淤泥質(zhì)海岸防波堤工程地基監(jiān)測(cè)研究

許小龍， 占鑫杰， 楊守華， 朱群峰， 周彥章， 黃宙晟

（南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，南京 210029）

作為港區(qū)建設(shè)的骨干工程，防波堤具有抵御風(fēng)浪營(yíng)造優(yōu)良的港內(nèi)水域環(huán)境、阻擋泥沙減輕回淤等功能［1-3］.由于其深入海域，軟土層深厚，地基條件復(fù)雜，防波堤施工過(guò)程地基常會(huì)出現(xiàn)沉降不均勻、沉降速率過(guò)快、水平位移較大等問(wèn)題［4-9］. 同時(shí)過(guò)快的加荷速率不僅危及施工過(guò)程中堤身的安全與穩(wěn)定，而且會(huì)削弱地基土的強(qiáng)度. 婁炎等在浙江舟山北馬寺海堤與福建莆田海堤工程中發(fā)現(xiàn)，填筑速度過(guò)快時(shí)，后期十字板試驗(yàn)檢出地基土強(qiáng)度降低約10%［10-11］. 建立準(zhǔn)確、完善的原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)了解地基狀況，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，正確指導(dǎo)施工，排除上述隱患. 譬如浙江慈溪市杜湖水庫(kù)壩體填筑過(guò)程，由于施工過(guò)快，沉降，水平位移，孔隙水壓力驟增，局部出現(xiàn)剪切破壞，相關(guān)單位根據(jù)監(jiān)測(cè)資料及時(shí)停止填筑，依靠砂井良好排水能力降低孔壓，阻止了事故的發(fā)生［12］.

本文按照設(shè)計(jì)要求的監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)儀器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)防波堤施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，了解堤身下地基的加固效果；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料合理控制加荷強(qiáng)度與加荷速率，推求地基固結(jié)度、最終沉降量、工后沉降，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為后續(xù)類似工程提供第一手資料.

1 工程概述

1.1 工程概況

防波堤工程位于我國(guó)黃海海州灣西南岸、云臺(tái)山北麓、東西連島南側(cè)，處于我國(guó)沿海岸線的中部. 防波堤工程以連云港市為依托，北距青島港107海里、大連港342海里，南至上海港383海里、基隆港702海里. 屬于海相沉積地貌類型，為大陸架海洋邊緣地貌，同時(shí)總體地貌類型為近岸淤泥質(zhì)淺灘地.

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，防波堤擬建區(qū)域場(chǎng)地地基自上而下分別是灰色淤泥（I）、粉質(zhì)黏土（II）、砂質(zhì)粉土（II2）、粉砂（II3）. 灰色淤泥層構(gòu)成了擬建防波堤區(qū)域的表部土層，為高含水率、高壓縮性、高觸變性、低強(qiáng)度的靈敏軟土，工程地質(zhì)性質(zhì)極差，為擬建工程區(qū)的不良地基土層. 地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，地基主要壓縮層為灰色淤泥，天然含水率大于液限，不排水抗剪強(qiáng)度為15 kPa，是一種典型的海相沉積結(jié)構(gòu)性軟土.

表1 防波堤地基土層的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indices of soil

1.3 防波堤結(jié)構(gòu)

防波堤堤身結(jié)構(gòu)采用的是玻纖土工布加筋混合堤的斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤身外側(cè)護(hù)面采用3 t或6 t扭王字塊體，內(nèi)坡采用2 t四腳空心塊體；堤心結(jié)構(gòu)以高程-1～0 m為界，以下為袋裝砂結(jié)構(gòu)，分級(jí)分層拋填，以上為10～200 kg塊石分級(jí)陸拋. 袋裝砂被之間設(shè)置土工布加筋層3道. 地基處理采用塑料排水板+袋裝砂被預(yù)壓方案；塑料排水板采用正方形布置，間距為1 m［13］.

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及檢測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)及檢測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，選擇具有代表性的斷面進(jìn)行原位監(jiān)測(cè). 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地表沉降、分層沉降、孔隙水壓力、深層水平位移、邊樁位移等. 地表沉降用于監(jiān)測(cè)防波堤堤身以下天然泥面沉降量，推算沉降速率，可實(shí)時(shí)控制堤身施工加載速率，反映地基固結(jié)情況. 分層沉降用于監(jiān)測(cè)防波堤地基不同深度各磁環(huán)的沉降量，確定各土層的沉降和沉降速率，進(jìn)而分析地基各土層的固結(jié)情況. 邊樁用于監(jiān)測(cè)防波堤內(nèi)海側(cè)、外海側(cè)平臺(tái)外緣處位置和標(biāo)高的變化來(lái)控制施工速率，及時(shí)反映堤身穩(wěn)定性情況. 孔隙水壓力用于監(jiān)測(cè)排水板范圍內(nèi)不同深度淤泥地基在堤身荷載作用下的超靜孔壓消散規(guī)律，及時(shí)了解土體的固結(jié)狀態(tài)與有效應(yīng)力發(fā)展過(guò)程，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)和控制施工. 深層水平位移用于監(jiān)測(cè)防波堤外海側(cè)、內(nèi)海側(cè)坡腳軟弱地基在堤身填筑過(guò)程中的水平位移，分析地基的位移速率.

檢測(cè)項(xiàng)目包括取土室內(nèi)試驗(yàn). 在防波堤地基加固前后，在現(xiàn)場(chǎng)不超過(guò)5 m的位置按照規(guī)范鉆孔取原狀土樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比加固前后土性指標(biāo). 綜合監(jiān)測(cè)和檢測(cè)結(jié)果，可評(píng)估防波堤地基的加固效果.

2.2 監(jiān)測(cè)儀器布置

典型斷面監(jiān)測(cè)儀器布置如圖1所示. 每個(gè)斷面分別在堤中、外海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺(tái)、內(nèi)海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺(tái)布置地表沉降標(biāo)、孔壓計(jì)和分層沉降環(huán)，同時(shí)在外海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺(tái)、內(nèi)海側(cè)鎮(zhèn)壓平臺(tái)布置邊樁與測(cè)斜管.

圖1 典型斷面監(jiān)測(cè)儀器布置Fig.1 Typical section monitoring instrument layout

2.3 監(jiān)測(cè)方法

地表沉降采用水準(zhǔn)測(cè)量法（高程監(jiān)測(cè)法），通過(guò)設(shè)置沉降標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)地基土體分層沉降通過(guò)電磁式沉降儀、沉降管、沉降環(huán)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)各感應(yīng)環(huán)高程的變化，求得地基不同土層在上部荷載作用下的沉降量. 孔隙水壓力采用鋼弦式孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)；采用活動(dòng)式測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)土體深層水平位移，同時(shí)建立專門(mén)的GPS變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，采用GPS RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)對(duì)邊樁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)［14］.

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 地表沉降

地表沉降過(guò)程曲線及沉降速率曲線如圖2、圖3所示. 從圖中可以看出，監(jiān)測(cè)歷時(shí)1219 d，地基最大沉降量為760 mm. 防波堤地基沉降在施工期內(nèi)發(fā)展較快，最大沉降速率為3.38 mm/d；施工期結(jié)束后沉降速率逐漸減緩，截止到2018年5月，地基的沉降速率約為0.1 mm/d. 在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，防波堤地基沉降速率均控制在10 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

圖2 地表沉降過(guò)程曲線Fig.2 Curves of settlement-time

圖3 地表沉降速率過(guò)程曲線Fig.3 Curves of settlement rate-time

3.2 分層沉降

現(xiàn)場(chǎng)防波堤地基的分層沉降曲線如圖4 所示. 土體分層沉降由埋設(shè)在各個(gè)斷面不同深度的沉降環(huán)測(cè)得，在不同深度測(cè)得的沉降值即為此深度以下土體的壓縮量. 根據(jù)埋設(shè)記錄，分層沉降1號(hào)磁環(huán)在淤泥層以下，2～6號(hào)磁環(huán)在淤泥層中，1號(hào)（底環(huán)）和6號(hào)環(huán)（頂環(huán)）間的沉降即為灰色淤泥層的壓縮量.

圖4 分層沉降曲線Fig.4 Curves of layered settlement-time

由圖4可知，防波堤地基的分層沉降變化過(guò)程平穩(wěn)，未發(fā)生明顯突變；地基的分層沉降壓縮速率隨時(shí)間逐漸降低，呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性. 下臥層壓縮量為87 mm，淤泥層壓縮量為545 mm；淤泥層壓縮量占總沉降量的86%，下臥層壓縮量占總沉降量的14%，沉降量主要由淤泥層壓縮引起. 分層沉降的頂環(huán)埋置于地面以下一定深度，頂環(huán)沉降量小于實(shí)測(cè)地表沉降.

3.3 固結(jié)度推算

根據(jù)地基加固時(shí)觀測(cè)的防波堤斷面沉降過(guò)程曲線可以推算地基的最終沉降量，推算方法常采用指數(shù)曲線法（三點(diǎn)法）、Asaoka 法和雙曲線法［15-16］. 三點(diǎn)法計(jì)算簡(jiǎn)單，但所得固結(jié)度較?。?7-18］，為使計(jì)算結(jié)果合理可靠，全面利用觀測(cè)資料，減少監(jiān)測(cè)結(jié)果的任意性，本項(xiàng)目采用雙曲線法進(jìn)行最終沉降量推算［19-20］. 雙曲線法假定荷載滿載后的沉降曲線符合雙曲線，則對(duì)應(yīng)有式（1）成立：

式中：t 為時(shí)間；S 為t 時(shí)刻的沉降量；t′=t-t0S′=S-S0a、b 為參數(shù)；t0與S0為時(shí)間起點(diǎn)和沉降曲線起點(diǎn).當(dāng)t=∞時(shí)，可得出S′=b，進(jìn)而根據(jù)（2）式可求得最終沉降量S∞.

從表2 中可以看出，防波堤監(jiān)測(cè)斷面的工后沉降為74 mm；監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)地基的平均固結(jié)度達(dá)91%，地基加固效果明顯.

3.4 地表水平位移

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用GPS RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)對(duì)邊樁變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，整理得到邊樁坐標(biāo)（X、Y）變化曲線如圖5所示.

表2 沉降、固結(jié)度分析匯總表Tab.2 Settlement and consolidation degree

圖5 防波堤地表水平位移變化曲線Fig.5 Curves of surface horizontal displacement-time

觀測(cè)期內(nèi)邊樁的累計(jì)位移為120 mm，施工期內(nèi)位移變化較大，后期趨勢(shì)減緩. 由于受施工環(huán)境和GPS RTK 精度的影響，邊樁水平位移變化規(guī)律相對(duì)較差，實(shí)測(cè)邊樁的位移值的可靠性也較差. 在類似工程中不宜設(shè)置邊樁來(lái)監(jiān)測(cè)地表水平位移.

3.5 深層水平位移

圖6 深層水平位移變化過(guò)程曲線Fig.6 Curves of horizontal displacement-time

典型斷面的深層水平位移變化曲線如圖6所示，地基的最大水平位移為76 mm，土體最大深層水平位移在深度為5～14 m范圍的淤泥層中，符合該防波堤工程地質(zhì)條件的特點(diǎn). 在施工填筑期，防波堤地基的深層水平位移及位移速率較大；填筑到堤頂后，地基土體的深層水平位移逐漸趨于穩(wěn)定. 最大水平位移速率小于5 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍.

3.6 孔隙水壓力

防波堤地基中孔隙水壓力變化過(guò)程曲線如圖7所示. 從圖中可知，防波堤地基中總的孔壓值在填筑期間上升，加載結(jié)束后孔壓值開(kāi)始緩慢消散，呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性. 堤身填筑強(qiáng)度大時(shí)，地基中孔壓上升較快，孔隙水壓力變化過(guò)程平穩(wěn)，未發(fā)生明顯突變.

圖7 防波堤地基中孔隙水壓力變化過(guò)程曲線Fig.7 Curves of pore pressure-time

4 地基加固效果檢測(cè)

通過(guò)取樣室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比防波堤建設(shè)前后土的物理力學(xué)特性的變化情況，可對(duì)地基加固效果做出準(zhǔn)確直觀的判斷［21］.

防波堤加固前后土體的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比如表3所示，土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)指標(biāo)均明顯降低；同時(shí)密度、壓縮模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等都得到不同程度的增強(qiáng)，防波堤建設(shè)后地基土體指標(biāo)得到了不同程度的改善.

表3 防波堤施工前后土體物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比Tab.3 Basic parameters of soil before and after construction

5 結(jié)論

本文結(jié)合某淤泥質(zhì)海岸防波堤工程在相應(yīng)斷面埋置監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)施工過(guò)程中沉降、水平位移、孔隙水壓力，及工后的穩(wěn)定性、變形、加固效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論.

1）防波堤地基最大沉降量均發(fā)生在堤頂前沿線位置；截止到交工驗(yàn)收，監(jiān)測(cè)斷面堤頂前沿線處地基最大沉降為760 mm；防波堤地基沉降在施工期發(fā)展較快，最大沉降速率為3.38 mm/d；施工期結(jié)束后沉降速率逐漸減緩. 在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，防波堤地基沉降速率在10 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

2）防波堤地基沉降主要由淤泥層的壓縮引起，淤泥層壓縮量占地基總沉降量的86%左右，下臥層的壓縮量占總沉降量的14%左右，防波堤分層沉降變化過(guò)程平穩(wěn)，未發(fā)生明顯突變.

3）在施工期，防波堤地基土體的深層水平位移發(fā)展較快，填筑至堤頂后地基土體的水平位移逐漸趨于穩(wěn)定. 監(jiān)測(cè)斷面地基的最大水平位移為76 mm，最大水平位移速率小于5 mm/d的安全標(biāo)準(zhǔn)范圍.

4）西防波堤建設(shè)后，淤泥地基的密度、壓縮模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等都得到不同程度的增強(qiáng)，土性指標(biāo)得到了不同程度的改善.

5）塑料排水板+袋裝砂被處理防波堤地基，解決了防波堤施工期內(nèi)地基失穩(wěn)的難題. 埋置于淤泥層中的塑料排水板對(duì)超靜孔壓的消散有促進(jìn)作用，地基強(qiáng)度得到明顯提高，使防波堤填筑能夠安全穩(wěn)定開(kāi)展.