温州浅滩海堤工程原位监测分析

梁国钱,张超杰,俞炯奇

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

原位监测是软基堤坝工程技术的重要组成部分,它可以检验工程勘察资料的可靠性,验证工程设计理论的正确性,提供施工对地基产生的影响性,观察地基发生危害的可能性,为工程施工提供加载控制和工程事故发生的原因分析依据,并为地区性工程经验的积累提供资料。因此,原位监测的指导作用十分明显,在软土地基工程实践中得到广泛应用。本文以温州浅滩灵霓海堤工程为例,分析施工过程中地表沉降、孔隙水压力、水平位移、深层沉降的变化规律,并结合实测沉降资料,提出施工期沉降计算的经验公式[1].。

1 工程概况[2].

温州浅滩北围堤位于瓯江口外,介于灵昆岛和霓屿岛,在温州市与洞头县之间,海堤全长14.5 km,堤顶高程5.8～6.3m,按50 a一遇防潮标准设计,堤顶道路宽10.5m,双车道,是目前国内最长的跨海大堤。海堤地基原始地面高程-3.0～-1.0m,表层为新近沉积的流泥或浮泥,厚0.50～1.00m,工程地质条件极差;其下40m以内地基土主要为高含水率、高压缩性、高灵敏度、低强度的淤泥和淤泥质土,是堤基沉降和稳定的主要控制层,工程力学条件差,土层力学指标见表1。

表1 灵霓海堤各土层的力学指标表

由于地基各土层强度低,且堤的高度较大,超过了在软土地基上筑堤的极限高度,地基需进行固法处理。在多方案比较后,地基处理采用塑料板排水法、土工布加碎石垫层和高强度土工织物的复合加固法,排水板间距1.4～1.5m,梅花型布置,插入涂面以下20～22m,插板区宽度为77～83m。图1为灵霓海堤典型断面示意图。

图1 灵霓海堤典型断面示意图

2 原位监测方案

为确保填筑过程中堤基的稳定,掌握地基土在预压期的变形规律,以及选择合理的施工进度,在施工过程中埋设了原位监测仪器,监测项目有地表沉降监测、地基分层沉降监测、水平位移监测、水位监测、地基十字板强度监测和地基孔隙水压力监测。图2为N11+450m断面原位监测仪器布置示意图。

图2 N11+050 m原位观测主控断面图

3 原位测试成果简介[3-4].

3.1 地表沉降

加第1级荷载时,沉降速率都大于30mm/d,甚至超过100mm/d,但都衰减很快,通常第3天就小于30 mm/d,5～10 d后小于10mm/d,3个月后沉降速度逐步减小到1～2 mm/d,并一直维持在该速率附近。根据实测资料分析,在加前4、5级荷载时,瞬时沉降十分明显,尤其是第1级荷载;加载后的沉降速率变化明显,与加载厚度相关,加载过大不仅使沉降速率异常增大,而且使其衰减也较为缓慢,如D9-1测点(N10+850m断面轴部)加第2级前的沉降速率为3mm/d,当第2级加载了2.519m(按设计要求应小于2.0m),地基虽未出现失稳现象,但最大沉降速率高达87mm/d,约12 d后才降至10mm/d以下;此外,采用薄层多次加载的施工工艺,减少一次集中加载值,可明显减小瞬时沉降。据统计,施工期瞬时沉降占其总沉降量的25%～30%。

3.2 分层沉降

该工程软土地基由多层不同性质的软黏土组成,通过地基分层沉降观测,可以了解在荷载作用下,地基各层的压缩量,判断不同深度的固结程度。图3为断面轴部实测成果图。分层沉降观测成果表明,完工时沉降主要发生在插板区,其发生的沉降约占总沉降量的72%,这说明排水板的加速固结沉降作用是显著的。

图3 N11+050 m断面轴部地基土分层沉降沿深度变化曲线图

3.3 侧向位移

侧向位移沿高程变化情况其加载后的变形规律如下:在加荷初期,地基土水平位移主要发生在插板区,其中最大位移在-10m高程左右;随着荷载的增加,尤其主堤身第3和第4级加载后,水平位移向深部发展;当镇压层荷载基本填筑到设计高程后,只在堤中心填筑荷载时,水平位移的增加趋势减小,说明镇压层起了较好的反压作用。图4为断面南侧侧向位移的实测成果图。

图4 N11+050 m断面南侧镇压层地基土侧向位移随高程变化曲线图

3.4 孔隙水压力

由观测成果可知,插板区的超静孔压消散明显,说明排水板加速固结的作用很显著。完工时地基的总平均固结度达80%以上,地基深部下卧区土层的孔压亦出现缓慢的消散趋势。加载期孔隙水压力系数 B一般为 0.3～0.5(-12.5m高程以下),处于正常范围,B值是以各时期的超静水压(考虑消散,但不累加)除以荷载∑算得的。此外,孔压监测数据表明,在停荷预压期下卧层孔压出现了增加现象,这是由于土骨架具有黏滞性,上部厚层黏土延滞了深部孔隙水压力的消散,深部土体在单位时间内因土骨架的应力松弛作用而产生的孔压升高量大于其消散量,从而造成孔隙水压力升高。图5为堤坝轴部地基土的孔压随时间变化图。

图5 N11+050 m断面轴部地基土中超静孔隙水压力随时间变化曲线图

3.5 十字板强度[5].

该工程在N11+050m断面作了2组十字板强度试验,其中一组在加载早期,另一组在加载后期,表2为该断面海堤镇压层和轴线部位不同深度地基土强度的增长情况表,通过该表可得出以下结论:

(1)堤顶和镇压层位置排水板处理区的地基土强度都有明显增长,其中堤顶位置地基土强度增长更显著。从土层不同来看,排水板处理区淤泥与砂互层(Ⅲ1)的强度增加最为明显。

(2)与排水板处理区相比,下卧层土体的强度虽有增长,但不明显,说明排水板的加速固结作用十分显著。

表2 海堤镇压层和轴线部位不同深度地基土强度的增长情况表

4 沉降预测

对于堤坝预留沉降的问题,因缺少地基土的详细土工参数资料,目前,公认的比较合理的沉降预测方法是基于现场实测沉降的曲线拟合法。本文基于传统的指数曲线法,考虑到土体变形非线性特性和固结性质随荷载的变化,同时结合路堤分级施工特点,利用前级荷载下路堤沉降反映出来的系统变形特征,预测后面荷载下的沉降发展,由此建立了一个新的路堤分级填筑情况下的沉降预测模型。

由于沉降发展符合指数曲线假设,第 i级荷载下的沉降拟合方程为:

式中:t0i为第i级荷载下沉降拟合曲线时间零点,d;S0i为第i级荷载下相应于时刻的沉降,mm;Sli为第i级荷载下的最终沉降量,mm;αi、βi为第 i级荷载下的待定参数。

如果第 i级预压期较长,则上述沉降拟合方程中Sli、αi和βi可根据该级实测沉降由指数曲线拟合法确定。通过研究各级荷载下αi和βi变化规律,可进行第k级的沉降预测。图6为N8+850 m断面轴部测点根据该方法的实测沉降与预测沉降的对比图。进一步研究表明,上述预测沉降考虑了地基土固结性质随荷载的变化,可较好地预测施工期各级加荷沉降和一定时间范围内的工后沉降。

图6 N8+850 m断面轴部测点实测沉降与预测沉降图

5 结 语

(1)现场监测工作是整个工程的一个重要组成部分,在工程的实施过程中,通过原位监测,可随时掌握地基的变形及排水固结情况,确定加荷时间,控制加荷速率,动态指导工程施工。

(2)对深厚软土地基的堆载排水预压,必须严格控制加载速率。当加载厚度过大,在地基中一定范围的剪应力达到某一临界值时,地基由以弹性变形为主进入以塑性变形为主,这时,在总沉降量中,由地基土剪切变形而产生的沉降将显著增大,如果再盲目加载,或出现潮位急退和施工交通荷载等不利因素的综合作用的情况下,堤坝地基中的塑性区将继续扩大,则有可能发生地基的整体破坏。而且,即使地基不出现明显的失稳现象,过大的剪切变形也会造成地基土结构的破坏,这对堤坝的工后沉降控制十分不利。

(3)塑料排水板法适合该工程软基处理,有效缩短地基土的排水距离,加快地基土的排水固结,增加地基强度,降低分层加荷间歇期,加快施工进度。

(4)下卧层深层软土层的沉降量占总沉降的20%左右,主要以竖向排水为主,固结时间长,将引起较大的持续发展的工后沉降。设计应采取措施,使地基的沉降大部分在施工期完成,以避免产生过大工后沉降及其给后续结构工程带来的一系列问题。

[1].沈珠江.软土工程特性和软土地基设计 [J]..岩土工程学报,1998,20(1):100-111.

[2].J.K.米切尔.岩土工程土性分析原理 [M]..高国瑞,韩选江,张新华,译.南京:南京工学院出版社,1988.

[3].Mesri G,Choi Y K.Settlement analysis of embackment on soft clays[J]..ASCE Journal of Geotechnical Engineering,1985(111):441-464.

[4].Tanvenas F, Leroueil S.The behavior of embankment on clay foundations[J]..Canadian Geotechnical Journal,1980(17):236-260.

[5].魏汝龙.软黏土的强度和变形 [M]..北京:人民交通出版社,1987.