廣州南沙新區(qū)明珠灣區(qū)（橫瀝島尖）海岸及濱海景觀帶建設(shè)項(xiàng)目堤防工程軟基處理措施及穩(wěn)定性分析

栗佳輝 廣東紅海人力資源有限公司

李燦松 華林安 湛江市中粵巖土工程檢測(cè)有限公司

1.工程概況

本堤防工程位于廣州市南沙區(qū)西部，對(duì)原有堤防進(jìn)行重建，新建堤防的防洪（潮）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為8.48m（廣州高程系），對(duì)應(yīng)堤防工程的級(jí)別為1級(jí)，堤型為臨水面多級(jí)斜坡及低矮直墻結(jié)合的復(fù)合式堤型。

根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地的土層由上至下為人工填土、粘土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、粘土，下伏基巖為全風(fēng)化花崗巖，其中工程區(qū)地基下臥層的深厚淤泥層厚度在5～40m范圍內(nèi)，主要地層土的物理力學(xué)指標(biāo)（詳見表1），可以看出場(chǎng)地深厚淤泥層物理力學(xué)指標(biāo)較差，具有承載力較低、壓縮性高、滲透系數(shù)較大等的特性，是典型的珠江三角洲軟土[1]。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)表

2.堤防工程地基處理

2.1 地基處理區(qū)域

本項(xiàng)目堤防工程需進(jìn)行地基處理區(qū)域主要為堤身填土區(qū)及新建護(hù)岸擋墻。

（1）堤身填土區(qū)。

本項(xiàng)目堤身填土高度平均約4m，堤身寬度較大，屬于大面積的堆載。經(jīng)沉降計(jì)算，堤基最終沉降量將達(dá)到0.94m～1.63m。如此大的沉降量若不進(jìn)行處理，任由工后自然固結(jié)沉降的話，首先將導(dǎo)致堤身上部防浪墻、景觀平臺(tái)、景觀建筑物出現(xiàn)較大的沉降變形；再者，隨著沉降量逐漸變大，由于沉降土體的下拉作用力，還將可能導(dǎo)致堤岸沉箱、堤岸擋墻等堤岸建筑物變形，影響堤岸的防洪穩(wěn)定安全。因此，需對(duì)地基進(jìn)行處理。

（2）子堤處的堤坡。

本次工程設(shè)計(jì)段子堤外側(cè)河道深泓逼岸，緊靠河岸的河床邊坡較陡，最陡處為1∶3，且河床為深厚的淤泥質(zhì)土。按照堤防的整體穩(wěn)定計(jì)算成果，此處因河岸邊坡較陡，堤防的整體穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，需對(duì)邊坡的整體抗滑穩(wěn)定進(jìn)行處理。

（3）新建護(hù)岸擋墻。

新建護(hù)岸擋墻區(qū)為后期景觀設(shè)計(jì)欄桿基礎(chǔ)，且該擋墻為堤防景觀帶“第一道碎浪結(jié)構(gòu)”，為避免后期沉降過大影響堤岸及步道景觀效果，需對(duì)該區(qū)域地基進(jìn)行處理。

2.2 地基處理方案

（1）堤身填土區(qū)。

在珠江三角洲深厚軟土地區(qū)采用塑料排水板堆載預(yù)壓處理軟基的效果是非常顯著的，也是非常經(jīng)濟(jì)的[2]。本工程堤身部分填土施工時(shí)，首先在現(xiàn)有地面上鋪設(shè)粗砂排水墊層，然后將塑料排水板打設(shè)在粗砂排水墊層上用來加速地基固結(jié)，接著繼續(xù)填筑堤身至設(shè)計(jì)高程，并預(yù)留沉降超高。塑料排水板間距取1.1m×1.1m且入深至淤泥層下限，在堤身填土堆載預(yù)壓時(shí)間達(dá)4個(gè)月后，軟基固結(jié)度可達(dá)到70%～82%。

（2）堤坡整體抗滑。

當(dāng)?shù)贪缎拗诘刭|(zhì)條件較差的軟基上且整體抗滑穩(wěn)定性和承載力經(jīng)計(jì)算不滿足要求時(shí)，水泥攪拌樁加固作為一種有效而經(jīng)濟(jì)的地基處理方法常被使用。本工程在堤身填土范圍采用水泥攪拌樁以確保軟土邊坡整體抗滑穩(wěn)定滿足要求。為了提高水泥攪拌樁抗滑效果，水泥攪拌樁采用格柵式布置。

（3）新建護(hù)岸擋墻。

該區(qū)域在景觀帶堆載預(yù)壓時(shí)期先采用超載1m填筑的處理方案進(jìn)行基礎(chǔ)處理，從增大堤基的承載力的角度出發(fā)，選取預(yù)制小方樁進(jìn)行二次加固處理，預(yù)制小方樁截面尺寸為0.25m×0.25m，長(zhǎng)4m，間距為1.0m×1.0m。

3.堤防工程穩(wěn)定計(jì)算

3.1 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)本工程堤防的斷面型式、地形情況及地質(zhì)情況，選取樁號(hào)為BD0+200（3#魚塘）和BDD0+500（5#魚塘）兩斷面對(duì)堤防迎水坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算方法采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，計(jì)算工具使用巖土計(jì)算軟件。

瑞典圓弧滑動(dòng)法的有效應(yīng)力法公式如下所示：

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W1i為第i個(gè)土條浸潤(rùn)線以上的土體的天然重量，kN；W2i為第i個(gè)土條浸潤(rùn)線與外坡水位線之間的土體的飽和重量，kN；W3i＇為第i個(gè)土條外坡水位線以下的土體的浮重量，kN；αi為第i個(gè)土條底面中點(diǎn)的徑向與豎直方向的夾角，(°)；φi＇、Ci＇為第i個(gè)土條底部土體的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，(°)、kPa；bi為第i個(gè)土條的寬度，m；ui為第i個(gè)土條底部的孔隙水壓力，kPa；γW為水的容重，kN/m3；Zi為坡外水位高出第i個(gè)土條底面中點(diǎn)的距離，m。

計(jì)算選取以下3種工況進(jìn)行分析：

選取以下3種工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析：①設(shè)計(jì)水位工況（正常運(yùn)用工況）；②水位驟降工況（正常運(yùn)用工況）；③施工期工況（非常運(yùn)用工況Ⅰ）。本工程堤防工程的級(jí)別為1級(jí)，進(jìn)行海堤整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，堤防的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值在正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件Ⅰ下分別為1.30和1.20。經(jīng)計(jì)算，樁號(hào)BDD0+500處在地基處理前滿足整體抗滑穩(wěn)定要求；樁號(hào)BD0+200處在地基處理前施工期工況計(jì)算所得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.578，采取地基處理措施后，該斷面安全系數(shù)滿足要求（詳見表2）。

表2 地基處理前后斷面邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.2 沉降計(jì)算

（1）地基處理前。

根據(jù)工程各堤段的填土高度、地質(zhì)條件情況，樁號(hào)BD0+200、BDD0+200、BDD0+500斷面土堤進(jìn)行沉降計(jì)算。

計(jì)算公式：

式中：S為最終沉降量（mm）；n為壓縮范圍的土層數(shù)；e1i為第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；hi為第i土層的厚度（mm）；m為修正系數(shù)，一般堤基的m＝1.0，對(duì)于軟土地基可采用1.3～1.6，本工程取1.6。

經(jīng)計(jì)算，各計(jì)算斷面土堤最終沉降量成果（詳見表3）。由表可知，土堤沉降量大。如此大的沉降量若不進(jìn)行處理，任由工后自然固結(jié)沉降，將導(dǎo)致堤身上部防浪墻、景觀平臺(tái)、景觀建筑物出現(xiàn)較大的沉降變形；并且隨著沉降量逐漸變大，受沉降土體的下拉作用力，還將可能導(dǎo)致護(hù)岸擋墻等建筑物變形，影響堤岸的防洪穩(wěn)定安全。因此，計(jì)算表明需對(duì)土堤堤基進(jìn)行處理。

表3 土堤最終沉降量計(jì)算表

（2）地基處理后。

在排水預(yù)壓荷載作用下，地基土中某點(diǎn)某一時(shí)間的抗剪強(qiáng)度及固結(jié)度可按以下式計(jì)算：

式中：τftcu為t 時(shí)刻，該點(diǎn)土的抗剪強(qiáng)度（kPa）；τf0為地基土的天然抗剪強(qiáng)度（kPa）；Δσz為預(yù)壓荷載引起的該點(diǎn)的附加豎向應(yīng)力（kPa）；φcu為三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)求得的土的內(nèi)摩擦角（°）；Ut為該點(diǎn)土的固結(jié)度。為t時(shí)間地基的平均固結(jié)度；qi 為第i級(jí)荷載的加載速率（kPa/d）；ΣΔp為各級(jí)荷載的累加值（kPa）；Ti，Ti-1為分別為第i級(jí)荷載加載的起始和終止時(shí)間(從零點(diǎn)算起)（d），當(dāng)計(jì)算第i級(jí)荷載加載過程中某時(shí)間t的固結(jié)度時(shí)，Ti改為t；α，β為參數(shù)，根據(jù)地基土排水固結(jié)條件采用。

經(jīng)預(yù)壓固結(jié)計(jì)算結(jié)果顯示，塑料排水板間距設(shè)為1.0m×1.0m且深至淤泥層下限以上1m，堤身填土堆載預(yù)壓時(shí)間為4個(gè)月時(shí)，軟土地基的固結(jié)度可達(dá)到70%～82%。施工期即可完成約84%～88%的沉降量且施工結(jié)束后的沉降量較小，滿足堤防的正常使用要求，為方便預(yù)留沉降施工，統(tǒng)一工后沉降量為0.10m。各計(jì)算斷面土堤工后沉降量成果（詳見表4）。

表4 土堤最終沉降量計(jì)算表

4.監(jiān)測(cè)成果

堆載預(yù)壓處理區(qū)沉降監(jiān)測(cè)采用沉降板形式，在打設(shè)排水板后立即安裝。沉降量監(jiān)測(cè)用以掌握軟土層在荷載作用下沉降與時(shí)間的關(guān)系，從而合理控制整個(gè)施工進(jìn)度。沉降測(cè)點(diǎn)安裝完成后即取得初始值，在加載初期每天觀測(cè)1次；堆載結(jié)束后依沉降速率情況，每月觀測(cè)1～5次，每個(gè)魚塘選取典型斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析時(shí)段為2019年7月至2020年7月。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制沉降量時(shí)間關(guān)系曲線（如圖1所示）。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看到在各魚塘沉降量均沒有超過穩(wěn)定計(jì)算推算的成果，且施工期內(nèi)為主要沉降時(shí)期，沉降速率基本保持穩(wěn)定，說明該地基處理措施達(dá)到了預(yù)想的效果。

圖1 各魚塘典型斷面沉降曲線圖

5.結(jié)語

邊坡穩(wěn)定及沉降計(jì)算表明，工程地質(zhì)條件為特性較差的深厚淤泥層時(shí)，通常沉降量較大，自然固結(jié)對(duì)堤防工程的穩(wěn)定安全有一定影響，需對(duì)堤基進(jìn)行處理。

根據(jù)軟土地基存在的多種工程問題，針對(duì)性的提出解決方案，單一處理方案不能滿足軟土地基的穩(wěn)定和沉降要求時(shí)，可以采用多種處理措施組合運(yùn)用。本工程采用塑料排水板堆載預(yù)壓、水泥攪拌樁加固以及在護(hù)岸擋墻處超載填筑并埋設(shè)方樁。

結(jié)果表明，在珠江三角洲深厚淤泥層地質(zhì)工程上采用多種處理措施組合運(yùn)用后，提高抗滑穩(wěn)定能力，在施工期可完成大部分的沉降量，實(shí)現(xiàn)工后較小的沉降量，有效解決邊坡不穩(wěn)定和沉降量大引起的工程問題，為同類工程提供借鑒。