許小龍， 占鑫杰， 楊守華， 朱群峰， 周彥章， 黃宙晟

（南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，南京 210029）

作為港區(qū)建設(shè)的骨干工程，防波堤具有抵御風(fēng)浪營造優(yōu)良的港內(nèi)水域環(huán)境、阻擋泥沙減輕回淤等功能［1-3］.由于其深入海域，軟土層深厚，地基條件復(fù)雜，防波堤施工過程地基常會出現(xiàn)沉降不均勻、沉降速率過快、水平位移較大等問題［4-9］. 同時過快的加荷速率不僅危及施工過程中堤身的安全與穩(wěn)定，而且會削弱地基土的強度. 婁炎等在浙江舟山北馬寺海堤與福建莆田海堤工程中發(fā)現(xiàn)，填筑速度過快時，后期十字板試驗檢出地基土強度降低約10%［10-11］. 建立準(zhǔn)確、完善的原位動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能及時了解地基狀況，發(fā)現(xiàn)險情，正確指導(dǎo)施工，排除上述隱患. 譬如浙江慈溪市杜湖水庫壩體填筑過程，由于施工過快，沉降，水平位移，孔隙水壓力驟增，局部出現(xiàn)剪切破壞，相關(guān)單位根據(jù)監(jiān)測資料及時停止填筑，依靠砂井良好排水能力降低孔壓，阻止了事故的發(fā)生［12］.

本文按照設(shè)計要求的監(jiān)測斷面埋設(shè)儀器，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對防波堤施工過程進行監(jiān)控，了解堤身下地基的加固效果；根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料合理控制加荷強度與加荷速率，推求地基固結(jié)度、最終沉降量、工后沉降，為驗證設(shè)計提供依據(jù)，并為后續(xù)類似工程提供第一手資料.

1 工程概述

1.1 工程概況

防波堤工程位于我國黃海海州灣西南岸、云臺山北麓、東西連島南側(cè)，處于我國沿海岸線的中部. 防波堤工程以連云港市為依托，北距青島港107海里、大連港342海里，南至上海港383海里、基隆港702海里. 屬于海相沉積地貌類型，為大陸架海洋邊緣地貌，同時總體地貌類型為近岸淤泥質(zhì)淺灘地.

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，防波堤擬建區(qū)域場地地基自上而下分別是灰色淤泥（I）、粉質(zhì)黏土（II）、砂質(zhì)粉土（II2）、粉砂（II3）. 灰色淤泥層構(gòu)成了擬建防波堤區(qū)域的表部土層，為高含水率、高壓縮性、高觸變性、低強度的靈敏軟土，工程地質(zhì)性質(zhì)極差，為擬建工程區(qū)的不良地基土層. 地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，地基主要壓縮層為灰色淤泥，天然含水率大于液限，不排水抗剪強度為15 kPa，是一種典型的海相沉積結(jié)構(gòu)性軟土.

表1 防波堤地基土層的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indices of soil

1.3 防波堤結(jié)構(gòu)

防波堤堤身結(jié)構(gòu)采用的是玻纖土工布加筋混合堤的斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤身外側(cè)護面采用3 t或6 t扭王字塊體，內(nèi)坡采用2 t四腳空心塊體；堤心結(jié)構(gòu)以高程-1～0 m為界，以下為袋裝砂結(jié)構(gòu)，分級分層拋填，以上為10～200 kg塊石分級陸拋. 袋裝砂被之間設(shè)置土工布加筋層3道. 地基處理采用塑料排水板+袋裝砂被預(yù)壓方案；塑料排水板采用正方形布置，間距為1 m［13］.

2 現(xiàn)場監(jiān)測及檢測

2.1 監(jiān)測及檢測項目

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，選擇具有代表性的斷面進行原位監(jiān)測. 監(jiān)測項目包括地表沉降、分層沉降、孔隙水壓力、深層水平位移、邊樁位移等. 地表沉降用于監(jiān)測防波堤堤身以下天然泥面沉降量，推算沉降速率，可實時控制堤身施工加載速率，反映地基固結(jié)情況. 分層沉降用于監(jiān)測防波堤地基不同深度各磁環(huán)的沉降量，確定各土層的沉降和沉降速率，進而分析地基各土層的固結(jié)情況. 邊樁用于監(jiān)測防波堤內(nèi)海側(cè)、外海側(cè)平臺外緣處位置和標(biāo)高的變化來控制施工速率，及時反映堤身穩(wěn)定性情況. 孔隙水壓力用于監(jiān)測排水板范圍內(nèi)不同深度淤泥地基在堤身荷載作用下的超靜孔壓消散規(guī)律，及時了解土體的固結(jié)狀態(tài)與有效應(yīng)力發(fā)展過程，動態(tài)指導(dǎo)和控制施工. 深層水平位移用于監(jiān)測防波堤外海側(cè)、內(nèi)海側(cè)坡腳軟弱地基在堤身填筑過程中的水平位移，分析地基的位移速率.

檢測項目包括取土室內(nèi)試驗. 在防波堤地基加固前后，在現(xiàn)場不超過5 m的位置按照規(guī)范鉆孔取原狀土樣，進行室內(nèi)試驗，對比加固前后土性指標(biāo). 綜合監(jiān)測和檢測結(jié)果，可評估防波堤地基的加固效果.

2.2 監(jiān)測儀器布置

典型斷面監(jiān)測儀器布置如圖1所示. 每個斷面分別在堤中、外海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺、內(nèi)海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺布置地表沉降標(biāo)、孔壓計和分層沉降環(huán)，同時在外海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺、內(nèi)海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺布置邊樁與測斜管.

圖1 典型斷面監(jiān)測儀器布置Fig.1 Typical section monitoring instrument layout

2.3 監(jiān)測方法

地表沉降采用水準(zhǔn)測量法（高程監(jiān)測法），通過設(shè)置沉降標(biāo)進行監(jiān)測；現(xiàn)場地基土體分層沉降通過電磁式沉降儀、沉降管、沉降環(huán)進行監(jiān)測，根據(jù)各感應(yīng)環(huán)高程的變化，求得地基不同土層在上部荷載作用下的沉降量. 孔隙水壓力采用鋼弦式孔隙水壓力計監(jiān)測；采用活動式測斜儀監(jiān)測土體深層水平位移，同時建立專門的GPS變形監(jiān)測控制網(wǎng)，采用GPS RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)對邊樁變形進行監(jiān)測［14］.

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 地表沉降

地表沉降過程曲線及沉降速率曲線如圖2、圖3所示. 從圖中可以看出，監(jiān)測歷時1219 d，地基最大沉降量為760 mm. 防波堤地基沉降在施工期內(nèi)發(fā)展較快，最大沉降速率為3.38 mm/d；施工期結(jié)束后沉降速率逐漸減緩，截止到2018年5月，地基的沉降速率約為0.1 mm/d. 在監(jiān)測期內(nèi)，防波堤地基沉降速率均控制在10 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

圖2 地表沉降過程曲線Fig.2 Curves of settlement-time

圖3 地表沉降速率過程曲線Fig.3 Curves of settlement rate-time

3.2 分層沉降

現(xiàn)場防波堤地基的分層沉降曲線如圖4 所示. 土體分層沉降由埋設(shè)在各個斷面不同深度的沉降環(huán)測得，在不同深度測得的沉降值即為此深度以下土體的壓縮量. 根據(jù)埋設(shè)記錄，分層沉降1號磁環(huán)在淤泥層以下，2～6號磁環(huán)在淤泥層中，1號（底環(huán)）和6號環(huán)（頂環(huán)）間的沉降即為灰色淤泥層的壓縮量.

圖4 分層沉降曲線Fig.4 Curves of layered settlement-time

由圖4可知，防波堤地基的分層沉降變化過程平穩(wěn)，未發(fā)生明顯突變；地基的分層沉降壓縮速率隨時間逐漸降低，呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性. 下臥層壓縮量為87 mm，淤泥層壓縮量為545 mm；淤泥層壓縮量占總沉降量的86%，下臥層壓縮量占總沉降量的14%，沉降量主要由淤泥層壓縮引起. 分層沉降的頂環(huán)埋置于地面以下一定深度，頂環(huán)沉降量小于實測地表沉降.

3.3 固結(jié)度推算

根據(jù)地基加固時觀測的防波堤斷面沉降過程曲線可以推算地基的最終沉降量，推算方法常采用指數(shù)曲線法（三點法）、Asaoka 法和雙曲線法［15-16］. 三點法計算簡單，但所得固結(jié)度較小［17-18］，為使計算結(jié)果合理可靠，全面利用觀測資料，減少監(jiān)測結(jié)果的任意性，本項目采用雙曲線法進行最終沉降量推算［19-20］. 雙曲線法假定荷載滿載后的沉降曲線符合雙曲線，則對應(yīng)有式（1）成立：

式中：t 為時間；S 為t 時刻的沉降量；t′=t-t0S′=S-S0a、b 為參數(shù)；t0與S0為時間起點和沉降曲線起點.當(dāng)t=∞時，可得出S′=b，進而根據(jù)（2）式可求得最終沉降量S∞.

從表2 中可以看出，防波堤監(jiān)測斷面的工后沉降為74 mm；監(jiān)測結(jié)束時地基的平均固結(jié)度達(dá)91%，地基加固效果明顯.

3.4 地表水平位移

現(xiàn)場運用GPS RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)對邊樁變形進行實時監(jiān)測，整理得到邊樁坐標(biāo)（X、Y）變化曲線如圖5所示.

表2 沉降、固結(jié)度分析匯總表Tab.2 Settlement and consolidation degree

圖5 防波堤地表水平位移變化曲線Fig.5 Curves of surface horizontal displacement-time

觀測期內(nèi)邊樁的累計位移為120 mm，施工期內(nèi)位移變化較大，后期趨勢減緩. 由于受施工環(huán)境和GPS RTK 精度的影響，邊樁水平位移變化規(guī)律相對較差，實測邊樁的位移值的可靠性也較差. 在類似工程中不宜設(shè)置邊樁來監(jiān)測地表水平位移.

3.5 深層水平位移

圖6 深層水平位移變化過程曲線Fig.6 Curves of horizontal displacement-time

典型斷面的深層水平位移變化曲線如圖6所示，地基的最大水平位移為76 mm，土體最大深層水平位移在深度為5～14 m范圍的淤泥層中，符合該防波堤工程地質(zhì)條件的特點. 在施工填筑期，防波堤地基的深層水平位移及位移速率較大；填筑到堤頂后，地基土體的深層水平位移逐漸趨于穩(wěn)定. 最大水平位移速率小于5 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍.

3.6 孔隙水壓力

防波堤地基中孔隙水壓力變化過程曲線如圖7所示. 從圖中可知，防波堤地基中總的孔壓值在填筑期間上升，加載結(jié)束后孔壓值開始緩慢消散，呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性. 堤身填筑強度大時，地基中孔壓上升較快，孔隙水壓力變化過程平穩(wěn)，未發(fā)生明顯突變.

圖7 防波堤地基中孔隙水壓力變化過程曲線Fig.7 Curves of pore pressure-time

4 地基加固效果檢測

通過取樣室內(nèi)試驗，對比防波堤建設(shè)前后土的物理力學(xué)特性的變化情況，可對地基加固效果做出準(zhǔn)確直觀的判斷［21］.

防波堤加固前后土體的物理力學(xué)性質(zhì)對比如表3所示，土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)指標(biāo)均明顯降低；同時密度、壓縮模量、無側(cè)限抗壓強度等都得到不同程度的增強，防波堤建設(shè)后地基土體指標(biāo)得到了不同程度的改善.

表3 防波堤施工前后土體物理力學(xué)性質(zhì)對比Tab.3 Basic parameters of soil before and after construction

5 結(jié)論

本文結(jié)合某淤泥質(zhì)海岸防波堤工程在相應(yīng)斷面埋置監(jiān)測儀器，對施工過程中沉降、水平位移、孔隙水壓力，及工后的穩(wěn)定性、變形、加固效果進行現(xiàn)場監(jiān)測與檢測，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論.

1）防波堤地基最大沉降量均發(fā)生在堤頂前沿線位置；截止到交工驗收，監(jiān)測斷面堤頂前沿線處地基最大沉降為760 mm；防波堤地基沉降在施工期發(fā)展較快，最大沉降速率為3.38 mm/d；施工期結(jié)束后沉降速率逐漸減緩. 在監(jiān)測期內(nèi)，防波堤地基沉降速率在10 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

2）防波堤地基沉降主要由淤泥層的壓縮引起，淤泥層壓縮量占地基總沉降量的86%左右，下臥層的壓縮量占總沉降量的14%左右，防波堤分層沉降變化過程平穩(wěn)，未發(fā)生明顯突變.

3）在施工期，防波堤地基土體的深層水平位移發(fā)展較快，填筑至堤頂后地基土體的水平位移逐漸趨于穩(wěn)定. 監(jiān)測斷面地基的最大水平位移為76 mm，最大水平位移速率小于5 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍.

4）西防波堤建設(shè)后，淤泥地基的密度、壓縮模量、無側(cè)限抗壓強度等都得到不同程度的增強，土性指標(biāo)得到了不同程度的改善.

5）塑料排水板+袋裝砂被處理防波堤地基，解決了防波堤施工期內(nèi)地基失穩(wěn)的難題. 埋置于淤泥層中的塑料排水板對超靜孔壓的消散有促進作用，地基強度得到明顯提高，使防波堤填筑能夠安全穩(wěn)定開展.