淤泥质海岸防波堤工程地基监测研究

许小龙， 占鑫杰， 杨守华， 朱群峰， 周彦章， 黄宙晟

（南京水利科学研究院岩土工程研究所，南京 210029）

作为港区建设的骨干工程，防波堤具有抵御风浪营造优良的港内水域环境、阻挡泥沙减轻回淤等功能［1-3］.由于其深入海域，软土层深厚，地基条件复杂，防波堤施工过程地基常会出现沉降不均匀、沉降速率过快、水平位移较大等问题［4-9］. 同时过快的加荷速率不仅危及施工过程中堤身的安全与稳定，而且会削弱地基土的强度. 娄炎等在浙江舟山北马寺海堤与福建莆田海堤工程中发现，填筑速度过快时，后期十字板试验检出地基土强度降低约10%［10-11］. 建立准确、完善的原位动态监测系统能及时了解地基状况，发现险情，正确指导施工，排除上述隐患. 譬如浙江慈溪市杜湖水库坝体填筑过程，由于施工过快，沉降，水平位移，孔隙水压力骤增，局部出现剪切破坏，相关单位根据监测资料及时停止填筑，依靠砂井良好排水能力降低孔压，阻止了事故的发生［12］.

本文按照设计要求的监测断面埋设仪器，根据现场监测结果对防波堤施工过程进行监控，了解堤身下地基的加固效果；根据现场监测资料合理控制加荷强度与加荷速率，推求地基固结度、最终沉降量、工后沉降，为验证设计提供依据，并为后续类似工程提供第一手资料.

1 工程概述

1.1 工程概况

防波堤工程位于我国黄海海州湾西南岸、云台山北麓、东西连岛南侧，处于我国沿海岸线的中部. 防波堤工程以连云港市为依托，北距青岛港107海里、大连港342海里，南至上海港383海里、基隆港702海里. 属于海相沉积地貌类型，为大陆架海洋边缘地貌，同时总体地貌类型为近岸淤泥质浅滩地.

1.2 地质条件

根据勘察资料，防波堤拟建区域场地地基自上而下分别是灰色淤泥（I）、粉质黏土（II）、砂质粉土（II2）、粉砂（II3）. 灰色淤泥层构成了拟建防波堤区域的表部土层，为高含水率、高压缩性、高触变性、低强度的灵敏软土，工程地质性质极差，为拟建工程区的不良地基土层. 地基土层的物理力学性质指标如表1所示，地基主要压缩层为灰色淤泥，天然含水率大于液限，不排水抗剪强度为15 kPa，是一种典型的海相沉积结构性软土.

表1 防波堤地基土层的物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indices of soil

1.3 防波堤结构

防波堤堤身结构采用的是玻纤土工布加筋混合堤的斜坡堤结构，堤身外侧护面采用3 t或6 t扭王字块体，内坡采用2 t四脚空心块体；堤心结构以高程-1～0 m为界，以下为袋装砂结构，分级分层抛填，以上为10～200 kg块石分级陆抛. 袋装砂被之间设置土工布加筋层3道. 地基处理采用塑料排水板+袋装砂被预压方案；塑料排水板采用正方形布置，间距为1 m［13］.

2 现场监测及检测

2.1 监测及检测项目

根据现场地质情况，选择具有代表性的断面进行原位监测. 监测项目包括地表沉降、分层沉降、孔隙水压力、深层水平位移、边桩位移等. 地表沉降用于监测防波堤堤身以下天然泥面沉降量，推算沉降速率，可实时控制堤身施工加载速率，反映地基固结情况. 分层沉降用于监测防波堤地基不同深度各磁环的沉降量，确定各土层的沉降和沉降速率，进而分析地基各土层的固结情况. 边桩用于监测防波堤内海侧、外海侧平台外缘处位置和标高的变化来控制施工速率，及时反映堤身稳定性情况. 孔隙水压力用于监测排水板范围内不同深度淤泥地基在堤身荷载作用下的超静孔压消散规律，及时了解土体的固结状态与有效应力发展过程，动态指导和控制施工. 深层水平位移用于监测防波堤外海侧、内海侧坡脚软弱地基在堤身填筑过程中的水平位移，分析地基的位移速率.

检测项目包括取土室内试验. 在防波堤地基加固前后，在现场不超过5 m的位置按照规范钻孔取原状土样，进行室内试验，对比加固前后土性指标. 综合监测和检测结果，可评估防波堤地基的加固效果.

2.2 监测仪器布置

典型断面监测仪器布置如图1所示. 每个断面分别在堤中、外海侧镇压平台、内海侧镇压平台布置地表沉降标、孔压计和分层沉降环，同时在外海侧镇压平台、内海侧镇压平台布置边桩与测斜管.

图1 典型断面监测仪器布置Fig.1 Typical section monitoring instrument layout

2.3 监测方法

地表沉降采用水准测量法（高程监测法），通过设置沉降标进行监测；现场地基土体分层沉降通过电磁式沉降仪、沉降管、沉降环进行监测，根据各感应环高程的变化，求得地基不同土层在上部荷载作用下的沉降量. 孔隙水压力采用钢弦式孔隙水压力计监测；采用活动式测斜仪监测土体深层水平位移，同时建立专门的GPS变形监测控制网，采用GPS RTK（Real Time Kinematic）技术对边桩变形进行监测［14］.

3 监测结果分析

3.1 地表沉降

地表沉降过程曲线及沉降速率曲线如图2、图3所示. 从图中可以看出，监测历时1219 d，地基最大沉降量为760 mm. 防波堤地基沉降在施工期内发展较快，最大沉降速率为3.38 mm/d；施工期结束后沉降速率逐渐减缓，截止到2018年5月，地基的沉降速率约为0.1 mm/d. 在监测期内，防波堤地基沉降速率均控制在10 mm/d的安全标准范围内.

图2 地表沉降过程曲线Fig.2 Curves of settlement-time

图3 地表沉降速率过程曲线Fig.3 Curves of settlement rate-time

3.2 分层沉降

现场防波堤地基的分层沉降曲线如图4 所示. 土体分层沉降由埋设在各个断面不同深度的沉降环测得，在不同深度测得的沉降值即为此深度以下土体的压缩量. 根据埋设记录，分层沉降1号磁环在淤泥层以下，2～6号磁环在淤泥层中，1号（底环）和6号环（顶环）间的沉降即为灰色淤泥层的压缩量.

图4 分层沉降曲线Fig.4 Curves of layered settlement-time

由图4可知，防波堤地基的分层沉降变化过程平稳，未发生明显突变；地基的分层沉降压缩速率随时间逐渐降低，呈现出良好的规律性. 下卧层压缩量为87 mm，淤泥层压缩量为545 mm；淤泥层压缩量占总沉降量的86%，下卧层压缩量占总沉降量的14%，沉降量主要由淤泥层压缩引起. 分层沉降的顶环埋置于地面以下一定深度，顶环沉降量小于实测地表沉降.

3.3 固结度推算

根据地基加固时观测的防波堤断面沉降过程曲线可以推算地基的最终沉降量，推算方法常采用指数曲线法（三点法）、Asaoka 法和双曲线法［15-16］. 三点法计算简单，但所得固结度较小［17-18］，为使计算结果合理可靠，全面利用观测资料，减少监测结果的任意性，本项目采用双曲线法进行最终沉降量推算［19-20］. 双曲线法假定荷载满载后的沉降曲线符合双曲线，则对应有式（1）成立：

式中：t 为时间；S 为t 时刻的沉降量；t′=t-t0S′=S-S0a、b 为参数；t0与S0为时间起点和沉降曲线起点.当t=∞时，可得出S′=b，进而根据（2）式可求得最终沉降量S∞.

从表2 中可以看出，防波堤监测断面的工后沉降为74 mm；监测结束时地基的平均固结度达91%，地基加固效果明显.

3.4 地表水平位移

现场运用GPS RTK（Real Time Kinematic）技术对边桩变形进行实时监测，整理得到边桩坐标（X、Y）变化曲线如图5所示.

表2 沉降、固结度分析汇总表Tab.2 Settlement and consolidation degree

图5 防波堤地表水平位移变化曲线Fig.5 Curves of surface horizontal displacement-time

观测期内边桩的累计位移为120 mm，施工期内位移变化较大，后期趋势减缓. 由于受施工环境和GPS RTK 精度的影响，边桩水平位移变化规律相对较差，实测边桩的位移值的可靠性也较差. 在类似工程中不宜设置边桩来监测地表水平位移.

3.5 深层水平位移

图6 深层水平位移变化过程曲线Fig.6 Curves of horizontal displacement-time

典型断面的深层水平位移变化曲线如图6所示，地基的最大水平位移为76 mm，土体最大深层水平位移在深度为5～14 m范围的淤泥层中，符合该防波堤工程地质条件的特点. 在施工填筑期，防波堤地基的深层水平位移及位移速率较大；填筑到堤顶后，地基土体的深层水平位移逐渐趋于稳定. 最大水平位移速率小于5 mm/d的安全标准范围.

3.6 孔隙水压力

防波堤地基中孔隙水压力变化过程曲线如图7所示. 从图中可知，防波堤地基中总的孔压值在填筑期间上升，加载结束后孔压值开始缓慢消散，呈现出良好的规律性. 堤身填筑强度大时，地基中孔压上升较快，孔隙水压力变化过程平稳，未发生明显突变.

图7 防波堤地基中孔隙水压力变化过程曲线Fig.7 Curves of pore pressure-time

4 地基加固效果检测

通过取样室内试验，对比防波堤建设前后土的物理力学特性的变化情况，可对地基加固效果做出准确直观的判断［21］.

防波堤加固前后土体的物理力学性质对比如表3所示，土的含水率、孔隙比、压缩系数指标均明显降低；同时密度、压缩模量、无侧限抗压强度等都得到不同程度的增强，防波堤建设后地基土体指标得到了不同程度的改善.

表3 防波堤施工前后土体物理力学性质对比Tab.3 Basic parameters of soil before and after construction

5 结论

本文结合某淤泥质海岸防波堤工程在相应断面埋置监测仪器，对施工过程中沉降、水平位移、孔隙水压力，及工后的稳定性、变形、加固效果进行现场监测与检测，分析相关数据，得出如下结论.

1）防波堤地基最大沉降量均发生在堤顶前沿线位置；截止到交工验收，监测断面堤顶前沿线处地基最大沉降为760 mm；防波堤地基沉降在施工期发展较快，最大沉降速率为3.38 mm/d；施工期结束后沉降速率逐渐减缓. 在监测期内，防波堤地基沉降速率在10 mm/d的安全标准范围内.

2）防波堤地基沉降主要由淤泥层的压缩引起，淤泥层压缩量占地基总沉降量的86%左右，下卧层的压缩量占总沉降量的14%左右，防波堤分层沉降变化过程平稳，未发生明显突变.

3）在施工期，防波堤地基土体的深层水平位移发展较快，填筑至堤顶后地基土体的水平位移逐渐趋于稳定. 监测断面地基的最大水平位移为76 mm，最大水平位移速率小于5 mm/d的安全标准范围.

4）西防波堤建设后，淤泥地基的密度、压缩模量、无侧限抗压强度等都得到不同程度的增强，土性指标得到了不同程度的改善.

5）塑料排水板+袋装砂被处理防波堤地基，解决了防波堤施工期内地基失稳的难题. 埋置于淤泥层中的塑料排水板对超静孔压的消散有促进作用，地基强度得到明显提高，使防波堤填筑能够安全稳定开展.