大連新港圍填工程堆石壩基地承載力計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)

韓東海

(遼寧省本溪市桓仁縣水務(wù)局，遼寧 桓仁 117200)

20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)自主發(fā)明了利用爆炸法處理沿海灘涂堤壩軟土地基技術(shù)[1]。經(jīng)過多年發(fā)展，目前該技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。由于爆炸擠淤形成的堆石壩與普通軟土地基上的堆石壩在地基承載力方面明顯不同，參照普通軟土地基堆石壩進(jìn)行地基承載力計(jì)算顯然不夠準(zhǔn)確[2]。如果采用保守設(shè)計(jì)既容易造成不必要的資源浪費(fèi)，也難以保證壩體的穩(wěn)定與安全。因此，如何準(zhǔn)確、合理地進(jìn)行地基承載力計(jì)算，就成為這種堆石壩地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 工程背景

1.1 工程概況

大連新港位于丹東和渤海口之間，擬新建的30萬噸級(jí)原油碼頭位于大孤山半島，屬于大窯灣與大連灣之間的過渡性區(qū)域，在2006年沙陀子圍墾后，該處流態(tài)更為復(fù)雜[3]。因此，需要進(jìn)行必要的流場(chǎng)整治。流場(chǎng)整治工程方案主要由兩部分組成：一是北側(cè)的導(dǎo)流堤，其主要功能是歸順原油碼頭前沿附近的水流流向，同時(shí)為鯰魚灣港區(qū)的碼頭提供一定的防浪掩護(hù)作用；二是南側(cè)的圍填工程，其方案為沿著-3m的等高線布置。

圍填工程設(shè)計(jì)堤線總長(zhǎng)1380m，擬采用控制爆炸法進(jìn)行軟基處理[4]。本工程所處的位置是淺海灘涂地區(qū)，堤壩地基原灘涂的高程為-3m，淤泥質(zhì)軟土的最大厚度為35m，同時(shí)自上而下呈層狀分布，主要持力層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。從原始設(shè)計(jì)資料看，堆石壩的設(shè)計(jì)深度為-25.4m，沒有坐落于硬巖上，而是懸浮于-25.4m以上的淤泥土層中。由此可見，該工程是控制爆炸法處理軟土地基工程中難度最大、淤泥厚度最厚的工程，施工難度可想而知。

1.2 堆石壩斷面與埋深的當(dāng)前設(shè)計(jì)

圍填工程堆石壩的地基承載力計(jì)算利用傳統(tǒng)的壓載擠淤研究成果進(jìn)行計(jì)算[5]，計(jì)算公式如下：

表1 主要持力層物理力學(xué)參數(shù)

(1)

式中，H—填筑體厚度，m；D—淤泥中下沉度，m；t—淤泥深度，m；B—填筑體寬度，m；Cu—淤泥十字板剪切強(qiáng)度；γ—淤泥容重，t/m3；γs—填筑體容重，t/m3；

工程原設(shè)計(jì)中采用上述公式計(jì)算得到堆石壩的埋深，結(jié)合地質(zhì)資料和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)，工程共分為6個(gè)不同的斷面，其樁號(hào)和埋深設(shè)計(jì)見表2。

表2 堆石壩初始設(shè)計(jì)參數(shù)表

在試施工過程中，業(yè)主委托專業(yè)單位進(jìn)行了埋深鉆孔監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示當(dāng)前設(shè)計(jì)并不能很好描述施工中的實(shí)際深度，在達(dá)到設(shè)計(jì)埋深時(shí)，堆石壩仍不穩(wěn)定，需要繼續(xù)進(jìn)行爆炸擠淤施工方可使堆石壩達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)深度普遍較小，地基承載力明顯不足。由此可見傳統(tǒng)軟土地基承載力計(jì)算公式并不完全適合。

2 爆炸擠於堆石壩地基極限承載力計(jì)算

2.1 計(jì)算原理

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]，控制爆炸擠淤形成的堆石壩可以置換水平面下30m深的淤泥，但對(duì)于沿海灘涂淤泥層普遍較厚的工程現(xiàn)狀，此深度并不能保證堆石壩坐落在硬巖上。這種堆石壩筑壩機(jī)理的分析顯示，地基承載力主要由兩部分組成：一是堆石壩的埋深和基底寬度較大，深層淤泥的抗剪強(qiáng)度可以忽略不計(jì)，對(duì)堆石壩的承載能力就構(gòu)成了地基承載力的主要部分；二是擠淤過程中的拋石體可以改善壩體兩側(cè)淤泥土的承載力條件，其承載力也成為地基承載力的重要組成。因此，從極限平衡理論出發(fā)，增加計(jì)算堆石壩兩側(cè)拋石體對(duì)承載力的影響，可以推導(dǎo)出適合控制爆炸擠淤堆石壩的地基承載力計(jì)算公式。

2.2 計(jì)算方法

堆石壩的橫斷面形狀太過復(fù)雜，十分不便于計(jì)算[7]。因此，在研究過程中可以將其簡(jiǎn)化為如圖1所示的左右對(duì)稱八邊形[8]。從簡(jiǎn)化后的形狀看，地基承載力可以分為兩部分：一是基礎(chǔ)底面AB部分；二是基礎(chǔ)側(cè)面BHG部分。其中，基礎(chǔ)底面AB部分的承載力可由土體塑性極限分析法獲得。計(jì)算時(shí)需要分別考慮粘聚力和超載的影響以及容重的影響，并將兩部分進(jìn)行疊加，從而得出底面AB部分的地基極限承載力公式。側(cè)面部分則可以分為GH部分的土壓力和BH部分的支撐力，將其與底面AB的承載力疊加即可獲得總的地基承載力，其計(jì)算公式如下：

Qf=qfB+Qs

(2)

其中：

(3)

Qs=2N1sina1+2T1cosa1-2N2sina2+2T2cosa2

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式(2)～(3)中，Qf—總的地基承載力，kN；qf—AB部分的地基極限承載力，kN；B—填筑體寬度，m；Qs—側(cè)面地基承載力，kN；Nq、Nγ、Nc—與η、α、β相關(guān)的無因次承載力系數(shù)；σ0—BE平面上的等待應(yīng)力，kN；φ—土的內(nèi)摩擦角；P—被動(dòng)土壓力，kN；T1—BH面的剪力，kN；T2—GH面上的剪力，kN；N1—BH面的正壓力，kN；N2—GH面上的壓力，kN；fs、f1、Ws—堆石體的重力，kN；D—淤泥中下沉度，m；t—淤泥深度，m；Cu—淤泥十字板剪切強(qiáng)度；γ—淤泥容重，t/m3；γs—填筑體容重，t/m3。

圖1 簡(jiǎn)化后的堆石壩斷面與受力分析簡(jiǎn)圖

3 地基承載力計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 地基承載力的對(duì)比分析

利用上節(jié)方法對(duì)大連新港圍填工程堆石壩地基極限荷載進(jìn)行計(jì)算，獲得表3所示的結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可知，第2、3、4斷面的地基承載力均小于堆石壩的設(shè)計(jì)自重，其余三個(gè)斷面雖然比自重稍大，但是幅度較小，所以當(dāng)前設(shè)計(jì)不能滿足工程實(shí)際需求。

表3 各斷面計(jì)算結(jié)果

3.2 對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化

基于以上計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)將堆石壩各斷面的埋深進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)考慮到截面的相似性，將基底寬度及側(cè)邊長(zhǎng)度也按照比例進(jìn)行調(diào)整，埋深的調(diào)整結(jié)果見表4。

表4 堆石壩埋深調(diào)整方案 單位：m

根據(jù)表4的調(diào)整方案，對(duì)地基承載力和自重荷載進(jìn)行重新計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。計(jì)算結(jié)果顯示，在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以后，地基承載力與自重荷載的差值提高明顯，確保了施工過程中堆石壩的穩(wěn)定和安全。

表5 各斷面計(jì)算結(jié)果

3.3 優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步確定優(yōu)化設(shè)計(jì)更符合實(shí)際工程，選用設(shè)計(jì)偏差百分比對(duì)原設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。分別求得6個(gè)設(shè)計(jì)斷面的計(jì)算誤差與兩種設(shè)計(jì)埋深的百分比平均值，結(jié)果見表6。由表格6的結(jié)果可以看出，6個(gè)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)后的誤差均小于原設(shè)計(jì)誤差，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)更適用于工程實(shí)際。

表6 各斷面設(shè)計(jì)偏差計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文的研究對(duì)象為控制爆炸擠淤堆石壩，采用理論分析的方法推導(dǎo)出適合懸浮在淤泥土層中的堆石壩的地基承載力計(jì)算公式。通過大連新港圍填工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性，說明本文的計(jì)算公式適用于類似工程的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。另外，由于實(shí)際工程數(shù)據(jù)不足等因素的限制，本次研究還不能計(jì)算筑壩過程中的地基承載力變動(dòng)，還需要在日后的研究中進(jìn)一步完善。

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