既有堤加固工程的穩(wěn)定性分析研究

樂嘉熠

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

0 引言

現(xiàn)行規(guī)范[1-2]中主流的穩(wěn)定性分析理念為數(shù)值法，即，要求計算邊坡的最小滑弧穩(wěn)定性抗力分項系數(shù)應(yīng)達(dá)到某一數(shù)值，該法主要針對于設(shè)計新建邊坡結(jié)構(gòu)；另外，規(guī)范[3]中也提到，當(dāng)擬建工程附近有穩(wěn)定坡時，亦可通過對比法判斷擬建工程穩(wěn)定性，當(dāng)新建邊坡的穩(wěn)定系數(shù)大于附近已有的穩(wěn)定坡的穩(wěn)定系數(shù)時，即可認(rèn)為新建邊坡是穩(wěn)定的，我國早在1957 年便應(yīng)用對比法判斷邊坡穩(wěn)定[4]。

在水運工程中，當(dāng)既有堤后方使用荷載提高時，往往需要對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，確保其加固后的穩(wěn)定性能滿足新的使用需求，對于此類既有堤加固工程，主流的數(shù)值法存在一定的局限性：數(shù)值法未考慮既有堤現(xiàn)狀穩(wěn)定性，計算值往往偏低，王四根[5]提出需要在既有堤同一斷面綿密布孔，以確定更能反應(yīng)實際情況的土層線和地質(zhì)參數(shù)，從而更為準(zhǔn)確地通過數(shù)值法判斷既有堤穩(wěn)定性，但該法勘察工程量極大，對于岸線較長的既有堤加固工程而言，可行性較低。

針對上述問題，本文提出一種滑弧分類理念，針對既有堤某一斷面的潛在失穩(wěn)滑弧進(jìn)行分類討論，將可能發(fā)生的滑弧分為大、中、小3 類，并在現(xiàn)行規(guī)范基礎(chǔ)上分別采用數(shù)值法或?qū)Ρ确ù_定各類滑弧的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，從而確保既有堤加固設(shè)計方案性價比高、針對性強(qiáng)。

以下結(jié)合福州港三都澳港區(qū)漳灣作業(yè)區(qū)18—20 號泊位工程，對其東側(cè)駁岸的加固設(shè)計進(jìn)行方案比選，并對不同類型滑弧的穩(wěn)定性分析進(jìn)行具體闡述。

1 工程概述

擬建工程陸域形成總面積約18.13 萬m2，其中，回填區(qū)15.34 萬m2，開山區(qū)2.79 萬m2?；靥顓^(qū)下伏軟土主要為②1灰色淤泥和②3灰色淤泥質(zhì)土，軟土總厚度約7.5～27 m，大部分區(qū)域軟土總厚度在25 m 左右，軟土層下為卵石層和巖基?；靥顓^(qū)經(jīng)由前期造地工程吹填細(xì)砂已形成陸地，下伏軟土未進(jìn)行加固處理?；靥顓^(qū)東側(cè)為一條已建駁岸，該駁岸作為前期造地工程的臨時吹填圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建設(shè)時僅考慮后方吹填荷載作用下短期的穩(wěn)定性，其堤身結(jié)構(gòu)為全棱體袋裝砂被斜坡堤，原堤基處理方式為塑料排水板排水固結(jié)方案。根據(jù)本工程總平面布置，場地使用設(shè)計高程為9.5 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫?，陸域場地布置有鋼材堆場、礦石堆場及件雜貨堆場。根據(jù)新的平面布置方案，東側(cè)駁岸后方使用荷載提高，本次需對原駁岸進(jìn)行升級，二次加固堤基軟土，以滿足施工期、使用期穩(wěn)定需求。駁岸加固長度約653.14 m。本工程平面與前期造地工程的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 本工程與前期吹填造地工程位置關(guān)系圖Fig.1 Relationship between this project and former land formation project

2 地質(zhì)條件

本工程回填區(qū)未打設(shè)排水板，下伏軟土在回填砂層壓載作用下緩慢單向排水，壓載期為1 a，固結(jié)不充分；東側(cè)駁岸堤基已打設(shè)有排水板，堤基軟土固結(jié)較為充分；東側(cè)駁岸外側(cè)海域的軟土既無附加荷載又沒有打設(shè)過排水板?？紤]到本工程各區(qū)域受前期造地工程施工影響，同一土層各區(qū)域物理力學(xué)性質(zhì)存在差異[6-7]，應(yīng)重新進(jìn)行地質(zhì)勘查，并分區(qū)對土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計整理。各分區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 軟土主要設(shè)計參數(shù)表Table 1 Main parameters of soft soil

3 既有堤加固改造方案設(shè)計

相較于建設(shè)新的堤防結(jié)構(gòu)而言，既有堤加固所面臨的限制條件更多、更復(fù)雜，不同的工程需要結(jié)合實際情況制定加固設(shè)計方案。既有堤加固設(shè)計的主要思路為：

1）分析既有堤現(xiàn)狀穩(wěn)定性；

2）分析總結(jié)既有堤加固限制條件，確定加固初步方案；

3）結(jié)合穩(wěn)定性分析成果，細(xì)化加固方案。

3.1 既有堤現(xiàn)狀穩(wěn)定性

根據(jù)地勘成果，選取4 個東側(cè)駁岸斷面，采用瑞典條分法對已建東側(cè)駁岸進(jìn)行穩(wěn)定性分析，各斷面現(xiàn)狀抗力分項系數(shù)見表2。

表2 東側(cè)駁岸各斷面現(xiàn)狀抗力分項系數(shù)表Table 2 Current partial safety factor for resistance of East Revetment

由于瑞典條分法忽略了土條側(cè)面的作用力，算出的穩(wěn)定安全系數(shù)可能偏低10%～20%[8]，另外，考慮到模型土層線和實際土層線存在差異，且各斷面土體實際抗剪強(qiáng)度與地勘提供的統(tǒng)一的計算值亦存在差異，故計算所得的抗力分項系數(shù)并不完全大于1，但是該抗力分項系數(shù)可以作為后續(xù)對比法判斷邊坡穩(wěn)定的依據(jù)[4-5]。由以上穩(wěn)定性計算結(jié)果可以得知，本工程已建東側(cè)駁岸結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀雖然處于穩(wěn)定狀態(tài)，但各斷面抗力分項系數(shù)基本在1 左右，現(xiàn)狀抗力分項系數(shù)數(shù)值不高，若后方使用荷載提高，東側(cè)駁岸存在失穩(wěn)的可能，需要進(jìn)行加固，方能滿足新的使用需求。

3.2 初步方案

既有堤加固的限制條件需要根據(jù)各工程的具體情況進(jìn)行針對性分析，本工程已建東側(cè)駁岸加固的主要限制條件為：

1）用海紅線限制。已建東側(cè)駁岸外坡坡腳緊貼本工程用海紅線，無法在外坡新增反壓荷載，另外，若采用削坡的方法放緩?fù)馄拢瑒t會占用過多的場地空間，亦不推薦；

2）工法效果限制。已建東側(cè)駁岸原堤基處理方式為塑料排水板排水固結(jié)方案，根據(jù)地勘，堤基軟土強(qiáng)度增長并不明顯，若對已建東側(cè)駁岸再次采用排水固結(jié)法進(jìn)行二次加固，加固效果難以保證，無法滿足東側(cè)駁岸加固的穩(wěn)定性需求。

綜上分析，受用海紅線和工法效果限制，緩坡反壓法、削坡法、排水固結(jié)法等方法均不適用于本工程已建東側(cè)駁岸加固?？紤]到本工程回填區(qū)存在有大量前期造地工程吹填的細(xì)砂，綜合分析限制條件、料源情況、經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等因素，推薦利用本工程回填區(qū)前期吹填的細(xì)砂，采用擠密砂樁法加固東側(cè)駁岸堤基軟土。另外，從施工便利性角度考慮，加固區(qū)域宜設(shè)置在堤頂線后方區(qū)域。

3.3 穩(wěn)定性分析及加固方案

1）數(shù)值法穩(wěn)定性分析理念及對應(yīng)方案

按照規(guī)范中主流的數(shù)值法穩(wěn)定性分析理念，計算邊坡的最小滑弧穩(wěn)定性抗力分項系數(shù)應(yīng)達(dá)到某一數(shù)值，東側(cè)駁岸加固后各滑弧抗力分項系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)確定為：施工期滑弧抗力分項系數(shù)不小于1.15，使用期滑弧抗力分項系數(shù)不小于1.3[3]。根據(jù)穩(wěn)定性計算，本工程需要在東側(cè)駁岸外坡平臺打設(shè)3 排擠密砂樁，并在東側(cè)駁岸堤頂線后方25～30 m 內(nèi)的范圍打設(shè)擠密砂樁，擠密砂樁樁徑取80 cm，按正方形布置，不同加固斷面擠密砂樁置換率為25%和30%兩種。

2）滑弧分類法穩(wěn)定性分析理念及對應(yīng)方案

主流的數(shù)值法穩(wěn)定性分析理念未考慮既有堤現(xiàn)狀穩(wěn)定性、各位置滑弧差異性等問題，容易導(dǎo)致過度設(shè)計?；》诸惙ǚ€(wěn)定性分析理念通過合理考慮上述因素，將滑弧分為大、中、小3 類，見圖2，并分別針對性確定荷載布置方案和各類滑弧穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 各位置滑弧示意圖Fig.2 Schematic diagram of slip arcs at different positions

小滑?。捍祟惢椴淮┻^主要加固區(qū)的最外側(cè)滑弧，主要加固區(qū)對該類滑弧的穩(wěn)定性完全沒有提升效果，其抗力分項系數(shù)大小不隨加固土體抗剪強(qiáng)度的提升而提升。若要提升本工程東側(cè)駁岸小滑弧的穩(wěn)定性，勢必要加固外坡的軟基，加固難度大，加固代價高。綜合施工可行性和安全性考慮，對于本工程該類滑弧，以維持現(xiàn)狀穩(wěn)定狀態(tài)為原則，采用對比法判定此類滑弧的穩(wěn)定性，并在滑弧進(jìn)入位置不新增荷載，故本工程該類滑弧進(jìn)入位置主要布置為綠化區(qū)。

中滑?。捍祟惢樾〔糠执┻^主要加固區(qū)的中部滑弧，其抗滑力中的一小部分由主要加固區(qū)土體提供。以本工程為例，主要加固區(qū)土體提供的抗滑力僅占總抗滑力的20%～25%，故抗力分項系數(shù)大小雖然隨加固土體抗剪強(qiáng)度的提升而提升，但提升效果有限。對于此類滑弧，若以抗力分項系數(shù)是否能夠達(dá)到某一數(shù)值作為判斷邊坡穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，則忽視了邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性。建議采用對比法判定此類滑弧的穩(wěn)定性，并通過合理布置堤頂荷載的方式限制滑動力，確保此類滑弧的穩(wěn)定。本工程中滑弧進(jìn)入位置主要布置為荷載較小的堆場限載區(qū)和行政車道。參考規(guī)范中對于擬建工程附近有穩(wěn)定坡的情況，擬建工程邊坡抗力分項系數(shù)應(yīng)稍大于現(xiàn)有穩(wěn)定坡的抗力分項系數(shù)[3]，考慮一定的安全富余，本工程東側(cè)駁岸加固后中滑弧抗力分項系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)確定為：大于現(xiàn)有穩(wěn)定坡自身抗力分項系數(shù)10%以上。

大滑?。捍祟惢橥耆┻^主要加固區(qū)的內(nèi)側(cè)滑弧，主要加固區(qū)土體對該類滑弧的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用，故該類滑弧的抗力分項系數(shù)數(shù)值可以反映其穩(wěn)定性，為確保該類滑弧穩(wěn)定性，其抗力分項系數(shù)應(yīng)達(dá)到規(guī)范中相關(guān)數(shù)值要求。本工程該類滑弧進(jìn)入位置主要布置為堆場滿載區(qū)。依據(jù)規(guī)范要求，本工程東側(cè)駁岸加固后大滑弧抗力分項系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)確定為：施工期滑弧抗力分項系數(shù)不小于1.15，使用期滑弧抗力分項系數(shù)不小于1.3[3]。

東側(cè)駁岸堤后荷載布置與3 類滑弧的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 東側(cè)駁岸堤后荷載布置與3 類滑弧的關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between load arrangement and 3 types of slip arcs

根據(jù)穩(wěn)定計算結(jié)果，擠密砂樁加固區(qū)域確定為堤頂線后方25～30 m 內(nèi)的范圍，擠密砂樁樁徑取80 cm，按正方形布置，不同加固斷面擠密砂樁置換率為25%和30%兩種，擠密砂樁需打穿軟土層、打設(shè)至硬土層頂。

東側(cè)駁岸加固施工期穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

表3 東側(cè)駁岸加固施工期抗力分項系數(shù)匯總表Table 3 Partial safety factors for resistance of East Revetment during execution of ground improvement

根據(jù)以上計算結(jié)果，本工程東側(cè)駁岸加固施工期，在施工荷載作用下，小滑弧抗力分項系數(shù)為現(xiàn)狀最小抗力分項系數(shù)的1.13～1.21 倍；中滑弧抗力分項系數(shù)比現(xiàn)狀最小抗力分項系數(shù)提升了14.7%～37.39%，提升百分比均大于10%；大滑弧抗力分項系數(shù)為1.153～1.259，均大于1.15。

東側(cè)駁岸加固后使用期穩(wěn)定計算結(jié)果見表4。

表4 東側(cè)駁岸使用期抗力分項系數(shù)匯總表Table 4 Partial safety factors for resistance during use of East Revetment

根據(jù)以上計算結(jié)果，本工程東側(cè)駁岸加固后，在使用荷載作用下，小滑弧抗力分項系數(shù)為現(xiàn)狀最小抗力分項系數(shù)的1.0～1.08 倍；中滑弧抗力分項系數(shù)比現(xiàn)狀最小抗力分項系數(shù)提升了10.35%～28.75%，提升百分比均大于10%；大滑弧抗力分項系數(shù)為1.327～1.687，均大于1.3。

由以上計算結(jié)果可以看出，對于小滑弧，雖然其抗力分項系數(shù)數(shù)值均較低，但是其值均大于現(xiàn)狀穩(wěn)定邊坡的最小抗力分項系數(shù)，在小滑弧范圍內(nèi)不新增荷載的情況下，此類滑弧的穩(wěn)定性是可以保證的；對于中滑弧，經(jīng)過軟基加固，在新增荷載的作用下，其抗力分項系數(shù)提升均大于現(xiàn)狀穩(wěn)定邊坡最小抗力分項系數(shù)10%以上，亦可以確保其穩(wěn)定。

綜上所述，本工程東側(cè)駁岸加固后穩(wěn)定性滿足施工期、使用期穩(wěn)定要求。

3.4 對比分析

以斷面4 使用期的穩(wěn)定性分析為例：若按照常規(guī)的數(shù)值法，小滑弧的抗力分項系數(shù)在數(shù)值上也應(yīng)達(dá)到大滑弧的標(biāo)準(zhǔn)，即使用期1.3，這就意味著在既有堤現(xiàn)狀穩(wěn)定且小滑弧范圍內(nèi)不新增荷載的情況下，要將其穩(wěn)定性由0.832 提升至1.3 以上，穩(wěn)定性提升達(dá)到了56%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實際需求，相應(yīng)的設(shè)計方案缺乏經(jīng)濟(jì)性與合理性，屬于過度設(shè)計。

相較于常規(guī)方案，滑弧分類穩(wěn)定性分析理念合理考慮既有堤現(xiàn)狀穩(wěn)定性、各位置滑弧差異性等問題，將可能發(fā)生的滑弧進(jìn)行分類討論，并依據(jù)穩(wěn)定計算結(jié)果，取消了施工難度較高的外坡平臺上的擠密砂樁，擠密砂樁工程量減少了約20%，既降低了工程造價，也提高了施工可行性。

4 結(jié)語

1）為確保既有堤加固設(shè)計方案合理可靠、穩(wěn)定性分析準(zhǔn)確，既有堤建設(shè)前的地勘資料應(yīng)謹(jǐn)慎采用，受前期工程建設(shè)影響的區(qū)域，應(yīng)重新進(jìn)行地質(zhì)勘查，并根據(jù)施工歷史的不同，分區(qū)對土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計整理；

2）相較于建設(shè)新的堤防結(jié)構(gòu)而言，既有堤加固所面臨的限制條件更多、更復(fù)雜，且限制條件、堤后平面功能布置、既有堤加固方案互相牽制影響，在設(shè)計中，需將三者統(tǒng)籌分析研究，并最終確定經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計方案；

3）常規(guī)的堤身穩(wěn)定性分析理念要求計算邊坡的最小滑弧穩(wěn)定性抗力分項系數(shù)要達(dá)到某一數(shù)值，這種判定標(biāo)準(zhǔn)適用于新建堤的穩(wěn)定性分析，而對于既有堤加固工程，這種做法未考慮既有堤現(xiàn)狀穩(wěn)定性、各位置滑弧的差異性等問題，容易導(dǎo)致過度設(shè)計。對于既有堤加固工程，應(yīng)根據(jù)實際情況，將同一斷面的各位置滑弧進(jìn)行分類討論，重點分析新增使用荷載對各位置滑弧的影響，針對性確定穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，合理運用對比法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確保加固方案經(jīng)濟(jì)合理。