淡松敏

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

深厚軟土地基圍堰設(shè)計(jì)及計(jì)算研究

淡松敏

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

對(duì)于基坑有干地施工要求的出?？陂T建筑物，須在外側(cè)填筑施工臨時(shí)圍堰。建筑物外側(cè)臨海，地基表層多為淤泥，土體物理力學(xué)性質(zhì)差。對(duì)于深厚淤泥層堰基，如果不采用地基加固措施，圍堰極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，采用地基加固措施費(fèi)用較昂貴，施工較復(fù)雜，施工期較長(zhǎng)，就臨時(shí)建筑物而言投資代價(jià)偏大。基于此，本文以廣東某城市出海涵洞外海側(cè)圍堰設(shè)計(jì)為例，探討深厚淤泥地基圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算方法，為類似工程提供參考。

深厚軟土地基；施工圍堰；穩(wěn)定計(jì)算；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我國(guó)沿海地區(qū)軟土地基分布較廣，江（河）堤、海堤等設(shè)計(jì)不當(dāng)易產(chǎn)生整體失穩(wěn)和較大的沉降，因此應(yīng)先對(duì)堤基進(jìn)行分析，驗(yàn)算其穩(wěn)定性和沉降變形，當(dāng)其不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)還應(yīng)對(duì)堤基進(jìn)行加固處理。

相對(duì)于江（河）堤、海堤等，軟土地基上修建施工臨時(shí)圍堰亦須注意其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和沉降問(wèn)題，以免造成失穩(wěn)破壞或者沉降過(guò)大導(dǎo)致堰身過(guò)水淹沒(méi)基坑。

海上施工臨時(shí)圍堰，因其堰基常為表層淤泥或者深厚淤泥層，其物理力學(xué)指標(biāo)差，極易造成圍堰失穩(wěn)破壞和產(chǎn)生較大沉降，故圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。作為施工臨時(shí)建筑物，如果對(duì)堰基進(jìn)行處理，采取水泥土換填、預(yù)壓堆載、排水固結(jié)法等地基加固措施，在一定程度上能夠解決堰基軟弱問(wèn)題，但其對(duì)工期影響大，增加工程造價(jià)，實(shí)施較為繁瑣，對(duì)于施工臨時(shí)建筑物來(lái)講性價(jià)比較低。因此對(duì)深厚淤泥地基圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法等進(jìn)行合理研究，對(duì)沿海地區(qū)圍海造地、新建海堤及出海建筑物的建設(shè)均有十分重要的參考意義。本文即以某沿海城市防洪工程為例，探討研究深厚淤泥地基圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算的方法。

1　工程概況

廣東某城市防洪工程新建匯水出海涵洞，為1級(jí)水工建筑物。涵洞位于現(xiàn)有海堤位置，主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，需要開(kāi)挖現(xiàn)有大堤建設(shè)基坑，創(chuàng)造干地施工條件，堤內(nèi)側(cè)為干地開(kāi)挖，堤外側(cè)為臨海側(cè)，需修筑圍堰擋水。由于堤外側(cè)圍堰需在深厚淤泥地基上填筑，堰基淤泥含水率高，物理力學(xué)指標(biāo)差，自然呈流塑狀態(tài)，其地基承載力不高，容易產(chǎn)生不均勻沉降，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算問(wèn)題成為該工程的施工設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2　地形地質(zhì)條件

工程區(qū)屬海相地質(zhì)結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地構(gòu)造基本穩(wěn)定。擬建涵洞在勘探深度范圍內(nèi)分布的地層有：人工填積層、第四系湖塘相淤積層、第四系海相沉積層、第四系海陸交互相沉積層、殘積層和燕山期侵入花崗巖層，具體土層有：雜填土、素填土；淤泥；軟土；粉質(zhì)粘土、中粗砂；礫質(zhì)粘性土；全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

擬建涵洞外海側(cè)圍堰處分布的地層為：1）第四系海相沉積層，淤泥呈流塑狀態(tài)，含水率高，均值達(dá)到71.8%，層厚約19m。滲透系數(shù)為10～6cm/s，堰基滲透量較小。2）中粗砂，稍密～中密狀態(tài)。3）全風(fēng)化花崗巖。圍堰地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3　圍堰設(shè)計(jì)研究

該工程圍堰為4級(jí)臨時(shí)建筑物，外海側(cè)圍堰設(shè)計(jì)水位采用全年10年一遇高潮位2.55m，圍堰設(shè)計(jì)高程＝設(shè)計(jì)水位+波浪爬高+安全加高，由于地基軟弱等原因，堤身高度難以達(dá)到要求，故根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則（試行）》相關(guān)規(guī)定，圍堰頂高程采用允許越浪量控制，經(jīng)計(jì)算，越浪量為0.0093m3/（s·m），小于允許越浪量0.02m3/（s·m），故圍堰頂高程確定為4.1m。為減少堰體材料施工過(guò)程中產(chǎn)生不均勻沉降，增加圍堰主體的整體性，該工程圍堰考慮采用充泥管袋圍堰型式。

表1　土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

充泥管袋頂高程取3.1m，上部迎水側(cè)設(shè)置寬1m、高1m的袋裝土子堰。充泥管袋采用150g/m2防老化編織布，圍堰頂寬5m，迎水側(cè)坡比1∶2.5，背水側(cè)坡比1∶3；迎水面依次鋪設(shè)防滲土工膜一層、150mm袋裝碎石一層及350 mm厚灌砌塊石一層，堰腳設(shè)置拋石護(hù)腳，基坑側(cè)設(shè)置吹填砂反壓護(hù)道，坡比1∶3。圍堰斷面型式見(jiàn)圖1。

該工程堰基以淤泥為主，其地基承載力不高，不均勻沉降量大，圍堰填筑前考慮在堰基泥面先鋪設(shè)一層砂肋軟體排，然后進(jìn)行充泥管袋圍堰的施工，可減少因承載力不足引起的圍堰沉陷問(wèn)題。

圍堰堰基淤泥層滲透系數(shù)為10-6cm/s，堰基滲透量較小，為減少充泥管袋圍堰堰身滲流量，圍堰迎水側(cè)采用鋪設(shè)一層防滲土工膜處理。

不考慮砂肋軟體排的作用，計(jì)算出堰基沉降量為1 m。圍堰外海側(cè)邊坡穩(wěn)定施工期考慮了兩種工況分別進(jìn)行計(jì)算：1）基坑側(cè)年最高潮位2.15m，外海側(cè)多年平均低潮位-0.03m；2）外海側(cè)由全年10年一遇高潮位驟降至多年平均低潮位-0.03m。以上兩種工況均不考慮地震影響，須考慮圍堰頂部人行荷載。為增加圍堰的整體穩(wěn)定要求，在圍堰外海側(cè)設(shè)置了20m寬的拋石護(hù)腳。復(fù)合堰體材料物理力學(xué)指標(biāo)取值見(jiàn)表2。

4　圍堰穩(wěn)定計(jì)算方法研究

目前通用的軟土地基穩(wěn)定計(jì)算的方法主要包括塑流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定分析，工程中抗滑穩(wěn)定主要運(yùn)用極限平衡法中的瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法。

表2　復(fù)合堰體材料物理力學(xué)指標(biāo)表

軟土地基土體主要破壞形式為滑動(dòng)破壞和塑性流動(dòng)破壞，不同的計(jì)算方法其破壞假設(shè)是不同的：極限平衡法是基于土體滑動(dòng)破壞的假設(shè)，塑流穩(wěn)定分析方法基于土體發(fā)生塑性流動(dòng)破壞的假設(shè)。對(duì)于含水率極高的深厚淤泥堰基，若淤泥層本身就處于流塑狀態(tài)，理論上無(wú)法進(jìn)行塑流穩(wěn)定計(jì)算。工程實(shí)踐認(rèn)為土堤圓弧滑動(dòng)法的計(jì)算結(jié)果基本能反映實(shí)際情況，并能保證工程安全，故該工程考慮采用圓弧法進(jìn)行計(jì)算。

圓弧法包括瑞典圓弧法和畢肖普條分法，瑞典圓弧法沒(méi)有考慮土條間相互作用力，當(dāng)孔隙水壓力較大、地基軟弱及滑弧圓心角較大時(shí)誤差偏大。

根據(jù)該工程堰基淤泥的層厚及物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)可判斷，若堰體出現(xiàn)滑動(dòng)破壞必定是大滑弧深層滑動(dòng)，類似工程在計(jì)算時(shí)往往安全系數(shù)不能達(dá)到規(guī)范要求但實(shí)際施工卻能達(dá)到穩(wěn)定，為了減小計(jì)算誤差，更反映土條間的客觀情況，選用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，簡(jiǎn)化畢肖普法公式：

式中：mai——第 i個(gè)條塊的計(jì)算系數(shù)，mai=cosai+——安全系數(shù)；ai——第i個(gè)條塊底部的傾角；Wi——第i個(gè)條塊的重量；ci——第i個(gè)條塊的粘聚力；bi——第i個(gè)條塊的長(zhǎng)度；ui——第i個(gè)條塊的孔隙水壓力；φi——第i個(gè)條塊的有效內(nèi)摩擦角。

圖1　圍堰斷面圖

5　土體計(jì)算力學(xué)指標(biāo)取值分析

該工程地質(zhì)勘察報(bào)告對(duì)堰基土給出了直剪快剪、固結(jié)快剪以及十字板剪切指標(biāo)。根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算圍堰穩(wěn)定一般考慮土體的直剪快剪指標(biāo)。對(duì)廣東地區(qū)工程，因淤泥呈流塑性、含水率高，按照廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則建議：對(duì)于含水率高的軟土地基，宜采用原位十字板剪切試驗(yàn)指標(biāo)作為計(jì)算指標(biāo)。

根據(jù)塑流穩(wěn)定計(jì)算方法，受剪土體臨界內(nèi)摩擦角大于土體內(nèi)摩擦角時(shí)，將出現(xiàn)塑性流動(dòng)破壞，該工程十字板剪切試驗(yàn)淤泥φ值為0，圍堰壓載后堰基受剪區(qū)域必將破壞，故運(yùn)用塑流穩(wěn)定無(wú)法計(jì)算。

綜上分析，本文采用土體十字板剪切試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)合反壓護(hù)道的長(zhǎng)度變化，對(duì)圍堰穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算。

6　圍堰穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果研究

計(jì)算工況：施工期內(nèi)，圍堰臨水側(cè)為外海側(cè)全年10年一遇高潮位2.55m，基坑內(nèi)側(cè)無(wú)水，不考慮地震影響、考慮圍堰頂部人行荷載，復(fù)核圍堰基坑側(cè)邊坡抗滑穩(wěn)定。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　圍堰計(jì)算結(jié)果匯總表

從以上計(jì)算結(jié)果分析可知：反壓護(hù)道長(zhǎng)度達(dá)到52m時(shí)，安全系數(shù)才大于允許值，但復(fù)合堰體體型過(guò)大。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，如果提高反壓平臺(tái)高度來(lái)滿足安全穩(wěn)定要求，反壓平臺(tái)自身也會(huì)出現(xiàn)滑移失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

由此表明盡管通過(guò)反壓護(hù)道的設(shè)置對(duì)圍堰穩(wěn)定存在有利的影響，但由于淤泥過(guò)厚，為達(dá)到計(jì)算穩(wěn)定所需要的反壓護(hù)道長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，圍堰斷面及工程量大，投資偏大，經(jīng)濟(jì)性不合理，因此需研究其他基礎(chǔ)處理措施的可能性。

7　加筋土工布運(yùn)用及計(jì)算

反壓護(hù)道過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致基坑難布置，工程量大，為了減少護(hù)道長(zhǎng)度和工程量，故考慮在圍堰基礎(chǔ)設(shè)置兩層通長(zhǎng)管袋，上下通長(zhǎng)管袋之間鋪設(shè)500kN/m加筋高強(qiáng)有紡?fù)凉げ家粚樱蕴岣呋A(chǔ)整體的穩(wěn)定性和承載力。加筋土工布的錨固長(zhǎng)度Le按下式計(jì)算：

式中：Ta——筋材的容許拉力，kN/m；FS——抗拔安全系數(shù)，采用1.5；fp1，fp2——土工織物上、下接觸面的摩擦系數(shù)；A——考慮錨固長(zhǎng)度的應(yīng)力非線性衰減系數(shù)，可采用0.6；p——土工織物上的垂直有效壓應(yīng)力，kPa。

根據(jù)堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范，按土工織物允許相對(duì)變形的8%時(shí)所提供的抗拉力作計(jì)算。

上述計(jì)算表明，通過(guò)加筋土工布的運(yùn)用，減小了反壓護(hù)道長(zhǎng)度，提高了圍堰邊坡的穩(wěn)定。

8　結(jié)　語(yǔ)

深厚淤泥地基上填筑海上施工臨時(shí)圍堰，圍堰型式選擇應(yīng)進(jìn)行合理的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，并結(jié)合實(shí)際地形地質(zhì)條件采取較簡(jiǎn)易的地基處理方式，使圍堰安全穩(wěn)定。

該工程通過(guò)：1）堰底鋪設(shè)土工布軟體排形成良好的表層排水面，加快堰基淤泥的排水固結(jié)，均化應(yīng)力分布從而提高地基承載力，減小沉降差；2）堰體采用充泥管袋加固土體，避免風(fēng)浪對(duì)施工期堰體的沖刷流失，提高堰身主體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度；3）設(shè)置反壓護(hù)道解決整體穩(wěn)定問(wèn)題，并通過(guò)高強(qiáng)有紡?fù)凉げ嫉募咏钭饔脺p少反壓護(hù)道的長(zhǎng)度，縮小斷面尺寸。

上述方法的實(shí)施有效地提高了圍堰的整體穩(wěn)定，可提供類似工程應(yīng)用作參考。

需要說(shuō)明的是，本文的穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程中未體現(xiàn)以下因素：1）充泥管袋通過(guò)編織袋張力約束土體，在計(jì)算參數(shù)選擇中，只考慮增加了土體的粘聚力，未考慮對(duì)土體摩擦角的增強(qiáng)；2）土工布軟體排的鋪設(shè)均化應(yīng)力分布，并形成了良好的表層排水面，有利于孔隙水壓力的消散，在圍堰的填筑過(guò)程中，由于受到壓載，淤泥堰基會(huì)產(chǎn)生一定的排水，從而增加土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。以上兩因素在計(jì)算中未有體現(xiàn)，可作為安全儲(chǔ)備，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

［1］中華人民共和國(guó)水利部.GB50286-2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014．

［2］中華人民共和國(guó)水利部.SL435-2008，海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2008．

［3］廣東省水利廳.DB44/T182-2004，廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則（試行）［S］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2004．

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2015-05-18