鐘志輝,張玉成,陳彩苑,姜 燕

(1.廣州市宏禹水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 511458；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；3.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

廣東珠三角地區(qū)軟土分布廣泛，尤其在珠江入海口范圍，主要為第四系海相沉積或海陸交互沉積形成的淤泥及淤泥質(zhì)土。該區(qū)域軟土層具有含水量高、承載力低、壓縮性高、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、抗滑穩(wěn)定性差等工程特性[1-2]。隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增加，軟土地基引起的工程問題越來越多。例如軟土中的基坑開挖和支護(hù)，往往很難滿足穩(wěn)定性要求或嵌固深度要求，基坑位移也較難控制[3]；又如軟土地基會(huì)發(fā)生工后沉降較大、地基不均勻沉降的問題，此類現(xiàn)象會(huì)引起地基上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾斜或開裂[4-6]。因此，在軟土地質(zhì)條件下修建工程，需要針對(duì)具體工程類型作出具體分析，并提出具有針對(duì)性的工程措施，提前預(yù)防或減少工程問題。

珠三角沿海城市修建了大量的海堤、河堤工程，其中很多修建在軟土地基上。這些堤防往往會(huì)因軟土地基承載力較低、沉降不均勻而出現(xiàn)各種工程問題。本文以廣州南沙區(qū)某海堤工程為例，通過計(jì)算分析說明軟土地基不均勻沉降對(duì)該海堤堤頂裂縫的影響，并給出相關(guān)的建議和處理措施，為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

2.1 海堤工程介紹

某海堤坐落在廣州南沙區(qū)，1期工程：堤身為漿砌石擋墻，堤基自上而下主要以素填土及軟土層組成，軟土以淤泥為主，軟土厚度約為10～15 m。

2期工程：2014—2018年，對(duì)舊堤進(jìn)行升級(jí)改造(如圖1所示)，在舊擋墻外側(cè)新建一塊混凝土擋墻，新舊擋墻之間通過鑿毛的方式銜接，并在舊堤上鋪設(shè)碎石墊層、C25板、干砌條石；新?lián)鯄η安捎脪伿靥钜苑乐沟棠_被沖刷。

圖1 2期工程的海堤典型剖面示意

2.2 海堤景觀提升工程

3期工程：為了提升海堤的整體景觀效果，2020年對(duì)海堤進(jìn)行生態(tài)景觀提升改造，景觀提升工程的典型設(shè)計(jì)如圖2所示，該工程擬在已建設(shè)的堤防外側(cè)進(jìn)行40～60 cm填土并種植生態(tài)植物，外圍采用生態(tài)袋進(jìn)行防護(hù)。2020年初按照設(shè)計(jì)方案在海堤局部進(jìn)行了生態(tài)景觀試驗(yàn)段(如圖3所示)。

圖2 海堤景觀提升工程典型設(shè)計(jì)示意

圖3 海堤景觀提升工程試驗(yàn)段示意

海堤景觀提升工程填土的運(yùn)土方案如下所述(現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖4所示)。

圖4 海堤景觀提升工程現(xiàn)場(chǎng)施工示意

1) 通過船只將土方量在預(yù)定的卸土點(diǎn)卸土，并且要做到卸土均勻。

2) 土方回填采用50 m皮帶船進(jìn)行，皮帶船將土方卸到距土袋圍堰15 m處，每堆土高度不超過2～3 m。

3) 土方卸落同時(shí)，水陸挖機(jī)進(jìn)行倒運(yùn)，將土方倒運(yùn)攤鋪到施工范圍內(nèi)，每個(gè)卸土區(qū)域由2臺(tái)水陸挖機(jī)接力轉(zhuǎn)運(yùn)，均勻攤鋪到土工格室，初層高度不高于40 cm，待鋪設(shè)完成土工格室后，再機(jī)械配合將20 cm土方鋪設(shè)完成。

2.3 海堤堤頂裂縫情況

試驗(yàn)段完工后，發(fā)現(xiàn)海堤堤頂局部范圍條石之間縫隙出現(xiàn)較為明顯的張開，縫隙寬度為8～10 mm，且貫通較長(zhǎng)(如圖5所示)。

圖5 堤頂裂縫現(xiàn)場(chǎng)位置示意

在景觀提升工程試驗(yàn)段附近，貫通裂縫距離垂直岸墻約2.4 m，距離護(hù)欄內(nèi)側(cè)約1.6 m。與該海堤典型剖面進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)裂縫所處的位置與2期擋墻和2期C25混凝土板交接的位置十分接近(如圖6所示)，并且2期擋墻和C25板之間無任何銜接處理。

圖6 堤頂裂縫位置示意

為了解該海堤堤頂裂縫產(chǎn)生的原因，通過對(duì)海堤的抗滑穩(wěn)定和不均勻沉降進(jìn)行分析，以確定裂縫產(chǎn)生的主要因素。

3 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)基巖為燕山三期(γ)花崗巖，上覆為第四系人工填土層(Q4ml)、全新統(tǒng)海陸交互相沉積層(Q4mc)、上更新統(tǒng)河流相沖積層(Q3al)和殘積層(Qel)。本次分析的土層巖性和狀態(tài)自上而下可劃分為：

1) 第四系人工填土層(Q4ml)

①1雜填土：雜色、褐紅色、褐灰色，稍濕，松散，主要由碎石、塊石、磚塊及少量生活垃圾組成，硬質(zhì)物約占50%～70%，粉質(zhì)粘土和中粗砂充填。該層均出露于地表，層厚為0.70～3.50 m，平均為1.66 m。

①2素填土：見于整個(gè)場(chǎng)區(qū)，呈層狀連續(xù)分布。褐色、褐灰色、灰色等，稍壓實(shí)，主要由粘性土和少量中砂回填組成，主要為河堤和路基填土。層頂埋深為0.00～1.50 m，層厚為0.50～7.10 m，平均為2.44 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N=6.0～10.0擊，平均為8.1擊；Ps=0.05～1.76 MPa，平均為0.59 MPa。

①3耕土：見于場(chǎng)區(qū)部分地段，呈似層狀或透鏡狀分布。褐色、灰黃色、灰褐色等，結(jié)構(gòu)疏松，主要由粘性土組成，含少量植物根系。該層均直接出露于地表，層厚為0.50～1.00 m，平均為0.62 m。

2) 第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層(Q4mc)

②1淤泥：灰色、深灰色，飽和，流塑，有機(jī)質(zhì)含量為0.630%～3.626%，具腐臭味，層間普遍夾線狀薄層粉細(xì)砂，局部夾少量碎貝殼。此層均出露于河底，層厚為2.80～22.50 m，平均為9.19 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N=1.0～3.0擊，平均為1.7擊。

②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：見于整個(gè)場(chǎng)區(qū)，呈層狀連續(xù)分布。深灰色，飽和，流塑，有機(jī)質(zhì)含量為0.880%～4.020%，具腐臭味。層頂埋深為0.00～30.80 m，層厚為0.90～31.40 m，平均為10.38 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N=1.0～5.0擊，平均為3.3擊；Ps=0.01～0.88 MPa，平均為0.45 MPa。

②3淤泥質(zhì)中砂：見于場(chǎng)區(qū)部分地段，呈似層狀分布。灰色、灰黃色等，飽和，松散，粒徑不均勻，含少量淤泥質(zhì)和碎貝殼，局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)細(xì)砂。層頂埋深為4.50～40.80 m，層厚為0.80～13.00 m，平均為3.39 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N=2.0～7.0擊，平均為4.2擊；Ps=1.30～6.79 MPa，平均為3.52 MPa。

②4淤泥質(zhì)粘土夾細(xì)砂：見于場(chǎng)區(qū)部分地段，呈似層狀或透鏡狀分布。該層以淤泥質(zhì)粘土為主，夾細(xì)砂薄層，兩者呈互層狀。淤泥質(zhì)粘土呈灰—深灰色，流塑，有機(jī)質(zhì)含量為0.770%～3.920%，厚度一般為3～5 cm；細(xì)砂薄層呈淺灰色，松散，粒徑均勻，厚度一般為5～8 mm。層頂埋深為2.80～25.50 m，層厚為0.60～17.40 m，平均為4.70 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N=1.0～6.0擊，平均為3.8擊；Ps=0.13～2.45 MPa，平均為1.12 MPa。

4 海堤抗滑穩(wěn)定性分析

海堤整體抗滑穩(wěn)定性的計(jì)算分析剖面示意如圖7所示，新建擋墻利用舊護(hù)岸擋墻進(jìn)行加固。

圖7 抗滑穩(wěn)定性分析剖面示意

在新?lián)鯄斝纬?級(jí)平臺(tái)，平臺(tái)標(biāo)高為6.50～6.80 m。1級(jí)平臺(tái)的步道采用干砌條石鋪裝，靠欄桿側(cè)的條石下部是新建擋墻，其他部分條石下部是20 cm厚的C25混凝土板，混凝土板下鋪20 cm厚的碎石墊層，墊層下部為淤泥質(zhì)土。擋墻下部的淤泥質(zhì)土厚度約為12 m，土層底部標(biāo)高約為-6.8 m，再往下是淤泥質(zhì)土夾細(xì)砂層，厚度約為5 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，各巖土體的計(jì)算參數(shù)見表1，其中強(qiáng)度參數(shù)采用總應(yīng)力強(qiáng)度。

a 2期工程

表1 巖土體計(jì)算參數(shù)

本海堤抗滑穩(wěn)定的最不利工況：臨水側(cè)水位從設(shè)計(jì)洪水位7.93 m驟降至堤腳，背水側(cè)水位為地下水位(地面-0.5 m)。采用理正巖土計(jì)算軟件，得到Bishop法的安全系數(shù)為：2期工程2.184，3期工程2.426，均滿足《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)的安全系數(shù)最低要求1.50。圖8為計(jì)算得出的潛在滑動(dòng)面，可見滑動(dòng)面的入口不在現(xiàn)場(chǎng)裂縫處(第1級(jí)平臺(tái))。因此，可以判斷該海堤整體是穩(wěn)定的，抗滑穩(wěn)定性不是堤頂產(chǎn)生裂縫的主要原因。

5 海堤不均勻沉降分析

5.1 分析模型

有限元分析能夠模擬更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和地層情況[7-8]，在合理的簡(jiǎn)化條件下能夠得出較為符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。采用Midas/GTS有限元軟件模擬不同工況下的堤防和地基變形，有限元簡(jiǎn)化分析模型如圖9所示?？紤]舊堤已經(jīng)存在多年，下部堤基淤泥質(zhì)土由于固結(jié)，其變形模量會(huì)大于堤基以外的淤泥質(zhì)土，因此，將淤泥質(zhì)土分為兩部分考慮。

很多研究表明土的變形模量跟應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)[9-12]，即土的應(yīng)力水平越高，變形模量越小。圖9中堤防外側(cè)的地基土所受的側(cè)向約束較小，因此，應(yīng)力水平相對(duì)較高，所以變形模量較小，土體更“軟”；而堤防底部地基側(cè)向約束更大，因此，應(yīng)力水平相對(duì)較低、變形模量較高。所以將地基簡(jiǎn)化成圖9中兩部分進(jìn)行考慮是合理的。

圖9 有限元分析模型示意

5.2 不均勻沉降的原因

堤防不均勻沉降產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面：① 地基的剛度不同，即地基的變形模量不同，主要與地基的應(yīng)力狀態(tài)和固結(jié)狀態(tài)有關(guān)；② 地基受力不均勻，主要與堤防的結(jié)構(gòu)形式和外荷載有關(guān)。

5.3 計(jì)算分析工況

計(jì)算分析工況簡(jiǎn)化如下：

1) 1期工程：舊擋墻、堤身土、原有拋石、淤泥質(zhì)土在自重的作用下，形成的初始應(yīng)力。

2) 2期工程：新?lián)鯄Α⑺槭瘔|層、C25板、新填拋石。

3) 3期工程：施工生態(tài)填土(40 cm厚)，采用荷載7.2 kPa等效。

a 新填拋石

a 新填拋石

5.4 不同的地基的變形模量對(duì)堤防不均勻沉降的影響分析

1) 當(dāng)考慮堤基和堤基外側(cè)的淤泥質(zhì)土的變形模量一致時(shí)，2期工程的新填拋石和3期工程的生態(tài)填土引起的海堤變形如圖10所示。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定條石縫隙的初始寬度約為5 mm，疊加計(jì)算變形增量后可得新填拋石和生態(tài)填土分別引起的縫隙寬度為5.7 mm、6.71 mm。可見，縫隙寬度不算明顯。

2) 當(dāng)考慮堤基外淤泥質(zhì)土的變形模量是堤基淤泥質(zhì)土的1/4時(shí)，新填拋石和生態(tài)填土引起的海堤變形如圖11所示。條石縫隙的初始寬度約為5 mm，疊加計(jì)算變形增量后可得新填拋石和生態(tài)填土分別引起的縫隙寬度為6.91 mm、9.28 mm?？梢姡藭r(shí)的縫隙寬度較為明顯。

不同條件下步道裂縫寬度計(jì)算值見表2，由此可見堤防臨水側(cè)在新增荷載的作用下，由于地基的剛度不均勻，導(dǎo)致堤防臨水側(cè)的變形較大，并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的傾斜，從而導(dǎo)致在新?lián)鯄虲25板交接處(無任何銜接處理)的縫隙增加。

表2 不同條件下的裂縫寬度

隨著地基剛度的差異不斷增加，堤頂縫隙計(jì)算值也不斷增大，當(dāng)?shù)袒鈧?cè)與堤基的變形模量比值達(dá)到1/4時(shí)，裂縫寬度達(dá)到9.28 mm，與實(shí)際測(cè)量的裂縫寬度8～10 mm較為接近。

6 結(jié)論和建議

本文通過對(duì)廣州南沙某海堤進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析和有限元分析，明確了海堤堤頂裂縫產(chǎn)生的原因，主要有以下幾個(gè)方面：

1) 地基的剛度不同，即舊堤下部軟土地基的變形模量要比海堤外側(cè)的軟土地基大，從而導(dǎo)致在相同荷載作用下堤圍外側(cè)的沉降較大。

2) 地基的剛度不同，除了固結(jié)程度不同，還與地基土的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，堤外側(cè)的地基土側(cè)向約束少，因此，應(yīng)力水平較高，變形模量也相對(duì)較低。

3) 地基受力不均勻，堤防外側(cè)的新填拋石和生態(tài)填土增加了海堤臨水側(cè)的地基受力，從而增加了海堤的不均勻沉降。

4) 此外，其他因素(如漲潮退潮、軟土次固結(jié)、施工堆土不均勻)也會(huì)引起軟土地基的不均勻沉降。

綜上所述，為了減少該海堤堤頂裂縫的擴(kuò)大，則應(yīng)盡量降低地基的不均勻沉降，并且減少地基承受的荷載和擾動(dòng)，可行的工程措施建議如下：

1) 盡量減少海堤外側(cè)的生態(tài)填土荷載，即減少生態(tài)填土的高度，或開挖部分拋石后再填土。

2) 在條件允許的情況下，可以在海堤臨水側(cè)施工木樁或微型樁[13]以增加軟土地基的剛度。

3) 注意施工時(shí)不要擾動(dòng)軟土地基原狀結(jié)構(gòu)，避免在堤防外側(cè)一定范圍內(nèi)挖土。

4) 避免重型機(jī)械施工在岸頂上作業(yè)，盡量選擇輕型機(jī)械施工。機(jī)械在施工過程中，挖機(jī)位置應(yīng)與土工袋圍堰保持2 m左右距離，嚴(yán)禁碰觸現(xiàn)狀堤岸及土工袋圍堰，以免對(duì)現(xiàn)狀干砌石護(hù)坡及土工袋造成擾動(dòng)。

5) 施工期間，建議對(duì)海堤的變形(沉降和水平位移)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，制定合理的監(jiān)測(cè)方案。如果發(fā)現(xiàn)變形異常，應(yīng)立即停止施工并分析異常原因，找到原因并得到處理后，方可繼續(xù)進(jìn)行施工。