南沙某软土地基海堤堤顶裂缝成因分析及工程措施建议

钟志辉,张玉成,陈彩苑,姜 燕

(1.广州市宏禹水利水电勘测设计有限公司，广东 广州 511458；2.华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642；3.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

1 概述

广东珠三角地区软土分布广泛，尤其在珠江入海口范围，主要为第四系海相沉积或海陆交互沉积形成的淤泥及淤泥质土。该区域软土层具有含水量高、承载力低、压缩性高、固结时间长、抗滑稳定性差等工程特性[1-2]。随着沿海地区经济的发展，工程建设规模和数量不断增加，软土地基引起的工程问题越来越多。例如软土中的基坑开挖和支护，往往很难满足稳定性要求或嵌固深度要求，基坑位移也较难控制[3]；又如软土地基会发生工后沉降较大、地基不均匀沉降的问题，此类现象会引起地基上部结构产生倾斜或开裂[4-6]。因此，在软土地质条件下修建工程，需要针对具体工程类型作出具体分析，并提出具有针对性的工程措施，提前预防或减少工程问题。

珠三角沿海城市修建了大量的海堤、河堤工程，其中很多修建在软土地基上。这些堤防往往会因软土地基承载力较低、沉降不均匀而出现各种工程问题。本文以广州南沙区某海堤工程为例，通过计算分析说明软土地基不均匀沉降对该海堤堤顶裂缝的影响，并给出相关的建议和处理措施，为同类工程设计提供参考。

2 工程概况

2.1 海堤工程介绍

某海堤坐落在广州南沙区，1期工程：堤身为浆砌石挡墙，堤基自上而下主要以素填土及软土层组成，软土以淤泥为主，软土厚度约为10～15 m。

2期工程：2014—2018年，对旧堤进行升级改造(如图1所示)，在旧挡墙外侧新建一块混凝土挡墙，新旧挡墙之间通过凿毛的方式衔接，并在旧堤上铺设碎石垫层、C25板、干砌条石；新挡墙前采用抛石回填以防止堤脚被冲刷。

图1 2期工程的海堤典型剖面示意

2.2 海堤景观提升工程

3期工程：为了提升海堤的整体景观效果，2020年对海堤进行生态景观提升改造，景观提升工程的典型设计如图2所示，该工程拟在已建设的堤防外侧进行40～60 cm填土并种植生态植物，外围采用生态袋进行防护。2020年初按照设计方案在海堤局部进行了生态景观试验段(如图3所示)。

图2 海堤景观提升工程典型设计示意

图3 海堤景观提升工程试验段示意

海堤景观提升工程填土的运土方案如下所述(现场作业如图4所示)。

图4 海堤景观提升工程现场施工示意

1) 通过船只将土方量在预定的卸土点卸土，并且要做到卸土均匀。

2) 土方回填采用50 m皮带船进行，皮带船将土方卸到距土袋围堰15 m处，每堆土高度不超过2～3 m。

3) 土方卸落同时，水陆挖机进行倒运，将土方倒运摊铺到施工范围内，每个卸土区域由2台水陆挖机接力转运，均匀摊铺到土工格室，初层高度不高于40 cm，待铺设完成土工格室后，再机械配合将20 cm土方铺设完成。

2.3 海堤堤顶裂缝情况

试验段完工后，发现海堤堤顶局部范围条石之间缝隙出现较为明显的张开，缝隙宽度为8～10 mm，且贯通较长(如图5所示)。

图5 堤顶裂缝现场位置示意

在景观提升工程试验段附近，贯通裂缝距离垂直岸墙约2.4 m，距离护栏内侧约1.6 m。与该海堤典型剖面进行对比，发现裂缝所处的位置与2期挡墙和2期C25混凝土板交接的位置十分接近(如图6所示)，并且2期挡墙和C25板之间无任何衔接处理。

图6 堤顶裂缝位置示意

为了解该海堤堤顶裂缝产生的原因，通过对海堤的抗滑稳定和不均匀沉降进行分析，以确定裂缝产生的主要因素。

3 场地工程地质条件

根据地质勘察报告，场区基岩为燕山三期(γ)花岗岩，上覆为第四系人工填土层(Q4ml)、全新统海陆交互相沉积层(Q4mc)、上更新统河流相冲积层(Q3al)和残积层(Qel)。本次分析的土层岩性和状态自上而下可划分为：

1) 第四系人工填土层(Q4ml)

①1杂填土：杂色、褐红色、褐灰色，稍湿，松散，主要由碎石、块石、砖块及少量生活垃圾组成，硬质物约占50%～70%，粉质粘土和中粗砂充填。该层均出露于地表，层厚为0.70～3.50 m，平均为1.66 m。

①2素填土：见于整个场区，呈层状连续分布。褐色、褐灰色、灰色等，稍压实，主要由粘性土和少量中砂回填组成，主要为河堤和路基填土。层顶埋深为0.00～1.50 m，层厚为0.50～7.10 m，平均为2.44 m。标准贯入试验N=6.0～10.0击，平均为8.1击；Ps=0.05～1.76 MPa，平均为0.59 MPa。

①3耕土：见于场区部分地段，呈似层状或透镜状分布。褐色、灰黄色、灰褐色等，结构疏松，主要由粘性土组成，含少量植物根系。该层均直接出露于地表，层厚为0.50～1.00 m，平均为0.62 m。

2) 第四系全新统海陆交互相沉积层(Q4mc)

②1淤泥：灰色、深灰色，饱和，流塑，有机质含量为0.630%～3.626%，具腐臭味，层间普遍夹线状薄层粉细砂，局部夹少量碎贝壳。此层均出露于河底，层厚为2.80～22.50 m，平均为9.19 m。标准贯入试验N=1.0～3.0击，平均为1.7击。

②2淤泥质粉质粘土：见于整个场区，呈层状连续分布。深灰色，饱和，流塑，有机质含量为0.880%～4.020%，具腐臭味。层顶埋深为0.00～30.80 m，层厚为0.90～31.40 m，平均为10.38 m。标准贯入试验N=1.0～5.0击，平均为3.3击；Ps=0.01～0.88 MPa，平均为0.45 MPa。

②3淤泥质中砂：见于场区部分地段，呈似层状分布。灰色、灰黄色等，饱和，松散，粒径不均匀，含少量淤泥质和碎贝壳，局部相变为淤泥质细砂。层顶埋深为4.50～40.80 m，层厚为0.80～13.00 m，平均为3.39 m。标准贯入试验N=2.0～7.0击，平均为4.2击；Ps=1.30～6.79 MPa，平均为3.52 MPa。

②4淤泥质粘土夹细砂：见于场区部分地段，呈似层状或透镜状分布。该层以淤泥质粘土为主，夹细砂薄层，两者呈互层状。淤泥质粘土呈灰—深灰色，流塑，有机质含量为0.770%～3.920%，厚度一般为3～5 cm；细砂薄层呈浅灰色，松散，粒径均匀，厚度一般为5～8 mm。层顶埋深为2.80～25.50 m，层厚为0.60～17.40 m，平均为4.70 m。标准贯入试验N=1.0～6.0击，平均为3.8击；Ps=0.13～2.45 MPa，平均为1.12 MPa。

4 海堤抗滑稳定性分析

海堤整体抗滑稳定性的计算分析剖面示意如图7所示，新建挡墙利用旧护岸挡墙进行加固。

图7 抗滑稳定性分析剖面示意

在新挡墙墙顶形成1级平台，平台标高为6.50～6.80 m。1级平台的步道采用干砌条石铺装，靠栏杆侧的条石下部是新建挡墙，其他部分条石下部是20 cm厚的C25混凝土板，混凝土板下铺20 cm厚的碎石垫层，垫层下部为淤泥质土。挡墙下部的淤泥质土厚度约为12 m，土层底部标高约为-6.8 m，再往下是淤泥质土夹细砂层，厚度约为5 m。

根据地质勘察报告，各岩土体的计算参数见表1，其中强度参数采用总应力强度。

a 2期工程

表1 岩土体计算参数

本海堤抗滑稳定的最不利工况：临水侧水位从设计洪水位7.93 m骤降至堤脚，背水侧水位为地下水位(地面-0.5 m)。采用理正岩土计算软件，得到Bishop法的安全系数为：2期工程2.184，3期工程2.426，均满足《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)的安全系数最低要求1.50。图8为计算得出的潜在滑动面，可见滑动面的入口不在现场裂缝处(第1级平台)。因此，可以判断该海堤整体是稳定的，抗滑稳定性不是堤顶产生裂缝的主要原因。

5 海堤不均匀沉降分析

5.1 分析模型

有限元分析能够模拟更加复杂的结构和地层情况[7-8]，在合理的简化条件下能够得出较为符合实际的计算结果。采用Midas/GTS有限元软件模拟不同工况下的堤防和地基变形，有限元简化分析模型如图9所示。考虑旧堤已经存在多年，下部堤基淤泥质土由于固结，其变形模量会大于堤基以外的淤泥质土，因此，将淤泥质土分为两部分考虑。

很多研究表明土的变形模量跟应力状态有关[9-12]，即土的应力水平越高，变形模量越小。图9中堤防外侧的地基土所受的侧向约束较小，因此，应力水平相对较高，所以变形模量较小，土体更“软”；而堤防底部地基侧向约束更大，因此，应力水平相对较低、变形模量较高。所以将地基简化成图9中两部分进行考虑是合理的。

图9 有限元分析模型示意

5.2 不均匀沉降的原因

堤防不均匀沉降产生的原因主要有两个方面：① 地基的刚度不同，即地基的变形模量不同，主要与地基的应力状态和固结状态有关；② 地基受力不均匀，主要与堤防的结构形式和外荷载有关。

5.3 计算分析工况

计算分析工况简化如下：

1) 1期工程：旧挡墙、堤身土、原有抛石、淤泥质土在自重的作用下，形成的初始应力。

2) 2期工程：新挡墙、碎石垫层、C25板、新填抛石。

3) 3期工程：施工生态填土(40 cm厚)，采用荷载7.2 kPa等效。

a 新填抛石

a 新填抛石

5.4 不同的地基的变形模量对堤防不均匀沉降的影响分析

1) 当考虑堤基和堤基外侧的淤泥质土的变形模量一致时，2期工程的新填抛石和3期工程的生态填土引起的海堤变形如图10所示。通过现场检测确定条石缝隙的初始宽度约为5 mm，叠加计算变形增量后可得新填抛石和生态填土分别引起的缝隙宽度为5.7 mm、6.71 mm。可见，缝隙宽度不算明显。

2) 当考虑堤基外淤泥质土的变形模量是堤基淤泥质土的1/4时，新填抛石和生态填土引起的海堤变形如图11所示。条石缝隙的初始宽度约为5 mm，叠加计算变形增量后可得新填抛石和生态填土分别引起的缝隙宽度为6.91 mm、9.28 mm。可见，此时的缝隙宽度较为明显。

不同条件下步道裂缝宽度计算值见表2，由此可见堤防临水侧在新增荷载的作用下，由于地基的刚度不均匀，导致堤防临水侧的变形较大，并产生结构的倾斜，从而导致在新挡墙和C25板交接处(无任何衔接处理)的缝隙增加。

表2 不同条件下的裂缝宽度

随着地基刚度的差异不断增加，堤顶缝隙计算值也不断增大，当堤基外侧与堤基的变形模量比值达到1/4时，裂缝宽度达到9.28 mm，与实际测量的裂缝宽度8～10 mm较为接近。

6 结论和建议

本文通过对广州南沙某海堤进行抗滑稳定分析和有限元分析，明确了海堤堤顶裂缝产生的原因，主要有以下几个方面：

1) 地基的刚度不同，即旧堤下部软土地基的变形模量要比海堤外侧的软土地基大，从而导致在相同荷载作用下堤围外侧的沉降较大。

2) 地基的刚度不同，除了固结程度不同，还与地基土的应力状态有关，堤外侧的地基土侧向约束少，因此，应力水平较高，变形模量也相对较低。

3) 地基受力不均匀，堤防外侧的新填抛石和生态填土增加了海堤临水侧的地基受力，从而增加了海堤的不均匀沉降。

4) 此外，其他因素(如涨潮退潮、软土次固结、施工堆土不均匀)也会引起软土地基的不均匀沉降。

综上所述，为了减少该海堤堤顶裂缝的扩大，则应尽量降低地基的不均匀沉降，并且减少地基承受的荷载和扰动，可行的工程措施建议如下：

1) 尽量减少海堤外侧的生态填土荷载，即减少生态填土的高度，或开挖部分抛石后再填土。

2) 在条件允许的情况下，可以在海堤临水侧施工木桩或微型桩[13]以增加软土地基的刚度。

3) 注意施工时不要扰动软土地基原状结构，避免在堤防外侧一定范围内挖土。

4) 避免重型机械施工在岸顶上作业，尽量选择轻型机械施工。机械在施工过程中，挖机位置应与土工袋围堰保持2 m左右距离，严禁碰触现状堤岸及土工袋围堰，以免对现状干砌石护坡及土工袋造成扰动。

5) 施工期间，建议对海堤的变形(沉降和水平位移)进行监测，制定合理的监测方案。如果发现变形异常，应立即停止施工并分析异常原因，找到原因并得到处理后，方可继续进行施工。