用大型充灌泥袋和充灌砂袋分层间隔填筑，利用砂层作为水平排水层和上部荷载，对淤泥质土等软弱层进行排水固结，降低软弱土的含水率，改善被处理土层的物理力学指标，提高地基承载力，逐级为后续施工提供一个相对较好的施工条件，最终形成可用的堤心结构。埝体填筑时，充灌埝体由于自重会进行挤淤，置换强度很小的吹填土。若要形成永久结构，可在埝体形成并达到一定强度后，在埝顶部向下打设排水板，对充灌埝体下部土体进行加固，有必要时可增加一些堆载载荷，增大加固后埝体及地基强度，减少后期变形，以达到使用要求。

2.2 断面设计

吹填土泥面以下有部分挤淤后的大型粉砂充灌袋和淤泥质土充灌袋，埝体底部铺设荆笆和土工软体排；设置竖向排水井（见图1）；充砂袋和充泥袋体互层，充砂袋厚度0.3~0.6 m，充泥袋厚度0.8~1.5 m；在埝体上部铺设土工倒滤布，并进行土袋压护；若要形成永久结构，埝体形成并达到一定强度后，在埝顶部向下打设排水板。

图1 互层埝体结构示意图Fig.1 Layout plan of embankment with interbedded structure

具体的施工方法如下：

1）为了确保人员可进场进行土工布和充灌布袋的施工，首先在泥面上铺设荆笆，使泥面形成一定的承载能力，人工在荆笆面上铺设土工布软体排。

2）设置排水井作为竖向排水通道，与砂层直接联通，用潜水泵排水，降低水位，使砂层中的水有效排出，分节施工，井顶高高于埝体顶面，井底部要低于软体排20 cm以上。

3）及时压铺充灌布袋，充泥袋采用塑料编织土工布缝制而成，缝制位置的横向抗拉强度不得小于编织土工布的抗拉强度。然后采用水力吹填的方法进行充灌施工，充砂袋在自重作用下产生挤淤作用，沉入一定深度后，在充砂袋上继续施工充泥袋，固结排水1~5 d，新铺设的袋体继续挤淤下沉。重复充砂袋和充泥袋的过程，直至埝顶。

4）铺设上部土工倒滤布，并进行土袋压护。

5）若要形成永久结构，可在埝体形成并达到一定强度后，在埝顶部向下打设排水板，对充灌埝体下部土体进行加固，有必要时可增加一些堆载载荷，增大埝体和地基固结后强度，减少后期变形，以达到使用要求。

3 新型埝体结构仿真分析

利用大型岩土专业有限元软件PLAXIS3D对埝体结构进行仿真分析，泥砂互层结构埝体最底层为充灌砂袋，厚度0.4 m，砂袋底面位于地面下2.8 m，宽度为32 m。砂袋上为1层泥袋，厚度1 m，宽度30 m，再上继续1层泥袋1层砂袋间隔填筑，直到埝体顶面。埝体最顶层为砂袋，埝体顶宽21.6 m，超出地面4.6 m，共6层砂袋，5层泥袋。埝体中泥袋宽度比其下一层泥袋宽度少2 m，砂袋比其下一层泥袋宽度少0.4 m。埝体中间设排水井，施工中保证井中水面维持在埝体底面，模型中利用“排水线”进行模拟。埝体为对称结构，建模时仅取一半，整个模型长度为70 m，高度为22.6 m。根据天津地区吹填疏浚土性质及前期对充填模袋材料研究结果，取建模计算参数如表1所示。

表1 真空吸水埝体模型材料参数Table 1 Material parameters of vacuum suction embankment model

模型采用分步计算，埝体从下向上填筑，第1个计算步添加第1层砂袋、第1层泥袋和第2层砂袋，采用固结计算，计算时间5 d。第2个计算步添加第2层泥袋和第3层砂袋，同样计算5 d。然后每个计算步都添加1层泥袋和1层砂袋，计算5 d，直到第5个计算步埝体全部添加完成，然后再固结30 d，共计算55 d。

图2 泥砂互层埝体位移云图Fig.2 Displacement nephogram of mud-sand interbedded embankment

图2 为泥沙互层埝体位移云图，由图2可以看出，泥砂互层埝体的位移最大值为2.73 m，发生在埝体顶面。模型变形前顶面标高为4.6 m，地面标高为0，埝体开始施工55 d后，埝体顶面高出地面约1.9 m。根据设计要求，施工完成并固结30 d后围埝顶标高应大于1.5 m，此种围埝结构形式及施工工艺满足工程要求。埝体本身竖向变形最大值为1.38 m，较大的压缩发生在埝体中部，埝体两侧压缩较小。分析-因，由于埝体中心为埝体自重应力集中区域，自重导致基础相应范围内孔压消散加速，沉降逐渐增大。

图3为模型超孔压云图，由图3可以看出，埝体部分的超孔压已接近零，-因在于埝体排水条件良好，超孔压消散较快。地基中尚有超孔压未消散，说明固结尚未全部完成，后期地基还会发生沉降。

图4为泥砂互层埝体总体积应变云图，由图4可以看出，埝体结构地面之上部分的应变较大，泥袋的应变较大，在0.3~0.5之间，砂袋应变较小。计算结束后，埝体顶面中心处的总竖向位移为2.73 m，埝体底面中心处竖向位移为0.68 m，埝体整个计算阶段发生了2.05 m的压缩，压缩比例为27.7%。

图3 泥砂互层埝体孔压云图Fig.3 Pore water pressure nephogram of mud-sand interbedded embankment

图4 泥砂互层埝体总体积应变云图Fig.4 Total volumetric strain nephogram of mud-sand interbedded embankment

图5 为泥砂互层埝体固结计算前后形状对比图，其中深色图形为固结计算结束后变形图，从图中可以基本看出筑埝完成且继续固结1个月后埝体的形状。

图5 埝体计算结束后的形状Fig.5 Final state after calculation of embankment

通过模拟埝体的填筑过程，经过计算得到了以下结果：

1）泥砂互层埝体的位移最大值为2.73 m，计算结束之后，埝体顶面突出地面约1.9 m，埝体都满足后期施工要求。

2）埝体本身压缩主要发生在埝体中部，底部和顶部压缩较小。

3）泥砂互层结构埝体压缩率约为27.7%。

4 结语

1）本文提出了新型泥砂互层结构埝体，根据项目团队多年相关工程经验，提出了切实可能的施工方案。

2）根据提出的新型泥砂互层结构埝体施工方案，按照施工顺序进行了有限元仿真分析，通过计算结果可知新型埝体的最终沉降量满足施工要求，埝体本身压缩都主要发生在埝体中部。

3）埝体的设计和施工皆满足工程要求，是软土地基上切实可行的快速筑埝技术。