軟基海堤工后沉降影響因素分析

李書(shū)杭,高 健,潘桂娥

(1.美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué),United States Minnesota Crookston 2900 University Ave PO box 2054;2.浙江省水利水電專(zhuān)科學(xué)校,浙江 杭州 310018;3.浙江省水利發(fā)展規(guī)劃研究中心,浙江 杭州 310014)

海堤工后沉降是指竣工驗(yàn)收后軟土地基的固結(jié)沉降量。影響軟基海堤工后沉降的因素多且復(fù)雜,但還是可以分析出主要、次要及一般的因素,為今后海堤工程工后沉降量的分析計(jì)算及預(yù)留提供參考。

本文利用大量的調(diào)查資料,以魚(yú)刺圖的方法分析海堤工后沉降的影響因素,然后通過(guò)Delphi(德?tīng)柗品?賦予各影響因素分值,最后采用AHP法(Analytic Hierarchy Process,即層次分析法)計(jì)算各因素的權(quán)重。

1 工后沉降對(duì)海堤工程的影響

工后沉降對(duì)海堤工程將產(chǎn)生不利影響,主要表現(xiàn)在使海堤產(chǎn)生不均勻沉降和位移,導(dǎo)致海堤傾斜、滑動(dòng)甚至破壞;降低海堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),使海堤達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)堤要求;降低防護(hù)區(qū)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),使防護(hù)區(qū)遭受不必要的損失。

1.1 不均勻沉降和位移

不均勻沉降和位移是工后沉降導(dǎo)致對(duì)海堤不利影響中最常見(jiàn)的。軟土地基的物理力學(xué)性質(zhì)因地段而異,因分層而異,不可預(yù)見(jiàn)性大。在勘察、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中,某個(gè)斷面代表性差、某個(gè)環(huán)節(jié)考慮不周,或某段地基處理時(shí)稍有不慎,都會(huì)使海堤工后沉降不均勻,導(dǎo)致海堤在運(yùn)行期間潛伏安全隱患,出現(xiàn)傾斜、滑動(dòng)甚至毀損形成險(xiǎn)工險(xiǎn)段等諸多問(wèn)題。

1.2 降低海堤防潮標(biāo)準(zhǔn)

海堤工后沉降實(shí)質(zhì)上是堤基和堤身斷面在工程完工后繼續(xù)下沉,不斷尋找穩(wěn)定的斷面結(jié)構(gòu)和堤身位置的過(guò)程。在實(shí)際工程中,由于勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工中的誤差,運(yùn)行期間的管理維護(hù)不善,以及遭遇外力影響等各種原因,往往出現(xiàn)工后沉降實(shí)際發(fā)生值大于預(yù)留值的情況,從而導(dǎo)致海堤堤頂最終高程達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,降低了海堤的防潮標(biāo)準(zhǔn),影響海堤正常功能的發(fā)揮。

1.3 降低防護(hù)區(qū)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

由于工后沉降導(dǎo)致海堤實(shí)際防潮標(biāo)準(zhǔn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),使海堤防護(hù)區(qū)內(nèi)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)降低,從而影響人們的生產(chǎn)生活環(huán)境。

2 軟基海堤工后沉降影響因素分析

在進(jìn)行分析前,首先制定了一套調(diào)查表格,收集到浙江省內(nèi)129個(gè)海堤工程的第一手資料。調(diào)查內(nèi)容主要包括工程地理位置、地形、地質(zhì)、基礎(chǔ)處理方式、堤型、堤身結(jié)構(gòu)、斷面形式、施工方法、運(yùn)行年限、遭遇的風(fēng)暴潮及地質(zhì)災(zāi)害等勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行的有關(guān)資料。對(duì)搜集到的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選分析歸納,認(rèn)為軟基海堤的工后沉降影響因素可按地基處理方式、土層特性、海堤自身情況、施工方式、沉降監(jiān)測(cè)及某些外在因素進(jìn)行分類(lèi)。

2.1 地基處理方式

2.1.1 處理方法

軟土地基具有高含水率、高孔隙度、高壓縮性、高靈敏度和滲透性弱、抗剪強(qiáng)度低等工程特性,工程地質(zhì)條件不良,是堤基沉降和穩(wěn)定的控制層,需進(jìn)行地基處理。

目前浙江省軟基海堤常用的地基處理方法有爆炸置換法和塑料排水板法。爆炸置換法是在灘涂上預(yù)拋塊石 (渣)料,采用炸藥爆炸的方法,一次或數(shù)次在極短的時(shí)間內(nèi)將地基一定深度和范圍內(nèi)的軟土置換成拋石體(或石渣、砂石等混合物)的一種軟基處理施工方法。塑料排水板法是先在地基中設(shè)置塑料排水板,然后利用建(構(gòu))筑物本身重量分級(jí)逐漸加載;或是在建(構(gòu))筑物建造以前,在場(chǎng)地先行加載預(yù)壓 (或者真空預(yù)壓),使土體中的孔隙水排出,逐漸固結(jié),使地基在發(fā)生沉降的同時(shí)提高強(qiáng)度的施工方法。

爆炸置換法是直接置換,用密實(shí)、沉降小的材料置換了壓縮性大的軟土,工后沉降變形很小;而塑料排水板法主要是加快固結(jié),存在較大的工后沉降。從實(shí)際工程工后沉降調(diào)查數(shù)據(jù)分析,采用塑料排水板法的大部分直立式或斜坡式海堤工后沉降平均值在440 mm左右,最大達(dá)700 mm;而采用爆炸置換法時(shí)要小得多。如溫州市某圍墾工程,地基處理深度20～31 m,東堤采用塑料排水板法,施工期最大沉降量為3 400mm,工后沉降量最大值為407mm;西堤采用爆炸置換法,施工期最大沉降量為40 mm,工后沉降量最大值為43 mm?？梢?jiàn),地基處理方法對(duì)工后沉降的影響明顯。

2.1.2 處理深度

根據(jù)對(duì)調(diào)查資料的分析,地基處理深度與工后沉降的關(guān)系為:處理深度越大則殘留軟土越薄,海堤越穩(wěn)定,工后沉降越小;反之,工后沉降越大。

2.1.3 處理寬度

分析調(diào)查資料后認(rèn)為:地基處理寬度越小,在堤身荷載作用下海堤側(cè)向變形越大,鉛垂向變形也隨之加大;反之,地基處理寬度越大,則海堤在堤身荷載作用下的側(cè)向變形越小,鉛垂向變形也較小,對(duì)工后沉降的影響也就減小。

2.2 地基土層

2.2.1 土層參數(shù)

土層參數(shù)主要以壓縮系數(shù)、靈敏度、孔隙比、含水率表示。其中壓縮系數(shù)決定土層的壓縮性,對(duì)海堤沉降影響最大。靈敏度越高,土層受施工擾動(dòng)影響越大,強(qiáng)度降低越多,可能產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的沉降越大?？紫侗仍酱?土層具有更大的可壓縮空間,可能產(chǎn)生較大的工后沉降。含水率越大,土層越軟,工后沉降也越大。另外,土的粘聚力、內(nèi)摩擦角也是間接反映土層軟硬的指標(biāo),也會(huì)對(duì)工后沉降產(chǎn)生影響。

2.2.2 土層厚度

軟土層的分布自上而下一般為:淤泥—淤泥質(zhì)軟土—黏土。在壓縮性質(zhì)相同的前提下,如果軟土層很薄,其沉降量也較小。分析調(diào)查資料可得出:軟土層厚度越大,施工期固結(jié)度越低,工后沉降就越大。工后沉降量與軟土層厚度成正比。

2.2.3 勘探精度

勘探點(diǎn)的布置是否符合規(guī)范要求,勘探數(shù)據(jù)的整理、勘探報(bào)告建議值的精度等直接影響海堤設(shè)計(jì)和施工,對(duì)海堤工后沉降會(huì)產(chǎn)生一定影響。因地質(zhì)勘察鉆孔有一定間距,鉆孔中試樣采集也存在較大差距,故巖土工程勘察報(bào)告所揭露的地層不能完全代表實(shí)際土層情況,甚至有些土層特別是透鏡體土層、尖滅土層容易漏測(cè),導(dǎo)致設(shè)計(jì)值出現(xiàn)偏差,使海堤產(chǎn)生不均勻沉降甚至開(kāi)裂。

2.3 海堤自身因素

2.3.1 堤身高度

設(shè)計(jì)的海堤堤身越高,堤身荷載就越大,地基變形也越大。根據(jù)對(duì)統(tǒng)計(jì)資料的分析,堤身邊坡大致相近時(shí),堤身高度越高,堤底寬度一般隨之加大;除荷載增大之外,荷載分布范圍也增大,地基沉降量增大,工后沉降也增大。

2.3.2 堤身結(jié)構(gòu)、筑堤材料、堤頂荷載

堤身結(jié)構(gòu)、筑堤材料、堤頂荷載不同,均能影響基底荷載的大小及荷載面積的范圍,所以工后沉降變形也不相同。一般情況下,荷載越大,荷載面積越大,工后沉降也越大。

2.3.3 運(yùn)行年限

海堤沉降變形是一個(gè)隨時(shí)間逐步發(fā)展的過(guò)程,因此海堤施工期的長(zhǎng)短也影響工后沉降的發(fā)展。施工期延長(zhǎng),則可使海堤下臥土層可以在施工期內(nèi)的固結(jié)度有效提高,從而降低工后沉降量的大小;而海堤運(yùn)行期越長(zhǎng),則海堤下臥土層工后變形過(guò)程就越長(zhǎng),工后沉降累計(jì)值相應(yīng)增加,但單位時(shí)段的工后沉降值卻趨小。

2.3.4 涂面高差

堤線(xiàn)涂面高差不同則地基變形不同。根據(jù)勘測(cè)調(diào)查資料,涂面有較大高差的工程,會(huì)出現(xiàn)側(cè)向擠淤作用,地基變形增大,工后沉降隨之增大。

2.4 施工方式

2.4.1 加荷速率、施工機(jī)械

加荷速率大,施工時(shí)間短,施工階段土層固結(jié)程度低,主固結(jié)變形小,則工后沉降大,反之亦然。施工機(jī)械影響著施工速率,也間接影響著工后沉降。

2.4.2 施工順序

施工順序同樣對(duì)海堤工后沉降產(chǎn)生影響。分層施工、從一側(cè)向另一側(cè)施工、多點(diǎn)并進(jìn)施工,施工順序不同影響施工工期,所以海堤工后產(chǎn)生的沉降不同。

2.5 監(jiān)測(cè)因素

2.5.1 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

工后沉降值的預(yù)留隨著施工過(guò)程中的實(shí)際情況變化而不斷修正,所以施工中原位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的布置是否合理和具有代表性,直接影響施工過(guò)程中對(duì)工后沉降預(yù)測(cè)值的判斷和預(yù)留,影響施工加載數(shù)量及海堤斷面的形象尺寸,從而影響工后沉降。

2.5.2 監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)精度

沉降監(jiān)測(cè)時(shí),外界的氣候環(huán)境、潮流、潮水位對(duì)監(jiān)測(cè)值有一定影響。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度對(duì)海堤工后沉降的判斷也有一定影響。

2.6 外在因素

2.6.1 地理位置

浙江沿海不同地區(qū)具有不同的自然條件、工程任務(wù)和風(fēng)暴潮災(zāi)害特點(diǎn),直接影響著地基處理方法、施工方式、海堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是,地理位置對(duì)工后沉降的影響是次要的、間接的。

2.6.2 周邊施工、震動(dòng)

海堤附近如果有其它工程施工特別是采用了爆炸置換法施工,或者海堤本身靠近公路、鐵路,有汽車(chē)、火車(chē)的震動(dòng)影響,則這些震動(dòng)對(duì)工后沉降有一定的影響。

2.7 采用魚(yú)刺圖分析工后沉降影響因素

魚(yú)刺圖法又稱(chēng)因果分析法,是把許多潛在的原因歸納為主要原因和次要原因,并畫(huà)成類(lèi)似魚(yú)刺的樣子,故名魚(yú)刺圖。

海堤工后沉降是地基土層、地基處理方式、海堤結(jié)構(gòu)、施工方式、監(jiān)測(cè)及外在環(huán)境等多方面因素綜合作用的結(jié)果,這些因素與海堤工后沉降的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜,它們彼此之間也存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。用魚(yú)刺圖分析可以使這些因素系統(tǒng)化、條塊化,而且簡(jiǎn)潔直觀、邏輯性強(qiáng),因果關(guān)系明確,能清晰地分析出海堤發(fā)生工后沉降的各種可能原因。進(jìn)行分析歸納后,工后沉降影響因素魚(yú)刺分析圖見(jiàn)圖1。

由圖1可清楚地看到,影響海堤工后沉降的主要原因是地基土層、地基處理、海堤自身、施工、沉降監(jiān)測(cè)、外在因素,這些因素對(duì)海堤工后沉降的影響各異,其權(quán)重在下文中進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1 海堤工后沉降影響因素魚(yú)刺分析圖

3 基于AHP法的影響因素權(quán)重計(jì)算

3.1 權(quán)重計(jì)算

AHP法是對(duì)一些較為復(fù)雜、較為模糊的問(wèn)題作出決策的簡(jiǎn)易方法,它特別適用于那些難以完全定量分析的問(wèn)題,在目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下更為實(shí)用[1],是一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法[2]。

AHP法的基本原理是:通過(guò)兩兩比較各因素的相對(duì)重要性,給各因素賦予分值,從而構(gòu)成判斷矩陣;通過(guò)求解判斷矩陣的最大特征值λmax和它所對(duì)應(yīng)的特征向量,就可求解出各因素的權(quán)重。根據(jù)這一思路,在分析工后沉降影響因素中,只要引入合理的標(biāo)度,就可以用AHP法來(lái)度量各因素之間的相對(duì)重要性,從而為有關(guān)決策提供依據(jù)。AHP法大體可以分為如下基本步驟:建立層次模型、構(gòu)造判斷矩陣、計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)、進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

這里直接采用魚(yú)刺分析圖代替海堤工后沉降影響因素層次模型,根據(jù)圖1及表1,分析比較各因素之間的相對(duì)重要性狀況,以便給出層次構(gòu)造矩陣中各有關(guān)元素的值,據(jù)此構(gòu)造判斷矩陣。

表1 標(biāo)度表

采用Delphi法,邀請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)各因素進(jìn)行對(duì)比打分,則各因素之間兩兩對(duì)比的相對(duì)重要性見(jiàn)表2。

表2 各因素之間相對(duì)重要性指標(biāo)表

打分時(shí)遵照表1中的規(guī)定。C1與C2比,C2稍微重要,則C2得2分,C1得1/2分;C1與C3比,C3略重要,則C3得3分,C1得1/3分;C1與C4比,C4較重要,則C4得5分,C1得1/5分;C1與C5比,C5非常重要,則C5得7分,C1得1/7分;C1與 C6比,C6十分重要,則C6得8分,C1得1/8分。依此類(lèi)推。

根據(jù)上述分析,構(gòu)成判別矩陣如下:

①計(jì)算矩陣中每行元素乘積M(i);

③對(duì)向量Wi正規(guī)化,得到各元素對(duì)A的權(quán)重。

表3 各因素權(quán)重系數(shù)表

3.2 一致性檢驗(yàn)

CR=CI/RI=0.02＜0.1(這里 n=6時(shí)查得RI=1.24);

由CR值可以看出,構(gòu)成的判別矩陣滿(mǎn)足一致性要求。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

3.3 影響因素權(quán)重

由上述分析計(jì)算可見(jiàn),6個(gè)因素的影響程度由輕到重分別為:外在因素、沉降監(jiān)測(cè)、施工因素、海堤、地基土層、地基處理,其中“地基處理”對(duì)海堤工后沉降的影響占比43%,其次為“地基土層”占比24%,這2項(xiàng)為主要因素;“海堤”自身對(duì)工后沉降的影響主要體現(xiàn)在堤身荷載和運(yùn)行年限,占比達(dá)15%,與 “施工”構(gòu)成次要因素;“沉降監(jiān)測(cè)”和 “外在因素”為影響工后沉降的一般因素。

由此可以看出,要控制或減少工后沉降,建議在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行地基處理方案的論證比選,根據(jù)地基土層特性、當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?、施工技術(shù)、投資、工期等限制條件,選擇合適的地基處理方案,能有效控制工程量、投資和工期,提高工程質(zhì)量,并達(dá)到理想的設(shè)計(jì)斷面。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于海堤建設(shè)涉及面廣,技術(shù)問(wèn)題復(fù)雜,海堤工后沉降影響因素可能不止文中所述,具體詳細(xì)的影響因素及影響程度分析,有待今后作更深入地研究。本文僅限于軟土地基的海堤,至于其它土性地基,對(duì)海堤工后沉降有何影響,主要因素有哪些,各因素影響大小如何等,也是今后需要研究的問(wèn)題。工后沉降影響因素分析的準(zhǔn)確度及合理性是直接影響海堤工后沉降量預(yù)留值的關(guān)鍵,目前浙江省乃至全國(guó)有關(guān)設(shè)計(jì)海堤堤頂高程中對(duì)工后沉降量的預(yù)留缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或公式參照,預(yù)留值與實(shí)際發(fā)生值經(jīng)常出現(xiàn)誤差超過(guò)100%甚至更大的情況,與設(shè)計(jì)人員對(duì)工后沉降影響因素的分析判斷及經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系。建于軟土地基上的海堤,若工后沉降過(guò)大則很難滿(mǎn)足防潮的要求。所以,工后沉降規(guī)律的探尋、預(yù)留值的預(yù)測(cè)計(jì)算更是海堤設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的主要問(wèn)題,在今后的工作中需要重點(diǎn)研究。

[1]王以彭,李結(jié)松.層次分析法在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)中的應(yīng)用 [J].第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),1999(4):377-379.

[2]甘應(yīng)愛(ài),田豐.運(yùn)籌學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社出版,1990.