南通市紫琅公园自然堆山地基处理及山体堆筑施工、监测要点

2020-03-30郑志龙

工程建设与设计 2020年2期

郑志龙

（上海园林（集团）有限公司，上海200011）

1 工程概况

“无水不成园”，我国古典园林讲究挖湖堆山，塑造地形的造景手法，山得水而活，水得山而媚，山水之美让人有一种豁然开朗的感觉。受我国古典园林造园思想影响，挖湖堆山造景手法被广泛运用在现代城市景观设计中。

南通紫琅公园位于南通市中央创新区内，总规划面积2.02×106m2，新开路以西，兴富路以东，包括建筑工程、桥梁工程、人工地形堆筑、河道开挖及人工湖等景观项目。该工程最大的特色之一在公园南端区域开挖中心湖景、贯通水系，北端区域堆筑山体，营造山水生态景观，堆筑山体高度在0~23m，山体坡度12°~30°，主峰高度23m，东、南2座次峰高度分别为11m和9m，总土方量约8×105m3。

2 堆山的难点分析

本工程山体高、荷载大、工期紧，且原有地质条件及周边环境对高堆山有不利影响。高堆土山区域在部分原有河道暗浜上，且环山三面新开挖人工河道，开挖河道将减弱地基的整体性。本堆山场地地质浅层以黏质粉土为主作为持力层，承载力特征值可取120k Pa，而根据计算山体最大荷载约400k Pa，最大堆山高度超过地基土下卧层的承载力，另一方面，场地水系发达，地下水位高。

根据工程经验，在堆山工程施工期间，由于填土堆载，致使地基水土压力增大，如果土体堆填速度过快，孔隙水压力不能充分消散，土体固结不充分导致其强度不能相应增长，可能会由于抗剪强度不足而引起剪切破坏，具体表现为山体沉降量及差异沉降增大，地基土体发生水平方向滑移，山体周边自然地面和河道隆起等[1]。

3 工程地质条件

根据勘察报告显示，紫琅公园的土体构成除表层填土与淤泥，其余属第四纪长江冲积层，25m深度内以浅土层以粉砂、粉土为主，一般为中等压缩性，局部为中等偏高压缩性，力学强度为一般～较高；26~36m深度范围内以粉土、粉质黏土为主，中等偏高压缩性土，力学强度较低；其下40m浅土层以粉砂为主，中～中偏低压缩性土，力学强度较高。土层分布及性质如表1所示。

表1 土层及压缩性分布

4 地基稳定性评价

人工堆山施工难度大、安全风险大、地域性强，供参考的施工经验较少，而且本项目建设单位不接受将巨大的工程资金放在地下的地基加固施工中。综合考虑堆山的安全性、造价控制要求等因素，勘察、设计、施工多次论证，并对地基稳定性进行分析，针对地基不利因素，制订天然地基堆筑的堆山方案，并实施堆山监测保证安全措施。

4.1 地基土的承载能力、沉降量计算分析

估算得出山体最大荷载约400k Pa，堆载变形量影响范围主要为25~40m以浅土层。根据地基土层分布及载荷条件，计算地基土极限承载力：

根据地基土层分布及载荷条件（山体）：

式中，fa为由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，k Pa；Mb、Mc、Md为承载力系数；b 为基础底面宽度，m，大于 6m时按6m取值，对于砂土，小于3m时按3m取值；d为基础埋置深度，m，γ为土的重度，k N/m3；γm为基础地面以上土的加权平均重度，k N/m3；Ck为基底下一倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值，MPa，本工程Ck取一倍短边（6m）范围内土层Ck标准值，Ck取（15.9×3.2+23.5×2.8）/6=19.4[2]；

查表得：Mb=0.49，Md=3.02，Mc=5.52

计算分析：（1）fa计算公式的理论依据为太沙基、汉森理论，理论计算式偏于保守，土体计算式pu1/4小于pu1/3；pu1/4和pu1/3分别是允许地基产生Zmax=b/4和Zmax=b/3范围塑性区所对应的2个临界荷载；（2）26m堆载区域为中间局部，从土体深宽修正的理论出发，周边土体回填于26m处起到一个反压的作用，为有利因素。

4.2 地基土的渗透性分析

受附加荷载所致的变形产生的超孔隙水压力主要位于25m以浅土层，该范围内以粉砂、粉土为主，超孔隙水压力一般易于消散，不利因素是②1表层土以黏质粉土为主，渗透性较差，其下部孔隙水不易排出，且约15m以浅土层中夹水平薄层粉质黏土，渗透性较差，故应采取必要的排水措施，以减小超孔隙水可能导致的承载力、抗剪能力的损失，同时，加快地基土的固结速度，避免出现整体失稳情况。

4.3 山体本身的稳定分析

根据设计方案，山体的坡比主要在1∶4~1∶8，山体土源为挖湖土体，以粉土、粉砂为主，初步判断，只要控制土体的含水量和回填中的密实度，山体一般可达自身整体稳定和局部稳定。

4.4 地基处理方案判断

根据类似工程经验，针对堆山地表软黏土地基承载力低、含水量大、超孔隙水压力无法消散等不利因素，为保证堆山的安全性，常采用管桩处理、深层搅拌桩、堆载预压联合排水固结的地基处理方案。

对于本项目堆山工程，对基底土采用塑料排水板或砂桩做排水竖井，以增强浅层土承载能力，提高降水效率和效果，并控制堆山速度最为理想。但是，为了不增加地基处理的工程造价，在工期允许和堆山监测保障的条件下，经施工单位、勘察、设计等各方技术人员及相关地质专家多次开会研讨论证，并结合地基稳定性分析情况，确定本工程采用井字盲沟（透水沟）结合分层压实堆筑的施工方案，从2个方面把控土体回填：（1）粉砂土填筑压实度满足要求；（2）场地做底部排水通道，利用土体的自重固结和堆载对地基土的固结效应，结合排水措施将回填土中的孔隙水及地基土中超孔隙水逐渐排出，以达到新的力学平衡。另一方面，对环山挖湖区域提前施工轻型井点降水来配合盲沟排水，提高降水效率和效果。

4.5 排水通道方案介绍

针对本工程的特点，综合采取如下设计方案：

1）考虑拟堆山区域表层黏土作为持力层承载力透水性差，但可资源利用山体表面1.5m种植土，对表层原种植土全部收集到将来要开挖河道区域或红线外区域；

2）26m山体区域排设盲沟H1500mm×L2000mm@50000mm，采用无纺土工布包裹瓜子片（建筑硬块，粒径小于10cm）。纵横交接处盲沟为4000mm×4000mm@50000mm进行施工；

3）13~15 m山及周边堆筑区域纵横排设 H1500mm×L3000mm@50000mm，用砂土回填透水沟，开挖透水沟的土方放在沟的两侧；

4）拟堆山区域通过盲沟和透水沟的施工使堆筑区域形成纵横交错“井”字形的排水系统（见图1），排水系统通向四周河道，使土体加速固结，提高土体强度和稳定性。

图1 盲沟和透水沟示意图

5 堆山安全性控制要点

5.1 山体堆填顺序的部署

山体堆填顺序的科学部署有助于保证工程质量、降低安全风险，加快施工进度。本项目设计堆筑3个高度不同的山丘，并在山体外围新开挖一圈河道，综合考虑安全、经济因素，最终确定先堆筑山体，再开挖河道，且各山丘的堆填顺序是平行堆填，提出这一方案的理由是：（1）自然原始地坪是整体稳定的，对堆筑区域有加固承载和支撑作用；如先开挖河道再堆筑山体，或一边开挖一边堆筑，就打破原始地坪基础的整体性；（2）从经济成本考虑，山体芯土堆筑完成后，河道开挖表层种植土可就近做山体表层1.5m覆盖土，减少河道表层土二次挖运费用；（3）为保证山体均匀沉降，3座山体同时堆筑，采用同一等高线同时堆筑方案，使山体均衡上升，从而保证地基的受力均匀。

5.2 山体范围内原河道暗浜清淤处理

原有河道暗浜内淤泥、淤泥质土对山体的稳定不利，采用全部挖除，并回填砂土分层碾压。在清理河道暗浜的淤泥前进行排水，排水结束后，再用挖机进行清淤，淤泥驳运至河道边或不影响晾晒的区域堆积、滩涂，进行充分晾晒，等晾干后再和表层土进行混合作为种植土使用。淤泥清理必须清至原始土才可结束。清理淤泥后再用砂土分层回填，每层回填的厚度为60~80cm，每层回填完成用压路机碾压，压实系数不低于85%。

5.3 土的含水率控制及处理措施

山体堆筑芯土的含水率对山体的稳定尤为重要。按照设计土方平衡的要求，堆山的土源为挖湖土体，根据湖区地质资料，主要为粉土、粉砂为主。为保证山体的稳定性，从3个方面控制土质：（1）含水量较大的黏性土、淤泥质土、含杂草、建筑垃圾等物的杂质土不得作用堆山芯土，以避免夯填不实；（2）土的含水率控制在最佳含水率。需对土源进行最佳含水量测试，土源进入堆山区进行检测，最佳含水量为80%时，可分层碾压；（3）堆土按“非”字形顺序布置，现场管理按土源质量分区堆填，粉土、粉砂土先用于修筑“非”字形堆筑通道，不合要求的土待处理后碾压

5.4 分层堆筑及土工试验

山体造型根据测量放样等高线的坐标（X，Y）进行，先用GPS定位（X，Y），再用水准仪测量标高，造型标高用竹竿标记控制，挖机根据竹竿标记标高进行造型。山体在堆筑时分层回填，回填厚度60~80cm，先用推机推平，再用震动压路机反复碾压。为了保证回填土压实的均匀性和密实度，在压路机碾压前先用推机推平，低速预压4~5遍，使表面平实。震动压路机在压实过程中，应控制行驶速度，平压、震动碾压不超过2km/h。根据设计要求检测土方的压实度，每3m检测一次，压实度检测要求不低于85%。检测时实行现场见证取样，检测方法采用环刀法，压实度检测符合要求再继续堆筑，为不耽误工期，回填检测采用分段流水施工。

5.5 堆山施工进度控制要求

自然地基堆山施工速度控制对堆山的安全性和山体的稳定性尤为重要。根据地勘资料，首先通过理论估算地基土沉降量，推算指导性总工期10个月。在实际堆山过程中，堆山的速度控制参照监测的指标数据进行，关键控制监测报警期间的施工速度，土体分层竖向位移和场地地表沉降变化超报警值必须停止施工，待土体分层竖向位移监测数据回到允许值且变化恢复正常后进行下级堆筑。为了既快又安全地完成堆山任务，堆山进度控制分为2个阶段：在地基土承载力范围内，施工快速连续分级堆筑，此期间各项监测数据稳定；随着堆筑高度升高，堆载量超过地基承载力，监测指标接近报警值，该阶段堆载速度放缓，大于报警值后立即暂停堆筑，待监测数据稳定后进行下级堆筑。

6 堆山监测及沉降监测结果

6.1 监测目的

本次监测为了确保堆山的安全，及时跟踪掌握在施工过程中可能会出现的各种不利现象，掌握堆山的稳定状态、安全程度，为设计和施工单位提供信息，以便随时修改施工方案，合理安排施工的进度和方式。同时，监测还可以作为堆山景观最终稳定性的依据。

6.2 监测项目

监测项目包括：（1）土体深层水平位移监测（10个点数）；（2）孔隙水压力监测（10个点数）；（3）土体分层竖向位移监测（27个点数）；（4）地面沉降观测（12个点数）；（5）地下水位（10个点数）。

6.3 监测频率

本堆山工程从施工进场起，到山体达到稳定状态，总工期约300d，监测共计60期。根据不同堆筑阶段设定监测频次：堆筑前期1次/7d，监测报警期间1次/2d，山体全部堆筑完成，且监测数据趋于稳定后，1次/15d。在加载过程中监测数据出现异常或预警，及时通知业主和相关单位，停止堆载并采取措施，等各监测数据达到要求后，方可进入下一级加载。

6.4 监测报警值

监测报警指标一般以总变化量和变化速率2个量控制，变化速率的报警指标不宜超过设计限值。本项目监测报警指标有：（1）边界侧向位移小于5mm/d；（2）场地的土体分层竖向位移速率小于5mm/d；（3）场地周边地面沉降量以3mm/d控制。

6.5 监测结果

监测结果为：

1）堆筑高度0~12m，全部监测项目数据稳定，场地地表沉降、土体深层水平位移和土体分层竖向位移都低于报警值，在允许的变化范围内；地表最大沉降为-500mm，土层深部最大累计沉降为-220mm，土层深部水平位移累计最大为向山体外位移1.85mm。由于场地周边降水，水位和孔隙水压力整体小幅下降。

2）堆筑高度超过12m以上，土体分层竖向位移逐渐接近报警值，随着堆筑高度增加，数据超过报警值成正比增大，但场地地表沉降和土体深层水平位移数据都低于报警值，在允许的变化范围；考虑其他2个监测项目低于报警值，施工只是结合土体分层竖向位移监测报告，放缓了堆筑速度，加强分层碾压。

3）堆筑高度达到20m时，土体分层竖向位移报警数据达到极值20~30mm/d，土压力数值也大幅度增加，孔隙水压力和水位小幅增大，地表最大沉降为-1820mm，土层深部最大累计沉降为-1020mm；场地地表沉降和土体深层水平位移数据都低于报警值，场地地表沉降变化速率2mm/d以内，土层深部水平位移1mm/d以内。后续堆筑期间，施工结合监测报告技术歇停，加强监测频率以及周边地面的观测。待土体分层竖向位移监测数据回到允许值且变化恢复正常后，每天只堆筑800~900m3，最高峰6m高度共计20 000m3土用了30d堆筑完成。

4）山体堆筑完成后，沉降速率减小趋于稳定。山体全部绿化种植完成6个月后，监测周边地面沉降累计最大-201.6mm；土层深部水平位移累计最大向山体外位移-10.59mm，土层深部水平位移累计最大向山体内位移24.40mm；主峰山顶范围土层累计沉降最大，地表最大累计沉降-2880mm，土层深部最大累计沉降-1380mm。山体堆筑对周边道路、河道没有影响。