擋浪墻頂預(yù)留沉降量設(shè)定方法

唐 云，王四根

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

軟土地基上的護(hù)岸工程施工，擋浪墻施工到頂或交工時(shí)，由于地基工后沉降原因，墻頂須預(yù)留適當(dāng)?shù)某?預(yù)留沉降量)，預(yù)留偏大則增加工程費(fèi)用，偏小則可能導(dǎo)致交工后短時(shí)間內(nèi)墻頂高程低于設(shè)計(jì)值，不能滿足防洪或防浪的需要而不得不再次加高。一般情況下，該預(yù)留沉降量根據(jù)沉降固結(jié)計(jì)算得出[1-2]，但由于影響沉降的因素眾多，預(yù)留沉降量難以準(zhǔn)確計(jì)算；也有工程通過(guò)對(duì)施工時(shí)獲得的典型段實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，參考實(shí)測(cè)值設(shè)定堤頂預(yù)留沉降量[3-4]。近年來(lái)，隨著沉降預(yù)留問(wèn)題越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，采用實(shí)測(cè)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)推算預(yù)留工后沉降的方法得到一定應(yīng)用[5-6]?？傮w上，國(guó)內(nèi)對(duì)于預(yù)留沉降設(shè)定方法的研究還不太系統(tǒng)。

本文以小虎島石化碼頭一期工程中護(hù)岸擋浪墻頂預(yù)留沉降量的設(shè)定為例，基于護(hù)岸典型段澆筑后的實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，分別采用雙曲線法及三點(diǎn)法推算擋浪墻工后沉降，對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合理論計(jì)算工后沉降量來(lái)設(shè)定擋墻超高澆筑量，為類似工程提供一種相對(duì)較為準(zhǔn)確設(shè)定擋浪墻頂預(yù)留沉降量的方法。

1 工程概況

小虎島石化碼頭一期工程位于廣州市南沙區(qū)小虎島的東南側(cè)，工程地點(diǎn)處江面寬闊，東南面有大虎島為天然屏障，往下游約15 km為虎門出口。本項(xiàng)目一期工程建設(shè)1 000和3 000噸級(jí)成品油及化工泊位共6個(gè)，工作船泊位2個(gè)，新建護(hù)岸約287 m，護(hù)岸后方吹填造地，建設(shè)陸域配套設(shè)施等。

工程設(shè)計(jì)水位為(以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚?：設(shè)計(jì)高水位3.27 m，設(shè)計(jì)低水位0.56 m，極端高水位4.35 m，極端低水位-0.15 m。

灘涂原地面高程約1.0 m，陸域形成交工高程4.5 m。護(hù)岸前沿線往后40 m內(nèi)設(shè)計(jì)使用荷載為10 kNm2。

表1 主要壓縮土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 軟土層壓縮曲線e-p數(shù)據(jù)

本工程護(hù)岸及地基處理典型斷面見(jiàn)圖1。施工工序?yàn)椋夯坶_(kāi)挖，拋填基槽中粗砂至高程0.3 m，鋪設(shè)土工布、拋填碎石倒濾層，間隔2個(gè)月后拋填擋浪墻基床塊石及澆筑墻體，墻前拋填護(hù)面塊石、墻后回填中粗砂，利用回填砂自重進(jìn)行預(yù)壓，再間隔3個(gè)月后方吹填疏浚泥土成陸。工后沉降從擋浪墻澆筑完成且墻后回填中粗砂已預(yù)壓3個(gè)月并開(kāi)始陸域吹填時(shí)刻起算。

圖1 護(hù)岸及地基處理典型斷面1(高程:m；尺寸：mm)

2 沉降計(jì)算值

根據(jù)e-p數(shù)據(jù)，采用分層總和法，斷面1的沉降計(jì)算結(jié)果為：擋浪墻頂最終沉降量S∞=78.7 cm，吹填疏浚土前沉降量St=62.5 cm，擋浪墻交工后的工后沉降量Sr=16.2 cm，沉降計(jì)算曲線見(jiàn)圖2。另外兩個(gè)斷面(本文未列圖)沉降計(jì)算值分別為S∞≈51 cm、St≈42 cm、Sr≈9 cm和S∞≈46.1 cm、St≈36 cm、Sr≈10.1 cm。

圖2 斷面1的B1觀測(cè)點(diǎn)沉降計(jì)算曲線

3 工后沉降推算方法

根據(jù)停止加荷后的實(shí)測(cè)沉降曲線(S-t曲線)，推算工后沉降常用的方法主要有三點(diǎn)法[7]和雙曲線法[8]。三點(diǎn)法源自固結(jié)度理論概化的形式解，理論上似乎更為合理，但由于加載不規(guī)律、地下水位變化等各種因素的影響，實(shí)測(cè)沉降曲線往往不夠平滑，導(dǎo)致選點(diǎn)不易，誤差較難控制。雙曲線法則相對(duì)簡(jiǎn)便，將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)換后，可以利用Excel自帶線性擬合功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，易于被接受。

3.1 雙曲線法

雙曲線公式如下：

(1)

式中：St為在時(shí)間t(從施工期或加載期一半時(shí)刻起算)時(shí)的實(shí)測(cè)沉降量；S為地基最終沉降量，待定；a為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，待定。

為確定S和a這兩個(gè)待定值，可從實(shí)測(cè)的S-t曲線后段，任取兩組已知數(shù)據(jù)(St1，t1)和(St2，t2)，代入式(1)聯(lián)立得：

(2)

(3)

再將S和a值代入式(1)，即可推算任意時(shí)間t時(shí)的沉降量。

為消除觀測(cè)資料可能產(chǎn)生的偶然誤差，通常將S-t曲線后段的全部觀測(cè)值都加以利用，進(jìn)行整體擬合，分別計(jì)算出tSt值，繪制tSt-t關(guān)系曲線。此曲線的后段往往近似直線，則此直線的斜率即為推算的最終沉降量S。

3.2 三點(diǎn)法(對(duì)數(shù)曲線法)

對(duì)于大多數(shù)工程問(wèn)題，次固結(jié)沉降與固結(jié)沉降相比很小。因此，地基的最終沉降量S(計(jì)算值)可取瞬時(shí)沉降量Sd與固結(jié)沉降量Sc之和，即S=Sd+Sc。令施工期t時(shí)刻的主固結(jié)沉降固結(jié)度為Ut，此時(shí)沉降量為：

St=Sd+UtSc

(4)

不同條件的固結(jié)度的計(jì)算公式，可用式(5)概括：

Ut=1-Aexp(-Bt)

(5)

式中：A、B為待求參數(shù)。將式(5)代入式(4)，得：

(6)

再將S=Sd+Sc代入式(6)，并用實(shí)測(cè)推算的最終沉降量S代替理論計(jì)算的最終沉降量S，得出三點(diǎn)法不同時(shí)刻沉降St基本計(jì)算式：

St=S[1-Aexp(-Bt)]+SdAexp(-Bt)

(7)

參數(shù)A一般取一維固結(jié)理論近似值8π2，剩下3個(gè)未知數(shù)S、Sd、B通過(guò)代入3組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)即可求解。

從實(shí)測(cè)的S-t曲線段選擇加載停止后的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)(St1，t1)、(St2，t2)、(St3，t3)，其中t3應(yīng)盡可能與曲線段末端對(duì)應(yīng)，時(shí)間差盡量大些且t3-t2=t2-t1。將沉降、時(shí)間代入式(7)，得：

(8)

4 雙曲線法推算工后沉降結(jié)果

本工程吹填疏浚土之前，在典型段擋浪墻頂布設(shè)了3個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)B1～B3。2005年9月—2006年2月期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，S-t曲線見(jiàn)圖3。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制典型測(cè)點(diǎn)B1的tSt-t曲線，使用整體擬合和分段擬合兩種方法，結(jié)果如圖4所示。

表3 擋浪墻交工后沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 實(shí)測(cè)工后沉降曲線

圖4 B1觀測(cè)點(diǎn)的tSt-t曲線

由圖3、4可見(jiàn)，工后60 d左右由于加載和吹填等原因，沉降曲線存在突變。整體擬合比分段擬合的相關(guān)性略差。采用60 d后的數(shù)據(jù)擬合可得工后總沉降量Sr≈12.1 cm，略小于前文列出的理論計(jì)算值16.2 cm。

綜合考慮其他斷面的理論計(jì)算工后沉降量，實(shí)際本工程擋浪墻全線按15 cm預(yù)留工后沉降量，使用至今(超過(guò)10年)未發(fā)生修補(bǔ)。

5 三點(diǎn)法推算工后沉降結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，沉降曲線呈鋸齒狀，觀測(cè)時(shí)間間隔也不均勻，采取多組數(shù)據(jù)推算進(jìn)行評(píng)估。選取時(shí)間間隔大體相等的6組觀測(cè)數(shù)據(jù)，分為兩類，使用三點(diǎn)法推算工后沉降，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4的結(jié)果可看出，本文中傳統(tǒng)三點(diǎn)法的推算結(jié)果出現(xiàn)了很多異常情況：推算的最終沉降量小于最后一次觀測(cè)值，即推算的固結(jié)度> 100%。

為消除觀測(cè)資料產(chǎn)生的誤差，也可以將S-t曲線后段的全部觀測(cè)值進(jìn)行整體擬合，精度會(huì)有所提高。但從式(7)可見(jiàn)，該推算式無(wú)法轉(zhuǎn)換成線性公式，須采用試算法編程計(jì)算，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用甚為不便。

表4 三點(diǎn)法推算結(jié)果

注：第一類數(shù)據(jù)推算的固結(jié)度部分大于100%，第二類數(shù)據(jù)推算的固結(jié)度全部大于100%，均屬異常。

6 結(jié)語(yǔ)

1)擋浪墻頂預(yù)留沉降量的設(shè)定，有條件時(shí)宜先進(jìn)行施工期沉降觀測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)合理推算工后沉降量，并結(jié)合理論計(jì)算的沉降量進(jìn)行沉降預(yù)留，相比純理論計(jì)算值往往更為合理、可靠。

2)根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線，采用雙曲線法推算后期沉降相比三點(diǎn)法更為簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，易于為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和推廣；三點(diǎn)法受加載不規(guī)律、地下水位變化等各種因素的影響，實(shí)測(cè)沉降曲線往往不夠平滑，導(dǎo)致選點(diǎn)不易，誤差較難控制，推算結(jié)果易出現(xiàn)異常。

3)在填石、填砂等其他場(chǎng)地中，對(duì)于采取不設(shè)置豎向排水通道的堆載預(yù)壓法情況，也可用本文的方法推測(cè)工后沉降量及進(jìn)行沉降預(yù)留。