張永濤，唐 炫，楊 釗

(中交二航局技術(shù)中心， 湖北 武漢 430040)

軟土主要是第四紀(jì)后期形成的海相、瀉湖相、三角洲相、湖沼相的黏性土沉積物或河流沉積物。它的特點(diǎn)是天然含水量大、有機(jī)質(zhì)含量多、壓縮性高、孔隙比大、滲透性差、承載能力低，廣泛分布于我國東南部沿海和部分內(nèi)地地區(qū)[1,2]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平的提高，在工程建設(shè)過程中不斷涉及到軟土地基加固。根據(jù)軟土的性質(zhì)和空間分布，一般可通過塑料排水板堆載預(yù)壓、砂樁振沖擠密、強(qiáng)夯置換、拋石擠淤[3]等方法進(jìn)行加固處理。

與其他加固方法相比，拋石擠淤法施工方便快捷、工藝簡單、不用抽水、不用挖淤、施工迅速，特別適用于軟弱地基表面存在大量積水無法排除，大型施工機(jī)械無法進(jìn)入的區(qū)域。對施工區(qū)域附近石料豐富，運(yùn)輸距離較短的情況，采用拋石擠淤法進(jìn)行軟基處理，可以有效節(jié)約施工成本，縮短工期。正是由于這些特點(diǎn)，拋石擠淤法在沿海地區(qū)的地基加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

對于拋石擠淤法的有效擠淤深度和適用范圍，有的學(xué)者認(rèn)為，拋石擠淤法一般適用于厚度不超過4 m，且表層硬殼被挖除的具有觸變性流塑狀的飽和淤泥或淤泥質(zhì)土處理，對于5 m以上的深厚淤泥或淤泥質(zhì)土則還需輔以爆破或強(qiáng)夯措施[4]。有的學(xué)者則認(rèn)為，拋石擠淤主要適用于厚度在10 m以內(nèi)，流動(dòng)性大，基本無硬殼層的大面積流塑狀淤泥的地基處理，當(dāng)淤泥厚度大于10 m時(shí)，可在拋石擠淤的基礎(chǔ)上進(jìn)行振動(dòng)擠淤、強(qiáng)夯擠淤和爆破擠淤[5]。有的學(xué)者則指出，拋石擠淤處理厚度跟淤泥的狀態(tài)有直接的聯(lián)系，一般來說，淤泥為流塑狀時(shí)，拋石擠淤的處理厚度不大于15 m[6]。而在JTS 147-1-2010《港口工程地基規(guī)范》中第8.1.1條明文規(guī)定，拋石擠淤法適用于厚度小于5 m的淤泥或流泥的情況。然而在實(shí)際工程中，有的地區(qū)采用拋石擠淤法施工，其擠淤厚度已經(jīng)達(dá)到了10 m以上，例如位于威海境內(nèi)的文登港工程的有效擠淤深度已經(jīng)超過10 m。

由上可知，在實(shí)際工程中，拋石擠淤法能夠到達(dá)的有效擠淤深度存在差異。而確定有效擠淤深度，決定著在地基加固施工過程中，拋石擠淤是否還需結(jié)合其他加固方法進(jìn)行聯(lián)合施工，這對降低施工成本，縮短施工工期，提高生產(chǎn)效率有著重要意義。本文以海陽港圍海造地工程為背景，對拋石擠淤法加固地基的有效擠淤深度進(jìn)行分析。

1 拋石擠淤原理

淤泥質(zhì)軟土的含水量大、孔隙比大、強(qiáng)度低，又為高靈敏土。這種土體具有明顯的觸變性，一旦受到擾動(dòng)，淤泥結(jié)構(gòu)從絮凝結(jié)構(gòu)(膠粒凝聚)變成某種程度的分散結(jié)構(gòu)(膠溶現(xiàn)象)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇降低，這為施工中采用拋石擠淤方法，使土石填筑體直接擠開淤泥，沉至淤泥中形成人工置換地基，提供了有利條件[7]。

在這種土體中進(jìn)行拋填施工，土石填筑體產(chǎn)生的壓力(包括大型車輛、施工機(jī)械行走的工作壓力)，會(huì)使得淤泥產(chǎn)生整體剪切破壞，填筑體兩側(cè)的淤泥會(huì)向上翻涌、隆起，并在淤泥中產(chǎn)生連續(xù)的滑動(dòng)面。于是，土石填筑體便擠開淤泥，不斷座滑下沉至淤泥內(nèi)一定深度，達(dá)到新的極限平衡狀態(tài)，產(chǎn)生壓載擠淤效果。

對于淤泥面，當(dāng)拋石瞬間擠入淤泥時(shí)，淤泥會(huì)受到剪切破壞，隨著拋石體下方的淤泥被擠出，拋石體兩側(cè)的淤泥就會(huì)壅起，而且兩側(cè)壅起部分的截面積之和應(yīng)等于擠入淤泥中拋石體的截面積[5]。在拋石體坡腳處，壅起的淤泥會(huì)在自身重力作用下逐漸回壅，達(dá)到平衡。

靜置后，被擠淤泥土體中的超孔隙水壓力逐漸排出，有效應(yīng)力逐漸增大，淤泥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，承載力逐漸加大，填筑體日趨成為懸浮于淤泥中或著底的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。壓載擠淤后形成的填筑體，在施工期可以作為施工道路及工作平臺，運(yùn)營期又是可靠的構(gòu)筑物。

拋石擠淤法地基處理就是基于以上原理，通過向流塑狀高靈敏度淤泥質(zhì)土表面大量集中拋填土石方料，依靠填筑體的自重和施工機(jī)械的工作壓力，將淤泥強(qiáng)行擠出基底范圍并占據(jù)其位置，達(dá)到強(qiáng)制置換淤泥質(zhì)軟土的目的，以此來提高地基承載力，減小沉降量、提高土體的穩(wěn)定性。

2 工程概況

海陽港防波堤工程位于山東省煙臺市境內(nèi)，其中防波堤工程東側(cè)北起疏港路，是煙臺港海陽港區(qū)的起步建設(shè)工程。防波堤設(shè)計(jì)全長8719 m，走向0°～180°，頂面高程為5.1 m，填方邊坡坡率為1∶1.5，行車道寬7.5 m。堤身外側(cè)護(hù)坡采用拋石斜坡堤，護(hù)面采用大塊石或扭王字塊體。

防波堤所在區(qū)域海底地勢相對平緩，總體呈西北高，東南低。地面標(biāo)高最大值4.10 m，最小值-9.58 m，地表相對高差13.68 m。設(shè)計(jì)高水位為3.88 m，設(shè)計(jì)低水位為0.40 m，極端高水位為5.02 m，極端低水位為-0.71 m。

場地所處地貌單元類型為濱海地貌，場區(qū)勘察深度內(nèi)巖土層為：①淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(Q4m)；②粉細(xì)砂(Q4m)；③粉質(zhì)粘土(Q4apl)；③-1粉細(xì)砂(Q4apl)；③-2中粗砂(Q4apl)；④粉質(zhì)粘土(Q4apl)；④-1中粗砂(Q4apl)；⑤砂巖(K1s)；⑥頁巖(K1s)。

根據(jù)地勘資料的分析得出，①層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為需要置換加固的軟弱土體，②層粉細(xì)砂層可作為持力層，①層土體沿防波堤沿線分布的深度從1～6 m之間變化。

設(shè)計(jì)原方案為將防波堤底部的①層土體全部挖除，換填石塊進(jìn)行防波堤堤身施工，然而這種方法的土方開挖回填量巨大，后經(jīng)設(shè)計(jì)同意采用拋石擠淤工藝施工。

3 有效擠淤深度分析方法

根據(jù)拋石擠淤原理可知，防波堤拋石擠淤的過程可以認(rèn)為是在重力荷載作用下，坡腳處淤泥不斷發(fā)生滑動(dòng)的結(jié)果。假定在一定重力荷載作用下，坡腳進(jìn)入淤泥層一定深度，由于淤泥層的反壓作用，防波堤堤頭坡腳保持穩(wěn)定。當(dāng)防波堤繼續(xù)推填，堤身重力荷載增大，淤泥層的反壓作用不足以抵抗坡腳滑動(dòng)，則會(huì)在坡腳發(fā)生小范圍的滑動(dòng)，坡腳以下淤泥即被擠出，堤心石將置換坡腳淤泥，使得擠淤厚度增加。如此反復(fù)，直到防波堤推填到設(shè)計(jì)標(biāo)高，此時(shí)根據(jù)坡腳所處標(biāo)高以及淤泥面頂標(biāo)高，即可確定防波堤的有效擠淤厚度。由此可知，防波堤有效擠淤厚度可以采用邊坡滑動(dòng)分析來確定，防波堤拋石擠淤的全過程可以認(rèn)為是坡腳的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)過程。

目前邊坡穩(wěn)定性分析方法有很多，常用的方法有極限平衡分析法和有限元強(qiáng)度折減法兩種。極限平衡分析法，需要事先假設(shè)邊坡土體滑移面的位置，從而確定邊坡滑移體進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果會(huì)因?yàn)閭€(gè)人的經(jīng)驗(yàn)判斷不同而出現(xiàn)偏差，無法得到相對準(zhǔn)確的分析判斷。而有限元強(qiáng)度折減法無需事先假定滑動(dòng)面的形狀和位置，只需通過不斷降低巖土體的強(qiáng)度參數(shù)，從而使邊坡巖土體因抗剪強(qiáng)度不能抵抗剪切應(yīng)力而發(fā)生破壞，并得到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及相應(yīng)的安全系數(shù)。

強(qiáng)度折減法的基本原理[8]是將邊坡巖土體的物理力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ)均除以折減率Fs得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力ccr和內(nèi)摩擦角φcr，如下式所示：

(1)

(2)

式中，F(xiàn)s為強(qiáng)度折減系數(shù)；c，φ為土體實(shí)際的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；ccr和φcr為土體折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

將此強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)作為新的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算，隨著逐次迭代計(jì)算，直到土坡在外載荷或者自重作用下失穩(wěn)破壞，塑性區(qū)貫穿整個(gè)土坡而形成一滑裂帶，整個(gè)土坡將沿該滑裂帶滑動(dòng)，從而使滑裂帶以上的土體成為可動(dòng)機(jī)構(gòu)，此時(shí)有限元計(jì)算不收斂而終止計(jì)算。至有限元計(jì)算不收斂為止，該階段的最大強(qiáng)度折減系數(shù)即可作為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

在對拋石擠淤有效擠淤深度進(jìn)行分析時(shí)，由于只關(guān)心拋石體在軟土中形成的滑移面的入土深度，即滑裂帶塑性區(qū)的分布區(qū)域，因此采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行防波堤邊坡的穩(wěn)定分析，根據(jù)土體塑性區(qū)的分布即可確定有效的擠淤深度。

4 有限元模型計(jì)算分析

采用Midas-GTS有限元軟件中的邊坡穩(wěn)定分析模塊，使用強(qiáng)度折減法對防波堤拋石堤頭區(qū)域進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。

4.1 模型的建立

結(jié)合背景工程的實(shí)際情況和土體及拋石體的物理力學(xué)參數(shù)，建立模擬拋石體的二維有限元模型。取淤泥厚度為8 m，計(jì)算模型如圖1所示，對相同淤泥厚度情況下的不同入土深度的防波堤進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，根據(jù)邊坡破壞時(shí)的滑移面塑性區(qū)分布范圍，可以確定拋石擠淤施工過程中防波堤堤頭拋石的有效擠淤厚度。

圖1 計(jì)算模型示意

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)堤頭不同入土深度的有限元模型計(jì)算結(jié)果，可以得到如下圖所示的防波堤邊坡堤頭填筑時(shí)的土體塑性區(qū)分布，見圖2～5。

圖2 入土深度為4 m時(shí)的滑移面塑性區(qū)分布

圖3 入土深度為5 m時(shí)的滑移面塑性區(qū)分布

圖4 入土深度為6 m時(shí)的滑移面塑性區(qū)分布

圖5 入土深度為7 m時(shí)的滑移面塑性區(qū)分布

由以上計(jì)算結(jié)果可以得出，當(dāng)淤泥質(zhì)軟土層厚度為8 m，堤頭的入土深度為4 m、5 m、6 m的時(shí)候，堤頭邊坡滑移破壞時(shí)的塑性變形區(qū)均到達(dá)淤泥層底部，也就是說，此時(shí)拋填石塊完全可以在自重作用下，逐漸將表層淤泥擠開，達(dá)到置換的目的；而當(dāng)?shù)填^的入土深度為7 m時(shí)，堤頭邊坡滑移破壞形成的塑性變形區(qū)只發(fā)生在淺層的淤泥層中，而無法到達(dá)淤泥層底面，也就是說拋填石塊已無法擠入這個(gè)深度。

由此，可以認(rèn)為在海陽港防波堤拋石擠淤施工過程中，堤頭拋填擠淤的有效厚度可以達(dá)到6 m。在施工中只要確保施工質(zhì)量，采用合理的施工工藝流程，防波堤堤頭的填筑體是可以深入到6 m的淤泥層底部，達(dá)到完全置換淤泥的施工效果，而無需再結(jié)合強(qiáng)夯或爆破的方式進(jìn)行地基加固處理。

4.3 實(shí)測對比分析

為了檢驗(yàn)拋石擠淤法防波堤施工的擠淤效果和地基處理的質(zhì)量，確保大堤安全，同時(shí)檢驗(yàn)有限元數(shù)值分析得出的有效擠淤深度結(jié)論，施工方在淤泥層6 m深度范圍內(nèi)，分別在已完成拋填施工的防波堤外側(cè)的20.5 m、22.8 m、28.6 m距離處進(jìn)行了地質(zhì)鉆孔取樣。根據(jù)鉆孔取樣分析，可以得出拋石擠淤施工后拋填石塊與淤泥地層分布的情況如下圖所示。

圖6 拋填石塊成堤斷面與淤泥層分布示意圖

由示意圖可以看出，拋填石塊擠入淤泥地層，淤泥面以下拋填石塊填筑體大致呈倒梯形，填筑體內(nèi)部均為拋填石塊，表層淤泥已被完全擠開，填筑體的底部與持力層間分布一層約0.2 m厚度的泥石混合層透鏡體，大堤坡腳處淤泥有一定范圍的壅起。由此可以認(rèn)為拋石擠淤法的有效擠淤深度已經(jīng)達(dá)到6 m淤泥層的底部，這些都與數(shù)值計(jì)算分析得出擠淤深度結(jié)論相符。

5 結(jié) 語

根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算分析，結(jié)合海陽港防波堤施工過程實(shí)際，可以得出以下結(jié)論：

(1)在優(yōu)化施工工藝和確保拋填石塊施工質(zhì)量的條件下，海陽港防波堤工程的拋填擠淤置換深度可以到6 m；

(2)從海陽港防波堤拋填施工的工程實(shí)際得出的結(jié)論，驗(yàn)證了采用有限元數(shù)值計(jì)算進(jìn)行拋石擠淤法的擠淤置換深度分析是可行的；

(3)前海陽港防波堤已經(jīng)完成一期建設(shè)，正在進(jìn)行后續(xù)扭王字塊的安裝施工，大堤整體穩(wěn)定，邊坡未發(fā)生坍塌現(xiàn)象。但以本背景工程地質(zhì)條件得出的以上結(jié)論是否可以在所有工程中得到適用，有待進(jìn)一步的研究分析。

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