田雙珠，徐滿意，喬小利，韓冉冉

（交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

沿海地區(qū)興建的直立式水工護(hù)岸一般采用大體積混凝土澆筑的沉箱或塊體來實(shí)現(xiàn)。以往施工時(shí)常把施工區(qū)域內(nèi)軟土挖掉，然后通過拋填塊石且夯實(shí)后安裝沉箱的方式實(shí)現(xiàn)的。一般水工護(hù)岸岸線較長(zhǎng)，且部分區(qū)域軟土厚度較大（一般大于10 m），采用傳統(tǒng)方式施工費(fèi)用較大，為此設(shè)計(jì)出了在不挖泥或部分挖泥的條件下，通過排水預(yù)壓方式處理地基，建立直立式護(hù)岸的施工方法。

軟基上排水預(yù)壓是通過在軟基內(nèi)打設(shè)塑料排水板，并拋填塊石基床及整平，安裝沉箱，然后進(jìn)行兩側(cè)回填，最后頂部澆筑胸墻的方式施工，該方式每道施工工序都需預(yù)留足夠的地基穩(wěn)定時(shí)間，并嚴(yán)格按照觀測(cè)數(shù)據(jù)安排施工。

由于水工直立式護(hù)岸兩側(cè)荷載厚度不一致，即反壓棱體和后方棱體存在高差（圖1），在軟基上，直立圓筒兩側(cè)必然產(chǎn)生不均勻的沉降，造成傾斜［1］。一般圓筒或沉箱傾斜均須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，才認(rèn)為合格。因此為減小圓筒或沉箱傾斜的量級(jí)，保證工程質(zhì)量，必須在施工期采取各種措施減小這一傾斜的發(fā)展。大連某工程建立水工護(hù)岸，預(yù)計(jì)安裝大直徑圓筒近400個(gè)。為處理好工程進(jìn)度及工程質(zhì)量的關(guān)系，對(duì)前100個(gè)圓筒兩側(cè)回填進(jìn)行了加荷試驗(yàn)，為后續(xù)標(biāo)段施工提供理論指導(dǎo)及技術(shù)支持。本文以該工程為例，對(duì)該類護(hù)岸不均勻沉降的控制及治理方法進(jìn)行探討。

1 工程地質(zhì)狀況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，大連某護(hù)岸排水板段的主要軟土類別包括：（1）淤泥（Q4m）：灰黑色，流塑，偶見貝殼碎片，具腥臭味。該層在整個(gè)場(chǎng)地均有揭露，鉆孔揭露厚度7.8 m。（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（Q4m）：灰黑色，軟塑，具腥臭味，偶見貝殼碎片，部分鉆孔底部強(qiáng)度有所增加，偶見薄層軟塑粉質(zhì)粘土。該層在整個(gè)場(chǎng)地均有揭露，鉆孔揭露厚度3.1 m。

在該護(hù)岸區(qū)域的軟土厚度一般為10～14 m，下部為粉砂或粉質(zhì)粘土，性質(zhì)較好，對(duì)工程而言，上部存在較厚的軟土層是護(hù)岸產(chǎn)生不均勻沉降的主要原因。該工程為了加快地基排水固結(jié)速度，保證施工期完成后地基在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到沉降穩(wěn)定，在施工區(qū)域內(nèi)軟基上鋪設(shè)了排水墊層，并打設(shè)了塑料排水板。該區(qū)域軟土層的主要力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地層土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of soil

2 圓筒傾斜分析

由圖1可知，圓筒下地基產(chǎn)生的主要附加應(yīng)力包括圓筒及回填石料的重量產(chǎn)生的附加應(yīng)力以及后方棱體對(duì)圓筒產(chǎn)生的水平推力2種，而這2項(xiàng)附加應(yīng)力均和圓筒兩側(cè)棱體的高度有關(guān)。

根據(jù)規(guī)范方法，角點(diǎn)下附加應(yīng)力計(jì)算公式［2-3］為

式中：σz為附加應(yīng)力；KS為角點(diǎn)下附加應(yīng)力系數(shù)；σ0為自重應(yīng)力。

由式（1）及圖1可知，地基中心點(diǎn)的附加應(yīng)力是地基角點(diǎn)下附加應(yīng)力的2倍，所以圓筒陸側(cè)地基附加應(yīng)力為其角點(diǎn)下附加應(yīng)力的2倍，且水平推力在圓筒兩側(cè)角趾產(chǎn)生的附加應(yīng)力正好反號(hào)，因此圓筒兩側(cè)附加應(yīng)力差等于圓筒后趾填料自重產(chǎn)生的角點(diǎn)下附加應(yīng)力減去2倍的填料高差產(chǎn)生的水平推力。

簡(jiǎn)化后計(jì)算圓筒前趾后趾自重應(yīng)力及附加應(yīng)力［4-5］，分析如下：圓筒下地基受力包括地基土自重應(yīng)力、上部荷載附加應(yīng)力和圓筒前后方棱體存在高差產(chǎn)生的水平推力。

地基自重應(yīng)力按照表1數(shù)據(jù)計(jì)算，該工程圓筒高7.5 m，后方棱體和圓筒同高，寬20 m，前方反壓棱體厚3.5 m，寬47 m，附加應(yīng)力計(jì)算按照塊石重度20 kN/m3，考慮最低潮情況，水位0.0 m，計(jì)算上覆垂直應(yīng)力115 kPa，水平推力90 kN，查表計(jì)算附加應(yīng)力，根據(jù)以上計(jì)算，圓筒下地基內(nèi)承受總應(yīng)力見圖2。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該區(qū)段內(nèi)軟土e-p曲線見表2。

表2 圓筒地基軟土e-p曲線數(shù)據(jù)Tab.2 e-p curve of soft soil under cylinder caisson

按照規(guī)范公式［2］計(jì)算圓筒兩側(cè)沉降高差Δh為

式中：Δh為圓筒兩側(cè)沉降高差；sQ為圓筒前趾處沉降；sH為圓筒后趾處沉降；ms為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)；Δe為平均自重壓力設(shè)計(jì)值時(shí)孔隙比與平均最終壓力設(shè)計(jì)值壓縮穩(wěn)定后的孔隙比之差；e1i為第i層土受到平均自重壓力設(shè)計(jì)值時(shí)的孔隙比；hi為第i層土的厚度；i為土層計(jì)算層編號(hào)。

經(jīng)計(jì)算，圓筒兩側(cè)沉降高差Δh為102～158 mm，因此認(rèn)為圓筒在正常加載控制及加載間歇條件下，由于兩側(cè)荷載厚度不同造成的圓筒沉降傾斜高差理論計(jì)算結(jié)果為102～158 mm。有待現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

完全依靠理論計(jì)算的方法來預(yù)測(cè)分析半直立式護(hù)岸圓筒兩側(cè)的不均勻沉降，對(duì)工程施工來說風(fēng)險(xiǎn)較大，因?yàn)槔碚摋l件無法等同于現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際工況，還需要通過現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?，F(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)的條件能夠完全模擬現(xiàn)場(chǎng)施工的各種工況，以及各種工況下的不均勻沉降，供有關(guān)單位根據(jù)工期條件，選擇最優(yōu)的施工方案［6-7］。

為保證地基穩(wěn)定，需要充分的排水時(shí)間，而這與施工進(jìn)度之間存在矛盾。工程施工時(shí)需要找到二者的平衡點(diǎn)，結(jié)合施工工期的要求，在不同區(qū)域采取了3種加載方案（加荷應(yīng)力路徑），最后通過分析總結(jié)，為后續(xù)工程施工加載及圓筒傾斜控制提供多種方案。

圓筒前、后方棱體回填按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：（1）按照?qǐng)A筒回填標(biāo)準(zhǔn)，以2 m厚度一級(jí)回填，20 d時(shí)間間隔進(jìn)行施工，試驗(yàn)區(qū)域?yàn)?7～35號(hào)圓筒；（2）以4 m厚度一級(jí)，20 d時(shí)間間隔施工，施工區(qū)域?yàn)?6～75號(hào)圓筒；（3）以4 m厚度一級(jí)，40 d時(shí)間間隔進(jìn)行荷載施加，施工區(qū)域?yàn)?6～106號(hào)筒。施工完成及地基穩(wěn)定后，對(duì)所有圓筒兩側(cè)垂直于施工軸線方向的高差進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果見圖3。部分圓筒上的觀測(cè)點(diǎn)被堆料覆埋而未能進(jìn)行觀測(cè)，故圖3中未標(biāo)出。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析，27～35號(hào)圓筒內(nèi)和圓筒后方荷載施加是按照2 m厚度作為一級(jí)荷載，20 d時(shí)間間隔進(jìn)行的加載控制，圓筒兩側(cè)高差在100～200 mm。36號(hào)圓筒以后均按照4 m厚度作為一級(jí)荷載施加，36～75號(hào)圓筒后方陸域回填進(jìn)度為1 d 4個(gè)圓筒，兩級(jí)荷載間隔約20 d，圓筒兩側(cè)高差在170～330 mm，南北高差發(fā)展較大。76號(hào)圓筒之后的第三試驗(yàn)段，施工控制為一次回填4 m厚度，一次推進(jìn)2個(gè)圓筒，兩級(jí)荷載施加間隔時(shí)間為40 d，圓筒兩側(cè)高差控制在140～250 mm。

結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，對(duì) 27～35、36～75、76～106號(hào)圓筒3個(gè)試驗(yàn)段加載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知計(jì)算結(jié)果接近按照2 m一級(jí)加載控制的區(qū)段。對(duì)于按照4 m一級(jí)荷載控制的區(qū)域，計(jì)算結(jié)果明顯偏小。因?yàn)槔碚撚?jì)算無法模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，而圓筒傾斜發(fā)展和施工加荷的應(yīng)力路徑密切相關(guān)，巖土體存在較大的塑性變形，沿不同的應(yīng)力路徑加荷，各個(gè)階段的塑性變形就不同，累計(jì)求和就有不同的變形總量，因此同樣的施工斷面、不同的加荷應(yīng)力路徑必然產(chǎn)生不同的地基變形［1］。從巖土體的抗剪能力分析，較小的加載厚度減小了塑性區(qū)的發(fā)展，適當(dāng)?shù)募虞d間隔保證了地基的充分排水和有效應(yīng)力的增長(zhǎng)，防止了地基的剪切破壞，且保證了地基承載力的穩(wěn)定提高。因此，該項(xiàng)目后續(xù)標(biāo)段施工時(shí)，必須充分考慮地基穩(wěn)定性以及圓筒傾斜的特點(diǎn)，根據(jù)工程進(jìn)度要求，選擇合適的施工加載方案，并制定與之配合的傾斜治理措施，是提高后續(xù)工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

通過分析工程3個(gè)加載試驗(yàn)段圓筒不均勻沉降的發(fā)展特點(diǎn)，得到以下結(jié)論：（1）半直立式水工護(hù)岸兩側(cè)荷載不同，必然產(chǎn)生不均勻沉降，必須通過合理的加載方案及圓筒傾斜治理措施，把兩側(cè)的不均勻沉降控制在允許范圍內(nèi)。（2）地基在不同的加荷應(yīng)力路徑下變形不同，原則上選擇一個(gè)加荷標(biāo)準(zhǔn)，配合一定傾斜治理措施，可以滿足圓筒傾斜控制的質(zhì)量要求，但不可一味加大一次加載的厚度，而不考慮地基的抗剪穩(wěn)定性。（3）通過理論計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的方法，獲取不同加載工況下地基不均勻沉降的發(fā)展特點(diǎn)，可為本工程的后續(xù)施工及類似工程施工的圓筒傾斜控制及治理提供指導(dǎo)。

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