深厚软土地基围堰设计及计算研究

淡松敏

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

深厚软土地基围堰设计及计算研究

淡松敏

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

对于基坑有干地施工要求的出海口门建筑物，须在外侧填筑施工临时围堰。建筑物外侧临海，地基表层多为淤泥，土体物理力学性质差。对于深厚淤泥层堰基，如果不采用地基加固措施，围堰极易发生失稳破坏，采用地基加固措施费用较昂贵，施工较复杂，施工期较长，就临时建筑物而言投资代价偏大。基于此，本文以广东某城市出海涵洞外海侧围堰设计为例，探讨深厚淤泥地基围堰结构设计及稳定计算方法，为类似工程提供参考。

深厚软土地基；施工围堰；稳定计算；结构设计

我国沿海地区软土地基分布较广，江（河）堤、海堤等设计不当易产生整体失稳和较大的沉降，因此应先对堤基进行分析，验算其稳定性和沉降变形，当其不能满足设计要求时还应对堤基进行加固处理。

相对于江（河）堤、海堤等，软土地基上修建施工临时围堰亦须注意其结构稳定和沉降问题，以免造成失稳破坏或者沉降过大导致堰身过水淹没基坑。

海上施工临时围堰，因其堰基常为表层淤泥或者深厚淤泥层，其物理力学指标差，极易造成围堰失稳破坏和产生较大沉降，故围堰的结构设计较为复杂。作为施工临时建筑物，如果对堰基进行处理，采取水泥土换填、预压堆载、排水固结法等地基加固措施，在一定程度上能够解决堰基软弱问题，但其对工期影响大，增加工程造价，实施较为繁琐，对于施工临时建筑物来讲性价比较低。因此对深厚淤泥地基围堰结构设计及计算方法等进行合理研究，对沿海地区围海造地、新建海堤及出海建筑物的建设均有十分重要的参考意义。本文即以某沿海城市防洪工程为例，探讨研究深厚淤泥地基围堰结构设计及稳定计算的方法。

1　工程概况

广东某城市防洪工程新建汇水出海涵洞，为1级水工建筑物。涵洞位于现有海堤位置，主体结构为现浇混凝土结构，需要开挖现有大堤建设基坑，创造干地施工条件，堤内侧为干地开挖，堤外侧为临海侧，需修筑围堰挡水。由于堤外侧围堰需在深厚淤泥地基上填筑，堰基淤泥含水率高，物理力学指标差，自然呈流塑状态，其地基承载力不高，容易产生不均匀沉降，其结构设计及稳定计算问题成为该工程的施工设计难点。

2　地形地质条件

工程区属海相地质结构，场地构造基本稳定。拟建涵洞在勘探深度范围内分布的地层有：人工填积层、第四系湖塘相淤积层、第四系海相沉积层、第四系海陆交互相沉积层、残积层和燕山期侵入花岗岩层，具体土层有：杂填土、素填土；淤泥；软土；粉质粘土、中粗砂；砾质粘性土；全风化、强风化花岗岩。

拟建涵洞外海侧围堰处分布的地层为：1）第四系海相沉积层，淤泥呈流塑状态，含水率高，均值达到71.8%，层厚约19m。渗透系数为10～6cm/s，堰基渗透量较小。2）中粗砂，稍密～中密状态。3）全风化花岗岩。围堰地基土主要物理力学性质指标见表1。

3　围堰设计研究

该工程围堰为4级临时建筑物，外海侧围堰设计水位采用全年10年一遇高潮位2.55m，围堰设计高程＝设计水位+波浪爬高+安全加高，由于地基软弱等原因，堤身高度难以达到要求，故根据《广东省海堤工程设计导则（试行）》相关规定，围堰顶高程采用允许越浪量控制，经计算，越浪量为0.0093m3/（s·m），小于允许越浪量0.02m3/（s·m），故围堰顶高程确定为4.1m。为减少堰体材料施工过程中产生不均匀沉降，增加围堰主体的整体性，该工程围堰考虑采用充泥管袋围堰型式。

表1　土层物理力学指标统计表

充泥管袋顶高程取3.1m，上部迎水侧设置宽1m、高1m的袋装土子堰。充泥管袋采用150g/m2防老化编织布，围堰顶宽5m，迎水侧坡比1∶2.5，背水侧坡比1∶3；迎水面依次铺设防渗土工膜一层、150mm袋装碎石一层及350 mm厚灌砌块石一层，堰脚设置抛石护脚，基坑侧设置吹填砂反压护道，坡比1∶3。围堰断面型式见图1。

该工程堰基以淤泥为主，其地基承载力不高，不均匀沉降量大，围堰填筑前考虑在堰基泥面先铺设一层砂肋软体排，然后进行充泥管袋围堰的施工，可减少因承载力不足引起的围堰沉陷问题。

围堰堰基淤泥层渗透系数为10-6cm/s，堰基渗透量较小，为减少充泥管袋围堰堰身渗流量，围堰迎水侧采用铺设一层防渗土工膜处理。

不考虑砂肋软体排的作用，计算出堰基沉降量为1 m。围堰外海侧边坡稳定施工期考虑了两种工况分别进行计算：1）基坑侧年最高潮位2.15m，外海侧多年平均低潮位-0.03m；2）外海侧由全年10年一遇高潮位骤降至多年平均低潮位-0.03m。以上两种工况均不考虑地震影响，须考虑围堰顶部人行荷载。为增加围堰的整体稳定要求，在围堰外海侧设置了20m宽的抛石护脚。复合堰体材料物理力学指标取值见表2。

4　围堰稳定计算方法研究

目前通用的软土地基稳定计算的方法主要包括塑流稳定和抗滑稳定分析，工程中抗滑稳定主要运用极限平衡法中的瑞典圆弧法和简化毕肖普法。

表2　复合堰体材料物理力学指标表

软土地基土体主要破坏形式为滑动破坏和塑性流动破坏，不同的计算方法其破坏假设是不同的：极限平衡法是基于土体滑动破坏的假设，塑流稳定分析方法基于土体发生塑性流动破坏的假设。对于含水率极高的深厚淤泥堰基，若淤泥层本身就处于流塑状态，理论上无法进行塑流稳定计算。工程实践认为土堤圆弧滑动法的计算结果基本能反映实际情况，并能保证工程安全，故该工程考虑采用圆弧法进行计算。

圆弧法包括瑞典圆弧法和毕肖普条分法，瑞典圆弧法没有考虑土条间相互作用力，当孔隙水压力较大、地基软弱及滑弧圆心角较大时误差偏大。

根据该工程堰基淤泥的层厚及物理力学参数指标可判断，若堰体出现滑动破坏必定是大滑弧深层滑动，类似工程在计算时往往安全系数不能达到规范要求但实际施工却能达到稳定，为了减小计算误差，更反映土条间的客观情况，选用简化毕肖普法进行稳定计算，简化毕肖普法公式：

式中：mai——第 i个条块的计算系数，mai=cosai+——安全系数；ai——第i个条块底部的倾角；Wi——第i个条块的重量；ci——第i个条块的粘聚力；bi——第i个条块的长度；ui——第i个条块的孔隙水压力；φi——第i个条块的有效内摩擦角。

图1　围堰断面图

5　土体计算力学指标取值分析

该工程地质勘察报告对堰基土给出了直剪快剪、固结快剪以及十字板剪切指标。根据一般工程经验，计算围堰稳定一般考虑土体的直剪快剪指标。对广东地区工程，因淤泥呈流塑性、含水率高，按照广东省海堤工程设计导则建议：对于含水率高的软土地基，宜采用原位十字板剪切试验指标作为计算指标。

根据塑流稳定计算方法，受剪土体临界内摩擦角大于土体内摩擦角时，将出现塑性流动破坏，该工程十字板剪切试验淤泥φ值为0，围堰压载后堰基受剪区域必将破坏，故运用塑流稳定无法计算。

综上分析，本文采用土体十字板剪切试验指标，结合反压护道的长度变化，对围堰稳定进行了计算。

6　围堰稳定计算结果研究

计算工况：施工期内，围堰临水侧为外海侧全年10年一遇高潮位2.55m，基坑内侧无水，不考虑地震影响、考虑围堰顶部人行荷载，复核围堰基坑侧边坡抗滑稳定。计算结果见表3。

表3　围堰计算结果汇总表

从以上计算结果分析可知：反压护道长度达到52m时，安全系数才大于允许值，但复合堰体体型过大。经过反复计算，如果提高反压平台高度来满足安全稳定要求，反压平台自身也会出现滑移失稳破坏现象。

由此表明尽管通过反压护道的设置对围堰稳定存在有利的影响，但由于淤泥过厚，为达到计算稳定所需要的反压护道长度过长，围堰断面及工程量大，投资偏大，经济性不合理，因此需研究其他基础处理措施的可能性。

7　加筋土工布运用及计算

反压护道过长导致基坑难布置，工程量大，为了减少护道长度和工程量，故考虑在围堰基础设置两层通长管袋，上下通长管袋之间铺设500kN/m加筋高强有纺土工布一层，以提高基础整体的稳定性和承载力。加筋土工布的锚固长度Le按下式计算：

式中：Ta——筋材的容许拉力，kN/m；FS——抗拔安全系数，采用1.5；fp1，fp2——土工织物上、下接触面的摩擦系数；A——考虑锚固长度的应力非线性衰减系数，可采用0.6；p——土工织物上的垂直有效压应力，kPa。

根据堤防工程设计规范，按土工织物允许相对变形的8%时所提供的抗拉力作计算。

上述计算表明，通过加筋土工布的运用，减小了反压护道长度，提高了围堰边坡的稳定。

8　结　语

深厚淤泥地基上填筑海上施工临时围堰，围堰型式选择应进行合理的技术、经济比选，并结合实际地形地质条件采取较简易的地基处理方式，使围堰安全稳定。

该工程通过：1）堰底铺设土工布软体排形成良好的表层排水面，加快堰基淤泥的排水固结，均化应力分布从而提高地基承载力，减小沉降差；2）堰体采用充泥管袋加固土体，避免风浪对施工期堰体的冲刷流失，提高堰身主体结构的抗剪强度；3）设置反压护道解决整体稳定问题，并通过高强有纺土工布的加筋作用减少反压护道的长度，缩小断面尺寸。

上述方法的实施有效地提高了围堰的整体稳定，可提供类似工程应用作参考。

需要说明的是，本文的稳定计算过程中未体现以下因素：1）充泥管袋通过编织袋张力约束土体，在计算参数选择中，只考虑增加了土体的粘聚力，未考虑对土体摩擦角的增强；2）土工布软体排的铺设均化应力分布，并形成了良好的表层排水面，有利于孔隙水压力的消散，在围堰的填筑过程中，由于受到压载，淤泥堰基会产生一定的排水，从而增加土体的抗剪强度指标。以上两因素在计算中未有体现，可作为安全储备，计算结果偏于安全。

［1］中华人民共和国水利部.GB50286-2013，堤防工程设计规范［S］．北京：中国计划出版社，2014．

［2］中华人民共和国水利部.SL435-2008，海堤工程设计规范［S］．北京：中国水利水电出版社，2008．

［3］广东省水利厅.DB44/T182-2004，广东省海堤工程设计导则（试行）［S］．北京：中国水利水电出版社，2004．

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