彭志豪，馬里，陳家悅

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.香港振華工程有限公司，香港 999077）

0 引言

軟土地基上建造防波堤、護岸等結構，目前工程界軟土地基處理方案有：開挖換填法、排水固結法及復合地基法等。開挖換填法雖然效果好，但是造價高且對環(huán)境影響大；排水固結法，需要時間長，對淤泥土使用要求較高的項目處理效果有限；而復合地基法則是通過施工工藝利用部分好材料替換原有的軟土，形成復合地基，這種方法具有時間短、處理效果好、造價適中。其中復合地基處理方式有砂樁置換法、碎石樁置換法、DCM 水泥樁置換法[1]等。DCM 攪拌樁利用水泥在軟土中攪拌形成水泥樁+土體的混合地基，從而提高軟土地基承載力和抗剪強度等指標。復合地基法由于加入了部分強度好的土體材料，而原狀土沒有進行開挖，所以處理后總體積變大，從而引起海床面的隆起[2]，具體的隆起高度、隆起范圍與置換率和原狀土性質有關。本文重點分析隆起后對海堤的影響，從而提出具體的處理方法。

在前期設計時通常容易忽略海床隆起對設計方案的影響，海床隆起會引起水深變小，特別是水深較小時可能影響護面的穩(wěn)定，同時隆起物的存在也會使海床面存在一個不能處理的軟弱層，從而影響海堤、護岸結構的整體穩(wěn)定，因此在設計DCM 處理的護岸結構時，需要特別考慮海床面的隆起，并評估分析隆起物帶來的影響，以及相應的處理方式。

1 項目隆起情況介紹

香港國際機場第三跑道填海工程（以下簡稱香港三跑工程）需建設13 km 海堤，根據(jù)地勘資料顯示，海堤下方存在10～20 m 厚淤泥土和淤泥質土。由于香港環(huán)保要求嚴格，不允許大面積開挖換填，且深厚軟土開挖換填造價高，如果采用排水固結法，工期、工后沉降難以滿足機場沉降的要求，綜合考慮項目情況，設計方案采用DCM 水泥攪拌樁的復合地基法。本文以CH+3900—CH+4300 段的海堤為對象進行分析，海堤段原泥面高程在-5.7～-6.2 mPD（PD 為香港高程基準面），平均約為-6.0 mPD。設計斷面采用拋石斜坡堤結構，首先在原泥面施工2 m 厚砂墊層，砂墊層頂標高-4.0 mPD；接著在砂墊層上施工DCM 樁，最后施工拋石斜坡堤。根據(jù)原設計斷面，砂墊層及DCM 施工后泥面標高應在-4.0 mPD，而實際DCM 施工完后，經(jīng)測量DCM 范圍內海床存在約2 m 厚度的隆起物，隆起范圍1.4～2.3 m（不包括2 m 砂墊層厚度），此處原海堤設計斷面（SW1）及隆起線如圖1 所示，護面采用0.8～2.5 t 的塊石（M50=1356 kg），墊層采用10～450 kg 塊石，護面坡度1∶2，根據(jù)《深層攪拌法技術手冊》[3]隆起厚度可按下式估算：

圖1 CH3900—CH4300 海堤原設計斷面及隆起線Fig.1 Original seawall section for CH3900—CH4300 and the heave line

式中：β 為海床隆起率，一般取0.7；h 為DCM 攪拌樁處理深度，m；V 為每立方土體中注入水泥的體積，m3/m3。

項目DCM 進入較好土層約5 m 左右，計算得到本區(qū)域理論隆起量為1.9 m，本文采用2 m 平均厚度評估海床隆起對海堤護面塊石和整體穩(wěn)定性的影響。

2 隆起對海堤的影響及處理方法

2.1 隆起對海堤的影響

2.1.1 護面塊石重量的影響

海床隆起泥面標高抬高2 m 后，護面結構前沿水底高程相應抬高，根據(jù)CIRIA C683 Van der Meer 公式[4]，當水深大于3 倍有效波高時采用深水公式，否則采用淺水公式計算護面塊石重量，根據(jù)不同情況可對應采用式（2）～式（5）計算護面塊石的重量。

深水且ξm＜ξcr時，為卷破波：

深水且ξm≥ξcr時，為激破波：

淺水且ξs-1，0＜ξcr時，為卷破波：

淺水且ξs-1，0≥ξcr時，為激破波：

式中：α 為堤身邊坡坡角；ξm、ξs-1，0分別為深水和淺水破波相似性參數(shù)，，其中Tm為平均周期，s；Tm-1，0為平均譜周期，s；ξcr為波浪形態(tài)判斷參數(shù)，；cpl、cs為系數(shù)，分別為6.2，1.0；Hs為堤前有效波高，m；P 為結構的滲透性系數(shù)，0.1≤P≤0.6；N 為波浪個數(shù)（風暴延時），當N＞7500 時取7500；Δ 為塊石的相對重度，Δ=γs/γ-1；γs為塊石的重度，kN/m3；γ 為水的重度，kN/m3；Dn50為塊石的名義直徑，m；Sd為破壞水平，Sd=Ae/Dn502；Ae為計算水位一定范圍內破壞面積。

當考慮隆起后，護面結構前高程約為-2.0 mPD，從而使得該斷面不滿足深水公式，而采用淺水公式計算時原設計護面塊石重量不能滿足要求，中值重量M50需要增加到1429 kg，考慮海床隆起變化前后的護面塊石計算對比見表1。

表1 海床隆起對護面塊石設計結果的影響Table 1 Influence of seabed heave on design results of armor rock

2.1.2 壓腳塊石重量的影響

由于水深變淺，使得壓腳塊石護面塊石處于2 倍有效波高范圍以內，護面塊石的穩(wěn)定受到影響，根據(jù)香港規(guī)范PWDM[5]需要采用與圖1 中AC段重量相同的護面塊石，否則在低水位時GE 段護面塊石不能滿足穩(wěn)定要求，英標BS 6349-7[6]要求護腳塊石頂高程要低于水面1.5～2.0 倍有效波高。項目平均低潮位為0.36 mPD，低潮位對應100 a 一遇重現(xiàn)期有效波高為1.44 m，當不考慮隆起時G 點水深大于2 倍有效波高，可按照壓腳塊石計算；但隆起后G 點水深小于2 倍有效波高，需要按照護面塊石計算，塊石重量驗算結果見表2，結果表明考慮隆起后原壓腳塊石重量不能滿足規(guī)范要求。

表2 平均低潮位壓腳塊石穩(wěn)定驗算結果Table 2 Calculation results for the stability of toe rock at average low tide

2.1.3 海堤整體穩(wěn)定的影響

不考慮DCM 地基處理的海床隆起，邊坡整體穩(wěn)定計算結果見圖2[7]，最小安全系數(shù)為1.467，大于香港規(guī)范要求的1.30，因此能夠滿足要求。但因DCM 施工所造成的海床面隆起后砂墊層的成分會發(fā)生較大變化，砂墊層中形成一層攪起的淤泥，由于DCM 施工過程中水泥漿的外冒，使得隆起物具有一定的強度，隆起物的強度直接影響海堤的整體穩(wěn)定，隆起物頂面距離DCM 樁頂距離為1 m，由于隆起物的存在，海堤的整體穩(wěn)定受到影響，需取樣測定隆起物的強度然后判斷海堤結構的整體穩(wěn)定，如直接把隆起物按照處理之前的淤泥考慮，整體穩(wěn)定安全系數(shù)為0.688，不滿足規(guī)范要求。

圖2 不考慮海床隆起整體穩(wěn)定計算結果Fig.2 Calculation results of overall stability without considering seabed heave

2.2 處理方法

根據(jù)前面海床隆起對海堤的影響分析，可以得到原設計斷面已經(jīng)不適用于隆起后的地形，因此提出兩種應對思路，第一通過開挖隆起物恢復到DCM 施工之前的地形，這種思路不需要重新設計斷面，原護面塊石、護腳塊石均能滿足要求，開挖后原設計斷面不受影響；第二是在隆起物上重新設計海堤斷面，相當于在抬高后的海床設計、施工護岸。由于環(huán)保要求，項目不允許水上大面積開挖，因此項目采用了第二種思路處理隆起帶來的影響。在隆起后的海床上設計海堤，針對原設計護面塊石偏小的影響，采用加大護面塊石規(guī)格到M50=1429 kg，考慮到大塊石石料緊張，最后護面采用2 m3的ACCROPODE 混凝土塊體，墊層采用320～600 kg 塊石，護面坡度1∶2，采用2～4 t 的塊石作為壓腳塊石，同時DE 段外側鋪1 層大塊石，以解決對護面塊石、壓腳塊石帶來的不利影響，后調整斷面如圖3。

圖3 考慮海床隆起后的CH3900—CH4300 海堤斷面Fig.3 Adjusted seawall section CH3900—CH4300 taken into the seabed heave

針對海堤整體穩(wěn)定的影響，首先是補充勘察，探明隆起物的成分及力學指標，利用探明的指標重新分析新斷面穩(wěn)定，如果能夠滿足要求，則不用額外的處理，如不能滿足整體穩(wěn)定要求，則需要對隆起物進行挖除或者地基加固。香港三跑工程中首先進行了隆起物力學指標對整體穩(wěn)定的敏感性分析，分析結果如圖4，結果顯示當隆起物的強度為15 kPa 時，海堤的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.423＞1.30，滿足規(guī)范要求，因此當隆起物的抗剪強度CU不小于15 kPa，則穩(wěn)定性能夠滿足要求。

圖4 隆起物強度對海堤穩(wěn)定的敏感性分析結果Fig.4 Sensitivity analysis results of heave strength to seawall stability

香港三跑工程補充勘察表明隆起物主要為硬到堅硬的黏土，并伴有膠結塊，判斷為冒出的水泥漿和淤泥質土形成的混合物，通過實驗得到隆起物的無側限抗壓強度為UCS=0.2～0.6 MPa，不排水抗剪強度Cu=0.5UCS，考慮1.5 的安全系數(shù)，得到平均不排水抗剪強度可取130 kPa，遠大于15 kPa，整體穩(wěn)定滿足設計要求。因此香港三跑工程最終選用了不開挖隆起物的方案，通過變更護面、壓腳塊石的規(guī)格，其隆起物不用進行處理[8]。

3 結語

復合地基法處理軟土地基后地面會存在一定的隆起，設計時需要據(jù)理論計算預先考慮隆起的影響，特別是處理水下防波堤或者護岸基礎時，由于水深變化，可能導致整個護面結構、護腳塊石等不滿足要求，整體穩(wěn)定也可能受到影響，因此需要預判隆起的厚度，并給出一定的應對措施，避免因設計考慮不充分發(fā)生質量問題；而關于隆起物的強度，與具體的原始土層特性、DCM 樁深度、DCM 注漿效果及置換率有關，香港三跑工程隆起后不排水抗剪強度高達130 kPa，滿足穩(wěn)定，但是每個項目情況不同，需要通過補充勘察具體分析，本文DCM 處理地基帶來的海床隆起分析結果對類似項目具有參考意義。