抛砂挤淤工程中挤淤深度的计算方法研究

卢晓东，李晓舟，詹田进

(中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

引言

对于在深厚淤泥地层上的筑堤工程，抛石挤淤是常用的地基处理方法，对于抛石挤淤的相关研究也比较多。杨光煦研究得出了压载挤淤计算公式[1]（下称文献公式1）；闫澍旺等人基于倒梯形截面假设推导了抛石挤淤公式2（下称文献公式2）和基于矩形截面假设推导的抛石挤淤公式3（下称文献公式3）[2]；林本义等人用验算地基稳定的方法提出了只要淤泥软弱，填石（土）也能对20 m 厚淤泥进行挤淤置换[3]。对于缺少石头的地区，采用抛砂替代抛石进行挤淤是一项新的软弱地基处理技术，其研究和应用目前还很少。抛砂挤淤技术作用原理主要是依靠抛填砂自身的重量及抛填时的冲击力，使下层软弱地基土稳定性遭到破坏后被强制挤出，达到置换地基软土的目的。

1 工程概况

本文研究的依托工程位于马来西亚新山，工程造地面积约66 万m2（不含内湖），造地高程为 +3.0 m，成陆采用建设围堤后吹填的方法，外侧围堤总长约3 200 m，内侧围堤长约860 m。围堤区域下部存在约9.6 m 厚的淤泥，承载力很低（淤泥性质参数见表1）筑堤前必须进行地基处理。考虑到马来西亚砂料较多而石头较缺，因此设计采用抛砂挤淤的新方法来代替传统的抛石挤淤。为了更好地研究抛砂挤淤的机理，评价挤淤效果，在围堤西南角设置了试验段，按照施工顺序对试验段断面的土层分布变化情况进行了跟踪观测[5]。

表1 淤泥性质参数

项目自2017 年3 月份开始施工，至2019 年10月基本完工。试验段典型研究断面为REV0+310，该断面自2018 年2 月份开始施工，3 月份基本出水达到3 m 设计高程，砂堤抛填过程逐月统计见表2，根据监测资料绘制的地形变化见图1。

图1 试验断面0+310 抛砂过程地形断面

表2 砂堤抛填过程逐月统计（REV0+310）

2 施工前后地质情况

根据工前地勘资料，S13 为堤前2017 年4 月工前钻孔，钻孔资料显示上部淤泥层厚约9.6 m，淤泥层下部为土质较好的细砂层。2018 年4 月抛砂后再次进行试验段的钻孔检测，钻孔位置为图2 中的P2、P3、P4，其中P2、P3 淤泥基本被砂挤掉，P4基本不受砂体影响，仍为原状土，钻孔剖面如图3所示。

图2 钻孔平面布置

图3 试验段P2、P3、P4 钻孔检测剖面

3 抛砂挤淤计算公式研究

3.1 计算公式

杨光煦研究得出的压载挤淤计算公式[1]（下称文献公式1）如下，其运用土体极限平衡分析方法推导，计算示意如图4。

图4 压载挤淤计算示意

文献公式1 适用于整体挤淤且填筑体底宽施工期应满足下式：

其中填筑体总高度H、挤淤深度D、填筑体高出原淤泥面厚度h有以下关系（下称抛砂高度公式）：

式中：t为淤泥深度（m）；B为填筑体宽度（m）；γs为淤泥容重（kN/m3）；γ为填筑体容重（kN/m3）；φ为填筑体内摩擦角；Cu为淤泥不排水抗剪强度（kPa）；H为填筑体厚度（m）；D为挤淤深度（m）；h为填筑体高出原淤泥面厚度（m）；L 为填筑体底宽。

闫澍旺等人推导的抛石挤淤公式[2]（下称文献公式2、公式3）如下：

文献公式2（倒梯形截面假设）：

文献公式2 适用于抛石下沉深度较小的情况。

文献公式3（矩形截面假设）：

式中：B为填筑体宽度（m）；γs为淤泥容重（kN/m3）；γ为填筑体容重（kN/m3）；Cu为淤泥不排水抗剪强度（kPa）；H为填筑体厚度（m）；D为挤淤深度（m）。

文献公式3 适用于抛石下沉深度较大的情况，并忽略泥面上碎石滑落所形成的坡度。

3.2 计算结果以及分析讨论

挤淤深度的计算淤泥容重γs取为12.8 kN/m3，淤泥不排水抗剪强度Cu取为4 kPa，抛砂体容重γ取为18 kN/m3。

将抛砂高度公式（4）和试验断面REV0+310抛砂过程（2018.4～2018.5）的高度及宽度数据（表1）分别代入上文中的3 个文献公式计算，并绘制图表，求出曲线交点，交点即为方程的解[4]，计算结果见图5～7 以及表3。

图5 挤淤深度计算结果（B=10 m，h=10.3 m）

图6 挤淤深度计算结果（B=20 m，h=12.3 m）

图7 挤淤深度计算结果（B=82.6 m，h=12.5 m）

表3 试验断面文献公式计算结果（0+310）

上表中“*”标识的实际挤淤深度数据根据实际用砂量按梯形截面等效计算，如图8。

图8 试验断面REV0+310 计算示意

从图5～7 和表3 中可以看出，文献公式2、文献公示3 与抛砂高度公式的交点与实际值差异较大，明显不适用。由表3 可知文献公式1 计算结果与实际接近，误差最大为11.8 %，在可接受范围内。2018 年4 月砂体已经着底，挤淤深度达到最大值9.6 m，2018 年5 月抛砂高度不变，大幅增加砂体宽度，挤淤深度计算结果增加不明显，也与事实相符，由此可推测应用于抛石挤淤的文献公式1 也适用于抛砂挤淤的计算。

对于以上计算结果及公式适用性结论，笔者的分析如下：文献公式1 与文献公式2 在形式上很相似，是由于其基于相同的推导原理：当淤泥中填筑体压力大于淤泥极限承载能力时，淤泥产生整体滑移破坏，两侧淤泥隆起，填筑体下沉，直到达到新的极限平衡状态。

不同的是：在文献公式1 的推导中考虑隆起淤泥对填筑体产生较大阻滑力和上托力；而文献公式2 中隆起淤泥阻滑作用则考虑一定折减（公式推导过程见闫澍旺等人的《抛石挤淤深度的计算方法和模型试验》），且增大填筑体产生的滑动作用，故文献公式2 的计算的挤淤效果总好于文献公式1。在抛石挤淤时，填筑体粒径、重度、挤淤深度等对挤淤效果有着重大影响，当填筑体粒径较小、重度较小时应考虑增大隆起淤泥的阻滑作用和上托作用，适当减小填筑体的滑动作用；当填筑体粒径越大、重度越大，阻滑、上托作用需考虑折减，并增大填筑体的滑动作用。本次工程填筑体材料是砂，砂的粒径小，重度较小，故计算时应考虑增大阻滑、上托作用，减小砂体产生的滑动作用，条件符合文献公式1。

文献公式1 有计算条件要求，见式（3）。整体挤淤时，填筑体与淤泥需要满足一定接触长度，使得填筑体能悬浮于淤泥中且不增宽，不解体。根据（3）式L 应大于131 m，实际施工时底宽为 81.2 m，小于L。但抛砂挤淤时砂会混入泥中形成3～3.5 m 的泥沙混合层，会形成一定强度的“保护层”在一定程度上使得砂体不易解体，从地勘资料中也可以得到验证。

文献公式3 基于截面为矩形的假设推导，砂的比重比块石小，内摩擦角小，加之砂更容易混入淤泥形成混合层，不能忽略其向两侧增宽产生的坡度，难以形成矩形截面，地勘资料也显示截面近似倒梯形，如图5 所示，由文献公式3 计算的挤淤深度也将偏大。综上所述，文献公式1 适用于抛砂挤淤挤淤深度的计算。文献公式1 计算值普遍大于实际值可能的原因如下：

1）可能与皮带机船抛填工艺有关，皮带机船施工时，抛填砂体会有一定的速度，对淤泥有冲击作用，增加挤淤效果。

2）淤泥含水量大，基本成流塑状态，粘性小，抗剪能力极差，极容易被砂挤出。

3）连续抛砂，砂体荷载持续增加，淤泥来不及排水固结，有利于挤淤。

4 结语

1）杨光煦的压载挤淤公式（文献公式1）同样可用于抛砂挤淤深度值的计算。

2）闫澍旺等人的倒梯形截面、矩形截面抛石挤淤公式虽与杨光旭的压载挤淤公式都基于整体滑移原理推导，但主要针对较大粒径和重度的抛石填筑体，在对截面形状、填筑体滑动作用、淤泥阻滑作用的考虑上与抛砂填筑体不同，故不适用于抛砂挤淤深度值的计算。