梁國錢,張超杰,俞炯奇

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

原位監(jiān)測是軟基堤壩工程技術(shù)的重要組成部分,它可以檢驗工程勘察資料的可靠性,驗證工程設(shè)計理論的正確性,提供施工對地基產(chǎn)生的影響性,觀察地基發(fā)生危害的可能性,為工程施工提供加載控制和工程事故發(fā)生的原因分析依據(jù),并為地區(qū)性工程經(jīng)驗的積累提供資料。因此,原位監(jiān)測的指導(dǎo)作用十分明顯,在軟土地基工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。本文以溫州淺灘靈霓海堤工程為例,分析施工過程中地表沉降、孔隙水壓力、水平位移、深層沉降的變化規(guī)律,并結(jié)合實測沉降資料,提出施工期沉降計算的經(jīng)驗公式[1].。

1 工程概況[2].

溫州淺灘北圍堤位于甌江口外,介于靈昆島和霓嶼島,在溫州市與洞頭縣之間,海堤全長14.5 km,堤頂高程5.8～6.3m,按50 a一遇防潮標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,堤頂?shù)缆穼?0.5m,雙車道,是目前國內(nèi)最長的跨海大堤。海堤地基原始地面高程-3.0～-1.0m,表層為新近沉積的流泥或浮泥,厚0.50～1.00m,工程地質(zhì)條件極差;其下40m以內(nèi)地基土主要為高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度的淤泥和淤泥質(zhì)土,是堤基沉降和穩(wěn)定的主要控制層,工程力學(xué)條件差,土層力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 靈霓海堤各土層的力學(xué)指標(biāo)表

由于地基各土層強(qiáng)度低,且堤的高度較大,超過了在軟土地基上筑堤的極限高度,地基需進(jìn)行固法處理。在多方案比較后,地基處理采用塑料板排水法、土工布加碎石墊層和高強(qiáng)度土工織物的復(fù)合加固法,排水板間距1.4～1.5m,梅花型布置,插入涂面以下20～22m,插板區(qū)寬度為77～83m。圖1為靈霓海堤典型斷面示意圖。

圖1 靈霓海堤典型斷面示意圖

2 原位監(jiān)測方案

為確保填筑過程中堤基的穩(wěn)定,掌握地基土在預(yù)壓期的變形規(guī)律,以及選擇合理的施工進(jìn)度,在施工過程中埋設(shè)了原位監(jiān)測儀器,監(jiān)測項目有地表沉降監(jiān)測、地基分層沉降監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、水位監(jiān)測、地基十字板強(qiáng)度監(jiān)測和地基孔隙水壓力監(jiān)測。圖2為N11+450m斷面原位監(jiān)測儀器布置示意圖。

圖2 N11+050 m原位觀測主控斷面圖

3 原位測試成果簡介[3-4].

3.1 地表沉降

加第1級荷載時,沉降速率都大于30mm/d,甚至超過100mm/d,但都衰減很快,通常第3天就小于30 mm/d,5～10 d后小于10mm/d,3個月后沉降速度逐步減小到1～2 mm/d,并一直維持在該速率附近。根據(jù)實測資料分析,在加前4、5級荷載時,瞬時沉降十分明顯,尤其是第1級荷載;加載后的沉降速率變化明顯,與加載厚度相關(guān),加載過大不僅使沉降速率異常增大,而且使其衰減也較為緩慢,如D9-1測點(N10+850m斷面軸部)加第2級前的沉降速率為3mm/d,當(dāng)?shù)?級加載了2.519m(按設(shè)計要求應(yīng)小于2.0m),地基雖未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,但最大沉降速率高達(dá)87mm/d,約12 d后才降至10mm/d以下;此外,采用薄層多次加載的施工工藝,減少一次集中加載值,可明顯減小瞬時沉降。據(jù)統(tǒng)計,施工期瞬時沉降占其總沉降量的25%～30%。

3.2 分層沉降

該工程軟土地基由多層不同性質(zhì)的軟黏土組成,通過地基分層沉降觀測,可以了解在荷載作用下,地基各層的壓縮量,判斷不同深度的固結(jié)程度。圖3為斷面軸部實測成果圖。分層沉降觀測成果表明,完工時沉降主要發(fā)生在插板區(qū),其發(fā)生的沉降約占總沉降量的72%,這說明排水板的加速固結(jié)沉降作用是顯著的。

圖3 N11+050 m斷面軸部地基土分層沉降沿深度變化曲線圖

3.3 側(cè)向位移

側(cè)向位移沿高程變化情況其加載后的變形規(guī)律如下:在加荷初期,地基土水平位移主要發(fā)生在插板區(qū),其中最大位移在-10m高程左右;隨著荷載的增加,尤其主堤身第3和第4級加載后,水平位移向深部發(fā)展;當(dāng)鎮(zhèn)壓層荷載基本填筑到設(shè)計高程后,只在堤中心填筑荷載時,水平位移的增加趨勢減小,說明鎮(zhèn)壓層起了較好的反壓作用。圖4為斷面南側(cè)側(cè)向位移的實測成果圖。

圖4 N11+050 m斷面南側(cè)鎮(zhèn)壓層地基土側(cè)向位移隨高程變化曲線圖

3.4 孔隙水壓力

由觀測成果可知,插板區(qū)的超靜孔壓消散明顯,說明排水板加速固結(jié)的作用很顯著。完工時地基的總平均固結(jié)度達(dá)80%以上,地基深部下臥區(qū)土層的孔壓亦出現(xiàn)緩慢的消散趨勢。加載期孔隙水壓力系數(shù) B一般為 0.3～0.5(-12.5m高程以下),處于正常范圍,B值是以各時期的超靜水壓(考慮消散,但不累加)除以荷載∑算得的。此外,孔壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,在停荷預(yù)壓期下臥層孔壓出現(xiàn)了增加現(xiàn)象,這是由于土骨架具有黏滯性,上部厚層黏土延滯了深部孔隙水壓力的消散,深部土體在單位時間內(nèi)因土骨架的應(yīng)力松弛作用而產(chǎn)生的孔壓升高量大于其消散量,從而造成孔隙水壓力升高。圖5為堤壩軸部地基土的孔壓隨時間變化圖。

圖5 N11+050 m斷面軸部地基土中超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線圖

3.5 十字板強(qiáng)度[5].

該工程在N11+050m斷面作了2組十字板強(qiáng)度試驗,其中一組在加載早期,另一組在加載后期,表2為該斷面海堤鎮(zhèn)壓層和軸線部位不同深度地基土強(qiáng)度的增長情況表,通過該表可得出以下結(jié)論:

(1)堤頂和鎮(zhèn)壓層位置排水板處理區(qū)的地基土強(qiáng)度都有明顯增長,其中堤頂位置地基土強(qiáng)度增長更顯著。從土層不同來看,排水板處理區(qū)淤泥與砂互層(Ⅲ1)的強(qiáng)度增加最為明顯。

(2)與排水板處理區(qū)相比,下臥層土體的強(qiáng)度雖有增長,但不明顯,說明排水板的加速固結(jié)作用十分顯著。

表2 海堤鎮(zhèn)壓層和軸線部位不同深度地基土強(qiáng)度的增長情況表

4 沉降預(yù)測

對于堤壩預(yù)留沉降的問題,因缺少地基土的詳細(xì)土工參數(shù)資料,目前,公認(rèn)的比較合理的沉降預(yù)測方法是基于現(xiàn)場實測沉降的曲線擬合法。本文基于傳統(tǒng)的指數(shù)曲線法,考慮到土體變形非線性特性和固結(jié)性質(zhì)隨荷載的變化,同時結(jié)合路堤分級施工特點,利用前級荷載下路堤沉降反映出來的系統(tǒng)變形特征,預(yù)測后面荷載下的沉降發(fā)展,由此建立了一個新的路堤分級填筑情況下的沉降預(yù)測模型。

由于沉降發(fā)展符合指數(shù)曲線假設(shè),第 i級荷載下的沉降擬合方程為:

式中:t0i為第i級荷載下沉降擬合曲線時間零點,d;S0i為第i級荷載下相應(yīng)于時刻的沉降,mm;Sli為第i級荷載下的最終沉降量,mm;αi、βi為第 i級荷載下的待定參數(shù)。

如果第 i級預(yù)壓期較長,則上述沉降擬合方程中Sli、αi和βi可根據(jù)該級實測沉降由指數(shù)曲線擬合法確定。通過研究各級荷載下αi和βi變化規(guī)律,可進(jìn)行第k級的沉降預(yù)測。圖6為N8+850 m斷面軸部測點根據(jù)該方法的實測沉降與預(yù)測沉降的對比圖。進(jìn)一步研究表明,上述預(yù)測沉降考慮了地基土固結(jié)性質(zhì)隨荷載的變化,可較好地預(yù)測施工期各級加荷沉降和一定時間范圍內(nèi)的工后沉降。

圖6 N8+850 m斷面軸部測點實測沉降與預(yù)測沉降圖

5 結(jié) 語

(1)現(xiàn)場監(jiān)測工作是整個工程的一個重要組成部分,在工程的實施過程中,通過原位監(jiān)測,可隨時掌握地基的變形及排水固結(jié)情況,確定加荷時間,控制加荷速率,動態(tài)指導(dǎo)工程施工。

(2)對深厚軟土地基的堆載排水預(yù)壓,必須嚴(yán)格控制加載速率。當(dāng)加載厚度過大,在地基中一定范圍的剪應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時,地基由以彈性變形為主進(jìn)入以塑性變形為主,這時,在總沉降量中,由地基土剪切變形而產(chǎn)生的沉降將顯著增大,如果再盲目加載,或出現(xiàn)潮位急退和施工交通荷載等不利因素的綜合作用的情況下,堤壩地基中的塑性區(qū)將繼續(xù)擴(kuò)大,則有可能發(fā)生地基的整體破壞。而且,即使地基不出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象,過大的剪切變形也會造成地基土結(jié)構(gòu)的破壞,這對堤壩的工后沉降控制十分不利。

(3)塑料排水板法適合該工程軟基處理,有效縮短地基土的排水距離,加快地基土的排水固結(jié),增加地基強(qiáng)度,降低分層加荷間歇期,加快施工進(jìn)度。

(4)下臥層深層軟土層的沉降量占總沉降的20%左右,主要以豎向排水為主,固結(jié)時間長,將引起較大的持續(xù)發(fā)展的工后沉降。設(shè)計應(yīng)采取措施,使地基的沉降大部分在施工期完成,以避免產(chǎn)生過大工后沉降及其給后續(xù)結(jié)構(gòu)工程帶來的一系列問題。

[1].沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設(shè)計 [J]..巖土工程學(xué)報,1998,20(1):100-111.

[2].J.K.米切爾.巖土工程土性分析原理 [M]..高國瑞,韓選江,張新華,譯.南京:南京工學(xué)院出版社,1988.

[3].Mesri G,Choi Y K.Settlement analysis of embackment on soft clays[J]..ASCE Journal of Geotechnical Engineering,1985(111):441-464.

[4].Tanvenas F, Leroueil S.The behavior of embankment on clay foundations[J]..Canadian Geotechnical Journal,1980(17):236-260.

[5].魏汝龍.軟黏土的強(qiáng)度和變形 [M]..北京:人民交通出版社,1987.