專利名稱：軟基快速筑堤方法與技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及堤壩建造技術(shù)。是一種軟弱地基上快速構(gòu)筑堤壩的方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
整個(gè)地球的表面大量分布著軟粘土層，國外著名的軟粘土有挪威的Drammen粘土、加拿大的Champlain(Leda)粘土、美國Boston藍(lán)粘土、Chicago粘土和San Francisco海灣淤泥、墨西哥的Mexico City粘土、泰國的Bangkok粘土、新加坡的Singapore粘土、日本的Tokyo粘土、Osaka粘土等。在中國，軟粘土主要分布在天津、連云港、上海、杭州、寧波、溫州、福州、廈門、泉州、廣州、深圳、湛江等沿海城市以及內(nèi)陸的武漢、南京、昆明、貴陽等城市。當(dāng)前，這些城市也正是經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，土木工程活動最活躍的地區(qū)。
本發(fā)明所述的堤壩包括堤防、圍堰、路堤、檔土墻、碼頭、人工島等。圍海、港口、公路、鐵路、運(yùn)河、鉆探平臺、養(yǎng)殖等很多建筑物，往往必須建于軟土地基之上，而且都與堤壩有關(guān)。軟土地基上堤壩建筑技術(shù)和堤壩穩(wěn)定的研究是一個(gè)關(guān)鍵性的課題，具有十分重要的意義。因此，軟土地基上的快速筑堤問題，是一個(gè)普遍的典型的巖土工程問題。也是當(dāng)前國際土力學(xué)與巖土工程界研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
由于堤壩下埋藏著深厚軟弱土層和超軟弱土層，其特征是含水量高，孔隙比大，滲透系數(shù)小，承載力與抗剪強(qiáng)度低，靈敏度高，固結(jié)時(shí)間長等等。在設(shè)計(jì)和筑堤中存在著如下問題(1)地基軟弱理論上的處理方法是避開軟弱地基或挖除軟弱土層，但對于很多工程來講，特別是海岸港口工程，軟弱地基的層厚達(dá)30m，有的甚至60m，要避開或挖除就顯得不切合實(shí)際，只能在軟基上建筑堤壩。(2)堤壩體身過重對于軟基來說，重力壩并非越重越好，一方面，過重致使壩基土體中超靜水壓力增大，有效應(yīng)力減小，抗剪強(qiáng)度降低，在波浪荷載作用下，底床主應(yīng)力方向不停發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致地基破壞；另一方面，壩身過重將在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)限制堤壩頂高度，易造成越浪。研究表明越浪水流沖刷堤壩，先在防浪墻后沖成深溝，防浪墻沉陷傾倒，形成海水漫頂溢流沖刷土堤使塊石護(hù)墻層層塌落直至削平堤壩。(3)堤壩材料松散防滲性差用泥土和石塊填筑的堤壩，對十里長堤來說，都是松散材料，只要地基稍有變動，就有縫隙，水就會滲漏出來，淘蝕堤身土料。堤身滲漏是一大隱患，干砌塊石防沖砌體防滲性差，容易松動變形。(4)穩(wěn)定性差在施工期內(nèi)或建成后經(jīng)常出現(xiàn)不均勻沉降、滑坡、位移，一遇地震、臺風(fēng)就損失慘重，堤防被毀，海水倒灌。(5)固結(jié)緩慢工期長軟粘土的滲透系數(shù)在10-6-10-8cm/s，堤身土方堆不上去，站不住，施工時(shí)間長，盡管采用了塑料排水板、土工布及砂墊層等措施，仍要根據(jù)地基承載力嚴(yán)格控制加荷速率。如若出現(xiàn)大面積滑移，就需呆上一年半載地基才能恢復(fù)強(qiáng)度，無法機(jī)械化快速度施工。(6)土石方量大由于堤身土方堆不上去，站不住，石方又沉陷無底，而且邊坡遭到風(fēng)、浪、冰的侵蝕，施工時(shí)堤身土方自然坡比大達(dá)1∶16。大量被開采的土石方不能成為堤壩體方量，使無功方量相當(dāng)大，費(fèi)用非常高。(7)堵口合攏困難隨著口門的縮小，水頭壓差增加，流速增大。由于堵口合攏段地基軟弱，容易決口。一旦堵口合攏失敗，沖坑很深，工期和造價(jià)更是無法控制。等等。
國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)在天然軟土地基上建造堤壩，必然受制于天然地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，這就限制了堤壩的填筑高度，并會影響到堤壩的穩(wěn)定性和施工進(jìn)度。為了加強(qiáng)天然地基上堤壩的穩(wěn)定性、減小地基沉降、增加填筑高度或加快施工進(jìn)度，采用各種地基處理方法對天然地基進(jìn)行處理。有的采用堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法，有的采用砂井、打設(shè)塑料排水板、碎石(砂)樁加快施工期間土體中孔隙水的消散進(jìn)度，也有的采用各類土工合成材料，比如土工織物、土工格柵、土工加筋材料加強(qiáng)天然地基，還有的采用爆炸法處理地基。
對軟基堤壩的穩(wěn)定性研究和軟基堤壩建造技術(shù)的研究，國內(nèi)外都有大量研究的報(bào)道。20世紀(jì)80年代前期，人們都用土方堆積人工島，這種人工島斜坡非常平緩，一般在1∶12-1∶16，但容易遭到風(fēng)、浪、冰的侵蝕，且填土量相當(dāng)大，費(fèi)用非常高。于是，人們開始研究沉箱、圈閉方法。1981年加拿大DOME石油公司研制出混凝土沉箱；1988年埃索資源公司又推出鋼沉箱；后又有Barry W.Ferguson的利用舊船殼作人工島；Miklos T.Srabor用交聯(lián)凝膠材料圈閉人工島；日本的沉箱結(jié)構(gòu)防波堤，采用中空結(jié)構(gòu)的堤壩形式，用于消浪吸能；著名的荷蘭三角壩用連續(xù)幾十個(gè)40m寬的鋼板閘門來代替堤壩，實(shí)質(zhì)上就是一種鋼板堤壩，體積小，效能好，但只能在處理得很好的地基上建筑；河北省水利廳(1994)提出了軟基硬殼溢流壩的研究成果，該研究將彈性地基梁法和彈性剛架法用于軟基硬殼溢流壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，提出簡化計(jì)算，用有限元法核算各種壩體結(jié)構(gòu)，提出不同工況、方案參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。此外，國內(nèi)外也有一些學(xué)者曾對橡膠水壩、橡膠折疊壩和土工織物袋等堤壩做過一些研究與應(yīng)用，也與本項(xiàng)目研究有相近之處。
通過檢索了國內(nèi)外專利文獻(xiàn)及有關(guān)的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)大量的文獻(xiàn)分析，這些研究都著眼于堤壩的地基、外殼、護(hù)坡，雖然技術(shù)多種，但現(xiàn)有研究均沒有涉及用計(jì)算機(jī)有限元分析法結(jié)合實(shí)時(shí)觀測地基和堤壩的變化情況，對筑堤工程進(jìn)行調(diào)控的研究；沒有涉及軟基堤壩高效立體施工方法的研究；沒有涉及仿生鱟的結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)硬殼堤壩的研究；也沒有涉及表面膜方法和智能脈沖切割氣墊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原狀土的遠(yuǎn)距離管道輸送的研究；更沒有涉及深水作業(yè)的塑料排水板插設(shè)和土工布輔設(shè)船，爆破擠淤作業(yè)船等專用設(shè)備和工藝技術(shù)的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對軟弱地基堤壩存在的穩(wěn)定性差，工期長，無法機(jī)械化快速度大規(guī)模施工，堤身土方堆不上去，堤壩合攏困難，投資風(fēng)險(xiǎn)大等問題。用現(xiàn)代科學(xué)理論研究與長期的海岸工程實(shí)踐相結(jié)合，在消化吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和自有多項(xiàng)知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上，經(jīng)調(diào)查研究、觀測分析、模型試驗(yàn)和工程實(shí)踐，形成一套新的堤壩構(gòu)筑理論——軟基快速筑堤方法與技術(shù)。
其基本思想為周密計(jì)劃，分塊落實(shí)；多面鋪開，立體施工；搶施基礎(chǔ)，快速處理；階梯推進(jìn)，分層加高；沉移監(jiān)測，控制速率；搶潮候潮，機(jī)械效能。
周密計(jì)劃，分塊落實(shí)首先根據(jù)地基和堤壩的特點(diǎn)，確定施工方案，做好施工組織設(shè)計(jì)。對工程中的項(xiàng)目分門別類，編制周密緊湊的可操作的計(jì)劃，繪制各種計(jì)劃圖表。根據(jù)計(jì)劃組織工作機(jī)構(gòu)，分配人力物力資源，并明確分工，把計(jì)劃分塊落實(shí)到部門和人。使人財(cái)物、責(zé)權(quán)利有機(jī)結(jié)合起來，一環(huán)扣一環(huán)，一級抓一級，使各項(xiàng)工作按計(jì)劃、有步驟的進(jìn)行。
多面鋪開，立體施工多層次全面鋪開，拉大工作面，水陸空多頭并進(jìn)，全方位立體施工，是高效快速的關(guān)鍵。如一開始就得三通一平，工棚搭建，料場開辟，碼頭建造，放樣立標(biāo)，開挖航道等。又如壩體填拋采用的分段施工，循序漸進(jìn)，交叉進(jìn)行的階梯作業(yè)法。所述的立體施工是指基礎(chǔ)和壩體，土方和石方，平拋、空拋和立拋多方位、多層次同時(shí)進(jìn)行。所述的平拋是用對開駁、拖輪、甲板駁、爪斗船、運(yùn)輸船等從水上運(yùn)送土石方，對堤壩進(jìn)行的填筑。所述的空拋是用定向拋擲爆破、纜索、吊機(jī)、飛機(jī)，從空中對堤壩進(jìn)行的填筑。所述的立拋也稱立堵，是用自卸車、推土機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)從陸上對堤壩進(jìn)行的填筑。
搶施基礎(chǔ)，快速處理由于軟弱地基排水固結(jié)緩慢，未經(jīng)固結(jié)處理的堤壩體無法往上加，否則會造成大面積滑移和不均勻沉降，一旦出現(xiàn)就需呆上一年半載才能繼續(xù)施工，更無法機(jī)械化快速施工。所以搶先針對不同地基，及早采用塑料排水板法、土工織物法、墊層法和爆炸法等手段進(jìn)行快速處理。一般來說軟土地基厚度大于7m的，采用塑料排水板法加固處理地基；軟土地基厚度小于7m的，采用土工織物法和砂(碎石)墊層法加固處理地基。軟土地基土層的含水量大于50％的采用爆破擠淤法，軟土地基土層的含水量小于50％的采用爆炸夯實(shí)法。
階梯推進(jìn)，分層加高機(jī)械化、水陸空立體施工，目施工強(qiáng)度能夠達(dá)到很高，但欲速則不達(dá)。不論是土方還是石方，不論是用何種設(shè)備還是何種填長筑方法，都必須根據(jù)地基的承載力逐步增加，循序漸進(jìn)，階梯推進(jìn)，分層加高，足而不超。首先根據(jù)地基天然承載力，按工程地質(zhì)報(bào)告提供的軟土固結(jié)系數(shù)值，確定第一級加荷值，再根據(jù)某一時(shí)間的固結(jié)度和一級荷載，計(jì)算出地基的強(qiáng)度增值，推算出第二級加荷值，以此類推，推算壩基不同時(shí)期的地基強(qiáng)度，以后分級加荷值及相應(yīng)的間隔時(shí)間。列出既快速又穩(wěn)定的堤壩各級加荷控制表，作出階梯形加荷曲線。按確定的每層加荷的時(shí)間與厚度進(jìn)行施工，并根據(jù)堤壩的監(jiān)測情況，及時(shí)調(diào)整加荷速率。一般來說，在流塑態(tài)淤質(zhì)軟粘土地基上，采用堤身自重?cái)D淤法施工時(shí)，應(yīng)放緩堤坡、減慢堤身填筑速度、分期加高，直至堤基流塑變形與堤身沉降平衡、穩(wěn)定。在軟塑態(tài)淤質(zhì)軟粘土地基上，堤身兩側(cè)坡腳外設(shè)置壓載體處理時(shí)，壓載體應(yīng)與堤身同步、分級、分期加載，保持施工中的堤基與堤身受力平衡。陸域軟基段或淺水域拋石，采用自卸車輛以端進(jìn)法向前延伸立拋，立拋時(shí)采用分層階梯式拋填，軟基上立拋厚度，以接近而不超過地基土的相應(yīng)極限承載高度為原則；不論是平拋、空拋還是立拋。石方每層厚度不大于2.5m。駁船的吃水深度每潮大于2小時(shí)工作時(shí)間的采用水上船駁平拋；同時(shí)采用立拋和空拋。閉氣土方的為砂性土?xí)r采用泥漿泵或水力沖挖機(jī)填筑，為粘性土?xí)r采用原狀土管道輸送設(shè)備，快速形成的閉氣土方。土方每次吹填層厚小于0.8m，分段間隙施工，分層加高。
沉移監(jiān)測，控制加荷為確保工程的萬無一失，除按上述控制施工外，更重要的是現(xiàn)場的實(shí)時(shí)動態(tài)的觀測和分析，這是保證堤壩安全穩(wěn)定的關(guān)健。在填筑土石混合堤壩時(shí)，應(yīng)在堤身的土堤壩和石堤壩中，分別設(shè)置一定數(shù)量的沉降、位移觀測標(biāo)點(diǎn)，分層埋設(shè)空隙水壓力、土壓力儀器，并留有十字板剪切試驗(yàn)孔。一般每100m布置一個(gè)垂直沉降觀測斷面，每500m布置一個(gè)水平位移觀測斷面。對堤壩的垂直沉降，側(cè)向位移，空隙水壓力，地基強(qiáng)度，固結(jié)度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，結(jié)合前期確定的加荷曲線，調(diào)整加荷速率，以此作為加載的依據(jù)，整個(gè)程序由計(jì)算機(jī)控制。有排水板處理的地基地表沉降速率每天≤3cm，無排水板處理地基的地表沉降速率每天≤1cm，水平位移速率每天≤1cm，超靜孔隙水壓力比控制在0.6。工程施工中，觀測指標(biāo)超過控制數(shù)值時(shí)，需采取的措施有(1)降低分層加荷厚度，增加加荷層數(shù)；(2)停止加荷，延長間歇期；(3)必要時(shí)，采取卸荷和加寬鎮(zhèn)壓層措施，。
搶潮候潮，機(jī)械效能在海上快速施工，要充分發(fā)揮機(jī)械化施工設(shè)備的優(yōu)勢和利用海潮漲落的自然條件，高潮拋高，低潮拋低，搶潮候潮施工。打破死板的作息制度，隨著海潮安排作息。減少施工干擾，提高設(shè)備利用率。定位系統(tǒng)采用GPS實(shí)時(shí)差分定位方法，定位誤差在±10cm，使土工布鋪設(shè)、塑料排水板插設(shè)、爆破炸藥埋設(shè)都在準(zhǔn)確的位置，使開采的土石方都成為堤壩內(nèi)的有效方量。只有這樣充分利用自然能量最大限度地發(fā)揮機(jī)械化效能，才能高效、快速、低成本建成堤壩。
本發(fā)明的方案包括地基的快速處理，堤壩體的快速構(gòu)筑和閉氣土方的快速填筑。即根據(jù)不同地質(zhì)和不同壩體的要求，分別采用塑料排水板法、土工織物法、碎石(砂)墊層法和爆炸法等手段快速處理地基；采用爆填、爆夯和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速構(gòu)筑壩體；采用原狀土管道輸送設(shè)備和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速形成閉氣土方；采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元分析和高效立體筑堤施工方法，實(shí)時(shí)監(jiān)控堤壩的垂直沉降、水平位移、孔隙水壓力和地基承載強(qiáng)度的變化，統(tǒng)籌兼顧軟基承載力與快速筑堤過程中的時(shí)間、空間的關(guān)系，較好的處理了安全，經(jīng)濟(jì)，高效的關(guān)系。從而避免了盲目性，達(dá)到軟弱地基上快速高效建造堤壩的目的。
所述的塑料排水板法是采用塑料排水板插設(shè)作業(yè)船、土工布鋪設(shè)船、自卸車和液壓對開駁加固軟基的技術(shù)。即首先用土工布輔設(shè)船在軟基上鋪設(shè)隔離土工布，用液壓對開駁平拋碎石(砂)墊層，接著用軟基處理船插設(shè)塑料排水板，鋪設(shè)加筋土工布，然后分層填筑壩體。有陸上施工、潮間帶施工、水上施工。所述的塑料排水板插設(shè)船采用振動沉樁方法，利用激振力來破壞樁管與泥土的粘滯阻力，實(shí)現(xiàn)塑料排水板的快速插拔。采用雙體混合骨架式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了船體的中空無底結(jié)構(gòu)，形成了插板船工作面，從而滿足了7級風(fēng)、2級浪情況下的作業(yè)要求。采用樁管導(dǎo)流裝置、水下自動剪板和裝靴、實(shí)時(shí)差分GPS定位和電腦智能監(jiān)控的自動化工作系統(tǒng)，達(dá)到了數(shù)據(jù)自動紀(jì)錄和處理，實(shí)現(xiàn)水深35m、淤泥厚30m、流速3m/s的軟基處理技術(shù)，誤差控制在±10cm。深水作業(yè)的塑料排水板插設(shè)船和土工布輔設(shè)船，對快速處理地基，提供了設(shè)備和手段的保障。塑料排水板加固水下軟基方法與技術(shù)，已申請多項(xiàng)專利，不在此詳述。
所述的爆炸法處理海堤軟基和拋石基床的方法，是利用炸藥爆破釋放的能量，通過震動、置換、密實(shí)、搬移等手段，達(dá)到改良地基承載性能和形成堤壩型體的一種方法。包括爆破排淤填石法和爆破振夯密實(shí)法。爆破排淤填石法簡稱爆填，是排除淤泥質(zhì)軟土填入塊石的一種置換施工方法。即在拋石體前沿淤泥中適當(dāng)位置埋置藥包，堆石體在爆炸沖擊波、爆炸高壓氣團(tuán)及其重力作用下向淤泥內(nèi)塌落，形成一定范圍和厚度的落在下臥硬土層上的“石舌”。爆破振夯密實(shí)法簡稱爆夯，是通過爆炸使地基基礎(chǔ)和拋石基床振動密實(shí)的方法，即將炸藥以點(diǎn)陣式放置在已堆好的堆石體上，堆石體在爆炸載荷作用下，一方面石塊之間引起錯(cuò)位使空隙減少，得到密實(shí)；另一方面整個(gè)堆石體向淤泥中運(yùn)動，將淤泥從堆石體外泥面擠出，并成型為設(shè)計(jì)要求的壩體形狀。爆炸法施工包括堤端推進(jìn)爆填、邊坡拓寬爆填、加拋密實(shí)爆夯、邊坡整理爆夯。爆破法處理海堤軟基和拋石基床的技術(shù)和設(shè)備，為快速處理軟基，快速形成堤壩起到了積極的作用。爆破擠淤作業(yè)船由GPS定位儀、測深儀、微機(jī)、貫入裝置和自動脫鉤裝置組成，該方法和設(shè)備另案申請專利，不在此詳述。
所述的輕質(zhì)硬殼堤壩方法，其特征是輕質(zhì)壩體、硬質(zhì)壩殼、隔離防滲、深插壩腳、連成整體的堤壩快速建造技術(shù)。它一反以往的重力堤壩理論，在軟弱地基上的并不是越重越好。打破傳統(tǒng)軟基堤壩中采用的被動控制的施工方法。研究解決了不均勻沉降和風(fēng)浪的沖蝕問題。堤壩體采用仿生鱟的結(jié)構(gòu)，以高強(qiáng)度材料制成堤壩的外殼，或堤壩某部分的外殼，以輕質(zhì)材料墊入堤壩易沉陷的部位，然后填入其它松散材料，在軟弱地基中，采用輕質(zhì)墊層設(shè)于易沉移滑動的部位，在砂礫地基上插設(shè)連續(xù)防滲板，壩底的趾腳深插于軟土地基。使之產(chǎn)生減重、加筋、防滲、隔離、堆高的作用，從而減輕堤壩易沉陷部位的重量，調(diào)整堤壩平衡，以均衡堤壩荷重，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性，提高強(qiáng)度。使地基與堤壩連成一體，相互作用，剛中有柔，剛?cè)嵯酀?jì)。形成輕質(zhì)硬殼結(jié)構(gòu)堤壩構(gòu)筑理論和工廠化制造堤壩構(gòu)件及機(jī)械化快速筑堤方法。為軟基快速筑堤，作出了突出的貢獻(xiàn)。該項(xiàng)目已申請多項(xiàng)專利，不在此詳述。
所述的原狀土管道輸送新方法及設(shè)備采用仿生動物腸道膜、無鱗魚的表面膜方法，克服了軟粘土與管壁之間的粘滯阻力，采用脫水、固結(jié)劑使土方強(qiáng)度快速提高。研制成功管道輸泥方法和設(shè)備，特別是表面膜發(fā)生器和脈沖切割器，實(shí)現(xiàn)原狀土的遠(yuǎn)距離管道輸送，同時(shí)解決了灌腸、裝袋、摻拌、布料等問題。對快速形成堤壩閉氣土方作出積極的貢獻(xiàn)。該項(xiàng)目已申請多項(xiàng)專利，不在此詳述。
所述的計(jì)算機(jī)技術(shù)有限元分析方法在快速筑堤方面的應(yīng)用。采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則，首先根據(jù)相關(guān)的理論、以往的研究成果以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，建立一套初步的計(jì)算模型。采用多種有限元分析程序?qū)Φ虊畏€(wěn)定進(jìn)行分析，用大應(yīng)變非線性理論對復(fù)合材料殼體的力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型與相關(guān)參數(shù)通過試驗(yàn)實(shí)測、計(jì)算不斷反饋?zhàn)赃m；分析評定壩體自身的穩(wěn)定特性與合理體型及地基對壩體的受力影響，從而研究了堤壩與地基的整體穩(wěn)定特性。根據(jù)地基和工程實(shí)際觀測情況，壩體型式及邊坡相關(guān)尺寸。進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定計(jì)算，滿足水平抗滑穩(wěn)定條件輕質(zhì)墊層區(qū)最大面積的確定，整體穩(wěn)定性計(jì)算分析，抗?jié)B透性能，抗水平推力等可行性分析。再將其計(jì)算結(jié)果與一系列模型試驗(yàn)、實(shí)際工程測試結(jié)果相比較，通過這種信息的互相反饋和互相補(bǔ)充，增強(qiáng)了堤壩整體性，提高了堤壩穩(wěn)定性，用計(jì)算機(jī)對工程進(jìn)行全程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能控制，GPS定位，減少了堤壩的無功方量。用計(jì)算機(jī)對工程進(jìn)行施工管理，統(tǒng)籌兼顧軟基快速筑堤過程中的時(shí)間、空間的關(guān)系，較好的處理了安全，經(jīng)濟(jì)，效用的關(guān)系，減少盲目性，避免重復(fù)勞動，加快工程進(jìn)度。
所述的軟弱地基快速筑堤方法專用的新型工程機(jī)械設(shè)備有深水塑料排水板加固軟基的方法和設(shè)備，氣力輸泥方法與系統(tǒng)，土工布鋪設(shè)船，橋式海涂土方筑堤機(jī)，桁架式筑堤機(jī)，爆破擠淤作業(yè)船，水下軟基處理船，異形塊長臂吊機(jī)。這些技術(shù)方法和設(shè)備的研制成功，對軟弱地基上快速構(gòu)筑堤壩都有著積極的作用，但是軟弱地基上快速構(gòu)筑堤壩是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要對壩體、地基、閉氣土方同時(shí)進(jìn)行綜合考慮，合理配置各種技術(shù)資源，才能收到預(yù)期的效果。
所述的高效立體施工法，是在軟基圍海和堵口工程中，針對易沉陷滑移，欲速則不達(dá)，建造工期長，堵口合攏困難，場地鋪展不開，無法機(jī)械化快速施工的問題，提出來的快速施工方法。是根據(jù)堤基下臥土層不同的物理力學(xué)指標(biāo)和不同的堤壩體，采用不同的設(shè)計(jì)施工方法。針對軟弱地基堤壩工程提出的機(jī)械化、高效率、全方位施工的方法。其主要施工原則是1.平拋為主，空拋為副，立堵補(bǔ)足的立體施工原則。平拋是用船駁進(jìn)行的水下拋填，船駁水運(yùn)平拋施工不僅利用海潮的能量機(jī)械效率高，而且由于浮力的作用，對地基的沖擊力少，擾動較小，側(cè)向力少。水上施工設(shè)備主要有自航對開駁、非自航對開駁配拖輪、甲板駁、爪斗船、運(yùn)輸船。一般近距離運(yùn)輸采用自航對開駁或非自航對開駁配拖輪，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸采用甲板駁或運(yùn)輸船。潮間帶施工填筑，均需搶潮候潮施工?？諕伿怯枚ㄏ驋仈S爆破、纜索、吊機(jī)、飛機(jī)，從空中對堤壩進(jìn)行的填筑，空拋具有高度優(yōu)勢，不受堤壩高度和潮汐變化的限制。立堵是用陸上車輛運(yùn)輸填筑，陸域拋石法筑堤，用自卸車輛、推土機(jī)由緊靠拋石棱體的背水側(cè)開始填筑，逐漸向堤身擴(kuò)展。車子宜采用小型自卸車，車輪對地基的壓力應(yīng)小于地基的允許承載力，且應(yīng)在平拋的基礎(chǔ)上分層階梯推進(jìn)。先平拋的部分相當(dāng)于是空拋和立堵堤壩的鎮(zhèn)壓層，所以駁船的吃水深度每潮有大于2小時(shí)工作時(shí)間的盡量采用平拋，同時(shí)采用立拋和空拋。
2.石方領(lǐng)先，土方緊跟，土石結(jié)合原則。土方與石方相互支持、互相依賴、相輔相成，均衡施工，既能起到鎮(zhèn)壓層作用，防止石壩向內(nèi)滑移，又能保證土石方的最少沖失和堤壩的穩(wěn)定。拋石棱體與閉氣土方的接觸面，應(yīng)鋪設(shè)土工布或做好砂石反濾層。堤身放樣時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求預(yù)留堤基、堤身的沉降量。如有足夠的水深條件，可采用抓斗挖泥船開挖、對開駁或運(yùn)輸船拋填。如水深較淺，無法采用抓斗船和對開駁船挖運(yùn)拋填的，則采用專用設(shè)備。土方專用機(jī)械設(shè)備主要有桁架式土方筑堤機(jī)、橋式土方筑堤機(jī)、氣力輸泥船、液力輸泥船和環(huán)保型清淤輸泥設(shè)備等。對于砂性土，還可采用水力沖挖機(jī)組施工。
3.基礎(chǔ)領(lǐng)先，壩體緊跟，基壩結(jié)合原則。壩體的抬高要根據(jù)地基承載力的增長逐步提高，基礎(chǔ)承載力的增長又要靠壩體的壓載來加速排水固結(jié)達(dá)到。不論用什么方法處理地基，均應(yīng)做到基礎(chǔ)領(lǐng)先，壩體緊跟。用爆炸法處理軟基時(shí)，由于爆炸振動，泥土被擾動或液化強(qiáng)度最低，假如不及時(shí)跟上壩體石方，泥土的強(qiáng)度會慢慢恢復(fù)。時(shí)間一長再填拋石方，就會在石壩中形成泥土夾心層，而影響壩體的穩(wěn)定。用土工合成材料處理地基時(shí)，若堤基已鋪墊透水材料或加筋材料，填拋壩體石方時(shí)，應(yīng)先拋砂(小顆粒碎石)層，后用大塊石薄層填拋，均勻壓載，分層加高。注意保護(hù)水平排水層和反濾層。
4.分層加高，足而不超原則。軟基堤壩施工，加荷壓載應(yīng)盡量加足，才能加速固結(jié)，又必須控制在地基的承載范圍內(nèi)，隨著地基承載力的逐步提高而增加。陸域軟基段或淺水域拋石，可采用自卸車輛以端進(jìn)法向前延伸立拋，立拋時(shí)可采用分層階梯式拋填，軟基上立拋厚度，以不超過地基土的相應(yīng)極限承載高度為原則；在深水域拋石，用駁船在水上定位分層平拋，平拋和空拋時(shí)，每層厚度不宜大于2.5m。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1某海堤工程圍涂11300畝，堤線長3660m，整個(gè)海堤建立在復(fù)蓋層深厚的軟粘土地基上。第一層淤泥質(zhì)粘土2-3m，第二層淤泥5-7m，第三層淤泥質(zhì)粘土10-15m，第四層亞粘土18m。設(shè)計(jì)壩高8.5-9.5m，頂寬6.0m，米，壩腳最大寬度121.8m。采用塑料排水板以1.4m間距插入地基，形成垂直排水通道。在壩基上鋪設(shè)土工布，拋墊粒徑≤10cm碎石，形成水平排水通道。采用高效立體筑堤施工方法，快速構(gòu)筑壩體；采用原狀土管道輸送設(shè)備和方法快速形成閉氣土方。計(jì)算機(jī)技術(shù)在快速建筑軟弱地基海堤得以全面應(yīng)用，整個(gè)設(shè)計(jì)和施工貫穿高效快速、機(jī)械化和立體化思想。從三通一平、工棚搭建、料場開辟、碼頭建造、放樣立標(biāo)、開挖航道開始，到基礎(chǔ)處理、儀器埋設(shè)、壩體填拋、閉氣土方填筑、沉移觀察，直止護(hù)面塊石砌條、防浪墻砌筑，歷時(shí)27個(gè)月。堤壩沉移在控制范圍內(nèi)，孔隙水壓力消散正常，壩體穩(wěn)定，內(nèi)外坡均無大的滑動跡象。全過程層次分明，施工干擾少，窩工損失少，效率高。既保證軟基的固結(jié)時(shí)間，又減少施工間隙造成的停工；既防止施工期壩體滑坡，又減少土石方?jīng)_失量；既利用漲潮淹沒時(shí)間，又利用退潮露灘時(shí)間；既提高機(jī)械設(shè)備的利用率，又保證軟基承載強(qiáng)度最大限度的提高；是軟弱地基海堤快速施工行之有效的方法。
實(shí)施例2某海防波堤工程，堤軸線長1864.9m，堤頂標(biāo)高8.5m，泥面標(biāo)高-7.5m，淤泥層厚度13-17m，最大軟粘土厚度21.5m。采用爆破擠淤作業(yè)船，進(jìn)行爆破排淤填石法快速處理地基，采用對開駁船運(yùn)輸拋填、自卸車立堵和爆破振夯密實(shí)法快速構(gòu)筑壩體；經(jīng)過堤端推進(jìn)爆填、邊坡拓寬爆填、加拋密實(shí)爆夯、邊坡整理爆夯。整個(gè)工程工期短，時(shí)間省；效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著；工藝簡單，質(zhì)量保證。通過地探雷達(dá)和鉆孔探測分析表明，地基的處理和堤壩體的尺寸均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在施工過程中設(shè)立25個(gè)沉降觀測點(diǎn)，23個(gè)位移觀測點(diǎn)，堤壩沉移在控制范圍內(nèi)，沉降位移量隨著時(shí)間的增加逐漸減少，堤壩穩(wěn)定，內(nèi)外坡均無滑動跡象。98％的沉移量在建造期內(nèi)完成，堤壩穩(wěn)定安全。
實(shí)施例3某碼頭的地基具有含水量高，孔隙比大，滲透系數(shù)小，埋藏深厚，承載力與抗剪強(qiáng)度低，靈敏度高的特點(diǎn)，是典型的軟弱地基。土層分布特征(由上而下)為淤泥質(zhì)粘土，厚0～4.5m；淤泥，頂板高程-3.2m～-5.7m；淤泥質(zhì)粘土，頂板高程-9.2m～-11.4m；淤泥質(zhì)亞粘土，頂板高程-13.5m～16.4m；亞粘土，頂板高程-23.9m～-24.5m。本區(qū)域歷年最高潮位3.15m，平均高潮位1.22m，最低低潮位-2.42m，平均低潮位-0.83m，平均潮位0.22m，最大漲潮潮差3.97m，最小漲潮潮差0.03m，平均漲潮潮差2.05m；落潮最大潮差4.18m，最小潮差0.40m，平均落潮潮差2.05m。漲潮平均歷時(shí)5:40，落潮平均歷時(shí)6:45。用傳統(tǒng)的方法軟土地基上建造這樣的碼頭，工期最少也需4個(gè)月。
本發(fā)明認(rèn)為軟土地基上的重力式碼頭并非越重越好，采用軟基快速筑堤方法與技術(shù)和鱟式輕質(zhì)硬殼堤壩技術(shù)，因地制宜地根據(jù)地基的承載力來設(shè)置上部結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)處理采用非常規(guī)設(shè)計(jì)，在碼頭外側(cè)土方開挖石方置換，拋墊鎮(zhèn)壓層提高碼頭的穩(wěn)定性，采用爆炸夯實(shí)法和爆破擠淤法處理地基。采用舊集裝箱鱟式硬殼結(jié)構(gòu)，集裝箱單個(gè)尺寸12200mm×2440mm×2440mm。加工時(shí)集裝箱內(nèi)采用角鋼加固，以防止由于側(cè)壓力的作用造成集裝箱變形。集裝箱底焊有趾腳，深插地基。吊裝后再把多個(gè)集裝箱焊成一體。內(nèi)灌埋石混凝土。這種鱟式堤壩結(jié)構(gòu)不但有堅(jiān)韌的外殼結(jié)構(gòu)，均衡適量的重量，使堤壩有整體性，剛中有柔，剛?cè)嵯酀?jì)，能適應(yīng)地基的沉移變化，而且造價(jià)低、工期短、效果好。有效地解決了不均勻沉降問題。僅22天時(shí)間完成碼頭建造，完工后設(shè)置了沉降位移觀測點(diǎn)，進(jìn)行了沉降位移測量，至80天后碼頭已無沉降位移。投入使用壹年多時(shí)間，運(yùn)行良好，一直未出現(xiàn)裂縫等問題。
實(shí)施例4某海灘石油勘探工程在潮間帶建筑鉆探平臺(人工島)和運(yùn)輸通道(堤壩)，有油時(shí)需用幾年，沒油就廢棄。原先用石方堆筑，由于地基軟弱，加之潮水沖刷，沒幾天就下沉，沉了又填，填了又沉。既方量大造價(jià)高，又影響正常工作。為此做了硬殼輕質(zhì)堤壩的方案，并進(jìn)行實(shí)際研究和可行性分析。
根據(jù)地基和實(shí)際情況，壩體型式采用硬殼輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于壩頂要求通車，外殼為鋼筋混凝土，壩頂蓋板厚15cm，其它硬殼取10cm；堤壩體填充材料距堤壩100m外就地取土，容重為17kN/m3；輕質(zhì)墊層為泡沫，容重0.4kN/m3。設(shè)壩頂作用有活載12kN/m2。采用邊坡穩(wěn)定分析程序(STAB)，通過計(jì)算分析對比表明，對于相同的地質(zhì)條件與斷面外型，一般填土堤壩將先于地基失穩(wěn)，若加設(shè)硬質(zhì)外殼，其安全系數(shù)可提高一倍多；若按常規(guī)邊坡(1∶2.5)設(shè)計(jì)的堤壩，它的壩體本身穩(wěn)定性將有所提高，但與硬殼輕質(zhì)堤壩相比，由于具有更大的體重，其整體抗滑穩(wěn)定性將有所降低，安全系數(shù)只有硬殼輕質(zhì)堤壩的0.6倍。通過多種情況的對比分析，輕質(zhì)硬殼堤壩的優(yōu)點(diǎn)得到了充分的體現(xiàn)加設(shè)的硬殼將提高壩體邊坡系數(shù)，與常規(guī)邊坡土壩相比，減小填土方量近45％以上，同時(shí)增強(qiáng)了防滲性能；其輕質(zhì)材料的利用，進(jìn)一步減輕了壩重，可節(jié)省堤壩基礎(chǔ)處理的投資，且提高了整體抗滑穩(wěn)定性。具有以土代石，節(jié)省成本，施工速度提高，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)加快了施工建設(shè)速度縮短工期。傳統(tǒng)的施工方法，在軟弱地基填筑土石料時(shí)，帶有盲目性。缺少系統(tǒng)精確的科學(xué)方法。對控制加荷速率和地基固結(jié)強(qiáng)度的提高沒有定量的依據(jù)，往往欲速不達(dá)，壩體堆不上去，固結(jié)度的提高很緩慢，易出現(xiàn)大方量的沉滑，造成工期漫長。本發(fā)明采用了塑料排水板法、土工織物法、碎石(砂)墊層法和爆破爆炸法等手段快速處理地基；采用爆填、爆夯和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速構(gòu)筑壩體；計(jì)算機(jī)技術(shù)和高效立體施工法；從根本上解決了地基強(qiáng)度和土方堆高的問題，有利于機(jī)械化、大規(guī)模施工，所以大大縮短了工期，提高了建筑速度。
(2)提高了堤壩的穩(wěn)定性。由于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元分析和高效立體筑堤施工方法，實(shí)時(shí)監(jiān)控堤壩的垂直沉降、水平位移、孔隙水壓力和地基承載強(qiáng)度的變化，統(tǒng)籌兼顧軟基承載力與快速筑堤過程中的時(shí)間、空間的關(guān)系，較好的處理了安全，經(jīng)濟(jì)，高效的關(guān)系。同時(shí)采用了輕質(zhì)墊層方法，一方面，減輕了堤壩易沉陷處的重量，提高了壩體的強(qiáng)度與整體性，調(diào)整了堤壩的受力平衡，避免了不均勻沉降與滑坡；另一方面，輕質(zhì)材料相當(dāng)于一個(gè)有一定強(qiáng)度的墊層鋪于軟弱地基上，擴(kuò)大了荷載力擴(kuò)散范圍，使壓力均勻分布，同時(shí)對下臥土體有約束作用，限制了地基的側(cè)向變形。從而避免了盲目性，達(dá)到軟弱地基上快速高效建造堤壩的目的。
(3)節(jié)省材料，減少了壩體的無功方量。采用實(shí)時(shí)差分GPS定位系統(tǒng)和電腦智能自動監(jiān)控系統(tǒng)，使各種材料準(zhǔn)確有效地進(jìn)入指定位置，減少浪費(fèi)和重復(fù)施工，開采的土石方幾乎都成為壩體的有效方量。采用爆填、爆夯和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速構(gòu)筑壩體；采用原狀土管道輸送設(shè)備和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速形成閉氣土方；使土方易堆高，可以增大坡比，如從1∶16提高到1∶1.5-4，可以減少大量土石方。在缺少石材的地區(qū)，以土代石，還可省去大量石方。
(4)提高抗?jié)B性能。由于土石結(jié)合土工織物防滲反濾系統(tǒng)的應(yīng)用，由于堤壩的在砂礫地基上插設(shè)連續(xù)防滲板，外殼和防滲板材料選用強(qiáng)度大、防滲性好、耐風(fēng)化腐蝕的材料，改變了滲透路徑，減少了堤壩的滲透量，提高了堤壩的抗?jié)B性能。由于采用輕質(zhì)硬殼堤壩方法，有效地防御了風(fēng)浪的沖蝕。
(5)提高堤壩的安全壽命。由于整個(gè)堤壩構(gòu)件聯(lián)成一體，多個(gè)壩腳深插地基，使堤壩剛中有柔，剛?cè)嵯酀?jì)，并與地基溶為一體，以消除不均勻沉降，確保堤壩的安全。而且輕質(zhì)堤壩采用材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐耐老化能力高、抗菌抗生物能力強(qiáng)等特點(diǎn)，只要土石覆蓋良好就有很好的耐久性。
由此可得，本發(fā)明比傳統(tǒng)筑堤技術(shù)更具有可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
本發(fā)明對提高堤防的質(zhì)量、加快建筑速度、促進(jìn)堤壩安全穩(wěn)定、治理環(huán)境都有著積極的意義。在海岸港口工程，公路橋梁建設(shè)，油田開發(fā)鉆探，灘涂水產(chǎn)養(yǎng)殖，沙漠園林整治，湖泊清淤疏浚都有廣闊的市場前景。
權(quán)利要求
1.軟基快速筑堤方法與技術(shù)，涉及堤壩(堤防、圍堰、路基、檔土墻、碼頭、人工島等)的建筑技術(shù)，是一種新型的軟弱地基快速筑堤的方法，包括地基處理、壩體填筑、土方閉氣、穩(wěn)性分析、防浪消能、防滲護(hù)坡、沉移觀察等，其特征是根據(jù)不同地基和不同壩體，采用塑料排水板、土工織物、砂(碎石)墊層和爆炸等手段快速處理地基；采用平拋、空拋、立拋、爆填、爆夯和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速構(gòu)筑壩體；采用原狀土管道輸送設(shè)備和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速形成閉氣土方；采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和高效立體施工方法，實(shí)時(shí)監(jiān)控堤壩的垂直沉降、水平位移、孔隙水壓力和地基承載強(qiáng)度的變化，統(tǒng)籌兼顧軟基承載力與快速筑堤過程中的時(shí)間、空間的關(guān)系和安全，經(jīng)濟(jì)，高效的關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是軟土地基厚度大于7m的采用塑料排水板法，小于7m的采用土工織物法和砂(碎石)墊層法加固處理；土層的含水量大于50％的采用爆破擠淤填石法，小于50％的采用爆破振夯密實(shí)法。
3.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是在堤身的土堤壩和石堤壩中，分別設(shè)置一定數(shù)量的沉降、位移觀測點(diǎn)，分層埋設(shè)空隙水壓力、土壓力儀器，并留有十字板剪切試驗(yàn)孔，對堤壩的垂直沉降，側(cè)向位移，空隙水壓力，地基強(qiáng)度，固結(jié)度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，結(jié)合加荷曲線，確定加荷速率，作為加載的依據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是計(jì)算機(jī)控制堤壩的變化，有排水板處理的地基垂直沉降速率每天≤3cm，無排水板處理地基的垂直沉降速率每天≤1cm，水平位移速率每天≤1cm，超靜孔隙水壓力比控制在0.6。
5.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是利用海潮漲落的能量，高潮拋高，低潮拋低，隨潮作息，搶潮候潮施工。
6.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是采用實(shí)時(shí)差分GPS定位和電腦智能監(jiān)控的自動化系統(tǒng)，誤差控制在±10cm，數(shù)據(jù)自動紀(jì)錄和處理，實(shí)現(xiàn)水深作業(yè)和全天候施工。
7.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是分段間隙施工，循序漸進(jìn)，階梯推進(jìn)，分層加高，足而不超，拋填厚度應(yīng)接近地基土的極限承載值，石方每次層厚小于2.5m，土方每次層厚小于0.8m。
8.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是采用平拋為主，空拋為副，立拋補(bǔ)足的立體施工法，駁船的吃水深度每潮工作時(shí)間大于2小時(shí)的采用平拋，同時(shí)分頭采用立拋和空拋。
9.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是采用先石方，后土方，先基礎(chǔ)，后壩體，土石結(jié)合，壩基相隨的施工原則。
10.如權(quán)利要求1所述的軟基快速筑堤方法與技術(shù)，其特征是采用輕質(zhì)壩體、硬質(zhì)壩殼、隔離防滲、深插壩腳、連成整體的輕質(zhì)硬殼堤壩法。
全文摘要
軟基快速筑堤方法與技術(shù)，針對軟基堤壩穩(wěn)定性差，工期長，無法機(jī)械化快速度大規(guī)模施工，堤身堆不上去，堤壩合攏困難，投資風(fēng)險(xiǎn)大等問題，提出的新方法。它采用塑料排水板、土工織物和爆破爆炸等手段快速處理地基；采用爆填、爆夯和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速構(gòu)筑壩體；采用原狀土管道輸送設(shè)備和輕質(zhì)硬殼堤壩等方法快速形成閉氣土方；采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元分析和高效立體筑堤施工方法，實(shí)時(shí)監(jiān)控堤壩的垂直沉降、水平位移、孔隙水壓力和地基承載強(qiáng)度的變化，統(tǒng)籌兼顧地基承載力與快速筑堤過程中的時(shí)間、空間關(guān)系，處理了安全，經(jīng)濟(jì)，高效的關(guān)系。從而避免盲目性，達(dá)到軟弱地基上快速建造堤壩的目的。適用于軟基筑堤、快速筑堤，圍堰、人工島構(gòu)筑。
文檔編號E02D3/02GK1773022SQ20051011977
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月5日
發(fā)明者陶松壘, 陶鈞炳, 張子和, 謝遠(yuǎn)富, 俞元洪, 張志建, 陳富強(qiáng) 申請人:陶鈞炳