CN101033608A - 模袋固化土海上围埝方法 - Google Patents

Abstract

一种模袋固化土海上围埝方法，按以下步骤进行：建造地固化土的性能试验，使固化土指标既满足强度要求，还能满足施工需要；按新方法进行围埝的整体稳定验算，使设计断面尽量缩小，建造实践尽量缩短；按设计流程进行施工，控制流程中的主要工序；在施工及围埝使用过程中对工程进行监测。本方法的优越性在于：国内应用前景广阔，可节约大量的工程材料；设计计算理论先进，不仅工程断面小，还可比常规围埝缩短建造工期。

Description

模袋固化土海上围埝方法

技术领域

本发明属于土木工程海上围埝建造技术，特别设计一种模袋固化土海上围埝方法。

背景技术

在我国漫长的海岸线上，分布着大面积的由软粘土形成的浅海滩，如天津、广东、上海、宁波、连云港等地区，在这些地区修建护岸、海堤，围海造地(围埝)大多采用抛石斜坡堤和近几年发展起来的吹填砂被堤，这些结构都需要使用大量的砂石料，所投入的建设资金巨大，同时，对环境造成一定程度的破坏。

以天津港为例，天津港地处于渤海湾西部，海河下游出口处，港口及港口周边地区地势平坦，沿海滩涂表层主要分布为淤泥或淤泥质土。天津港附近没有砂石料来源，现建设用的砂石料大多数来自100多公里外或来自其它沿海地区，因此到港后的砂石料成本相当高，每年港口建设部门不得不在此项上投入大笔的建设资金，因此，利用本地区廉价丰富的淤泥质粘土资源，替代砂石料等常规材料修建围埝、护岸等水工建筑物，将具有较深远的意义。

受国家九五攻关课题《海上深层水泥搅拌加固软基技术研究》的启发，本着就地取材、充分利用软土地区的淤泥质粘土的想法，形成了模袋固化土海上围埝技术的主要思路。模袋固化土海上围埝技术的主要做法是直接挖取海底软土，并在其中掺入固化剂(如水泥)，经机械搅拌均匀形成流动状的拌和土，再充灌到码放就位的大型土工模袋中形成模袋固化土，逐层码放充灌后形成海上围埝。采用该技术不仅可以节省大量的工程材料费用，还可以大大减少波浪对围埝的破坏作用，特别是围埝形成时期的破坏，所以，对模袋固化土海上围埝技术的研究是非常有意义的。

国外水利工程中采用大体积土工织物模袋已经非常普遍，其中比较典型的如荷兰的“土工包”技术。该工法主要运用于河道整治工程，现已发展得相当成熟。目前国内水利水运工程采用模袋砂被堤已相当广泛，它具有施工设备简单、施工效率高等特点。但采用模袋砂被堤需要大量的砂料，在有些地区，由于砂料来源紧张，制约了该方法的应用。

1996年在黄骅港一期工程的引堤南护岸东侧和横堤建设时曾采用大型充泥袋，充填材料为亚砂土或粉砂，在施工中出现了被海浪冲垮等问题，未能在正式工程中使用；2001年7月，天津港在进行南疆码头的1#墩改造围埝施工时，原设计围埝采用传统的抛石加草袋模式，在施工过程中，遭遇到恶劣天气和风浪的影响，施工无法按计划进行，每天抛筑施工的围埝仅经历一次潮汐过程就被夷为平地，在没有其它可行的办法的情况下，决定尝试“土工包”技术，即在模袋内充灌掺入水泥后的淤泥质土，由于施工设备、施工技术的制约，效果不理想。

2002年，天津港启动北大防波堤项目，而其中的西内堤部分具备良好的自然地理条件，因此，建设单位(天津港务局)决定以“天津港北大防波堤西内堤(一期)工程”为依托，组织科研、设计、施工单位联合开展模袋固化土海上围埝技术的研究，重点研究解决固化土配比试验、强度指标的确定、现场质量控制标准、施工机械设备等技术问题。施工单位研制了一些施工设备，完成了2000延米的模袋固化土海上围埝施工，施工中研究解决了一些急需解决的问题。但由于施工是在没有设计标准的情况下进行，因此存在许多问题，主要反映在固化土工程特性不清楚、无设计计算方法、现场强度如何评价等等。如果要推广使用该项技术就必须解决上述急需解决的问题。

为此，在中港集团的组织下，中港集团岩土工程重点实验室自2003年7月开始对模袋固化土海上围埝技术进行了全面系统的研究，并于2004年12月完成全部室内、现场研究工作，取得了大量的研究成果，从理论上和施工组织上解决了模袋固化土海上围埝的技术问题。

随着沿海滩涂的开发和人们对环境保护及资源节约意识的增强，模袋固化土海上围埝技术有着广阔的应用前景，在合适条件下将逐步替代常规的抛石堤结构，为社会节约大量资源，为工程建设提供安全可靠的结构方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种模袋固化土海上围埝方法。为海上围埝提供一种新型的围埝结构型式，从设计计算理论、施工方法、现场监测和检验方法及结构的最终破坏形式等方面进行创新、总结和提高，规范该新型围埝建造技术，拓展我国的围埝建造结构形式。

本发明的内容

一种模袋固化土海上围埝方法，其特征在于：

首先应针对建造地的原状土取土，进行室内固化土配比试验；固化土的基本指标应满足短期和长期的强度要求，还要使固化土的初始含水量满足施工要求，使固化土能顺利充入模袋内，

根据现场固化土的指标和地基特性，进行围埝断面的设计。

进行模袋固化土围埝设计时，除基本材料要求要满足一般工程要求外，对围埝断面的稳定计算采用稳定计算方法，以便充分利用模袋固化土的特性，减小工程断面，合理安排施工时间；

多层模袋织物的抗滑稳定计算方法如下：

$F_s=\frac{M_R}{M_0}---\left(1\right)$

$M_0=\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_{x_{i-1}}^{x_i}{w}_{\mathrm{\γi}}(y-y_R)y^{\′}\mathrm{dx}---\left(3\right)$

围埝的施工流程如下

a模袋加工

b取围埝周围的土，加入10％左右的水泥搅拌；

c围埝基层处理，模袋定位后先将其位置上将模袋铺放好，在铺放好的模袋内充灌搅拌好的固化土，进行整平后为一层，在整平好的这一层的固化土模袋上面再重复模袋铺放，模袋充灌固化土，整平；一层层铺放直到围埝的顶层；再在围埝表面进行护坡、护面施工；

围埝的施工监测

为了保证模袋固化土围埝在施工期及使用期的安全，对围埝及其地基应进行原位监测，监测项目包括地基的孔隙水应力观测、地基及围埝的沉降观测、地基及围埝的侧向变形观测。

本发明的优越性及技术效果

(一)优越性

1.通过对国内多数港口软土物理性指标的统计和研究，明确固化土围埝可广泛应用于国内大多数港口，拓展了模袋固化土围埝的利用范围；

2.通过研究，摸清了模袋固化土的基本物理、力学性能特点，为模袋固化土围埝设计提供了基本的计算参数；

3.通过对模袋固化土围埝的破坏形式研究以及基本计算理论的研究，提出了模袋固化土围埝的设计计算方法，使该围埝修筑技术不仅有实际工程经验，还有了一套完整的设计方法，有利于推广使用该技术；

4.该围埝建造技术所需建筑材料较少，且该围埝结构整体性好，有利于在建筑材料(砂石料)缺乏的地区使用。

(二)技术效果

1.由于主要材料为就地取材，减少了外来材料的需求，经济效益显著。以天津港某依托工程为例，该围埝技术比充填砂堤心结构围埝节省造价20％，比抛石堤结构节省造价40％左右；

2.由于模袋固化土围埝整体性好，稳定计算方法与常规围埝结构计算方法不同，因而在同样大小断面的情况下，模袋固化土围埝建造时间更短，有效地缩短了工期。以天津港某依托工程为例，本专利技术提出的计算方法所需的围埝施工工期比原设计缩短了1/3。

附图说明

图1 120d的固化土压缩试验e-P曲线

图2不同龄期的固化土压缩试验e-P曲线平均值对比

图3破坏性试验后地基变形矢量图

图4埝体底面铺设单层土工织物加筋垫层的稳定分析模型

图5模袋固化土整体稳定性分析模型

图6滑动面只通过地基土的稳定计算模型。

图7模袋固化土施工流程图

图8多层模袋织物抗滑稳定计算示意图

具体实施例

一种新型的模袋固化土海上围埝方法。该方法主要包含如下内容：

(一)工程所在地的固化土特性研究及固化剂掺量确定

根据本发明的研究成果，国内大多数港口的软土地基适宜与水泥发生固化，固化土在国内各港口工程推广应用前景喜人。在具体工程应用阶段，需要通过室内试验，确定模袋固化土的基本性质、固化剂(水泥)的掺量以及模袋固化土的施工质量控制指标及方法。

本发明总结了固化土的工程特性和物理力学指标特性，提出了固化土的试验方法和控制指标。

(二)模袋固化土围埝设计

根据本发明的研究成果，对传统的围埝计算方法进行了改进，提出了模袋固化土围埝整体稳定性计算方法，利用新方法计算出的围埝的安全系数比传统方法计算结果高，因而在工期计算、断面尺寸设计方法具有明显的优越性。

(三)模袋固化土围埝施工

根据本发明的研究依托工程实践，提出了模袋固化土围埝的施工流程图，指出了关键控制工序。

(四)模袋固化土围埝的施工监测

根据模袋固化土围埝的受力特性及变形特征，提出了适合模袋固化土围埝的监测方法和控制指标。

模袋固化土海上围埝技术内容

(一)模袋固化土海上围埝技术创新点

1.模袋固化土的工程特性

1.1国内软土的基本特点及固化可能性

通过对国内大多数港口的软土的物理性质进行统计，软土厚度一般为十米至五、六十米，以淤泥及淤泥质粘土为主，均具有天然含水量大、天然孔隙比大、压缩性高、强度低等特点。软土矿物成分中有机质含量为0.78～2.8％，腐植质含量为0.06～0.9％，酸碱度为7.4～8.65。国内大多数港口的软土地基适宜与水泥发生固化，固化土在国内各港口工程推广应用前景喜人。

1.2模袋固化土的主要评价指标及基本强度

固化土的性质介于水泥搅拌土与粘土之间，试验研究时对无侧限抗压强度指标和抗剪强度这两个指标都进行了大量试验，以无侧限抗压强度为主，同时进行抗剪强度试验。在进行固化土强度评价时，可以根据固化土在围埝中以及不同阶段的作用，分别选择抗剪强度或无侧限抗压强度作为衡量指标。

根据依托工程的现场实践，现场施工固化土的强度(无侧限抗压强度)达到0.1MPa，即可满足上一层模袋施工的机械及人员操作需要，确定固化土的配比时以此要求作为基本依据。

1.3固化土强度的主要影响因素

(1)原地基土的含水量与强度的关系

原地基土的含水量越低，相同水泥掺量、同等养护条件下固化土的无侧限抗压强度越高。当固化土的含水量为75～85％时，充灌施工效率较高。

(2)固化材料掺量与强度的关系

固化材料掺量越大，相同条件下固化土的无侧限抗压强度越高。

(3)养护条件与强度的关系

除了密封养护的试样强度偏高外，海水浸泡养护、淡水浸泡养护和潮湿环境养的试样强度基本一样，且固化土的含水量、密度等也基本一样，也就是说固化土对环境的要求不高，应用范围较广。

养护温度的对比试验表明，在非冰冻条件下，养护温度对固化土初期的强度增长具有一定的影响，低温时强度略低，高温时强度略高，但随着养护龄期的增加、强度的差异值越来越小，在28d龄期以后的强度值已基本一样。

固化土的冻融试验结果表明，固化土经过冰冻以及解冻过程，变得非常松散，且相比正常固结的固化土，其包含的水分大量析出，强度已几乎丧失。因此，固化土施工应避免在冰冻期间进行。

(4)原土土性与固化土强度的关系

在同样水泥掺量的条件下，淤泥质粉质粘土与粉土形成的固化土的强度高于淤泥以及淤泥质粘土形成的固化土的强度，其强度增长规律相同且差异不大。

1.4固化土的工程特性

(1)表观特征

根据现场取土试验情况看，现场固化土一般在24h以内即可形成一定的强度，使固化土成为块状结构，这种块状结构具有一定的粘结强度，普遍特征是含水量大、密度小，孔隙比大，表面呈明显的蜂窝状。

(2)物理特征

与原土相比，固化土的物理状态、结构、各项土工试验物理性质指标等都有较大的不同，固化土的含水量比原土大20～50％、密度比原土小10～15％、孔隙比为原土的2倍、液限为原土的3～4倍，其颗粒大小和颗粒组成同原土基本一样。

(3)强度特征

固化土的剪切强度与“老粘土”特性接近。经过对多组数据的统计，其28d龄期的粘聚力多在58±30kPa范围内，内摩擦角在29±10°范围内。

(4)变形特性

固化土的固结压缩曲线不同于常规土样的“双曲线”型曲线，一般在150～200kPa的荷重下，固结曲线出现明显向下的拐点，典型的压缩曲线见图1。

固化土在不同龄期时的压缩曲线见图2。固化土的压缩性能与中等压缩性粘土的压缩性能接近。龄期越长，固化土的强度越高，而其压缩性越小。

2.模袋固化土围埝的应力～应变特征及破坏形式

2.1围埝整体稳定

对实际依托工程的研究结果表明，正常情况下地基的孔隙水压力系数和变形特征值见表1。从表1可以看出，孔隙水压力系数小于0.5～0.6的经验控制值，地基变形以沉降为主，无隆起现象，围埝中心地表最大沉降速率小于10～20mm/d的经验控制值，最大水平位移为100mm，水平位移速率小于4～6mm/d的经验控制值。围埝竣工一年，无整体破坏失稳迹象。因此，在围埝和吹填施工期整体是稳定安全的。

正常情况下地基的孔隙水压力系数和变形特征值 表1
					指标	孔隙水压力系数	围埝中心地表最大沉降速率(mm/d)	围埝中心地表平均沉降速率(mm/d)	最大水平位移(mm)
试验	0.6	17.5	3.6	100
					计算	0.57	12.6	2.9	93.5

2.2围埝的破坏形式

根据离心模型实验结果，当围埝和吹填高度增加2倍后，此时的地基中孔隙水压力系数达到临界状态，地基沉降也明显增加，在港侧地基产生了隆起现象，最大水平位移也从围埝竣工一年时的10cm增加到60cm，这些现象表明地基出现了失稳破坏。从图3给出的地基变形矢量图能看出这一现象，失稳破坏出现在港侧，表现为圆弧滑动破坏型式。

3.模袋固化土围埝的波浪模型实验成果

3.1模袋固化土围埝的稳定性

施工期第一阶段时，将模袋固化土填充1～4层后，在设计给定的水位和相应的波浪作用下，模袋固化土稳定。施工期第二阶段时，填充剩余的5～7层固化土模袋，在设计给定的水位和相应的波浪作用下，模袋固化土稳定。

固化土模袋破坏性试验时，在+4.3m水位、H_13％＝2.0m、 的波浪作用下，第7层固化土模袋失稳。继续增加波高后，1～6层固化土模袋没有发生位移，处于稳定状态。

3.2固化土模袋间的摩擦系数

固结后的固化土模袋间平均摩擦系数为f＝0.53。软湿状态下的固化土模袋间平均摩擦系数为f＝0.28。

3.3模袋固化土的漏土量

模袋固化土的漏土量与水深、波高相关，模袋平放时单位漏土量为L_t＝2.04kg/m².h，模袋吊挂时的单位漏土量为L_t＝3.8kg/m².h。

4.设计计算理论和稳定计算方法

4.1单层模袋织物的抗滑机理和稳定计算方法

为了考虑模袋充灌固化土围埝的多层模袋织物抗滑作用，首先应当对土工织物加筋垫层抗滑作用(单层模袋织物抗滑作用)进行研究。

埝体底面铺设单层土工织物加筋垫层的稳定分析模型见图4。

对只铺设一层土工织物的情况，我们建议采用式(1)和式(2)来计算抗滑力矩和滑动力矩。

$M_0=\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_{x_{i-1}}^{x_i}{w}_{\mathrm{\γi}}(y-y_R)y^{\′}\mathrm{dx}---\left(2\right)$

这样就可以清楚的看出：

就是堤体土压力产生的力矩，而

就是简单条分法的侧土压力沿滑动面的分布。

4.2模袋固化土的抗滑机理

设在软土地基上建一围埝，堤体由模袋固化土构成，见图5。

如果完全按照常用的分析方法(如简单条分法)分析整体稳定性(不包括考虑模袋的抗滑作用)，滑动面将通过堤体与地基。可能滑动区域也可以分成(A)、(B)两部分考虑：由滑动面通过堤体((A)区)，获得(A)、(B)两区交界面处的土压力E、T；这样(B)区域内所受的外力只有E、T，由滑动面通过地基土((B)区)，即可完成分析过程。也就是说，只要已知(A)、(B)两区交界面处的土压力E、T，整体稳定的分析过程只需考虑滑动面通过地基土就可完成。

4.3模袋织物的抗滑机理

一般地，垂直向土压力T很小，在稳定性分析方法中多不考虑(如简单条分法等)；如果考虑应是起抗滑作用的，且相应的水平向土压力E将减小。所以我们只按对稳定性最不利的朗肯公式分析E的滑动作用。由于土工织物所承受的拉力不会超过织物上方的堤体土压力。设第k层袋内固化土的土压力为E_k，第k层土工织物所承受的拉力为ηE_k′(0≤η≤1)，E_k′为第k层土工织物以上袋内固化土的土压力减去k-1层土工织物承受的拉力。这样就有：第一层模袋下表面的水平力为E₁′＝E₁，第二层模袋上表面的水平力为(1-η)E₁′；第二层模袋下表面的水平力为E₂′＝E₂+(1-η)E₁′，第三层模袋上表面的水平力为(1-η)E₂′；一般地，第k层模袋下表面以上的总水平力为：E_k′＝E_k+(1-η)E_k-1′，传递到第k+1层模袋上表面的总水平力为(1-η)E_k′。如果模袋是k层，那么传递到地基土的水平力就是(1-η)E_k′。容易得出：

(1-η)E_k′＝(1-η)E_k+(1-η)²E_k-1+(1-η)³E_k-2+…+(1-η)^kE₁    (3)

注意到：E_kφE_k-1φE_k-2φ…φE₁，所以：

$(1-\mathrm{\η})E_k^{\′}\mathrm{\π}(1-\mathrm{\η})\frac{1-{(1-\mathrm{\η})}^k}{\mathrm{\η}}{E}_k---\left(4\right)$

对铺设一层土工织物的情况，我们建议取η＝0.75，这样，传递到地基土的水平力：

$(1-\mathrm{\η})E_k^{\′}\mathrm{\π}\frac{1}{3}{E}_k---\left(5\right)$

以上分析表明，袋内固化土产生的水平力滑动作用，大部分被土工织物的抗滑作用所抵消；只有一小部分水平力传递到地基土上，这就是模袋织物的抗滑机理。

4.4建议的模袋固化土围埝稳定性分析方法

抗滑机理说明，堤体产生的土压力(不允许出现拉力)经过多层土工织物后，传入地基土的部分很小。对模袋充灌固化土构成的堤体，每一个充灌固化土的模袋都是一个小的整体，只要是模袋不能被撕断，滑动面就不可能通过模袋。如果发生失稳，应当是从模袋以下的地基(包括抛填砂)开始破坏。因此，稳定性分析只需考虑地基土的是否破坏，只要是地基土没有破坏，整体破坏是不可能的。

综上分析，稳定性分析只需考虑滑动面通过地基土(包括抛填砂)的部分，见图6。即在计算公式(1)、(2)中，取η_t＝1.0。

(二)模袋固化土海上围埝的建造过程

1.建造地固化土的性能试验

首先应针对建造地的原状土取土，进行室内固化土配比试验。固化土的基本指标应满足短期和长期的强度要求，还要使固化土的初始含水量满足施工要求，使固化土能顺利充入模袋内。

2.围埝断面的设计

进行模袋固化土围埝设计时，除基本材料要求要满足一般工程要求外，对围埝断面的稳定计算宜采用本材料中提供的稳定计算方法，以便充分利用模袋固化土的特性，减小工程断面，合理安排施工时间。

3.围埝的施工流程及控制项目

围埝的施工主要流程见图7。主要控制项目为(1)材料检验、(2)模袋定位与铺设、(3)固化土的搅拌、(4)固化土充灌与模袋整平、(5)固化土的稠度检验。

4.围埝的原位施工监测

为了保证模袋固化土围埝在施工期及使用期的安全，对围埝及其地基应进行原位监测，监测项目包括地基的孔隙水应力观测、地基及围埝的沉降观测、地基及围埝的侧向变形观测。

Claims (1)

1、一种模袋固化土海上围埝方法，其特征在于：

首先应针对建造地的原状土取土，进行室内固化土配比试验；固化土的基本指标应满足短期和长期的强度要求，还要使固化土的初始含水量满足施工要求，使固化土能顺利充入模袋内，

根据现场固化土的指标和地基特性，进行围埝断面的设计；

进行模袋固化土围埝设计时，除基本材料要求要满足一般工程要求外，对围埝断面的稳定计算采用稳定计算方法，以便充分利用模袋固化土的特性，减小工程断面，合理安排施工时间；

多层模袋织物的抗滑稳定计算方法如下：

$F_s=\frac{M_R}{M_0}---\left(1\right)$

$M_0=\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_{x_{i-1}}^{x_i}{w}_{\mathrm{\γi}}(y-y_R)y^{\′}\mathrm{dx}---\left(3\right)$

围埝的施工流程如下：

a模袋加工

b取围埝周围的土，加入10％左右的水泥搅拌；

c围埝基层处理，模袋定位后先将其位置上将模袋铺放好，在铺放好的模袋内充灌搅拌好的固化土，进行整平后为一层，在整平好的这一层的固化土模袋上面再重复模袋铺放，模袋充灌固化土，整平；一层层铺放直到围埝的顶层；再在围埝表面进行护坡、护面施工；

围埝的施工监测

为了保证模袋固化土围埝在施工期及使用期的安全，对围埝及其地基应进行原位监测，监测项目包括地基的孔隙水应力观测、地基及围埝的沉降观测、地基及围埝的侧向变形观测。

Images