占鑫杰,張 娟,黎 昱,楊守華,陳 浩
(1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇 南京 210029;2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室,江蘇 南京 210029;3.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 揚州 225009;4.江蘇省工程勘察研究院有限責(zé)任公司,江蘇 揚州 225002;5.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)
淮河入海水道與蘇北灌溉總渠平行,緊靠其北側(cè),西起洪澤湖二河閘,沿蘇北灌溉總渠北側(cè)向東,經(jīng)淮安、阜寧,至濱海的扁擔(dān)港入黃海,全長163.5 km。入海水道一期工程設(shè)計行洪流量2 270 m3/s,與入江水道、灌溉總渠和分淮入沂等工程配合,使洪澤湖達到100年一遇洪水的防洪標(biāo)準[1-6]。入海水道一期工程在河道工程設(shè)計上,采用了與蘇北灌溉總渠呈“兩河三堤”布局,利用入海水道開挖南北兩泓,保證了沿線洪水、污水、澇水各行其道;工程水土保持與主體工程同步實施,大大改善了蘇北地區(qū)的水利生態(tài)條件。入海水道二期工程通過全線擴挖深槽、擴建二河、淮安、濱海、??诘葮屑~建筑物,改建淮阜控制工程,改建、擴建穿堤建筑物等,加高加固南北堤防等工程(圖1),使洪澤湖防洪標(biāo)準達到300年一遇,有效降低100年一遇洪澤湖洪水位。該工程的實施可加大淮河下游泄洪能力、提高洪澤湖及其下游防洪保護區(qū)的防洪標(biāo)準。
圖1 淮河入海水道二期工程總體布置
一期工程資料表明,入海水道阜寧段K85.5-90.5范圍內(nèi),地基為深厚的淤泥質(zhì)軟土,地基強度低,壓縮性高,工程設(shè)計人員形象地稱之為“軟豆腐”。本文針對深淤段南堤地基的工程特點,對控制堤防穩(wěn)定和變形的關(guān)鍵土層,采用以勘察和原位測試為主,結(jié)合取土室內(nèi)試驗,獲取深淤段地基的工程特性數(shù)據(jù)。原位測試重點開展十字板試驗和雙橋靜力觸探試驗,現(xiàn)場取土采用敞口活塞薄壁取土器以取得低擾動的土樣,室內(nèi)試驗重點開展基本物理特性、固結(jié)滲透和強度試驗等。
根據(jù)淮河入海水道一期工程阜寧軟土段的試驗資料[3-6],在南堤深淤段布置了3個試驗斷面,分別為樁號K87+250、K87+450、K87+650。為更好與一期資料進行對比,現(xiàn)場通過一期工程設(shè)計圖紙索引以及固定建筑物(阜寧腰閘)的樁號等信息,采用GPS放樣等方法確定了K87+250、K87+450、K87+650(一期樁號)3個斷面的位置。
本次試驗現(xiàn)場取土及原位測試的平面圖如圖2所示,其中取土孔為A1~A6,共6個;十字板孔為V1~V6,共9個;靜力觸探試驗孔為J1~J6,共12個。K87+250斷面試驗孔位布置剖面圖如圖2所示,K87+450斷面、K87+650斷面孔位布置與K87+250斷面基本一致??紤]到堤身下方和堤身坡腳外側(cè)地基的性質(zhì)有一定差異,因此在每個斷面南堤堤頂和堤身坡腳外側(cè)的平臺位置處各布置1個試驗孔(見圖3試驗位置)。
雙橋靜力觸探試驗主要用于測試不同深度地基的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力,進而確定地基的分層,試驗方法依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[7]進行。原位十字板試驗主要用于測試不同深度地基的十字板強度,并與一期已有資料進行對比,試驗方法依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)進行[7]。鉆孔取土數(shù)量和分布以保證室內(nèi)試驗需要作為控制原則,并兼顧各土層的分布。取土樣采用敞口活塞薄壁取土器,以減少對試樣的擾動[7]。在南堤K87+250、K87+450、K87+650斷面開展鉆孔取土試驗,每個斷面布置2個試驗位置(圖2、圖3),1個位于南堤堤頂,1個位于堤身坡腳外側(cè)。結(jié)合一期試驗資料,取土試樣以3-1層和3-1’層為主,輔以少量的A層和1-2層;沿著深度方向,A層1個試樣,1-2層1個試樣,3-1層6個試樣,3-1’層4個試樣。室內(nèi)試驗主要用于測試不同分層地基的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),室內(nèi)試驗方法依據(jù)土工試驗方法標(biāo)準(GB/T 50023—2019)[8]。
圖2 淮河入海水道南堤原位測試及取土孔布置
圖3 入海水道堤防典型剖面及現(xiàn)場試驗位置(單位:m)
根據(jù)現(xiàn)場鉆孔取土描述以及典型的靜力觸探試驗結(jié)果,結(jié)合一期工程試驗資料,得到南堤堤頂位置的地層剖面如圖4所示[9-11]。
從圖4中可知:(1)深度0~9.2 m為堤身填土,灰黃色,局部含有植物根莖和碎磚塊,可塑到硬塑狀態(tài);(2)深度9.2~11.3 m為灰黃色粉質(zhì)黏土夾粉土層(A層),局部薄層;(3)深度11.3~12.9 m為棕黃色黏土(1-2層),軟塑-可塑狀態(tài);(4)深度12.9~28.8 m是灰色淤泥質(zhì)黏土(3-1層),局部夾少量的粉土薄層;(5)深度28.8 m以下為灰褐色粉質(zhì)黏土(3-1’層),局部夾粉土層和碎貝殼,軟塑狀。
圖4 南堤堤頂?shù)貙悠拭妫▎挝?m)
3-1層(淤泥質(zhì)黏土)的物理特性試驗開展了36組,3-1’層(淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土)的物理特性試驗開展了24組。經(jīng)過統(tǒng)計分析,得到南堤位置深淤地基的物理力學(xué)特性指標(biāo),如表1所示。
從表1中可知,3-1層淤泥質(zhì)黏土的含水率較高,為54.7%,為高液限黏土(CH);3-1’層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的含水率為35.9%,為低液限黏土(CL)。3-1層淤泥質(zhì)黏土的黏粒含量(<0.005 mm)為38.6%;3-1’層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的黏粒含量(<0.005 mm)為22.2%。高黏粒含量是制定3-1層淤泥質(zhì)黏土地基處理方案的重要考量因素。
表1 南堤位置深淤地基的物理力學(xué)指標(biāo)
深淤地基土層的固結(jié)滲透試驗結(jié)果如表2所示。
從表2可知,3-1層和3-1’層淤泥質(zhì)黏土地基的垂直滲透系數(shù)分別為0.59×10-6cm/s、11.2×10-6cm/s,雖然淤泥質(zhì)黏土地基的黏粒含量很高,但現(xiàn)場勘察過程中發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)黏土試樣的豎向?qū)永碇衅毡榇嬖诜弁廖⒈樱@使得本工程中淤泥質(zhì)黏土試樣的滲透系數(shù)高于一般軟土地基。同時3-1層和3-1’層地基的水平滲透系數(shù)顯著大于其垂直滲透系數(shù),約為100倍以上,這也與地基中的粉土(砂土)微薄層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
表2 深淤地基的固結(jié)滲透特性參數(shù)統(tǒng)計
以上測試結(jié)果基本反映了地基的排水固結(jié)特性。地基不做處理時,固結(jié)排水以豎向為主,進行固結(jié)計算時,可采用室內(nèi)試驗結(jié)果的cv值。地基進行豎向排水體處理時,固結(jié)排水以水平向為主,可考慮粉土(砂土)微薄層對固結(jié)排水的促進作用。
圖5~7分別為南堤87+250斷面、87+450斷面、87+650斷面堤身下方地基的十字板強測試結(jié)果,其中6#~11#試驗孔為一期工程(2001年)南堤建設(shè)前地基的十字板強度。從圖中可知,由于堤防堆載的附加應(yīng)力作用(單向固結(jié)時間約為20 a),地基不同深度的十字板強度大幅提高。
圖5 K87+250斷面堤頂位置十字板剪切強度試驗結(jié)果
圖6 K87+450斷面堤頂位置十字板剪切強度試驗結(jié)果
圖7 K87+650斷面堤頂位置十字板剪切強度試驗結(jié)果
為深入研究入海水道深淤段軟土地基的工程特性,在南堤軟土段布置3個典型斷面,對控制堤防穩(wěn)定和變形的關(guān)鍵土層,綜合采用鉆孔取土、原位測試和室內(nèi)試驗等手段獲取軟土地基的工程特性數(shù)據(jù)。原位測試重點開展十字板和雙橋靜力觸探試驗,現(xiàn)場取土采用敞口活塞薄壁取土器以取得低擾動試樣,室內(nèi)試驗重點開展基本物理特性、固結(jié)滲透和強度試驗等。綜合本文研究工作,得到如下結(jié)論:
(1)深淤段地基是一種典型的河湖相淤泥質(zhì)軟土,其厚度大,壓縮性高,含水率和黏粒含量高,淤泥地基沿深度方向普遍含有砂土和粉土夾層。
(2)深淤段淤泥質(zhì)軟土的靈敏度為3左右。由于取土,制樣等環(huán)節(jié)會對淤泥質(zhì)土產(chǎn)生不同程度的擾動,建議綜合采用原位試驗和低擾動的取土試樣成果確定地基強度。
(3)一期工程堤防堆載后,南堤堤身下方淤泥地基強度提升明顯,這對二期堤防擴建工程灌溉總渠側(cè)的穩(wěn)定是一個有利因素。
(4)針對深淤段淤泥地基的工程特性,二期工程深淤段堤防擴建工程應(yīng)重點關(guān)注堤防、穿堤建筑物的工后變形和差異沉降等。