鹽河航道整治護(hù)岸軟土地基處理能耗分析

鹽河航道整治護(hù)岸軟土地基處理能耗分析

基礎(chǔ)處理是護(hù)岸工程的重要組成部分。現(xiàn)階段國內(nèi)對(duì)于護(hù)岸工程中軟土地基處理往往只從地質(zhì)條件、施工場地、施工設(shè)備、施工工藝等因素結(jié)合施工造價(jià)考慮,比較得出各種地基處理方案的優(yōu)缺點(diǎn),而針對(duì)能耗等因素的綜合分析研究尚處于探索階段。本文以鹽河(楊莊—武障河)航道整治工程8標(biāo)段(沈陽路大橋上游—新渡雙壩村)的護(hù)岸工程為例,對(duì)護(hù)岸軟土地基處理方案中換填塊石、水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁這3種方案,先從能耗、造價(jià)兩個(gè)因素進(jìn)行定量分析,然后選取能耗、造價(jià)、施工便利性、質(zhì)量控制4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),為護(hù)岸工程軟土地基處理方案的選擇提供參考。1軟土粘土軟土指天然孔隙比大于或等于1.0,天然含水量大于液限,并具有靈敏結(jié)構(gòu)性的細(xì)粒土,包括淤泥、淤泥質(zhì)土(淤泥質(zhì)的粘土、粉土、粉質(zhì)粘土等)、泥炭、泥炭質(zhì)土等。工程中一般以淤泥和淤泥質(zhì)土總稱為軟(粘)土。軟土一般分布在濱海、海陸過渡區(qū)、湖泊、沼澤、谷地和河灘沉積帶,具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、承載力低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間長、觸變性、流變性、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各土層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點(diǎn),工程性質(zhì)差,未經(jīng)處理不宜直接作為建筑物地基。由于護(hù)岸屬于臨河建筑,地下和地上的水位變動(dòng)性大,且經(jīng)常遭受水流沖擊和波浪淘刷,具有更復(fù)雜的工程特性,導(dǎo)致護(hù)岸工程中的軟土地基較一般建筑物地基處理難度加大。2護(hù)岸的上部結(jié)構(gòu)對(duì)鹽河航道整治8標(biāo)段護(hù)岸工程的兩種護(hù)岸結(jié)構(gòu)(空箱式KX和重力式ZL)的軟土地基處理方案進(jìn)行能耗分析與比較。根據(jù)護(hù)岸的上部結(jié)構(gòu)不同分成兩組,其中每組護(hù)岸的上部結(jié)構(gòu)完全相同(形式、尺寸、大小),只是地基處理方法不同(換填塊石、水泥攪拌樁、鋼筋混凝土方樁)。由于施工統(tǒng)計(jì)資料中護(hù)岸工程的上部結(jié)構(gòu)與地基處理部分是放在一起的,在護(hù)岸上部結(jié)構(gòu)完全相同而地基處理方法不同的情況下,可用整個(gè)護(hù)岸工程的總能耗來對(duì)比分析不同地基處理方案的能耗差異。2.1材料運(yùn)輸能耗借鑒前人研究,將護(hù)岸工程總能耗分為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的材料能耗、運(yùn)輸環(huán)節(jié)的運(yùn)輸能耗和施工環(huán)節(jié)的施工能耗。材料能耗為生產(chǎn)環(huán)節(jié)中工程建筑材料的總內(nèi)含能量,指工程施工過程中所用的全部建筑材料的內(nèi)含能量,包括從原材料獲取到制成成品的全過程能量消耗、轉(zhuǎn)化為建筑元素所消耗的能量和進(jìn)行裝配所消耗的能量。根據(jù)鹽河航道整治8標(biāo)段護(hù)岸工程的實(shí)際情況,這里計(jì)入能耗的材料包括鋼筋、水泥、砂、石料、PVC、無紡布等。運(yùn)輸能耗為工程建筑材料運(yùn)輸總能耗,指工程施工所用建筑材料從生產(chǎn)地到施工現(xiàn)場的運(yùn)輸過程能耗。在鹽河航道整治8標(biāo)段護(hù)岸工程中,水泥、黃砂、石料、鋼筋等主材用量較大,所以運(yùn)輸能耗主要針對(duì)這幾種主材來計(jì)算。其中,水泥、鋼筋采用陸運(yùn),水泥運(yùn)距20km,鋼筋運(yùn)距50km;黃砂、石料采用水運(yùn),黃砂運(yùn)距90km,石料運(yùn)距120km。根據(jù)2012年《交通統(tǒng)計(jì)年鑒》,公路運(yùn)輸?shù)暮牟裼土?7.69kg/kt·km,水路運(yùn)輸?shù)暮牟裼土?.59kg/kt·km。每千克柴油耗能42652kJ,產(chǎn)生3.16kg的碳排放量。施工能耗為建筑物施工過程總能耗,指工程施工現(xiàn)場的各種施工過程中大量施工和運(yùn)輸機(jī)械(如卡車、吊車、攪拌機(jī)等)的能耗。在分析鹽河航道整治8標(biāo)段護(hù)岸工程的施工能耗時(shí),以每種施工工序的燃料動(dòng)力費(fèi)(即耗油和用電的多少)計(jì)算出各種施工工序的耗油和用電量。2.2種方案能耗對(duì)比總能耗Ee的數(shù)學(xué)模型定義為:式中Em、Et、Ep分別為生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工環(huán)節(jié)的能耗。各組護(hù)岸結(jié)構(gòu)每延米的總能耗計(jì)算結(jié)果如表1所示。由于每組護(hù)岸的上部結(jié)構(gòu)完全相同(形式、尺寸、大小),只是地基處理方法不同,這里以地基處理方法是水泥攪拌樁的護(hù)岸結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),計(jì)算換填塊石、鋼筋混凝土方樁地基處理能耗的差值△Ee和能耗增量百分比r,計(jì)算公式如下:其中下標(biāo)1,2,3分別表示換填塊石、水泥攪拌樁和鋼筋混凝土方樁。計(jì)算結(jié)果如表2和圖1。由表2和圖1可知,水泥攪拌樁在3種地基處理方案中能耗最小,但換填塊石和鋼筋混凝土方樁在空箱式結(jié)構(gòu)組和重力式結(jié)構(gòu)組出現(xiàn)完全相反的結(jié)果,如圖1所示,空箱式結(jié)構(gòu)組中換填塊石能耗增量比大于鋼筋混凝土方樁,重力式結(jié)構(gòu)組則恰恰相反。其原因是:空箱式結(jié)構(gòu)組中鋼筋混凝土方樁處理的軟土層厚為3.0m,樁長4m便可達(dá)到承載力要求,而重力式結(jié)構(gòu)組中鋼筋混凝土方樁處理的軟土層厚為3.3m,樁長5m才能滿足承載力要求,樁長的增加導(dǎo)致能耗值也相應(yīng)增加。為了消除軟土層處理厚度不同的影響,這里進(jìn)一步將每延米能耗差值△Ee折合成單位軟土層厚度的能耗差值△Ee/h,其中h為軟土層總厚度,計(jì)算公式如下:計(jì)算結(jié)果如表3。由表3可知,在消除了軟土層厚度不同對(duì)能耗的影響后,兩組護(hù)岸結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果趨向一致,換填塊石單位軟土層能耗均大于鋼筋混凝土方樁。另外,經(jīng)過折合單位軟土層厚度的處理后,換填塊石與鋼筋混凝土方樁的能耗差異變大。在表2中最后一列,空箱式結(jié)構(gòu)組的換填塊石能耗高出鋼筋混凝土方樁19.2%,而在表3中最后一列,空箱式結(jié)構(gòu)組單位軟土層地基處理的能耗換填塊石高出鋼筋混凝土方樁155.2%,重力式結(jié)構(gòu)組為換填塊石高出鋼筋混凝土方樁138.8%,可見考慮了軟土層厚度對(duì)地基處理能耗的影響后,3種方案在軟基處理中的能耗差異更顯著。綜合以上分析,在鹽河航道整治8標(biāo)段護(hù)岸工程中,上部結(jié)構(gòu)采用空箱式和重力式,水泥攪拌樁處理軟土地基的能耗最小,其次是鋼筋混凝土方樁,換填塊石的能耗最大。3處理方案造價(jià)同能耗計(jì)算一樣,在護(hù)岸上部結(jié)構(gòu)完全相同而只是地基處理方法不同時(shí),可利用整個(gè)護(hù)岸工程的總造價(jià)來間接分析不同地基處理方案的造價(jià)差異。同樣以地基處理方法是水泥攪拌樁的護(hù)岸結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),計(jì)算換填塊石、鋼筋混凝土方樁地基處理造價(jià)的差值△C和折合成單位軟土層厚度的造價(jià)差值△C/h,計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知,在鹽河航道整治8標(biāo)段護(hù)岸工程中,上部結(jié)構(gòu)采用空箱式和重力式,水泥攪拌樁處理軟土地基的造價(jià)最低,其次是鋼筋混凝土方樁,換填塊石的造價(jià)最高。43確定綜合得分根據(jù)以上對(duì)能耗、造價(jià)的定量計(jì)算與分析,以及鹽河航道整治工程實(shí)踐,在選擇護(hù)岸軟土地基處理方法時(shí),除了需要考慮地基承載力、工程質(zhì)量、施工便利性、經(jīng)濟(jì)性等傳統(tǒng)因素,隨著工程建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能減排意識(shí)的提高,還需要增加節(jié)能因素。首先需要明確的是,鹽河屬于內(nèi)河限制性航道,在其8標(biāo)段護(hù)岸工程中軟土層厚度普遍不超過5m,3種地基處理方法均能滿足承載力要求。下面選取能耗、造價(jià)、施工便利性、質(zhì)量控制4個(gè)指標(biāo),對(duì)本工程的3種地基處理方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)模型如下:式中S為地基處理方法綜合得分;Bi為分項(xiàng)指標(biāo)得分;Ai為各指標(biāo)權(quán)重。采用指數(shù)標(biāo)度法(1.316n,n為1~9標(biāo)度值)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性標(biāo)度,如表5,建立判斷矩陣,計(jì)算其最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量,再將特征向量歸一化即為相對(duì)權(quán)重向量,可得各指標(biāo)權(quán)重值:能耗0.21,造價(jià)0.26,施工便利性0.23,質(zhì)量控制0.30。對(duì)能耗和造價(jià)來講,前文已有定量計(jì)算的數(shù)據(jù),只需將這些量化數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理,轉(zhuǎn)換成十分制,其中能耗和造價(jià)最低的方案記為10分,最高的方案記為5分。以能耗為例,選擇表3中△Ee/h一列數(shù)據(jù)作為打分依據(jù),先將空心式結(jié)構(gòu)組和重力式結(jié)構(gòu)組分別對(duì)應(yīng)相加取平均值,然后按照式(9)進(jìn)行規(guī)范化處理:式中bj為3種地基處理方法能耗分項(xiàng)得分(j=1,2,3)。施工便利性包括是否需要圍堰、土方開挖與回填量、施工場地、施工設(shè)備、施工工藝、施工速度與工期等,這里只能定性分析,然后以十分制打分。換填塊石方案的土方開挖與回填量較大,將使其該項(xiàng)得分較低。在本工程軟土層厚度普遍不超過5m的情況下,3種地基處理方案的施工場地、設(shè)備、工藝及施工速度與工期等因素對(duì)施工便利性的影響差別不是很大,另外考慮到水泥攪拌樁現(xiàn)場施工的震動(dòng)和噪音較小,對(duì)周邊環(huán)境幾乎沒有影響,而且鋼筋混凝土方樁的預(yù)制、養(yǎng)護(hù)需要耗費(fèi)一定時(shí)間,由此看水泥攪拌樁稍優(yōu)于鋼筋混凝土方樁。對(duì)質(zhì)量控制來講,定性分析然后以十分制打分。目前在軟土地基處理方面的施工技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn),由于本工程軟土層厚度普遍不超過5m,3種地基處理方案在質(zhì)量控制上沒有明顯差別,但由于鋼筋混凝土方樁是預(yù)制法成樁,更易保證樁身質(zhì)量,也便于檢測成樁缺陷,將使其該項(xiàng)得分較高。在4個(gè)指標(biāo)分項(xiàng)得分的基礎(chǔ)上,計(jì)入各指標(biāo)權(quán)重,即可得到3種地基處理方法的綜合得分,如表6所示。由表6可知,綜合考慮能耗、造價(jià)、施工便利性、質(zhì)量控制4個(gè)指標(biāo),水泥攪拌樁得分最高,其次是鋼筋混凝土方樁,換填塊石得分最低,水泥攪拌樁為最優(yōu)的地基處理方法。5施工質(zhì)量上符合節(jié)能減排要求護(hù)岸工程軟土地基處理達(dá)到相同效果的情況下,不同地基處理方案的能耗差異顯著,本文研究的工程實(shí)例中,空箱式護(hù)岸結(jié)構(gòu)單位軟土層厚地基處理的能耗換填塊石高出鋼筋混凝土方樁155.2%,重力式護(hù)岸