某土壤修复项目搅拌桩止水帷幕施工对珠江堤防安全影响分析

2022-12-07谢健萍

广东水利水电 2022年11期

谢健萍，温勇

(1.中国水产广州建港工程有限公司，广州 510220；2.仲恺农业工程学院城乡建设学院，广州 510225；3.广东省岭南乡镇绿色建筑工业化工程技术研究中心，广州 510225；4.仲恺农业工程学院可持续建筑与节能研究所，广州 510225)

1 工程概况

1.1 概述

某工程位于广州市白云区，占地面积约15.2万m2，由于工程场地环境调查工作与土壤风险评估显示：砷的致癌风险和非致癌危害商均大于可接受水平，风险不可接受；总氟化物和石油烃(C10-C40)的非致癌危害商均大于可接受水平，风险不可接受，需对污染土壤进行修复。经对比分析，最终采用修复方案为：含砷、总氟化物、石油烃(C10-C40)污染土均采用异地水泥窑进行协同处置；地块内地下水采用三轴水泥搅拌桩止水帷幕阻隔方式进行风险管控。

工程地块边界建有珠江堤防，根据河道管理范围及堤防安全评价等相关规定[1-4]，由于此次土壤修复项目三轴水泥搅拌桩止水帷幕在其管理范围之内，而搅拌桩的施工对堤防安全有一定的影响，如俞元盛等[5]针对堤脚附近水泥搅拌桩软基处理对加固断面海堤稳定性影响进行了评估，胡峰强等[6]采用FLAC强度折减法数值模拟分析了建在防洪堤防上的主桥墩桩基施工对该堤防稳定性影响，徐良英等[7]研究了杭州市钱江新城城市主阳台水域工程桩施工期间对钱塘江标准堤影响程度的监测情况。

因此，为了分析本工程搅拌桩止水帷幕施工对珠江堤防影响，本文拟采用大型通用有限元软件 MIDAS/GTS NX对搅拌桩止水帷幕施工过程进行模拟，得出堤防结构受力及变形变化，最终根据计算结果评估堤防的安全性。

1.2 工程地质条件

在勘探孔深度控制范围内，场地地层按地质成因分为第四系人工填土层(Q4ml)、第四系全新统冲积层(Q4al)和石炭系基岩(C)，自上而下分述如下：

1) 素填土：褐灰色，松散～稍压实，主要成分为粘土及中细砂颗粒，底部含淤泥。

2) 淤泥：灰色，流塑，饱和，味腥，含有机质，局部含中细砂颗粒。

3) 细中砂：灰白色，褐灰色，松散，饱和，主要成分为石英，局部含淤泥，级配一般，分选性差。

4) 粉质黏土：灰黄色，灰褐色，可塑，湿，粘性较大，粘粒为主，含少量中细砂颗粒，韧性及干强度较好。

5) 粗砂：灰白色，褐灰色，松散，饱和，主要成分为石英，局部含淤泥，级配一般，分选性差。

6) 中风化石灰岩：深灰色，隐晶质结构，层状构造，多见灰白色方解石脉，节理裂隙发育，岩芯多呈碎块状。

1.3 搅拌桩止水帷幕施工

1) 根据施工工艺的要求，根据工程的规格和工期的要求以及现场场地、用电等情况合理确定设备的投入力量和机器的配套工具。根据地质勘察结果，设计搅拌桩桩径Φ850@600，桩长为8～15 m(施工阶段需根据实际地层情况进行适当调整)，使用42.5R普通硅酸盐水泥，单排每米水泥掺入比为15%～20%。

2) 施工顺序

本工程止水帷幕搅拌桩施工按图1顺序进行，其中阴影部分为重复套钻，保证围护结构的连续性和接头的施工质量，三轴水泥搅拌桩的搭接以及施工设备的垂直度补救是依靠重复套钻(搭接为250 mm)保证，以达到止水的作用。

图1 搅拌桩施工示意(单位：mm)

3) 开挖沟槽

根据放样出的水泥土搅拌桩围护中心线，用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度根据围护结构宽度确定，槽宽约1.0 m，深度为0.6～1.0 m。

场地遇有地下障碍物时，利用镐头机将地下障碍物破除干净，如破除后产生过大的空洞，则需回填压实，重新开挖沟槽，确保施工顺利进行。暗浜区埋深较深，若影响成桩质量则应清除及换土。

4) 桩机就位

由当班班长统一指挥桩机就位，移动前看清上、下、左、右各方面的情况，移动结束后检查定位情况并及时纠正；桩机应平稳、平正，并用经纬仪或线锤进行观测以确保钻机的垂直度。

5) 搅拌及注浆

三轴水泥搅拌试桩采用一喷二搅施工工艺。在下沉搅拌和提升注入水泥浆液时严格控制下沉和提升速度，保持匀速下沉或提升，提升时不应在孔内产生负压造成周边土体的过大扰动，在桩底部分重复搅拌注浆，并做好原始记录。

在施工现场搭建拌浆施工平台，平台附近搭建水泥库，储存足够的施工用水泥。在开机前应对不同的直径和搅拌深度计算工法桩每米的水泥掺入量，每天以书面形式,采用施工指令。水泥浆液搅制小组根据书面指令进行浆液的搅制，根据设计所标深度，钻机在钻孔和提升全过程中，保持螺杄匀速转动，匀速下钻，匀速提升，并采取高压喷气在孔内使水泥土翻搅拌和，在桩底部分必须重复搅拌注浆，保证整桩搅拌充分、均匀，确保搅拌桩的质量。

2 搅拌桩止水帷幕施工对堤岸安全影响分析

2.1 计算方法

1) MIDAS/GTS NX介绍

计算采用MIDAS/GTS NX有限元软件，MIDAS /GTS NX是用于土木工程等领域的有限元分析软件，因界面友好、操作简单、功能强大而受欢迎，具有岩土分析所需的基本分析功能，并为用户提供了包含最新分析理论的强大的分析功能，包含施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能，是岩土和隧道分析与设计的解决方案之一[8-9]。

MIDAS/GTS NX的施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果。即上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响到后续阶段的分析结果。

2) 施工过程模拟

按照如下施工顺序模拟搅拌桩止水帷幕施工对堤防的影响:工况1：计算自重应力，并进行位移清零；工况2：施工搅拌桩；工况3：搅拌桩硬化。

2.2 计算模型及参数

1) 计算模型

根据搅拌桩止水帷幕与堤防相互关系布置平面图、堤防断面图以及相应地质钻孔图，建立本次计算模型(如图2所示)。整个模型尺寸：50.5 m×21.95 m(长×宽)，总单元数E=4 263个，节点N=4 171个。

图2 有限元计算模型示意

2) 计算参数

根据本项目工程地质勘察成果并结合相关工程经验[10-13]，本次计算模型中土层物理力学参数取值见表1所示。

表1 土层物理力学参数取值

2.3 计算结果及分析

对搅拌桩止水帷幕施工不同工序情况下的堤防挡墙、码头平台及灌注桩的变形和受力分别进行计算，分析搅拌桩止水帷幕施工对堤防影响。

1) 结构变形

不同工序情况下的堤防各结构变形(横向位移和竖向位移)情况见表2、图3所示。由表2、图3可知：搅拌桩施工期(工况2)，挡土墙横向变形为0.95 mm，竖向变形为0.16 mm；搅拌桩施工后(工况3)，挡土墙横向变形为1.38 mm，竖向变形为0.22 mm。搅拌桩施工期(工况2)，灌注桩横向变形为0.88 mm，竖向变形为0.027 mm；搅拌桩施工后(工况3)，灌注桩横向变形为1.30 mm，竖向变形为0.34 mm。搅拌桩施工期(工况2)，码头平台横向变形为0.89 mm，竖向变形为0.16 mm；搅拌桩施工后(工况3)，挡土墙横向变形为1.31 mm，竖向变形为0.21 mm。

表2 堤防结构变形计算结果 mm

a 挡土墙变形曲线

综上所述，搅拌桩止水帷幕施工对堤防结构会产生一定的横向位移和竖向位移，但变形值均小于 1.5 mm，相比于各结构尺寸均小。

2) 结构内力

不同工序情况下的堤防各结构内力情况见表3、图4所示。由表3、图4可知：初始状态-施工前(工况1)，挡土墙剪应力为65.12 kPa；搅拌桩施工期(工况2)，挡土墙剪应力为63.29 kPa；搅拌桩施工后(工况3)，挡土墙剪应力为62.81 kPa，即挡土墙的应力稍有减少。初始状态-施工前(工况1)，码头平台剪应力为324.39 kPa；搅拌桩施工期(工况2)，码头平台剪应力为322.91 kPa；搅拌桩施工后(工况3)，码头平台剪应力为322.53 kPa，即码头平台的应力稍有减少。初始状态-施工前(工况1)，灌注桩弯矩为571.55 kN·m，剪力为378.98 kN；搅拌桩施工期(工况2)，灌注桩弯矩为586.46 kN·m，剪力为388.85 kN；搅拌桩施工后(工况3)，灌注桩弯矩为592.90 kN·m，剪力为393.03 kN，即灌注桩的内力稍有增大。