浅析淤泥质地基上堤塘工程沉降预留控制

毛丹红,袁文喜,曾 甄

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

淤泥质软土在我国分布广泛,特别是辽东湾、渤海湾、黄河三角洲、莱州湾、海州湾及黄河三角洲,江苏沿海、长江三角洲、浙闽港湾及珠江三角洲等地广为分布。由于淤泥质土具有强度低、压缩性高、渗透系数小、变形持续时间长等特点,在该地基上修筑堤塘工程的沉降问题一直备受关注。

目前,淤泥质地基上堤塘工程建设过程中普遍存在以下几种典型情况:

(1)镇压平台、消浪平台等部位在沉降尚未稳定的情况下就开始护面等刚性体施工,其预留沉降的控制往往由施工单位凭经验确定,未充分预留,导致平台高程在验收时达不到设计高程,面临返工不现实而验收又存在质量缺陷的两难局面。

(2)堤身上部挡墙等重力式结构,砌筑施工时沉降预留不充分,在结顶施工时为保证验收堤顶高程往往出现挡墙结构 “长高” 现象。

(3)工后预留沉降估计不足,在竣工验收时或是运行一两年后堤顶等部位的高程达不到设计要求。

本文结合类似工程的建设经验,对在淤泥质软土地基上采用排水板技术条件下堤塘工程施工过程中预留沉降的控制问题从勘察设计、建设管理过程等方面进行几点探讨,以供其它类似工程参考。

2 堤塘工程沉降的计算与分析

2.1 勘测设计阶段的沉降理论计算

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和次固结沉降Ss,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,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得出,所以在SL 435—2008《海堤工程设计规范》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:

式中:S为最终沉降量,mm;n为压缩层范围的土层数;e1i为第i土层在平均自重和平均附加固结应力作用下的孔隙比;e2i为第i土层在平均自重和平均附加应力作用下的孔隙比;hi为第i土层的厚度,mm;m为修正系数。

沉降量理论计算与地基土分层、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,对于过程中的沉降量计算,还与加载曲线、土体固结度等因素有关。

2.2 施工阶段的沉降监测分析

按照堤塘工程相关设计规范的规定,施工过程中应根据工程建设需要设置沉降等一般性监测项目,例如地表沉降监测、地基分层沉降监测等。原位的沉降观测不仅能直接获得堤塘建设过程中实际发生的沉降过程,还可以通过现场实测资料来推算沉降量与时间的关系。目前,地基沉降预测方法有很多种,如曲线拟合法、线性回归法、灰色预测法、神经网络法、时间序列法等。

2.3 设计沉降与沉降原位监测的差异分析

规范推荐的分层总和法计算沉降,未考虑侧向变形的影响,且规范上所提供的沉降修正系数均比较笼统、粗略,同时实际施工过程中加载情况、土体固结等情况往往与理论计算分析条件存在差异,因此,前期勘测设计阶段的沉降过程曲线与实际原位观测到的沉降过程存在偏差。堤塘工程建设过程中不能仅依据勘测设计阶段确定的预留数值进行施工控制,而应结合施工实际及原位沉降监测数据采取动态的方式进行综合分析后科学确定。

3 堤塘工程沉降预留控制方法的探讨

3.1 沉降预留的时间因素

3.1.1 沉降稳定的判定

沉降稳定应从理论计算和原位监测2个方面进行判定。理论计算认为,固结度大于70%的土体,固结引起的沉降大部分已基本完成;原位监测认为,当堤身土体填筑后观测沉降量小于8 mm/月时,沉降也已基本稳定。

3.1.2 工后预留沉降的期限

建于淤泥质土上的堤塘工程,在工程完工后较长一段时间内,地基土仍处在缓慢固结压缩过程中,产生工后沉降。为保证围垦工程在运行期间满足防潮(洪)标准,工后沉降量体现为预留超高。新建堤塘工程一般在完工后5～10 a沉降基本完成,同时堤塘工程在建成后10 a左右通常要进行安全鉴定,因此确定工后预留沉降的期限为10 a较为合理。

3.1.3 施工时序引起的沉降预留差异

由于通常建设的堤塘工程堤线较长,分段施工在加载时序上存在差异,为保证竣工时外观质量,应考虑先期施工堤段与后施工堤段的沉降预留差异。

3.2 刚性体护面结构沉降预留控制

堤塘工程刚性护面结构(混凝土灌砌块石挡墙、格梁、堤顶路面等)施工通常应在堤身完成后,且沉降变形达到基本稳定后方可实施。即当堤身沉降速率小于8 mm/月,可认为沉降变形已基本稳定。然而,在实际工程建设过程中,往往因为施工进度等要求,沉降变形未能达到基本稳定情况下就需要实施刚性护面结构,此时就应根据即时原位监测资料推测工后10 a该部位的总沉降量,扣除已发生的沉降量,其差值作为施工时预留沉降量的控制值。对于堤线较长、地形地质条件较复杂的堤塘工程,还应根据设计断面、施工组织安排等分段做好沉降预留预测分析。

3.3 堤顶工后预留沉降控制

堤顶工后预留沉降的确定应在浇筑堤顶道路及防浪墙前,根据已观测到的沉降资料,预测在防浪墙、堤顶路面结构层荷载以及其他未完成部分荷载作用下,工后10 a的堤顶中沉降量,扣除已发生的沉降量,其差值作为施工时堤顶工程预留沉降量的控制值。因此,勘测设计阶段确定的堤顶工后预留沉降值应根据原位沉降监测数据动态进行调整。换言之,实际工期较原计划工期提前的,堤顶工后预留沉降要酌情增大;实际工期较原计划工期延迟的,堤顶工后预留沉降可酌情减少。

4 结 语

沉降预留控制是困扰淤泥质地基上堤塘工程施工质量的难题之一,本文通过勘测设计阶段的沉降理论计算和施工阶段的沉降监测的差异对比,提出堤塘工程沉降预留控制方法,为今后类似堤塘工程的实施提供借鉴。