已建堤防加固工程中對軟土層的勘察和評價方法探討

呂　振, 程汝恩

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津　300222)

0　引言

在已建堤防堤身以下的地基土層經(jīng)過長期排水固結(jié)作用,其工程性質(zhì)發(fā)生改變。由于堤身高度一般比較低,所產(chǎn)生的附加荷載相對較小,因此對于砂性土和固結(jié)程度較高的粘性土,其固結(jié)效果就比較差;而對于固結(jié)程度較低的軟土來說,其作用效果就非常明顯。由此而導(dǎo)致原始狀態(tài)下的同一軟土層,在堤身之下和堤身之外,其土質(zhì)類別和物理力學(xué)性質(zhì)存在很大差異。在堤防加固工程中,如果對同一地質(zhì)單元軟土層在老堤堤身之下和堤身之外的這種差異性缺乏足夠認識,那么在勘察工作布置及工程地質(zhì)分析評價中,就有可能產(chǎn)生疏漏,從而對已建堤防加固工程產(chǎn)生不利影響。

在天津濱海地區(qū)某水庫圍堤加固工程中,設(shè)計將原圍堤加高2 m,加高后圍堤高度為6.0 m,并在迎水坡方向加寬。施工過程中,當(dāng)新筑堤身填筑工程接近完成時,其南堤長約130 m的新筑堤身產(chǎn)生滑動破壞。經(jīng)過勘察和分析,失穩(wěn)原因是Ⅳ1層軟土在老堤堤身之下和堤身之外的工程性質(zhì)差異較大,但在前期勘察評價時對此沒有予以區(qū)別,從而在設(shè)計和施工時也沒有分別采取相應(yīng)工程措施。之后根據(jù)施工期勘察分析結(jié)果,對典型堤段作了穩(wěn)定性分析研究,提出了相應(yīng)工程處理措施及合理施工方法。目前工程已完工并正常運行。

1　土體分布及物理力學(xué)性質(zhì)

2　堤基軟土力學(xué)性質(zhì)研究和對比

2.1　鉆孔巖芯編錄和現(xiàn)場觀察

在鉆孔巖芯編錄和現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn):①在老堤之外和老堤之下,Ⅲ層土體均為灰黃色,Ⅳ1層土體均為深灰色,顏色相同;②在老堤之外,Ⅲ層土體普遍為軟塑狀,Ⅳ1層土體普遍為流塑狀;而在老堤之下,Ⅲ層、Ⅳ1層土體普遍為可塑狀,局部Ⅳ1層為軟塑狀。土體狀態(tài)明顯不同;③在老堤之外的位置開挖探坑很難成型,流塑狀土體很快就會坍塌淤滿探坑。

2.2　鉆孔內(nèi)獲取原狀樣品進行室內(nèi)土工試驗

在勘察研究過程中,分別在不同工程部位,采用鉆孔內(nèi)固定活塞取土器獲取Ⅲ層、Ⅳ1層土體原狀樣品,進行室內(nèi)物理性質(zhì)試驗,然后按照樣品所處的工程部位和地質(zhì)單元分別進行統(tǒng)計,結(jié)果見表1。

從試驗成果看出,按照《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021的標(biāo)準(zhǔn),老堤之外的Ⅲ層、Ⅳ1層土體為軟土,土質(zhì)定名為淤泥質(zhì)粘土或淤泥,其中Ⅲ層土體在局部區(qū)域為粘土;而老堤之下的相應(yīng)層位的土體則為非軟土,定名為粘土。雖然存在試驗樣品在采取和運輸過程中的擾動影響,以及土工試驗指標(biāo)的離散性比較大,但試驗結(jié)果還是能夠反映出這種土體差異。

圖1　堤基土層分布圖

表1軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗統(tǒng)計結(jié)果表

Table 1Testing results of physical and mechanical property indexes of soft soil

地質(zhì)單元工程部位統(tǒng)計值物性指標(biāo)界限含水率標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗含水率比重干密度濕密度孔隙比液限WL塑限Wp塑性指數(shù)IP液性指數(shù)IL標(biāo)貫擊數(shù)N63．5%—g/cm3g/cm3—%%—擊Ⅲ老堤之下老堤之外平均值34．12．731．381．840．98439．422．315．40．674．4試樣組數(shù)1616161616141414145平均值46．32．741．211．771．26344．525．219．31．10自沉～2．7試樣組數(shù)3333333335Ⅳ1老堤之下老堤之外平均值37．42．761．321．821．09442．523．818．70．964．7試樣組數(shù)5555544445平均值40．82．711．301．821．12134．219．514．81．44自沉～1．4試樣組數(shù)9999977775

本次勘察研究還在各土層完成了幾組標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗,但考慮到標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗在軟土體的適用性限制,標(biāo)貫擊數(shù)N63.5只作為參考。

2.3　原位十字板剪切試驗

考慮到勘探和試驗方法在軟土層應(yīng)用中的局限性,針對Ⅳ1層粘土和淤泥質(zhì)粘土,本次試驗研究分別在不同堤段的鉆孔內(nèi)完成了十字板剪切試驗,試驗采用開口鋼環(huán)式十字板剪切儀,板頭采用50 mm×100 mm和65 mm×130 mm兩種規(guī)格[1]。試驗結(jié)果見表2。

雖因軟土層厚度變化和夾有其它土質(zhì)透鏡體等因素的影響,試驗成果離散性比較大,但當(dāng)試驗數(shù)據(jù)量足夠多時,其統(tǒng)計結(jié)果也能夠反映出天然狀態(tài)土體的力學(xué)特征。通過對Ⅳ1層軟土的十字板剪切峰值強度Cu平均值進行對比和分析,可以看出:

(1)該軟土層在老堤之下的抗剪強度指標(biāo)明顯高于老堤之外位置。說明在老堤地基范圍內(nèi),經(jīng)過施工碾壓和老堤堤身的長期壓實固結(jié),同一層位的土體,在不同的工程部位,其性狀發(fā)生改變,工程地質(zhì)性質(zhì)有明顯差異。

(2)十字板剪切試驗的適用范圍限于測定飽和軟粘土的不排水抗剪強度,對于其它類型的土,十字板剪切試驗成果會有相當(dāng)大的誤差,因此老堤之下非軟土體試驗指標(biāo)僅供參考。

3　堤基破壞機理分析

堤身失穩(wěn)段位于水庫圍堤的南段,長度約130 m,當(dāng)?shù)躺硖钪粮叨? m時,堤頂開裂,迎水側(cè)邊坡下滑,堤身下錯約2 m,并產(chǎn)生多條縱向裂縫;堤腳及附近地面拱起約1.0 m以上,并產(chǎn)生數(shù)條縱向裂縫。見示意圖2。

選取失穩(wěn)段邊坡典型斷面,采用圓弧條分法進行穩(wěn)定驗算[2];其工況條件設(shè)定為水庫未蓄水,坡面未進行護砌。計算結(jié)果表明:邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=0.962(Fs<1.0),處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由此最終導(dǎo)致新筑堤身的破壞滑移。

表2　各堤段Ⅳ1層軟土十字板剪切試驗結(jié)果統(tǒng)計表

圖2　新筑堤身失穩(wěn)滑動狀態(tài)示意圖

與此同時,采用上述模型和計算方法,分別選取了Ⅲ層厚度和內(nèi)摩擦角φ1、Ⅳ層厚度和內(nèi)摩擦角φ2作為可變動因子進行演算。演算結(jié)果表明,對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs影響最明顯的因子是Ⅳ層內(nèi)摩擦角φ2,其次是Ⅳ層厚度。針對Ⅳ層軟土層,地基之下和地基之外的內(nèi)摩擦角φ2均采用前期勘察結(jié)果(即地基之下土體的內(nèi)摩擦角)時,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs>1.0,應(yīng)該是能保持邊坡穩(wěn)定的;而當(dāng)?shù)鼗猗魧榆浲恋膬?nèi)摩擦角φ2采用施工期勘察結(jié)果時,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs<1.0。

由此可以看出,堤身失穩(wěn)的內(nèi)在原因是軟土地基強度較低,不能承受上部新筑堤身的附加荷載作用,于最軟弱的Ⅳ1層淤泥質(zhì)粘土部位產(chǎn)生了剪切破壞。同時,從地基土層分布特征上看,該堤段地基Ⅳ層軟土厚度一般在1.5～5.5 m,是整個圍堤厚度最大的地段。另外,堤身填筑速率過快、地基軟土層不易排水固結(jié)等,也是新筑堤身沿新老堤身結(jié)合部及地基軟弱層位產(chǎn)生滑動的外部因素。

通過施工期勘察和分析,在該堤防工程設(shè)計和施工中,對可能失穩(wěn)堤段,采取在迎水坡增設(shè)反壓平臺等措施，并且在施工過程中控制壩體填筑速率,加強觀測,由此工程得以順利完工并正常運行。

4　軟土體工程性質(zhì)分析和勘察評價

在已建堤防工程中,老堤之下的地基土層除了因土的自重所引起的自重應(yīng)力之外,還存在由于堤身附加荷載作用而產(chǎn)生的附加應(yīng)力;而堤身以外的地基土體僅有土的自重應(yīng)力。一般來講,正常固結(jié)的土體在自重作用下的壓縮變形早已完成,土的自重應(yīng)力不會引起地基變形;而附加荷載能夠?qū)Φ鼗馏w產(chǎn)生新的壓實固結(jié)作用,使地基產(chǎn)生新的變形。由此可見,相比較而言,附加應(yīng)力對地基土體的壓實作用要遠大于自重應(yīng)力。

由于堤身高度相對來講一般比較低,所產(chǎn)生的附加荷載相對較小,因此對于土質(zhì)不同、固結(jié)程度不同的土體,堤身所產(chǎn)生的壓固效果也大為不同。對于砂性土和固結(jié)程度較高的粘性土,其壓固效果就比較差;而對于固結(jié)程度較低的軟土來說,堤身附加荷載的作用效果就非常明顯。在軟土地區(qū)修建的堤防工程,堤身對其下部軟土層經(jīng)過長時間(甚至長達幾十年)的排水固結(jié)作用,使得堤基之下的軟土層(比如淤泥、淤泥質(zhì)粘性土等)土質(zhì)類別和工程性質(zhì)發(fā)生了很大改變。由此導(dǎo)致原始狀態(tài)下的同一土層,在堤身之下和堤身之外,其土質(zhì)類別和物理力學(xué)性質(zhì)存在很大差異。

在堤防加固工程中,如果對同一地質(zhì)單元軟土層在老堤堤身之下和堤身之外的這種差異性缺乏足夠的認識,那么在勘察工作布置及工程地質(zhì)分析評價中,就有可能產(chǎn)生疏漏,從而對已建堤防加固工程產(chǎn)生不利影響。因為按照通常的堤防工程分段和工程地質(zhì)單元劃分方法,以及試驗測試數(shù)據(jù)按工程分段和工程地質(zhì)單元來統(tǒng)計整理的原則,往往可能忽略或過濾掉這種土體的差異,使得工程地質(zhì)勘察和評價結(jié)果產(chǎn)生偏差,得出與實際地質(zhì)條件不符的結(jié)論。

因此,已建堤防加固工程的勘察工作,應(yīng)充分考慮到已建堤防對軟土的作用和影響。勘察工作的布置,要在老堤地基之外布置足夠的勘探工作量,并且在資料整理分析時與老堤地基之下相應(yīng)土層的成果數(shù)據(jù)分別進行整理、統(tǒng)計和對比。

5　結(jié)論

(1)由于已建堤防堤基以下的軟土層經(jīng)過多年排水固結(jié)作用,導(dǎo)致在堤基之下和堤基之外的同一土層,其物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異。因此在堤防加固工程中,如果這種差異被忽略,新筑堤身容易沿新/老堤身結(jié)合部及地基軟土層產(chǎn)生剪切破壞。

(2)在已建堤防加固工程的勘察中,勘探工作布置,以及工程地質(zhì)分析評價既要根據(jù)不同地質(zhì)體單元進行,還要考慮到已建堤防上部建筑物的影響,以使勘察結(jié)果符合實際地質(zhì)條件。

參考文獻：

[1]林宗元.巖土工程勘察設(shè)計手冊[M].沈陽：遼寧科技出版社，1994.

[2]林宗元.巖土工程試驗監(jiān)測手冊[M].沈陽：遼寧科技出版社，1996.