潮位涨落对岸坡深层土体水平位移的影响

□文/吴 刚 陈柏州

大型充填袋由于在软基上构筑施工适应力强、施工速度快，在码头护岸工程中得到了广泛的应用。在码头施工过程中，由于挖泥和打桩对土体扰动的影响，岸坡稳定性问题显得格外突出。其中土体的内摩擦角、粘聚力、岸坡的坡度以及水位的变化等都是影响岸坡稳定性的重要因素，与一般的堤防工程相比，天津地区码头岸坡受潮汐涨落影响明显，不存在常水位，水位的变化随着潮汐涨落会达到2～4 m的落差。水位下降时产生的渗流作用以及引起的孔隙水压力很可能引起岸坡失稳，而在岸坡稳定监测过程中，岸坡失稳最直观的表现就是深层土体水平位移突变，呈现急剧增大的趋势。

伴随着我国港口水运工程的快速发展，在大力建设港口码头的过程中，边坡失稳现象时有发生，关于影响岸坡失稳的原因分析研究成果也较多。本文主要针对天津地区通过大型充填袋形成的岸坡在受潮位涨落时深层土体水平位移进行分析，比较高潮和低潮时位移的大小，进而得出低潮时为岸坡稳定最不利时段的结论。

1 边坡稳定分析

1.1 计算方法

圆弧滑动条分析法是目前工程实践中分析粘性土边坡稳定性广泛使用的方法。此法把滑动面简单地当做是圆弧，虽然不能完全符合实际，但由于其计算概念简明且能分析复杂条件下边坡的稳定性，所以在工程实践中普遍使用并积累了丰富的经验。

工程实践中为了简化计算，常假定i土条两侧Pi、Hi的合力与Pi+1、Hi+1的合力大小相等方向相反且他们的作用线重合。利用土条的静力平衡条件可求得

式中：αi为滑弧中心与圆心垂线夹角；Wi为i土条的重力；γi为土的重度；hi为土条的中心高度；bi为土条的宽度；Ni为法线方向分力；Ti为坡面方向的分力。

可求得边坡的稳定安全系数

式中：Ci为总强度指标。

这就是被广泛应用的瑞典圆弧条分法计算公式，见图1。

图1 条分法计算

1.2 水位降落期的边坡稳定分析

当岸坡前水位随着潮位的涨落，土体粘性土渗透性低，其中水分来不及泄出而仍处于饱和状态，降落水位线与浸润线水位之间的土由浮重度变为饱和重度，见图2。此时重力增加使土发生压缩变形，引起孔隙水压力。

图2 潮水水位降落

如采用有效应力法分析时，先估算水位降落后的孔隙水压力。如图2所示，水位降落前，滑弧上达到稳定渗流后在任意点A引起的孔隙水压力为

水位降落至A点以下时，A点的孔隙水压力为

水位降落前A点的总垂直应力

水位降落后A点的总垂直应力

这样可求得水位降落前后A点的应力变化为

求得水位降落后A点的孔隙水压力为

式中：h为A点以上土的高度；hω为B点以上水柱高度；h'为水位降落前渗流至A点水头损失；γω为水的重度；γsat为土的饱和重度；为孔隙水压力系数；△σA为A点的应力变化。

结合瑞典圆弧条分法计算公式，即可按有效应力法计算水位降落期边坡稳定的安全系数。

2 岸坡土体深层水平位移计算方法

2.1 基本原理

埋设ABS测斜管并采用美国进口基康自动采集数字测斜仪进行深层土体水平位移数据采集，见图3。

图3 测斜管埋设

测斜管埋设完毕后，测定导管的初始位置值，当土层发生侧向位移时，测斜管也会相应的产生形变。将测斜仪探头沿测斜管导槽底部自下而上每隔50 cm测得读数并提拉而上，直至孔口测完各个读数X0，然后将探头取出旋转180°按照同样的方法测得X180，X0～X180为X方向在各部位的读数差。通过比较各位置的读数差与初始值，可求得各位置的相对位移变化量，即差数。对差数求和求得位移量，最后对同一位置的位移矢量合成，可求得沿深度的位移量。

在土中预埋一根测斜管分成几节，彼此用接头连接，使整个测斜管能随地基变形。变形后每节测斜管都有一个倾斜度αi，倾斜度的变化在测斜管两端产生了相应的水平位移差δi，有

式中：Li为第i节测斜管的长度，取相邻的两个头的中心距离，常取一整数，如50 cm或100 cm，本次监测工作取50 cm。

整根测斜管两端的土体水平位移差可表示为

当测斜管的埋设深度足够时，测斜管底认为是不动的，本次管底埋深约30 m，△n即为测斜管顶的水平位移值。

在测斜管两端都有水平位移的情况下，就需要实测测斜管顶的位移量并向下推求测斜管底的水平位移量

每次量测后应绘制深层土体水平位移随时间变化曲线并绘制深层土体最大水平位移随时间变化曲线图。

2.2 实际工程数据分析

天津临港高沙岭港区新型建材产业基地通用码头工程，现场监测仪器埋设在码头后方挡土墙附近，测斜管采用钻孔埋设。目前工程主体已完工，现场基本没有工况，可以认为深层土体水平位移主要受潮水涨落的影响而发生变化。

本次2组深层土体水平位移数据采集通过连续6 d现场测量获得，6 d内根据最新潮汐表选择每天最高潮位和最低潮位时间段进行数据采集。参考潮汐表并通过现场水位测量可以知道，6 d内潮汐水位在80～360 cm之间波动，一天内最大水位差达到280 cm左右。

对于两组测斜，为了掌握不同深度土体水平位移的变化情况，分别选取标高-15.00、-7.00、0.50 m的深层土体水平位移数据进行分析，见表1。

表1 水平位移情况

2017年4月15日—4月20日之间，根据不同标高土体在每天高潮和低潮时的水平位移量变化情况绘制了位移随时间变化曲线，见图4-图9。

图4 1号测斜标高0.50 m土体水平位移随时间变化曲线

图5 1号测斜标高-7.00 m土体水平位移随时间变化曲线

图6 1号测斜标高-15.00 m土体水平位移随时间变化曲线

图7 2号测斜标高0.50 m土体水平位移随时间变化曲线

图8 2号测斜标高-7.00 m土体水平位移随时间变化曲线

图9 2号测斜标高-15.00 m土体水平位移随时间变化曲线

由图4-图9可以看出，在每天低潮时深层土体水平位移均为海侧位移，高潮时为陆侧位移。连续几天的变化均表明，在没有其他工况的情况下，岸坡深层土体水平位移主要受高低潮位影响，每天的位移变化区间随高低潮位的变化在一个正常的范围区间内波动，连续6 d的变化趋势均表明低潮时为岸坡最不利时段。

通过1号测斜和2号测斜曲线对比可以看出，对于不同标高的深层土体水平位移，在0.50 m标高时，土体水平位移变化幅度在-2.56～2.19 mm之间；在-7.00 m标高的时候，土体水平位移变化幅度在-1.97～1.87 mm之间；在-15.00 m标高的时候，土体水平位移变化幅度在-0.82～0.85 mm之间。根据曲线图位移峰值的波动，结合位移观测数据，表明埋深越大的土体水平位移变化幅度越小，土体越稳定。这也是对岸坡土体圆滑弧理论一个间接性的说明。

3 结论

1）高低潮位对岸坡稳定性有一定的影响，在潮涨潮落过程中，降落水位线与浸润线水位之间的土由浮重度变为饱和重度，重力增加使土发生压缩变形，进而使深层土体水平位移发生变化。

2）本文通过实际工程案例表明，在岸坡稳定监测时，应该选取当天最低潮位也就是岸坡稳定最不利时间段进行观测，这样采集到的监测数据即为当天深层土体水平位移最大值，更有利于对现场施工的安全性进行评判，特别是在码头挖泥及打桩施工时岸坡稳定尤其重点监测。

3）本文在进行岸坡稳定性分析时候，把滑动面简单地当做是圆弧进行假设并且选取的实际工程也是在天津地区针对大型充填袋形成的岸坡，虽然具有一定的局限性，但是计算方法及研究思路同样适用于其他码头边坡稳定性分析。

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