既有堤加固工程的稳定性分析研究

乐嘉熠

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

现行规范[1-2]中主流的稳定性分析理念为数值法，即，要求计算边坡的最小滑弧稳定性抗力分项系数应达到某一数值，该法主要针对于设计新建边坡结构；另外，规范[3]中也提到，当拟建工程附近有稳定坡时，亦可通过对比法判断拟建工程稳定性，当新建边坡的稳定系数大于附近已有的稳定坡的稳定系数时，即可认为新建边坡是稳定的，我国早在1957 年便应用对比法判断边坡稳定[4]。

在水运工程中，当既有堤后方使用荷载提高时，往往需要对原结构进行加固，确保其加固后的稳定性能满足新的使用需求，对于此类既有堤加固工程，主流的数值法存在一定的局限性：数值法未考虑既有堤现状稳定性，计算值往往偏低，王四根[5]提出需要在既有堤同一断面绵密布孔，以确定更能反应实际情况的土层线和地质参数，从而更为准确地通过数值法判断既有堤稳定性，但该法勘察工程量极大，对于岸线较长的既有堤加固工程而言，可行性较低。

针对上述问题，本文提出一种滑弧分类理念，针对既有堤某一断面的潜在失稳滑弧进行分类讨论，将可能发生的滑弧分为大、中、小3 类，并在现行规范基础上分别采用数值法或对比法确定各类滑弧的稳定性标准，从而确保既有堤加固设计方案性价比高、针对性强。

以下结合福州港三都澳港区漳湾作业区18—20 号泊位工程，对其东侧驳岸的加固设计进行方案比选，并对不同类型滑弧的稳定性分析进行具体阐述。

1 工程概述

拟建工程陆域形成总面积约18.13 万m2，其中，回填区15.34 万m2，开山区2.79 万m2。回填区下伏软土主要为②1灰色淤泥和②3灰色淤泥质土，软土总厚度约7.5～27 m，大部分区域软土总厚度在25 m 左右，软土层下为卵石层和岩基。回填区经由前期造地工程吹填细砂已形成陆地，下伏软土未进行加固处理。回填区东侧为一条已建驳岸，该驳岸作为前期造地工程的临时吹填围护结构，建设时仅考虑后方吹填荷载作用下短期的稳定性，其堤身结构为全棱体袋装砂被斜坡堤，原堤基处理方式为塑料排水板排水固结方案。根据本工程总平面布置，场地使用设计高程为9.5 m（当地理论最低潮面），陆域场地布置有钢材堆场、矿石堆场及件杂货堆场。根据新的平面布置方案，东侧驳岸后方使用荷载提高，本次需对原驳岸进行升级，二次加固堤基软土，以满足施工期、使用期稳定需求。驳岸加固长度约653.14 m。本工程平面与前期造地工程的关系如图1 所示。

图1 本工程与前期吹填造地工程位置关系图Fig.1 Relationship between this project and former land formation project

2 地质条件

本工程回填区未打设排水板，下伏软土在回填砂层压载作用下缓慢单向排水，压载期为1 a，固结不充分；东侧驳岸堤基已打设有排水板，堤基软土固结较为充分；东侧驳岸外侧海域的软土既无附加荷载又没有打设过排水板。考虑到本工程各区域受前期造地工程施工影响，同一土层各区域物理力学性质存在差异[6-7]，应重新进行地质勘查，并分区对土体物理力学指标进行统计整理。各分区软土物理力学指标见表1。

表1 软土主要设计参数表Table 1 Main parameters of soft soil

3 既有堤加固改造方案设计

相较于建设新的堤防结构而言，既有堤加固所面临的限制条件更多、更复杂，不同的工程需要结合实际情况制定加固设计方案。既有堤加固设计的主要思路为：

1）分析既有堤现状稳定性；

2）分析总结既有堤加固限制条件，确定加固初步方案；

3）结合稳定性分析成果，细化加固方案。

3.1 既有堤现状稳定性

根据地勘成果，选取4 个东侧驳岸断面，采用瑞典条分法对已建东侧驳岸进行稳定性分析，各断面现状抗力分项系数见表2。

表2 东侧驳岸各断面现状抗力分项系数表Table 2 Current partial safety factor for resistance of East Revetment

由于瑞典条分法忽略了土条侧面的作用力，算出的稳定安全系数可能偏低10%～20%[8]，另外，考虑到模型土层线和实际土层线存在差异，且各断面土体实际抗剪强度与地勘提供的统一的计算值亦存在差异，故计算所得的抗力分项系数并不完全大于1，但是该抗力分项系数可以作为后续对比法判断边坡稳定的依据[4-5]。由以上稳定性计算结果可以得知，本工程已建东侧驳岸结构现状虽然处于稳定状态，但各断面抗力分项系数基本在1 左右，现状抗力分项系数数值不高，若后方使用荷载提高，东侧驳岸存在失稳的可能，需要进行加固，方能满足新的使用需求。

3.2 初步方案

既有堤加固的限制条件需要根据各工程的具体情况进行针对性分析，本工程已建东侧驳岸加固的主要限制条件为：

1）用海红线限制。已建东侧驳岸外坡坡脚紧贴本工程用海红线，无法在外坡新增反压荷载，另外，若采用削坡的方法放缓外坡，则会占用过多的场地空间，亦不推荐；

2）工法效果限制。已建东侧驳岸原堤基处理方式为塑料排水板排水固结方案，根据地勘，堤基软土强度增长并不明显，若对已建东侧驳岸再次采用排水固结法进行二次加固，加固效果难以保证，无法满足东侧驳岸加固的稳定性需求。

综上分析，受用海红线和工法效果限制，缓坡反压法、削坡法、排水固结法等方法均不适用于本工程已建东侧驳岸加固。考虑到本工程回填区存在有大量前期造地工程吹填的细砂，综合分析限制条件、料源情况、经济性、施工便利性等因素，推荐利用本工程回填区前期吹填的细砂，采用挤密砂桩法加固东侧驳岸堤基软土。另外，从施工便利性角度考虑，加固区域宜设置在堤顶线后方区域。

3.3 稳定性分析及加固方案

1）数值法稳定性分析理念及对应方案

按照规范中主流的数值法稳定性分析理念，计算边坡的最小滑弧稳定性抗力分项系数应达到某一数值，东侧驳岸加固后各滑弧抗力分项系数控制标准确定为：施工期滑弧抗力分项系数不小于1.15，使用期滑弧抗力分项系数不小于1.3[3]。根据稳定性计算，本工程需要在东侧驳岸外坡平台打设3 排挤密砂桩，并在东侧驳岸堤顶线后方25～30 m 内的范围打设挤密砂桩，挤密砂桩桩径取80 cm，按正方形布置，不同加固断面挤密砂桩置换率为25%和30%两种。

2）滑弧分类法稳定性分析理念及对应方案

主流的数值法稳定性分析理念未考虑既有堤现状稳定性、各位置滑弧差异性等问题，容易导致过度设计。滑弧分类法稳定性分析理念通过合理考虑上述因素，将滑弧分为大、中、小3 类，见图2，并分别针对性确定荷载布置方案和各类滑弧稳定性标准。

图2 各位置滑弧示意图Fig.2 Schematic diagram of slip arcs at different positions

小滑弧：此类滑弧为不穿过主要加固区的最外侧滑弧，主要加固区对该类滑弧的稳定性完全没有提升效果，其抗力分项系数大小不随加固土体抗剪强度的提升而提升。若要提升本工程东侧驳岸小滑弧的稳定性，势必要加固外坡的软基，加固难度大，加固代价高。综合施工可行性和安全性考虑，对于本工程该类滑弧，以维持现状稳定状态为原则，采用对比法判定此类滑弧的稳定性，并在滑弧进入位置不新增荷载，故本工程该类滑弧进入位置主要布置为绿化区。

中滑弧：此类滑弧为小部分穿过主要加固区的中部滑弧，其抗滑力中的一小部分由主要加固区土体提供。以本工程为例，主要加固区土体提供的抗滑力仅占总抗滑力的20%～25%，故抗力分项系数大小虽然随加固土体抗剪强度的提升而提升，但提升效果有限。对于此类滑弧，若以抗力分项系数是否能够达到某一数值作为判断边坡稳定性的标准，则忽视了边坡现状稳定性。建议采用对比法判定此类滑弧的稳定性，并通过合理布置堤顶荷载的方式限制滑动力，确保此类滑弧的稳定。本工程中滑弧进入位置主要布置为荷载较小的堆场限载区和行政车道。参考规范中对于拟建工程附近有稳定坡的情况，拟建工程边坡抗力分项系数应稍大于现有稳定坡的抗力分项系数[3]，考虑一定的安全富余，本工程东侧驳岸加固后中滑弧抗力分项系数控制标准确定为：大于现有稳定坡自身抗力分项系数10%以上。

大滑弧：此类滑弧为完全穿过主要加固区的内侧滑弧，主要加固区土体对该类滑弧的稳定性起到决定性的作用，故该类滑弧的抗力分项系数数值可以反映其稳定性，为确保该类滑弧稳定性，其抗力分项系数应达到规范中相关数值要求。本工程该类滑弧进入位置主要布置为堆场满载区。依据规范要求，本工程东侧驳岸加固后大滑弧抗力分项系数控制标准确定为：施工期滑弧抗力分项系数不小于1.15，使用期滑弧抗力分项系数不小于1.3[3]。

东侧驳岸堤后荷载布置与3 类滑弧的关系如图3 所示。

图3 东侧驳岸堤后荷载布置与3 类滑弧的关系示意图Fig.3 Relationship between load arrangement and 3 types of slip arcs

根据稳定计算结果，挤密砂桩加固区域确定为堤顶线后方25～30 m 内的范围，挤密砂桩桩径取80 cm，按正方形布置，不同加固断面挤密砂桩置换率为25%和30%两种，挤密砂桩需打穿软土层、打设至硬土层顶。

东侧驳岸加固施工期稳定计算结果见表3。

表3 东侧驳岸加固施工期抗力分项系数汇总表Table 3 Partial safety factors for resistance of East Revetment during execution of ground improvement

根据以上计算结果，本工程东侧驳岸加固施工期，在施工荷载作用下，小滑弧抗力分项系数为现状最小抗力分项系数的1.13～1.21 倍；中滑弧抗力分项系数比现状最小抗力分项系数提升了14.7%～37.39%，提升百分比均大于10%；大滑弧抗力分项系数为1.153～1.259，均大于1.15。

东侧驳岸加固后使用期稳定计算结果见表4。

表4 东侧驳岸使用期抗力分项系数汇总表Table 4 Partial safety factors for resistance during use of East Revetment

根据以上计算结果，本工程东侧驳岸加固后，在使用荷载作用下，小滑弧抗力分项系数为现状最小抗力分项系数的1.0～1.08 倍；中滑弧抗力分项系数比现状最小抗力分项系数提升了10.35%～28.75%，提升百分比均大于10%；大滑弧抗力分项系数为1.327～1.687，均大于1.3。

由以上计算结果可以看出，对于小滑弧，虽然其抗力分项系数数值均较低，但是其值均大于现状稳定边坡的最小抗力分项系数，在小滑弧范围内不新增荷载的情况下，此类滑弧的稳定性是可以保证的；对于中滑弧，经过软基加固，在新增荷载的作用下，其抗力分项系数提升均大于现状稳定边坡最小抗力分项系数10%以上，亦可以确保其稳定。

综上所述，本工程东侧驳岸加固后稳定性满足施工期、使用期稳定要求。

3.4 对比分析

以断面4 使用期的稳定性分析为例：若按照常规的数值法，小滑弧的抗力分项系数在数值上也应达到大滑弧的标准，即使用期1.3，这就意味着在既有堤现状稳定且小滑弧范围内不新增荷载的情况下，要将其稳定性由0.832 提升至1.3 以上，稳定性提升达到了56%以上，远远超过了实际需求，相应的设计方案缺乏经济性与合理性，属于过度设计。

相较于常规方案，滑弧分类稳定性分析理念合理考虑既有堤现状稳定性、各位置滑弧差异性等问题，将可能发生的滑弧进行分类讨论，并依据稳定计算结果，取消了施工难度较高的外坡平台上的挤密砂桩，挤密砂桩工程量减少了约20%，既降低了工程造价，也提高了施工可行性。

4 结语

1）为确保既有堤加固设计方案合理可靠、稳定性分析准确，既有堤建设前的地勘资料应谨慎采用，受前期工程建设影响的区域，应重新进行地质勘查，并根据施工历史的不同，分区对土体物理力学指标进行统计整理；

2）相较于建设新的堤防结构而言，既有堤加固所面临的限制条件更多、更复杂，且限制条件、堤后平面功能布置、既有堤加固方案互相牵制影响，在设计中，需将三者统筹分析研究，并最终确定经济合理的设计方案；

3）常规的堤身稳定性分析理念要求计算边坡的最小滑弧稳定性抗力分项系数要达到某一数值，这种判定标准适用于新建堤的稳定性分析，而对于既有堤加固工程，这种做法未考虑既有堤现状稳定性、各位置滑弧的差异性等问题，容易导致过度设计。对于既有堤加固工程，应根据实际情况，将同一断面的各位置滑弧进行分类讨论，重点分析新增使用荷载对各位置滑弧的影响，针对性确定稳定性标准，合理运用对比法进行稳定性分析，确保加固方案经济合理。