深厚軟土中回填邊坡的整體穩(wěn)定分析

謝萬東，劉帥，王征亮

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

0 引言

在港口和填海造地工程中，經(jīng)常會遇到軟土厚度大、回填高度大的情況，在回填過程中容易出現(xiàn)拱淤、邊坡失穩(wěn)等問題[1]。在海外工程中，回填過程中的邊坡穩(wěn)定性經(jīng)常成為工程各方關(guān)注的焦點，設(shè)計往往會對回填施工提出嚴(yán)格分層要求，防止出現(xiàn)拱淤和邊坡失穩(wěn)。

香港國際機(jī)場第三跑道填海工程（簡稱香港三跑工程）的海床面標(biāo)高為-8～-5 m，回填標(biāo)高為6.5～7.0 m。在不考慮沉降和軟基處理堆載高度的情況下，回填厚度已達(dá)12～15 m，而海床面以下分布有平均厚度約15 m 的軟土，其表層3 m 的不排水抗剪強(qiáng)度僅有2 kPa。為防止在回填過程中出現(xiàn)拱淤和邊坡失穩(wěn)，設(shè)計提供了詳細(xì)的回填邊坡斷面圖紙，斷面寬度很大，且要求必須分層回填，每層厚度不超過1 m。設(shè)計提供的臨時回填斷面雖然可以保證施工過程中的安全，但在施工過程中的可操作性較低，實施難度很大，對工期和費用都有很大的影響。因此，有必要對回填邊坡斷面的穩(wěn)定性進(jìn)行深入的分析，發(fā)掘優(yōu)化空間，盡量為回填施工提供便利。

1 回填邊坡斷面優(yōu)化

香港三跑工程主要采用水泥攪拌樁、碎石樁和插塑料排水板堆載預(yù)壓等方法對軟土地基進(jìn)行處理。以堆載預(yù)壓為例，先在海床面上鋪設(shè)2 m厚的砂墊層，然后水上插打塑料排水板，再進(jìn)行分層回填和堆載預(yù)壓施工。設(shè)計提供的臨時回填邊坡斷面見圖1。

圖1 原設(shè)計回填邊坡典型斷面圖Fig.1 Typical section of filling slope from original design

為避免回填邊坡過于陡峭引起下部軟土層的剪切破壞，要求砂墊層以上每層回填厚度不大于1 m，且不得采用容易造成拱淤的施工方法。但是，在施工期間發(fā)現(xiàn)如下問題：

1） 臨時邊坡的斷面寬度達(dá)到514.5 m，而插塑料排水板堆載預(yù)壓處理區(qū)的寬度僅有470 m，水上作業(yè)面狹窄，施工非常困難。

2） 受水深影響，在-1.0～2.5 m 的高度區(qū)間，無法進(jìn)行水上回填，也不能進(jìn)行陸上推填，施工活動無法開展。

3） 水上回填工程量大，分層回填的效率很低，對費用和工期都有很大的不利影響。

根據(jù)場地條件和施工設(shè)備的能力，在保證回填邊坡穩(wěn)定性的前提下，需要對回填邊坡的斷面進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的回填邊坡典型斷面圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的回填邊坡典型斷面圖Fig.2 Typical section of optimized filling slope

主要變化點為：1） 取消圖1 中的-1.0 m 和1.0 m 平臺；2） 根據(jù)水深條件和設(shè)備施工能力設(shè)置0.0 m 平臺，平臺寬度縮小至50 m；3） 0.0 m平臺和2.5 m 平臺之間的過渡邊坡由1∶15 調(diào)整為1∶5，并改為一次性陸上推填施工。調(diào)整后，臨時回填邊坡的總寬度縮小為361 m，水上回填的工作量也大幅減少。

2 回填邊坡穩(wěn)定性和變形分析

2.1 土層物理力學(xué)參數(shù)

關(guān)于在施工期邊坡穩(wěn)定分析采用的土體強(qiáng)度指標(biāo)，殷博等[2]認(rèn)為在施工期采用固結(jié)快剪強(qiáng)度并考慮土體固結(jié)度和采用直剪快剪強(qiáng)度均偏于不安全，而采用十字板剪切強(qiáng)度并考慮土體固結(jié)的強(qiáng)度增長是一種偏于安全的計算分析方法。尹長權(quán)[3]通過十字板剪切試驗和數(shù)值分析揭示了某含淤泥層邊坡的失穩(wěn)機(jī)制。因此，十字板剪切試驗是獲取軟土層不排水抗剪強(qiáng)度的有效手段。

原設(shè)計在進(jìn)行穩(wěn)定性和變形分析時采用的土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。由于設(shè)計采用的海泥層抗剪強(qiáng)度極低，表層3 m 強(qiáng)度僅有2 kPa，深層最大強(qiáng)度也僅有約15 kPa，對回填邊坡穩(wěn)定性的影響非常不利。為獲得海泥層的實際抗剪強(qiáng)度，施工期間在海泥層中重新進(jìn)行了22 組十字板剪切試驗，并按照Decoding Eurocode 7[4]中推薦的方法進(jìn)行了統(tǒng)計，得到海泥層的強(qiáng)度見圖3，較原設(shè)計采用值有一定提高。

表1 原設(shè)計采用的土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters adopted in the original design

圖3 根據(jù)十字板剪切試驗結(jié)果確定的海泥層不排水抗剪強(qiáng)度Fig.3 Undrained shear strength of marine deposit from field vane shear test

在海床面上鋪設(shè)砂墊層后，打設(shè)塑料排水板。在回填過程中，隨著填土荷載逐漸增大，海泥等軟土層發(fā)生排水固結(jié)，強(qiáng)度逐漸提高。對于軟土層在預(yù)壓荷載下的強(qiáng)度增長值，國內(nèi)規(guī)范可按照式（1）[5]計算；海外項目則經(jīng)常按照式（2）[6]估算。

式中：Δcuk為地基或土層的強(qiáng)度增量的標(biāo)準(zhǔn)值；Urz為地基或土層的平均應(yīng)力固結(jié)度；σzk為地基或土層垂直附加應(yīng)力平均值標(biāo)準(zhǔn)值；φcq為地基或土層的固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值。

為保持回填邊坡的穩(wěn)定性，在不同階段要求的海泥層不排水抗剪強(qiáng)度最小值見表2。

表2 海泥層強(qiáng)度的最低要求Table 2 Minimum Requirements for the strength of marine deposit

2.2 整體穩(wěn)定計算方法和安全系數(shù)

邊坡穩(wěn)定分析最常用的計算分析方法是極限平衡法，包括瑞典條分法、簡化Bishop 條分法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等，在海外工程中經(jīng)常采用的可以同時考慮力和力矩平衡的Morgenstern-Price 法，安全系數(shù)一般要求大于1.3。

Eurocode 7[7]在傳統(tǒng)整體穩(wěn)定計算方法的基礎(chǔ)上引入極限狀態(tài)設(shè)計理論，將荷載或荷載效應(yīng)、材料性能和幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值賦以各種分項系數(shù)，再加上結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來表達(dá)邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)工程經(jīng)驗，在多數(shù)情況下，采用Eurocode 7 中邊坡整體穩(wěn)定計算方法得到的結(jié)果比采用單一安全系數(shù)法的結(jié)果更為保守。

抗剪強(qiáng)度折減法也是一種有效的邊坡整體穩(wěn)定計算方法。這種方法是在保持外荷載不變的情況下，邊坡坡體所發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力之比。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有坡體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時，對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)[8]。與傳統(tǒng)極限平衡法相比，強(qiáng)度折減法在有限元數(shù)值分析中無需事先指定滑動面的形狀與位置，具有一定的優(yōu)勢[9]。

在香港三跑工程中，對回填過程中邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)和海床面隆起量都有非常嚴(yán)格的要求。由于極限平衡法只能計算安全系數(shù)，無法得到變形值，因此為了方便起見，臨時邊坡的整體穩(wěn)定分析采用有限元抗剪強(qiáng)度折減法。在PLAXIS 等數(shù)值分析軟件中，可以先進(jìn)行各個施工步的塑性計算，得到邊坡變形值，再采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行安全系數(shù)的計算。

在正常和極端工況下臨時回填邊坡的安全系數(shù)分別不小于1.3 和1.1。

2.3 變形和穩(wěn)定性

整體穩(wěn)定性和變形計算采用PLAXIS 2D 軟件，包括如下計算步驟：

1） 鋪砂墊層，打塑料排水板，回填砂至0.0 m。

2） 回填砂至2.5 m。

3） 回填砂至6.5 m。

4） 第1 級堆載至10.5 m。

5） 第2 級堆載至14.5 m。

各施工步的變形和安全系數(shù)結(jié)果見表3，步驟5）的滑動面見圖4。

表3 回填邊坡變形和安全系數(shù)計算結(jié)果Table 3 Calculation results for deformation and safety factor of filling slope

圖4 回填至14.5 m 時的滑動面Fig.4 Slip surface when filling to 14.5 m

3 討論

本項目對施工過程中產(chǎn)生的拱淤控制要求非常嚴(yán)格，且當(dāng)?shù)卦O(shè)計文件的報批和變更程序非常復(fù)雜，必須有翔實的試驗和計算分析作為技術(shù)支撐。

1） 進(jìn)行補(bǔ)充十字板剪切試驗，對設(shè)計采用的海泥層抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了驗證，可以適當(dāng)提高。

2） 根據(jù)場地的土質(zhì)、水深條件和施工機(jī)具能力擬定臨時回填邊坡的斷面，使施工具有可實施性，可以節(jié)省較多的工期和成本。

3） 與最常用的極限平衡法相比，采用有限元法計算邊坡穩(wěn)定性時，既可以計算邊坡的變形，進(jìn)行水平位移和豎向位移的定量評價，還可以采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡安全系數(shù)的計算。由于強(qiáng)度折減法不需要事先指定滑動面的形狀和位置，可以自動搜索最不利的滑動面，因此可以得到如圖4 所示的非圓弧滑動面，而極限平衡法則難以做到。

4） 表層海泥的強(qiáng)度非常低，容易出現(xiàn)擠淤和滑動破壞，在回填施工期間要注意控制分層厚度和坡度，避免一次性回填厚度過大導(dǎo)致土體發(fā)生破壞。

4 結(jié)語

通過對回填邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化計算分析，得出如下結(jié)論：

1） 原設(shè)計確定的臨時邊坡斷面要求非常嚴(yán)格，導(dǎo)致施工難度很大。通過施工期間的補(bǔ)充勘察和統(tǒng)計分析，對原設(shè)計采用的海泥層強(qiáng)度進(jìn)行了適當(dāng)提高，為回填邊坡斷面的優(yōu)化提供了有力的支撐。

2） 優(yōu)化后的回填邊坡在施工期的水平位移和地面隆起量都是可接受的，采用強(qiáng)度折減法計算得到的安全系數(shù)也滿足要求；回填邊坡的斷面長度可以從514.5 m 縮小至361 m。

3） 利用數(shù)值分析軟件可以進(jìn)行邊坡的水平位移和隆起量的評估，也可以采用強(qiáng)度折減理論進(jìn)行安全系數(shù)的計算，與極限平衡法相比具有一定的優(yōu)勢，計算結(jié)果也更具有說服力。