盐河航道整治护岸软土地基处理能耗分析

盐河航道整治护岸软土地基处理能耗分析

基础处理是护岸工程的重要组成部分。现阶段国内对于护岸工程中软土地基处理往往只从地质条件、施工场地、施工设备、施工工艺等因素结合施工造价考虑,比较得出各种地基处理方案的优缺点,而针对能耗等因素的综合分析研究尚处于探索阶段。本文以盐河(杨庄—武障河)航道整治工程8标段(沈阳路大桥上游—新渡双坝村)的护岸工程为例,对护岸软土地基处理方案中换填块石、水泥搅拌桩、钢筋混凝土方桩这3种方案,先从能耗、造价两个因素进行定量分析,然后选取能耗、造价、施工便利性、质量控制4个指标进行综合评价,为护岸工程软土地基处理方案的选择提供参考。1软土粘土软土指天然孔隙比大于或等于1.0,天然含水量大于液限,并具有灵敏结构性的细粒土,包括淤泥、淤泥质土(淤泥质的粘土、粉土、粉质粘土等)、泥炭、泥炭质土等。工程中一般以淤泥和淤泥质土总称为软(粘)土。软土一般分布在滨海、海陆过渡区、湖泊、沼泽、谷地和河滩沉积带,具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、承载力低、固结系数小、固结稳定时间长、触变性、流变性、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各土层之间物理力学性质相差较大等特点,工程性质差,未经处理不宜直接作为建筑物地基。由于护岸属于临河建筑,地下和地上的水位变动性大,且经常遭受水流冲击和波浪淘刷,具有更复杂的工程特性,导致护岸工程中的软土地基较一般建筑物地基处理难度加大。2护岸的上部结构对盐河航道整治8标段护岸工程的两种护岸结构(空箱式KX和重力式ZL)的软土地基处理方案进行能耗分析与比较。根据护岸的上部结构不同分成两组,其中每组护岸的上部结构完全相同(形式、尺寸、大小),只是地基处理方法不同(换填块石、水泥搅拌桩、钢筋混凝土方桩)。由于施工统计资料中护岸工程的上部结构与地基处理部分是放在一起的,在护岸上部结构完全相同而地基处理方法不同的情况下,可用整个护岸工程的总能耗来对比分析不同地基处理方案的能耗差异。2.1材料运输能耗借鉴前人研究,将护岸工程总能耗分为生产环节的材料能耗、运输环节的运输能耗和施工环节的施工能耗。材料能耗为生产环节中工程建筑材料的总内含能量,指工程施工过程中所用的全部建筑材料的内含能量,包括从原材料获取到制成成品的全过程能量消耗、转化为建筑元素所消耗的能量和进行装配所消耗的能量。根据盐河航道整治8标段护岸工程的实际情况,这里计入能耗的材料包括钢筋、水泥、砂、石料、PVC、无纺布等。运输能耗为工程建筑材料运输总能耗,指工程施工所用建筑材料从生产地到施工现场的运输过程能耗。在盐河航道整治8标段护岸工程中,水泥、黄砂、石料、钢筋等主材用量较大,所以运输能耗主要针对这几种主材来计算。其中,水泥、钢筋采用陆运,水泥运距20km,钢筋运距50km;黄砂、石料采用水运,黄砂运距90km,石料运距120km。根据2012年《交通统计年鉴》,公路运输的耗柴油量27.69kg/kt·km,水路运输的耗柴油量5.59kg/kt·km。每千克柴油耗能42652kJ,产生3.16kg的碳排放量。施工能耗为建筑物施工过程总能耗,指工程施工现场的各种施工过程中大量施工和运输机械(如卡车、吊车、搅拌机等)的能耗。在分析盐河航道整治8标段护岸工程的施工能耗时,以每种施工工序的燃料动力费(即耗油和用电的多少)计算出各种施工工序的耗油和用电量。2.2种方案能耗对比总能耗Ee的数学模型定义为:式中Em、Et、Ep分别为生产、运输和施工环节的能耗。各组护岸结构每延米的总能耗计算结果如表1所示。由于每组护岸的上部结构完全相同(形式、尺寸、大小),只是地基处理方法不同,这里以地基处理方法是水泥搅拌桩的护岸结构为基准,计算换填块石、钢筋混凝土方桩地基处理能耗的差值△Ee和能耗增量百分比r,计算公式如下:其中下标1,2,3分别表示换填块石、水泥搅拌桩和钢筋混凝土方桩。计算结果如表2和图1。由表2和图1可知,水泥搅拌桩在3种地基处理方案中能耗最小,但换填块石和钢筋混凝土方桩在空箱式结构组和重力式结构组出现完全相反的结果,如图1所示,空箱式结构组中换填块石能耗增量比大于钢筋混凝土方桩,重力式结构组则恰恰相反。其原因是:空箱式结构组中钢筋混凝土方桩处理的软土层厚为3.0m,桩长4m便可达到承载力要求,而重力式结构组中钢筋混凝土方桩处理的软土层厚为3.3m,桩长5m才能满足承载力要求,桩长的增加导致能耗值也相应增加。为了消除软土层处理厚度不同的影响,这里进一步将每延米能耗差值△Ee折合成单位软土层厚度的能耗差值△Ee/h,其中h为软土层总厚度,计算公式如下:计算结果如表3。由表3可知,在消除了软土层厚度不同对能耗的影响后,两组护岸结构的计算结果趋向一致,换填块石单位软土层能耗均大于钢筋混凝土方桩。另外,经过折合单位软土层厚度的处理后,换填块石与钢筋混凝土方桩的能耗差异变大。在表2中最后一列,空箱式结构组的换填块石能耗高出钢筋混凝土方桩19.2%,而在表3中最后一列,空箱式结构组单位软土层地基处理的能耗换填块石高出钢筋混凝土方桩155.2%,重力式结构组为换填块石高出钢筋混凝土方桩138.8%,可见考虑了软土层厚度对地基处理能耗的影响后,3种方案在软基处理中的能耗差异更显著。综合以上分析,在盐河航道整治8标段护岸工程中,上部结构采用空箱式和重力式,水泥搅拌桩处理软土地基的能耗最小,其次是钢筋混凝土方桩,换填块石的能耗最大。3处理方案造价同能耗计算一样,在护岸上部结构完全相同而只是地基处理方法不同时,可利用整个护岸工程的总造价来间接分析不同地基处理方案的造价差异。同样以地基处理方法是水泥搅拌桩的护岸结构为基准,计算换填块石、钢筋混凝土方桩地基处理造价的差值△C和折合成单位软土层厚度的造价差值△C/h,计算结果如表4所示。由表4可知,在盐河航道整治8标段护岸工程中,上部结构采用空箱式和重力式,水泥搅拌桩处理软土地基的造价最低,其次是钢筋混凝土方桩,换填块石的造价最高。43确定综合得分根据以上对能耗、造价的定量计算与分析,以及盐河航道整治工程实践,在选择护岸软土地基处理方法时,除了需要考虑地基承载力、工程质量、施工便利性、经济性等传统因素,随着工程建设领域节能减排意识的提高,还需要增加节能因素。首先需要明确的是,盐河属于内河限制性航道,在其8标段护岸工程中软土层厚度普遍不超过5m,3种地基处理方法均能满足承载力要求。下面选取能耗、造价、施工便利性、质量控制4个指标,对本工程的3种地基处理方法进行综合评价,评价模型如下:式中S为地基处理方法综合得分;Bi为分项指标得分;Ai为各指标权重。采用指数标度法(1.316n,n为1~9标度值)对评价指标进行重要性标度,如表5,建立判断矩阵,计算其最大特征值对应的特征向量,再将特征向量归一化即为相对权重向量,可得各指标权重值:能耗0.21,造价0.26,施工便利性0.23,质量控制0.30。对能耗和造价来讲,前文已有定量计算的数据,只需将这些量化数据进行规范化处理,转换成十分制,其中能耗和造价最低的方案记为10分,最高的方案记为5分。以能耗为例,选择表3中△Ee/h一列数据作为打分依据,先将空心式结构组和重力式结构组分别对应相加取平均值,然后按照式(9)进行规范化处理:式中bj为3种地基处理方法能耗分项得分(j=1,2,3)。施工便利性包括是否需要围堰、土方开挖与回填量、施工场地、施工设备、施工工艺、施工速度与工期等,这里只能定性分析,然后以十分制打分。换填块石方案的土方开挖与回填量较大,将使其该项得分较低。在本工程软土层厚度普遍不超过5m的情况下,3种地基处理方案的施工场地、设备、工艺及施工速度与工期等因素对施工便利性的影响差别不是很大,另外考虑到水泥搅拌桩现场施工的震动和噪音较小,对周边环境几乎没有影响,而且钢筋混凝土方桩的预制、养护需要耗费一定时间,由此看水泥搅拌桩稍优于钢筋混凝土方桩。对质量控制来讲,定性分析然后以十分制打分。目前在软土地基处理方面的施工技术已经相当先进,由于本工程软土层厚度普遍不超过5m,3种地基处理方案在质量控制上没有明显差别,但由于钢筋混凝土方桩是预制法成桩,更易保证桩身质量,也便于检测成桩缺陷,将使其该项得分较高。在4个指标分项得分的基础上,计入各指标权重,即可得到3种地基处理方法的综合得分,如表6所示。由表6可知,综合考虑能耗、造价、施工便利性、质量控制4个指标,水泥搅拌桩得分最高,其次是钢筋混凝土方桩,换填块石得分最低,水泥搅拌桩为最优的地基处理方法。5施工质量上符合节能减排要求护岸工程软土地基处理达到相同效果的情况下,不同地基处理方案的能耗差异显著,本文研究的工程实例中,空箱式护岸结构单位软土层厚地基处理的能耗换填块石高出钢筋混凝土方桩155.2%,重力式护岸