已建堤防加固工程中对软土层的勘察和评价方法探讨

2014-03-24程汝恩

资源环境与工程 2014年4期

吕　振, 程汝恩

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津　300222)

0　引言

在已建堤防堤身以下的地基土层经过长期排水固结作用,其工程性质发生改变。由于堤身高度一般比较低,所产生的附加荷载相对较小,因此对于砂性土和固结程度较高的粘性土,其固结效果就比较差;而对于固结程度较低的软土来说,其作用效果就非常明显。由此而导致原始状态下的同一软土层,在堤身之下和堤身之外,其土质类别和物理力学性质存在很大差异。在堤防加固工程中,如果对同一地质单元软土层在老堤堤身之下和堤身之外的这种差异性缺乏足够认识,那么在勘察工作布置及工程地质分析评价中,就有可能产生疏漏,从而对已建堤防加固工程产生不利影响。

在天津滨海地区某水库围堤加固工程中,设计将原围堤加高2 m,加高后围堤高度为6.0 m,并在迎水坡方向加宽。施工过程中,当新筑堤身填筑工程接近完成时,其南堤长约130 m的新筑堤身产生滑动破坏。经过勘察和分析,失稳原因是Ⅳ1层软土在老堤堤身之下和堤身之外的工程性质差异较大,但在前期勘察评价时对此没有予以区别,从而在设计和施工时也没有分别采取相应工程措施。之后根据施工期勘察分析结果,对典型堤段作了稳定性分析研究,提出了相应工程处理措施及合理施工方法。目前工程已完工并正常运行。

1　土体分布及物理力学性质

2　堤基软土力学性质研究和对比

2.1　钻孔岩芯编录和现场观察

在钻孔岩芯编录和现场观察发现:①在老堤之外和老堤之下,Ⅲ层土体均为灰黄色,Ⅳ1层土体均为深灰色,颜色相同;②在老堤之外,Ⅲ层土体普遍为软塑状,Ⅳ1层土体普遍为流塑状;而在老堤之下,Ⅲ层、Ⅳ1层土体普遍为可塑状,局部Ⅳ1层为软塑状。土体状态明显不同;③在老堤之外的位置开挖探坑很难成型,流塑状土体很快就会坍塌淤满探坑。

2.2　钻孔内获取原状样品进行室内土工试验

在勘察研究过程中,分别在不同工程部位,采用钻孔内固定活塞取土器获取Ⅲ层、Ⅳ1层土体原状样品,进行室内物理性质试验,然后按照样品所处的工程部位和地质单元分别进行统计,结果见表1。

从试验成果看出,按照《岩土工程勘察规范》GB50021的标准,老堤之外的Ⅲ层、Ⅳ1层土体为软土,土质定名为淤泥质粘土或淤泥,其中Ⅲ层土体在局部区域为粘土;而老堤之下的相应层位的土体则为非软土,定名为粘土。虽然存在试验样品在采取和运输过程中的扰动影响,以及土工试验指标的离散性比较大,但试验结果还是能够反映出这种土体差异。

图1　堤基土层分布图

表1软土物理力学性质指标试验统计结果表

Table 1Testing results of physical and mechanical property indexes of soft soil

地质单元工程部位统计值物性指标界限含水率标准贯入试验含水率比重干密度湿密度孔隙比液限WL塑限Wp塑性指数IP液性指数IL标贯击数N63．5%—g/cm3g/cm3—%%—击Ⅲ老堤之下老堤之外平均值34．12．731．381．840．98439．422．315．40．674．4试样组数1616161616141414145平均值46．32．741．211．771．26344．525．219．31．10自沉～2．7试样组数3333333335Ⅳ1老堤之下老堤之外平均值37．42．761．321．821．09442．523．818．70．964．7试样组数5555544445平均值40．82．711．301．821．12134．219．514．81．44自沉～1．4试样组数9999977775

本次勘察研究还在各土层完成了几组标准贯入试验,但考虑到标准贯入试验在软土体的适用性限制,标贯击数N63.5只作为参考。

2.3　原位十字板剪切试验

考虑到勘探和试验方法在软土层应用中的局限性,针对Ⅳ1层粘土和淤泥质粘土,本次试验研究分别在不同堤段的钻孔内完成了十字板剪切试验,试验采用开口钢环式十字板剪切仪,板头采用50 mm×100 mm和65 mm×130 mm两种规格[1]。试验结果见表2。

虽因软土层厚度变化和夹有其它土质透镜体等因素的影响,试验成果离散性比较大,但当试验数据量足够多时,其统计结果也能够反映出天然状态土体的力学特征。通过对Ⅳ1层软土的十字板剪切峰值强度Cu平均值进行对比和分析,可以看出:

(1)该软土层在老堤之下的抗剪强度指标明显高于老堤之外位置。说明在老堤地基范围内,经过施工碾压和老堤堤身的长期压实固结,同一层位的土体,在不同的工程部位,其性状发生改变,工程地质性质有明显差异。

(2)十字板剪切试验的适用范围限于测定饱和软粘土的不排水抗剪强度,对于其它类型的土,十字板剪切试验成果会有相当大的误差,因此老堤之下非软土体试验指标仅供参考。

3　堤基破坏机理分析

堤身失稳段位于水库围堤的南段,长度约130 m,当堤身填筑至高度6 m时,堤顶开裂,迎水侧边坡下滑,堤身下错约2 m,并产生多条纵向裂缝;堤脚及附近地面拱起约1.0 m以上,并产生数条纵向裂缝。见示意图2。

选取失稳段边坡典型断面,采用圆弧条分法进行稳定验算[2];其工况条件设定为水库未蓄水,坡面未进行护砌。计算结果表明:边坡稳定安全系数Fs=0.962(Fs<1.0),处于不稳定状态。由此最终导致新筑堤身的破坏滑移。

表2　各堤段Ⅳ1层软土十字板剪切试验结果统计表

图2　新筑堤身失稳滑动状态示意图

与此同时,采用上述模型和计算方法,分别选取了Ⅲ层厚度和内摩擦角φ1、Ⅳ层厚度和内摩擦角φ2作为可变动因子进行演算。演算结果表明,对边坡稳定安全系数Fs影响最明显的因子是Ⅳ层内摩擦角φ2,其次是Ⅳ层厚度。针对Ⅳ层软土层,地基之下和地基之外的内摩擦角φ2均采用前期勘察结果(即地基之下土体的内摩擦角)时,边坡稳定安全系数Fs>1.0,应该是能保持边坡稳定的;而当地基之外Ⅳ层软土的内摩擦角φ2采用施工期勘察结果时,边坡稳定安全系数Fs<1.0。

由此可以看出,堤身失稳的内在原因是软土地基强度较低,不能承受上部新筑堤身的附加荷载作用,于最软弱的Ⅳ1层淤泥质粘土部位产生了剪切破坏。同时,从地基土层分布特征上看,该堤段地基Ⅳ层软土厚度一般在1.5～5.5 m,是整个围堤厚度最大的地段。另外,堤身填筑速率过快、地基软土层不易排水固结等,也是新筑堤身沿新老堤身结合部及地基软弱层位产生滑动的外部因素。

通过施工期勘察和分析,在该堤防工程设计和施工中,对可能失稳堤段,采取在迎水坡增设反压平台等措施，并且在施工过程中控制坝体填筑速率,加强观测,由此工程得以顺利完工并正常运行。

4　软土体工程性质分析和勘察评价

在已建堤防工程中,老堤之下的地基土层除了因土的自重所引起的自重应力之外,还存在由于堤身附加荷载作用而产生的附加应力;而堤身以外的地基土体仅有土的自重应力。一般来讲,正常固结的土体在自重作用下的压缩变形早已完成,土的自重应力不会引起地基变形;而附加荷载能够对地基土体产生新的压实固结作用,使地基产生新的变形。由此可见,相比较而言,附加应力对地基土体的压实作用要远大于自重应力。

由于堤身高度相对来讲一般比较低,所产生的附加荷载相对较小,因此对于土质不同、固结程度不同的土体,堤身所产生的压固效果也大为不同。对于砂性土和固结程度较高的粘性土,其压固效果就比较差;而对于固结程度较低的软土来说,堤身附加荷载的作用效果就非常明显。在软土地区修建的堤防工程,堤身对其下部软土层经过长时间(甚至长达几十年)的排水固结作用,使得堤基之下的软土层(比如淤泥、淤泥质粘性土等)土质类别和工程性质发生了很大改变。由此导致原始状态下的同一土层,在堤身之下和堤身之外,其土质类别和物理力学性质存在很大差异。

在堤防加固工程中,如果对同一地质单元软土层在老堤堤身之下和堤身之外的这种差异性缺乏足够的认识,那么在勘察工作布置及工程地质分析评价中,就有可能产生疏漏,从而对已建堤防加固工程产生不利影响。因为按照通常的堤防工程分段和工程地质单元划分方法,以及试验测试数据按工程分段和工程地质单元来统计整理的原则,往往可能忽略或过滤掉这种土体的差异,使得工程地质勘察和评价结果产生偏差,得出与实际地质条件不符的结论。

因此,已建堤防加固工程的勘察工作,应充分考虑到已建堤防对软土的作用和影响。勘察工作的布置,要在老堤地基之外布置足够的勘探工作量,并且在资料整理分析时与老堤地基之下相应土层的成果数据分别进行整理、统计和对比。