軟基土工管袋吹填砂圍堤穩(wěn)定性及沉降特性分析

張繼良，肖 義，李從安，童 軍

(1.長江河湖建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

自20世紀80年代后期起，荷、德、法、美等國開始采用大型土工管或土工包將淤積物或吹填土等包裹起來進行筑堤[1-2]。土工管袋是將具有一定強度的土工織物預(yù)制成符合要求尺寸的袋體，在現(xiàn)場結(jié)合吹填工程將泥漿或吹填砂等直接灌入袋體，達到一定灌注度后將袋體封閉，逐層堆放并充填灌注，最終形成整體堤壩。中國沿海地區(qū)普遍分布河流沖積和濱海相松散沉積物地層，其工程性狀差、承載力低、沉降量大，是影響工程建設(shè)安全的主要因素。土工管袋筑堤技術(shù)自20世紀90年代末引入國內(nèi)后，已在沿海港口、水利、水運等工程中得到廣泛應(yīng)用，特別是在長江口地區(qū)，結(jié)合航道疏浚疏挖工程，將疏浚物作為土工管袋內(nèi)的充填物，可大大節(jié)約資源和工程投資。隨著近年相關(guān)工程實例越來越多，相應(yīng)的施工技術(shù)已較成熟、工程處理效果較好[3-6]。

土工管袋的包裹作用機理：① 約束了袋內(nèi)砂土的變形，使土的整體性大大提高，增強了土體強度；② 袋與袋之間的摩擦作用可能影響邊坡的潛在滑動面，使管袋堤的破壞模式發(fā)生變化[7-8]。土工管袋可根據(jù)工程的需要形成圍堰或土堤。以往土堤的邊坡穩(wěn)定大多采用極限平衡法進行計算分析，但由于該方法不能考慮土工管袋的加筋和包裹作用，計算中僅采用吹填砂的強度指標，得到的安全系數(shù)無法真實反映管袋堤的真實穩(wěn)定性，因此，宋為群等[9]提出了一種基于似凝聚力的管袋堤穩(wěn)定分析方法，并與常規(guī)圓弧穩(wěn)定分析進行了比較，但似凝聚力如何確定的問題未得到進一步解決。

本文以長江口福山水道南岸邊灘綜合整治工程土工管袋吹填圍堤為例，介紹了砂被結(jié)合塑料排水板的軟基加固處理方法，采用有限元數(shù)值模擬及強度折減法對吹填砂圍堤的變形和穩(wěn)定性進行了分析，并結(jié)合工程實際監(jiān)測資料，分析評估了軟基上土工管袋堤的沉降特性，最終通過實時監(jiān)測反饋，實現(xiàn)對施工進度的及時調(diào)整。

1 工程概況

福山水道南岸邊灘綜合整治工程位于長江河口，受潮流影響較大。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，堤基軟土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，具有含水量大、天然孔隙比大、飽和度高、呈軟塑至流塑狀、強度較低等特點，不能直接作為堤壩基礎(chǔ)持力層[10]。采取的工程處理措施如下：① 在堤身填筑前鋪設(shè)砂被，砂被采用土工織物充填中粗砂，厚度0.5 m；② 在堤身內(nèi)外堤腳范圍內(nèi)插打塑料排水板，排水板按正方形布置，間距1.20 m。土工管袋吹填砂圍堤長度為5 297 m，設(shè)計堤頂高程7.3 m，分3級進行填筑，典型堤身斷面如圖1所示。其中 Ⅰ 級圍堤高2.0 m，內(nèi)外坡比分別為1∶3.0和1∶1.5，平臺寬度10 m； Ⅱ 級圍堤高4.5 m，平臺寬度5.0 m； Ⅲ 級圍堤高7.3 m，堤頂寬8.0 m。

土工管袋內(nèi)充填的吹填砂為排水性較好的砂性土或粉細砂料，滲透系數(shù)一般大于10-3cm/s，控制充填度為85%，充填后干重度可達到14.5 kN/m3。

土工管袋由扁絲編織布制成，單位面積質(zhì)量為150 g/km2，通過室內(nèi)拉伸試驗得到其縱橫向抗拉強度為32 kN/m，斷裂伸長率25%。

2 土工管袋圍堤有限元數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

為分析土工管袋吹填砂圍堤的邊坡穩(wěn)定性，采用有限元數(shù)值分析軟件進行土工管袋吹填砂圍堤的有限元計算。地基、砂被充填中粗砂及堤身吹填細砂采用M-C模型，軟基厚度取10 m，計算參數(shù)根據(jù)地勘試驗成果確定，如表1所示。土工織物采用彈性格柵單元模擬，通過界面單元考慮管袋的包裹及加筋作用。

表1 土工管袋圍堤數(shù)值計算參數(shù)

數(shù)值計算模擬了I～Ⅲ級棱體圍堤及相應(yīng)堤內(nèi)吹填砂的施工加載及固結(jié)過程，同時采用強度折減法分別計算各級棱體的安全系數(shù)。

2.2 成果及分析

由強度折減法計算所得結(jié)果表明：不考慮土工管袋作用的情況下，Ⅰ級吹填砂圍堤的安全系數(shù)僅為1.17；考慮土工織物的加筋作用后，各級圍堤的安全系數(shù)可大大提高，如表2所示。Ⅰ級圍堤填筑到2.0 m高程時，邊坡安全系數(shù)為2.83；當(dāng)Ⅲ級圍堤填筑到7.3 m高程時，邊坡最小安全系數(shù)為1.36。有限元數(shù)值分析所得圍堤沉降等值線和水平位移等值線如圖2～3所示。Ⅲ級圍堤堤頂處的工后最大沉降達0.56 m，原堤基面沉降約0.47 m；最大水平位移發(fā)生在Ⅱ級圍堤外堤腳附近，約0.18 m。

表2 有限元數(shù)值分析成果

計算所得塑性臨界區(qū)主要分布在Ⅲ級圍堤對應(yīng)的軟基局部淺表層，說明采用分層施工、排水固結(jié)的方式基本可以保障圍堤和軟基的穩(wěn)定性，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

注：負值為沉降，正值為隆起。圖2 圍堤填筑后垂直位移等值線(單位：m)Fig.2 Contour map of vertical displacement after embankment filling

注：向長江方向為正，向背水側(cè)為負。圖3 圍堤水平位移等值線(單位：m)Fig.3 Contour map of horizontal displacement of embankment

圖1 土工管袋吹填砂圍堤典型斷面(尺寸單位：mm)Fig.1 Typical section drawing of geotube bag hydraulic filling sand embankment

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測內(nèi)容包括堤基沉降、分層沉降、不同深度的水平位移和孔隙水壓力，典型監(jiān)測斷面布置示意如圖4所示。其中，堤基表面沉降標埋設(shè)在砂被上，采用全站儀觀測沉降標在加載期間的垂直位移變化過程，得到原堤基的沉降量；分層沉降管共3個，分別布置在堤頂(FC7-1)、Ⅰ級平臺(FC7-2)以及堤內(nèi)吹填區(qū)(FC7-3)；水平位移采用Model GK-6000型伺服加速度式測斜儀進行觀測，分別布置在Ⅰ級平臺內(nèi)堤腳(L1-1，L1-2)、Ⅱ級平臺靠外側(cè)(L2-1，L2-2)以及堤頂處(L3-1，L3-2)；為監(jiān)測施工過程中超靜孔壓的變化，在堤基不同深度處埋設(shè)振弦式孔隙水壓力計。

圖4 圍堤典型監(jiān)測斷面布置示意Fig.4 Sketch of typical monitoring section layout of embankment

3.1 堤基沉降

典型斷面監(jiān)測累積沉降過程線如圖5所示。施工期堤基沉降主要受上部土工管袋圍堤的加載影響，使堤基產(chǎn)生瞬時沉降；快速加載或連續(xù)加載時，沉降變形速率也迅速增大，圍堤加載0.5～0.7 m引起的沉降量約為7～9 mm。施工期結(jié)束后8個月內(nèi)，堤基處于固結(jié)沉降階段，沉降速率逐漸減小并穩(wěn)定至0.03 mm/d以下。運行期1 a內(nèi)的累積沉降值最大約0.3 m。

3.2 堤基內(nèi)部水平位移

圍堤不同深度的水平位移監(jiān)測結(jié)果(圖6)表明：圍堤填筑過程中，堤基內(nèi)部水平位移變化較小且主要發(fā)生在堤基15 m深度范圍內(nèi)，位移方向總體表現(xiàn)為垂直圍堤向外側(cè)，最大水平位移約34 mm且普遍小于5 mm。判斷實測水平位移只是圍堤豎向荷載作用下地基土的側(cè)向位移，而非滑動破壞產(chǎn)生的滑移。

圖5 典型斷面監(jiān)測累積沉降過程線Fig.5 Monitoring cumulative settlement hydrograph of typical section

圖6 不同深度處的水平位移分布Fig.6 Horizontal displacement distribution at different depths

3.3 孔隙水壓力

孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：孔隙水壓力的變化與加載施工過程密切相關(guān)，前10 d以內(nèi)，孔隙水壓力在施工加載期上升較快并達到峰值；通過控制施工進度，孔隙水壓力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，施工結(jié)束后已完全消散。施工期最大孔隙水壓力達到22.5 kPa左右，相應(yīng)的孔壓系數(shù)為0.45。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)工程實踐經(jīng)驗，孔隙壓力系數(shù)在0.5以下，可認為地基基本穩(wěn)定。因此，控制施工進度可有效防止圍堤邊坡失穩(wěn)。

圖7 孔隙水壓力變化過程線Fig.7 Process line of pore water pressure change

4 結(jié) 論

本文結(jié)合土工管袋圍堤填筑工程，采用有限元數(shù)值計算和強度折減法，將土工管袋對吹填砂的包裹作用以彈性格柵單元進行模擬，改善了以往在極限平衡法計算中未考慮土工管袋加筋作用的情況，取得了圍堤的變形特性和安全系數(shù)，分析成果更真實地反映了管袋堤的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：考慮土工管袋加筋作用后，圍堤的安全系數(shù)大大提高，設(shè)計斷面形式具有可行性，可節(jié)省施工造價和工期；通過對軟基沉降、水平位移和孔隙壓力消散情況的實時監(jiān)測，可實現(xiàn)對施工進度的實時調(diào)控。

通過該工程案例的相關(guān)研究分析，證明了土工管袋可以實現(xiàn)在軟基上的快速筑堤，采用相應(yīng)的本構(gòu)模型并結(jié)合強度折減法可以有效進行土工合成材料加筋體的數(shù)值分析。