沿海地区污水处理厂建设软土地基处理设计探讨

郭佩佩

(中国航天建设集团有限公司浙江分公司,浙江 杭州 310004)

浙江沿海地区城镇工业化水平发展迅猛,然而随之而来的工业污水排放量也不断增加。由于污水处理厂建设远落后于工业化发展的进程,且浙江沿海工业开发区地基因填海多为软土地基,这对污水处理厂及相应的污水管网建设都造成了困难。随着习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的科学论断重要思想不断深入和推进,沿海工业化城镇配套污水处理厂建设迫在眉睫。笔者以浙江省内某沿海全国百强县为例,结合目前现有的软土地基处理方法[1-2],并针对沿海地区地质特点,对沿海开发区污水处理厂建设的软土地基处理设计进行深入分析。

1 地质情况及地基处理设计原则

浙江某沿海全国百强县的开发区污水处理厂选址区域地质剖面见图1,根据岩土工程初步勘察报告,场地浅部土层自上而下共分7个地质大层、13个地质亚层,分别为第1层耕土、第3层淤泥、第4层粉质黏土、第5层淤泥质黏土、第5-夹层含粉质黏土碎石、第6-1层粉质黏土、第6-1夹层含粉质黏土碎石、第6-2层黏土、第6-3层含粉质黏土碎石、第7-1层粉质黏土、第7-2层黏土、第7-3层粉质黏土、第8层砾砂。主要压缩土层为第3层淤泥与第5层淤泥质黏土,厚度19～27 m,自西南向东北主要压缩土层厚度逐渐减小,该压缩土层具有强度低、压缩量大、含水量高、渗透性小、灵敏度高等软土的典型特点。

污水处理厂地基处理设计的基本原则可以归纳为以下四点：

1)方案合理,取材方便,施工便捷,造价经济；

2)地基土经处理后能够满足建、构筑物承载力要求；

3)工后沉降满足规范要求,50年基准期工后沉降≤200 mm；

4)施工工期在许可范围内。

工程场地呈西北—东南走向,长448～453 m,宽293～308 m,面积约133 783.50 m2,其中一期场地长约293 m,宽约182～193 m,面积约55 465.65 m2,场地内地形较平坦,现状标高0.3～1.1 m,设计标高4.0 m,填土高度2.9～3.7 m。若不进行地基处理,则基准期内地基沉降将达600 mm以上,无法满足厂区建、构筑物及管线变形及使用要求,故对本工程场地软土地基进行处理十分有必要。

图1 典型地质剖面图

2 软土地基处理方法讨论

常用的软土地基处理方法主要有换填垫层法、振冲碎石桩法、堆载预压法、强夯法、水泥土搅拌法、预应力管桩法等[3-4]。换填垫层法及强夯法主要适用于不太深的软弱土层或不均匀土层的地基处理,本工程软土层较厚(最深达27 m),无法达到处理效果；振冲碎石桩法主要适用于挤密处理松散砂土、粉土、粉质黏土、素填土、杂填土等地基,以及用于处理可液化地基,而本工程需处理软土主要为淤泥及淤泥质土,故振冲碎石桩法不宜使用；堆载预压法由于预压时间较长,无法满足本工程要求,需结合塑料排水板加速地基的排水固结,节约工期。

因此,通过上述分析,适用于本工程场地软土地基处理的方法主要有：堆载预压结合塑料排水板法、水泥搅拌桩法、预应力管桩法等,针对这三种地基处理方案的比选见表1。

表1 软基处理方案比选详表

这三个方案均须考虑回填土的来源及废弃土方的外运处理。经过综合比选,水泥搅拌桩由于桩长较长,成桩效果难以保证,且三轴搅拌桩费用较高；预应力管桩加固效果好,但其成本较高；塑料排水板结合堆载预压具有技术成熟、管理规范、造价较低的优点,能够满足本工程工期要求。因此,本次设计推荐采用塑料排水板结合堆载预压进行软基处理,考虑后期构筑物开挖,需采用良质素土回填。

3 堆载预压设计

3.1 总体设计

本工程场地整平标高0.50 m,场地设计标高4.00 m,设计最大填土高度为3.50 m,考虑预留施工期及预压期沉降,经计算实际填土高度5.645 m,共分三次填筑,分别为2、2、1.645 m,见图2。第1次填筑时间2个月,间歇期2个月；第2次填筑时间2个月,间歇期2个月；第3次填筑时间2个月,满载预压期2个月。

塑料排水板间距1.3 m,正三角形布置,打设深度25 m。塑料排水板性能指标见表2。

3.2 详细设计

1) 水平向排水系统设计 在整平层上,铺设0.5 m的砂垫层,在砂垫层中纵、横向每隔20 m设置一排盲沟,盲沟采用土工布包裹碎石形式,纵横盲沟交汇处设置集水井。

2)竖向排水系统设计 在砂垫层上,按照布置形式设置塑料排水板,塑料排水板要打穿淤泥层,进入下卧层至少500 mm,上端高出排水砂垫层200 mm。

3) 厂区土方填筑 土方填筑厚度为厂区设计填高+地基土预留沉降量,本次场地设计最大填土高度为3.5 m,估算实际填土高度约5.645 m,共分三次填筑,分别为 2、2、1.645 m。土方填筑时应按照设计填筑厚度控制填筑量,并分层填筑碾压夯实,分层厚度不大于250 mm,压实度不小于95%。

图2 堆载预压横断面示意图

项目规格(C型)条件厚度/mm4.5宽度/mm100纵向通水量/(cm3/s)≥40侧压力350 kPa滤膜渗透系数/(cm/s)≥5×10-3试件在水中浸泡24 h滤膜等效孔径/μm<75以O95计塑料排水板抗拉强度/(kN/10cm)≥1.5延伸率10%时滤膜抗拉强度纵向干态/N/cm横向湿态N/cm≥30≥25延伸率10%时延伸率15%时,试件在水中浸泡24 h

3.3 计算分析

本次设计采用理正岩土软土地基路堤、堤坝设计软件进行计算分析,计算参数取值如下：

1)采用有效固结应力法进行地基土稳定性评价,安全系数≥1.2；

2)采用经验系数法(e-p)曲线进行沉降计算分析；

3)填土容重：18 kN/m3,粘聚力取30 kPa,内摩擦角取12.5°；

4)地基土粘聚力、内摩擦角按地质勘察资料提供直剪固快(峰值)；

5)地面超载按15 kPa取值。

地基稳定计算结果显示,第1次、第2次、第3次加载结束后地基土整体稳定系数分别为2.505、1.507、1.222,均满足规范要求。

地基土沉降计算结果显示：填土最高点(中心点)施工期内地基沉降2.145 m,基准期内(按50年取值)地基沉降0.141 m,基准期结束时地基总沉降为2.286 m；填土最低点(坡脚处)施工期内地基沉降0.475 m,基准期内(按50年取值)地基沉降为0.041 m,基准期结束时地基总沉降0.516 m。

根据沉降影响曲线分析,填土坡脚5 m以外基本无附加沉降。

4 施工监测

为了在堆载预压加载过程中满足地基承载力和稳定控制要求,应进行竖向变形、水平位移及孔隙水压力的监测。堆载预压加载速率应满足地基最大竖向变形量≤15 mm/d,堆载预压边缘处水平位移≤5 mm/d。堆载预压监测断面示意见图3。

土体分层沉降监测目的为检测堆载作用下的沉降量及其随时间的发展过程。一方面可用来评价填土加载速率的安全合理性；另一方面可通过对观测结果的分析,计算出淤泥的实际固结度,复核地基土工后沉降值。通过钻机成孔埋设土体分层沉降观测管进行观测,堆载预压范围内监测点呈方形布置,每50～80 m布置一个测点,观测孔深35 m。

孔隙水压力监测目的为了解孔隙水压力增长与消散过程情况,了解土体的强度增长情况,控制堆载施工速度。通过钻机成孔埋设孔隙水压力计进行观测,堆载预压范围内监测点呈方形布置,每50～80 m布置一个测点,观测孔深35 m。

深层土体水平位移监测目的为观测不同深度处土体水平位移,判定某深度处软土地基水平变形发展规律。通过钻机成孔埋设测斜管进行观测,采用测斜仪测试,每500 mm测读一次数据,沿坡脚每50 m布置一个测点,观测孔深10 m。

监测频率：填筑期1次/d,填筑完成后1次/3 d(第1个月),1次/周(第2～3个月),1次/月(第3～6个月)。

监测结果表明,土体分层沉降在观测孔深度位置沉降量为34.6 mm,压缩率为0.69%；孔隙水压力在40 d后基本趋于稳定,在观测孔深度位置可以达到-85 kPa以上；深层土体水平位移值和位移速率都不大,水平位移基本在200 mm以内。上述监测结果表明,本设计地基处理效果良好。

图3 堆载预压监测断面示意图

5 结 语

笔者以浙江某沿海全国百强县为例,对沿海工业城镇污水处理厂建设过程中普遍遇到的软土地基问题进行了系统地分析。从设计原则、处理方法、设计方法和施工监测等方面对污水处理厂建设软土地基处理进行了全面的设计分析。该污水处理厂已经在地基处理的基础上完成了建设和验收,大大提高了当地居民的生活品质。同时，本文也可作为其他沿海工业化城镇的污水处理厂及污水管网的地基处理设计的参考。