对滩涂治理工程软土地基沉降问题的几点探讨

2010-07-09朱小秋

浙江水利科技 2010年1期

朱小秋,曾甄

(1.舟山市水利围垦局,浙江舟山 316000;2.浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州 310002)

1 问题的提出

浙江省地处我国东南沿海,是一个土地匮乏的资源小省,为缓解人多地少矛盾,浙江省历来重视滩涂围垦工程。随着经济社会的高速发展和城市化进程的快速推进,浙江省的滩涂开发利用呈现出良好的发展态势,围垦工程已逐步从高滩围涂转变为中低滩围涂。目前,在浙东大量已建和在建的滩涂围垦工程中,普遍存在软土地基沉降过大,引起设计高程不达标、投资超概算、工程结算经济纠纷等问题。本文结合类似工程的建设经验,对在软土地基上采用排水板技术条件下围垦工程的沉降问题从勘察、设计、招投标、建管过程等方面进行几点探讨。

2 勘察设计阶段的软基沉降问题分析

2.1 地质勘察

地质勘察是科学分析软土地基沉降的重要基础,地质土层划分、物理性状特征等是判定地基好坏的重要指标。浙东沿海多为淤涨型淤泥质海岸,滩涂原状地基土以深厚的高含水量、低强度的淤泥或淤泥质土为主。由于滩涂围垦在浙江省归口水利行业主管,以往通常采用GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》[1]、GB 50287—99《水利水电工程地质勘察规范》[2]和SL 188—2005《堤防工程地质勘察规程》[3]作为围垦工程的地质勘察标准,将天然含水率ω大于液限ω L,天然孔隙比e大于1.5的淤泥质土统称为淤泥。然而,淤涨型的中低滩涂面表层往往存在一定厚度的新淤积土,这种淤泥性土毫无承载力,在外加荷载作用下将产生挤淤现象使新淤积土流失而不可能固结,如何保住这层新淤积土是个值得研究的课题。JTJ 240—97《港口工程地质勘察规范》[4]中将85%＜ω≤150%的土定义为流泥,ω＞150%的土定义为浮泥。浮泥和流泥的流动性很强,常随季节、潮流的变化而搬迁。由于在中低滩涂地形测量中往往采用水下测量方式,地形图成果所示的高程多为浮泥或流泥层顶面,若采用水利行业地质勘察规范,表层的浮泥和流泥层容易被划为淤泥层,使得流泥和浮泥的力学性状按淤泥考虑,造成实际施工过程中因挤淤等因素表现出的沉降量明显大于理论计算沉降量的情况。因此,在围垦工程地质勘察阶段,宜按照《港口工程地质勘察规范》查明滩涂面表层浮泥和流泥的分布厚度,为设计阶段科学分析软基沉降提供可靠的基础资料。

2.2 地基沉降理论计算

软土地基的总沉降量S∞通常包括瞬时沉降 Sd、主固结沉降 Sc、次固结沉降 Ss之和,即S∞=Sd+Sc+Ss。瞬时沉降是在荷载实施后立即发生的沉降量,它是由剪切变形引起的;主固结沉降是指在主固结过程中产生的沉降量,它是由水从孔隙中排出引起的;次固结沉降是土骨架在持续荷载下发生蠕变所引起的。由于在计算过程中瞬时沉降和次固结沉降较难通过理论计算,所以在SL 435—2008《海堤工程设计规范》[5]中推荐总沉降量按分层总和法进行计算,即通过计算主固结沉降,再用沉降计算经验系数修正,表达式为:

由于采用的是经验公式近似计算,沉降量计算与地基土分层、各土层e-P曲线、土层压缩深度以及地区经验系数ms等有关,在操作过程中常因对公式的理解不透而造成沉降分析的偏差。

(1)沉降计算基面问题。对于存有浮泥或流泥的地基土层,因浮泥和流泥不具承载力,沉降计算基面应以浮泥、流泥层的底面为准。其余情况,均应以实测滩涂面顶标高为计算基面。

(2)附加应力计算问题。分层沉降计算过程中,土层压缩量与e-P曲线有关,附加应力的计算直接关系到孔隙比的变化值,由于围垦工程软土地基上的沉降量通常较大,使得沉降引起的堤坝增高值(预留高程与设计高程之差)对附加应力的计算影响很大,因此,在沉降计算中应予以考虑。

(3)土层压缩计算深度问题。《海堤工程设计规范》中对土层压缩计算深度规定“可按式σz/σB≤0.2的条件确定”,是非强制性条款,因此,对于实际软弱土层远大于σz/σB≤0.2控制深度的地基,其计算土层压缩深度宜按σz/σB≤0.1控制更符合实际。

(4)经验系数ms取值问题。由于公式中将瞬时沉降和次固结沉降的影响都转化为经验系数予以一并考虑,故围垦软基施工过程中常出现的抛石挤淤沉降量应在经验系数ms取值上体现。此外,《海堤工程设计规范》中对经验系数取值范围的描述为“可采用m=1.3～1.6”,并非强制规定了取值的上、下限,具体工程操作中宜结合前述3个影响因素根据实际情况和类似工程经验合理取值。

2.3 沉损系数的确定

设计计算工程量时常以断面几何方量乘以沉损系数作为实际断面发生的方量,这里所指的沉损系数包括2个部分,一部分为沉降系数,另一部分为损耗系数。损耗系数与施工工艺、料源、自然因素等有关,体现施工中的断面损耗量的大小。沉降系数为断面几何方量加断面总沉降量之和与断面几何方量的比值,其中断面总沉降量包含地基沉降量和断面自身压缩量,由于软基上的地基沉降量远远大于自身压缩量,且断面自身压缩量要求在施工过程中通过分层碾压来完成,故近似地认为断面总沉降量约等于地基沉降量。

浙东围垦工程中多以土石混合堤型结构的海堤为主,外海采用石坝挡潮,内侧采用当地海涂泥防渗闭气。对于石方,损耗系数在沉损系数中所占的比重较小,而对于闭气土方,损耗系数在沉损系数中所占的比重较大。设计过程中将沉降系数与沉损系数混淆在一起的情况时有发生,也使得工程量的统计偏离实际。因此,笔者认为在围垦工程设计中,不但应提供沉损系数,而且还应分别提供沉降系数和损耗系数,以便校核沉损系数的准确性。

2.4 工后预留沉降的确定

建于软基上的围垦工程,在工程完工后较长的一段时间内,地基土仍处在缓慢固结压缩过程,产生工后沉降。因此,地基总沉降又可分为施工期沉降和工后沉降2个阶段,而工后沉降又分完工验收到竣工验收区间沉降和竣工验收后沉降。为保证围垦工程在运行期间内满足防潮 (洪)标准,工后沉降量体现为预留超高,然而对于工后预留沉降量的计算期限却争议较大。笔者认为,工后预留沉降计算期限宜为工程完工验收时起后10 a,这主要是由于新建围垦工程一般在完工后5～10 a沉降全部完成,同时《浙江省海塘工程安全鉴定管理办法(试行)》中也规定“首次安全鉴定应在建成后10 a内进行”,确定10 a的计算期限较为合理。

此外,由于地基沉降是随时间推移始终在发生的连续过程,且通常施工期沉降要完成总沉降量的90%左右,考虑到围垦工程完工验收至竣工验收还有一段较长的时间,在这段时间里还要产生区间沉降,完工验收时已经完成堤顶刚性路面浇筑,因此,对于预留超高的验收时间宜明确为完工验收阶段,且预留超高作为工后沉降量的体现,已计入沉降系数中,在竣工结算时不另行计量结算,且预留沉降量在设计时应提出建议值,在完工前要根据沉降观测资料由业主牵头会同设计单位、原位观测单位、监理单位、施工单位共同研究分析确定,以确保竣工验收时堤顶高程大于等于设计高程的要求。

3 招投标过程中的沉降风险约定问题

影响软土地基上围垦工程的沉降因素很多,且规范推荐的公式为经验公式,造成设计阶段很难十分准确地确定沉降量大小。目前,施工招标文件中有关工程量的约定逐步从过去的按实结算转变为定量包干结算,即招标文件中提供的工程量及沉降系数通过设计理论分析确定,在合同期内不予调整。对于按实结算的约定,沉降偏差的风险多由业主方承担,尤其是施工超载原因产生的沉降由业主来承担极不合理,且容易发生投资难以控制,突破概算的情况;而对于定量包干结算的约定,沉降偏差的风险转嫁于施工单位,尤其是地质原因及设计计算不准确引起的沉降预测偏差由施工单位承担也不合理,这使得一些工程因招标文件中沉降系数的严重偏离而造成施工单位中标后收不抵支的现象,产生经济纠纷。鉴于上述2种情况,笔者认为在施工招标文件中对沉降风险的约定宜采取条件定量结算方式,即:建设单位与施工单位既不签订开口合同也不签订闭口合同而是签订半开口半闭口合同,根据实践经验,实际发生的沉降量超出合同约定沉降量的10%以内时,工程量结算不予调整,超过10%时,按照程序界定业主方与施工方相应承担的比例,业主方承担70%,施工单位承担30%为宜。

4 建设管理过程中的软基沉降控制问题

在堤身加载阶段,为有效地控制软基沉降问题,施工单位应严格按照设计提供的加荷曲线在原位观测的指导下控制好加载速率,同时施工、监理、业主单位应加强施工机械超载的督察力度,防止施工荷载过大产生急剧的沉降变形。

对于外轮廓刚性结构(如挡墙、堤顶路面等),一般宜在堤身填筑完成后,且沉降变形达到基本稳定后方可实施。当堤身沉降速率小于8 mm/月,可认为沉降变形已基本稳定。因施工进度等要求,沉降变形未能达到基本稳定情况下需要实施刚性结构时,则应根据即时原位观测资料推测工后10 a该部位的总沉降量,扣除已发生的沉降量,其差值即为施工时预留沉降量的控制值。

在工程量结算时,如实际沉降量与设计沉降量发生较大偏差,宜通过雷达扫描物探加地质钻探校核的方式来鉴定基底土石分界面,这种鉴定方法误差可控制在3%以内,从而反推实际发生的工程量,再按前述沉降风险的约定进行结算。