張繼良，肖 義，李從安，童 軍

(1.長(zhǎng)江河湖建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

自20世紀(jì)80年代后期起，荷、德、法、美等國(guó)開(kāi)始采用大型土工管或土工包將淤積物或吹填土等包裹起來(lái)進(jìn)行筑堤[1-2]。土工管袋是將具有一定強(qiáng)度的土工織物預(yù)制成符合要求尺寸的袋體，在現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合吹填工程將泥漿或吹填砂等直接灌入袋體，達(dá)到一定灌注度后將袋體封閉，逐層堆放并充填灌注，最終形成整體堤壩。中國(guó)沿海地區(qū)普遍分布河流沖積和濱海相松散沉積物地層，其工程性狀差、承載力低、沉降量大，是影響工程建設(shè)安全的主要因素。土工管袋筑堤技術(shù)自20世紀(jì)90年代末引入國(guó)內(nèi)后，已在沿海港口、水利、水運(yùn)等工程中得到廣泛應(yīng)用，特別是在長(zhǎng)江口地區(qū)，結(jié)合航道疏浚疏挖工程，將疏浚物作為土工管袋內(nèi)的充填物，可大大節(jié)約資源和工程投資。隨著近年相關(guān)工程實(shí)例越來(lái)越多，相應(yīng)的施工技術(shù)已較成熟、工程處理效果較好[3-6]。

土工管袋的包裹作用機(jī)理：① 約束了袋內(nèi)砂土的變形，使土的整體性大大提高，增強(qiáng)了土體強(qiáng)度；② 袋與袋之間的摩擦作用可能影響邊坡的潛在滑動(dòng)面，使管袋堤的破壞模式發(fā)生變化[7-8]。土工管袋可根據(jù)工程的需要形成圍堰或土堤。以往土堤的邊坡穩(wěn)定大多采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算分析，但由于該方法不能考慮土工管袋的加筋和包裹作用，計(jì)算中僅采用吹填砂的強(qiáng)度指標(biāo)，得到的安全系數(shù)無(wú)法真實(shí)反映管袋堤的真實(shí)穩(wěn)定性，因此，宋為群等[9]提出了一種基于似凝聚力的管袋堤穩(wěn)定分析方法，并與常規(guī)圓弧穩(wěn)定分析進(jìn)行了比較，但似凝聚力如何確定的問(wèn)題未得到進(jìn)一步解決。

本文以長(zhǎng)江口福山水道南岸邊灘綜合整治工程土工管袋吹填圍堤為例，介紹了砂被結(jié)合塑料排水板的軟基加固處理方法，采用有限元數(shù)值模擬及強(qiáng)度折減法對(duì)吹填砂圍堤的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)際監(jiān)測(cè)資料，分析評(píng)估了軟基上土工管袋堤的沉降特性，最終通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度的及時(shí)調(diào)整。

1 工程概況

福山水道南岸邊灘綜合整治工程位于長(zhǎng)江河口，受潮流影響較大。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，堤基軟土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，具有含水量大、天然孔隙比大、飽和度高、呈軟塑至流塑狀、強(qiáng)度較低等特點(diǎn)，不能直接作為堤壩基礎(chǔ)持力層[10]。采取的工程處理措施如下：① 在堤身填筑前鋪設(shè)砂被，砂被采用土工織物充填中粗砂，厚度0.5 m；② 在堤身內(nèi)外堤腳范圍內(nèi)插打塑料排水板，排水板按正方形布置，間距1.20 m。土工管袋吹填砂圍堤長(zhǎng)度為5 297 m，設(shè)計(jì)堤頂高程7.3 m，分3級(jí)進(jìn)行填筑，典型堤身斷面如圖1所示。其中 Ⅰ 級(jí)圍堤高2.0 m，內(nèi)外坡比分別為1∶3.0和1∶1.5，平臺(tái)寬度10 m； Ⅱ 級(jí)圍堤高4.5 m，平臺(tái)寬度5.0 m； Ⅲ 級(jí)圍堤高7.3 m，堤頂寬8.0 m。

土工管袋內(nèi)充填的吹填砂為排水性較好的砂性土或粉細(xì)砂料，滲透系數(shù)一般大于10-3cm/s，控制充填度為85%，充填后干重度可達(dá)到14.5 kN/m3。

土工管袋由扁絲編織布制成，單位面積質(zhì)量為150 g/km2，通過(guò)室內(nèi)拉伸試驗(yàn)得到其縱橫向抗拉強(qiáng)度為32 kN/m，斷裂伸長(zhǎng)率25%。

2 土工管袋圍堤有限元數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

為分析土工管袋吹填砂圍堤的邊坡穩(wěn)定性，采用有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行土工管袋吹填砂圍堤的有限元計(jì)算。地基、砂被充填中粗砂及堤身吹填細(xì)砂采用M-C模型，軟基厚度取10 m，計(jì)算參數(shù)根據(jù)地勘試驗(yàn)成果確定，如表1所示。土工織物采用彈性格柵單元模擬，通過(guò)界面單元考慮管袋的包裹及加筋作用。

表1 土工管袋圍堤數(shù)值計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模擬了I～Ⅲ級(jí)棱體圍堤及相應(yīng)堤內(nèi)吹填砂的施工加載及固結(jié)過(guò)程，同時(shí)采用強(qiáng)度折減法分別計(jì)算各級(jí)棱體的安全系數(shù)。

2.2 成果及分析

由強(qiáng)度折減法計(jì)算所得結(jié)果表明：不考慮土工管袋作用的情況下，Ⅰ級(jí)吹填砂圍堤的安全系數(shù)僅為1.17；考慮土工織物的加筋作用后，各級(jí)圍堤的安全系數(shù)可大大提高，如表2所示。Ⅰ級(jí)圍堤填筑到2.0 m高程時(shí)，邊坡安全系數(shù)為2.83；當(dāng)Ⅲ級(jí)圍堤填筑到7.3 m高程時(shí)，邊坡最小安全系數(shù)為1.36。有限元數(shù)值分析所得圍堤沉降等值線和水平位移等值線如圖2～3所示。Ⅲ級(jí)圍堤堤頂處的工后最大沉降達(dá)0.56 m，原堤基面沉降約0.47 m；最大水平位移發(fā)生在Ⅱ級(jí)圍堤外堤腳附近，約0.18 m。

表2 有限元數(shù)值分析成果

計(jì)算所得塑性臨界區(qū)主要分布在Ⅲ級(jí)圍堤對(duì)應(yīng)的軟基局部淺表層，說(shuō)明采用分層施工、排水固結(jié)的方式基本可以保障圍堤和軟基的穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

注：負(fù)值為沉降，正值為隆起。圖2 圍堤填筑后垂直位移等值線(單位：m)Fig.2 Contour map of vertical displacement after embankment filling

注：向長(zhǎng)江方向?yàn)檎?，向背水?cè)為負(fù)。圖3 圍堤水平位移等值線(單位：m)Fig.3 Contour map of horizontal displacement of embankment

圖1 土工管袋吹填砂圍堤典型斷面(尺寸單位：mm)Fig.1 Typical section drawing of geotube bag hydraulic filling sand embankment

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括堤基沉降、分層沉降、不同深度的水平位移和孔隙水壓力，典型監(jiān)測(cè)斷面布置示意如圖4所示。其中，堤基表面沉降標(biāo)埋設(shè)在砂被上，采用全站儀觀測(cè)沉降標(biāo)在加載期間的垂直位移變化過(guò)程，得到原堤基的沉降量；分層沉降管共3個(gè)，分別布置在堤頂(FC7-1)、Ⅰ級(jí)平臺(tái)(FC7-2)以及堤內(nèi)吹填區(qū)(FC7-3)；水平位移采用Model GK-6000型伺服加速度式測(cè)斜儀進(jìn)行觀測(cè)，分別布置在Ⅰ級(jí)平臺(tái)內(nèi)堤腳(L1-1，L1-2)、Ⅱ級(jí)平臺(tái)靠外側(cè)(L2-1，L2-2)以及堤頂處(L3-1，L3-2)；為監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中超靜孔壓的變化，在堤基不同深度處埋設(shè)振弦式孔隙水壓力計(jì)。

圖4 圍堤典型監(jiān)測(cè)斷面布置示意Fig.4 Sketch of typical monitoring section layout of embankment

3.1 堤基沉降

典型斷面監(jiān)測(cè)累積沉降過(guò)程線如圖5所示。施工期堤基沉降主要受上部土工管袋圍堤的加載影響，使堤基產(chǎn)生瞬時(shí)沉降；快速加載或連續(xù)加載時(shí)，沉降變形速率也迅速增大，圍堤加載0.5～0.7 m引起的沉降量約為7～9 mm。施工期結(jié)束后8個(gè)月內(nèi)，堤基處于固結(jié)沉降階段，沉降速率逐漸減小并穩(wěn)定至0.03 mm/d以下。運(yùn)行期1 a內(nèi)的累積沉降值最大約0.3 m。

3.2 堤基內(nèi)部水平位移

圍堤不同深度的水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖6)表明：圍堤填筑過(guò)程中，堤基內(nèi)部水平位移變化較小且主要發(fā)生在堤基15 m深度范圍內(nèi)，位移方向總體表現(xiàn)為垂直圍堤向外側(cè)，最大水平位移約34 mm且普遍小于5 mm。判斷實(shí)測(cè)水平位移只是圍堤豎向荷載作用下地基土的側(cè)向位移，而非滑動(dòng)破壞產(chǎn)生的滑移。

圖5 典型斷面監(jiān)測(cè)累積沉降過(guò)程線Fig.5 Monitoring cumulative settlement hydrograph of typical section

圖6 不同深度處的水平位移分布Fig.6 Horizontal displacement distribution at different depths

3.3 孔隙水壓力

孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：孔隙水壓力的變化與加載施工過(guò)程密切相關(guān)，前10 d以內(nèi)，孔隙水壓力在施工加載期上升較快并達(dá)到峰值；通過(guò)控制施工進(jìn)度，孔隙水壓力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，施工結(jié)束后已完全消散。施工期最大孔隙水壓力達(dá)到22.5 kPa左右，相應(yīng)的孔壓系數(shù)為0.45。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，孔隙壓力系數(shù)在0.5以下，可認(rèn)為地基基本穩(wěn)定。因此，控制施工進(jìn)度可有效防止圍堤邊坡失穩(wěn)。

圖7 孔隙水壓力變化過(guò)程線Fig.7 Process line of pore water pressure change

4 結(jié) 論

本文結(jié)合土工管袋圍堤填筑工程，采用有限元數(shù)值計(jì)算和強(qiáng)度折減法，將土工管袋對(duì)吹填砂的包裹作用以彈性格柵單元進(jìn)行模擬，改善了以往在極限平衡法計(jì)算中未考慮土工管袋加筋作用的情況，取得了圍堤的變形特性和安全系數(shù)，分析成果更真實(shí)地反映了管袋堤的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：考慮土工管袋加筋作用后，圍堤的安全系數(shù)大大提高，設(shè)計(jì)斷面形式具有可行性，可節(jié)省施工造價(jià)和工期；通過(guò)對(duì)軟基沉降、水平位移和孔隙壓力消散情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)調(diào)控。

通過(guò)該工程案例的相關(guān)研究分析，證明了土工管袋可以實(shí)現(xiàn)在軟基上的快速筑堤，采用相應(yīng)的本構(gòu)模型并結(jié)合強(qiáng)度折減法可以有效進(jìn)行土工合成材料加筋體的數(shù)值分析。