圍堰安全穩(wěn)定性分析及加固方案研究

摘要：基于廣州港南沙港區(qū)某碼頭工程的圍堰深層水平位移監(jiān)測(cè)實(shí)例，對(duì)軟基圍堰的改進(jìn)加固處理措施進(jìn)行深入研究，采用Plaxis2D有限元軟件計(jì)算圍堰在疏浚吹填以及地基處理過程中的安全穩(wěn)定性系數(shù)并進(jìn)行判定，驗(yàn)證反壓坡道加固方案確實(shí)能有效提高圍堰的安全穩(wěn)定性；通過調(diào)整加固方案反坡護(hù)道高寬值計(jì)算圍堰安全穩(wěn)定性系數(shù)，得出一個(gè)兼顧經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的加固方案，建議反壓坡道的高度和寬度均采用5"m。

關(guān)鍵詞：深層水平位移"Plaxis2D"安全穩(wěn)定性"加固方案

Analysis"of"Safety"and"Stability"of"Cofferdam"and"Research"on"Its"Reinforcement"Plan

LIU"Yahui1"LI"Rui2

1.Guangzhou"Port"Engineering"Management"Co.，"Ltd.，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510700"China;2.China"Design"Group"Co.，"Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210014"China

Abstract："Based"on"the"monitoring"example"of"deep"horizontal"displacement"of"cofferdam"of"a"wharf"project"in"Nansha"Port"of"Guangzhou"Port，"this"article"conducts"in-depth"research"on"the"improvement"and"reinforcement"measures"for"soft"foundation"cofferdams."Using"Plaxis2D"finite"element"software"to"calculate"the"safety"and"stability"factors"of"the"cofferdam"during"dredging，"hydraulic"filling，"and"foundation"treatment"processes"for"judgment，"Verify"that"the"reinforcement"scheme"of"reverse"pressure"ramp"can"effectively"improve"the"safety"and"stability"of"the"cofferdam;"Calculate"the"safety"and"stability"coefficient"of"the"cofferdam"by"adjusting"the"height"and"width"values"of"the"anti"slope"guardrail"in"the"reinforcement"plan，"a"reinforcement"plan"that"balances"economy"and"stability"is"obtained."It"is"recommended"to"use"a"height"and"width"of"5m"for"the"counter"pressure"ramp.

Key"Words："Deep"horizontal"displacement;"Plaxis2D;"Safety"and"stability;"Reinforcement"plan

港口碼頭的基礎(chǔ)往往處于深厚淤泥區(qū)，吹填過程中軟基圍堰的安全穩(wěn)定性問題是最基本的問題，與工程的進(jìn)度、安全、質(zhì)量等息息相關(guān)[1-3]。本文基于廣州港南沙港區(qū)某碼頭工程疏浚吹填及地基處理工程的圍堰深層水平位移監(jiān)測(cè)實(shí)例，對(duì)軟基圍堰監(jiān)測(cè)預(yù)警影響施工進(jìn)度后的加固處理措施進(jìn)行深入研究，采用Plaxis2D有限元軟件對(duì)圍堰在疏浚吹填以及地基處理過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行判定，通過調(diào)整參數(shù)不斷改進(jìn)加固方案，總結(jié)出一個(gè)能兼顧穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)方案。

1工程概況

本項(xiàng)目位于廣州市南沙區(qū)，圍堰采用充填砂袋結(jié)構(gòu)，坡度為1∶1.5，陸域形成方法采用港池疏浚土進(jìn)行吹填，地基處理方法采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法。由于原狀軟土指標(biāo)差，圍堰邊坡在場(chǎng)地內(nèi)施工的過程中經(jīng)常處于安全穩(wěn)定極限臨界狀態(tài)，任何額外附加荷載均容易造成邊坡失穩(wěn)，因此，吹填堆載過程和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓中必須進(jìn)行深層水平位移監(jiān)測(cè)嚴(yán)格控制堆載速率和抽真空速率，同時(shí)也可以采取圍堰邊坡加固措施提高圍堰穩(wěn)定性，使堆載能夠順利進(jìn)行。采用埋設(shè)測(cè)斜管的方法監(jiān)測(cè)土體的水平位移，目的就是為了監(jiān)測(cè)圍堰下部土體不同深度處的水平位移，為圍堰后方吹填堆載高度和堆載速率控制提供指導(dǎo)。

在吹填堆載和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工過程中，圍堰邊坡在回填施工及水位影響下，產(chǎn)生了一定程度的滑移，期間水平位移速率多次超過預(yù)警值，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，為保證圍堰能順利進(jìn)行，必須對(duì)其進(jìn)行加固處理。由于圍堰邊坡的滑動(dòng)面主要分布在圍堰下部至淤泥層，改變邊坡的坡率對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響效果不大，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和施工設(shè)備，決定采取反壓護(hù)道的加固措施。

2"Plaxis2D軟件滲流穩(wěn)定分析的基本理論

2.1"滲流計(jì)算理論

Plaxis2D程序與一般有限元軟件做法一致，在滲透分析過程中，認(rèn)為土體中孔隙水流動(dòng)符合Darcy定律[4-5]。Plaxis2D程序不同之處在于，在滲流分析中對(duì)材料滲透系數(shù)引入了一個(gè)折減系數(shù)Kr，則穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析對(duì)應(yīng)的Darcy定律控制微分方程變成如下形式[6]。

式（1）中：H為總水頭；Q為邊界流量；kx和ky為滲透系數(shù)；mw為比水容重；ρw為水的密度。

2.2"穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算方法

在Plaxis2D有限元軟件中采用強(qiáng)度折減法（安全性計(jì)算）進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。計(jì)算時(shí)當(dāng)土體達(dá)到破壞的極限狀態(tài)時(shí)，本身具有的強(qiáng)度參數(shù)值的大小與相應(yīng)極限狀態(tài)強(qiáng)度值的比值，即為安全系數(shù)。在程序中，其表達(dá)式為

式（2）中：c、φ為原狀土的強(qiáng)度參數(shù)；c’、φ’為經(jīng)過折減后土體的強(qiáng)度參數(shù)。

3現(xiàn)場(chǎng)深層水平位移監(jiān)測(cè)情況

3.1"未采取加固措施

CX-01～CX-10測(cè)斜孔未采取圍堰邊坡加固措施，CX-03測(cè)斜孔繪制累計(jì)深層水平位移曲線如圖1所示。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，圍堰在吹填堆載施工期間，整體水平位移累計(jì)值的最大值為35.2"mm，發(fā)生位置在8"m深度處，為圍堰底部，說明此處存在滑動(dòng)面或潛在滑動(dòng)面，圍堰穩(wěn)定性較差；最大水平位移速率達(dá)到7.5"mm/d，發(fā)生時(shí)間在吹填堆載施工后期，此時(shí)最易發(fā)生滑移預(yù)警，圍堰邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

3.2"采取反壓坡道加固措施

后續(xù)圍堰采用反壓護(hù)道的加固方案，對(duì)加固后的CX-15測(cè)斜孔累計(jì)深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用反壓護(hù)道之后，圍堰整體水平位移累計(jì)值的最大值為17.3"mm，位于10"m深度處，為淤泥層頂面；最大水平位移速率達(dá)到3.8"mm/d，發(fā)生時(shí)間為抽真空初期。與CX-03相比，深層水平位移最大值明顯減小，水平位移速率已基本處于安全限值內(nèi)，因此反壓護(hù)道在圍堰邊坡加固方案中是可行的。

4滲流模型的建立

4.1"滲流計(jì)算模型

采用Plaxis2D有限元程序建立標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面二維計(jì)算模型，模擬分析圍堰在吹填施工和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓等工況下的安全穩(wěn)定性特征。有限元計(jì)算模型的尺寸與工程案例一致，Plaxis2D建模及單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。模型的圍堰與地基土統(tǒng)一采用摩爾庫倫模型模擬。

4.2"計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察報(bào)告，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

4.3"計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)工程實(shí)例的現(xiàn)場(chǎng)施工情況，數(shù)值模擬計(jì)算工況主要步驟如下：（1）進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡；（2）施工圍堰；（3）吹填施工；（4）真空預(yù)壓；（5）堆載預(yù)壓。

由圖3可以看出，采用反坡護(hù)道的加固措施之后能有效提高圍堰的安全穩(wěn)定性；吹填堆載期隨著吹填堆載的進(jìn)行，圍堰穩(wěn)定性逐漸下降；真空聯(lián)合堆載預(yù)壓期結(jié)束后，進(jìn)行真空預(yù)壓時(shí)，圍堰內(nèi)側(cè)的荷載達(dá)到最大，圍堰安全穩(wěn)定性系數(shù)降至最低，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況吻合，應(yīng)密切關(guān)注吹填堆載后期至抽真空初期這段時(shí)間的圍堰水平位移速率，及時(shí)預(yù)警，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。

4.4"優(yōu)化加固方案

為了充分研究不同反坡護(hù)道高寬值的情況下，對(duì)圍堰安全穩(wěn)定性的影響，以變化幅值1"m，逐步減少反坡護(hù)道高寬值，設(shè)置工況為真空聯(lián)合堆載預(yù)壓完成時(shí)，反坡護(hù)道高寬分別為6"m、5"m、4"m、3"m的計(jì)算工況，水位設(shè)置與實(shí)際相同。計(jì)算不同反坡護(hù)道高寬值下圍堰安全穩(wěn)定系數(shù)，如表2所示。

由表2可知，在合理的反壓互道高度內(nèi)，圍堰邊坡的安全系數(shù)隨反壓互道高度的增高而變大，反壓寬度的增加對(duì)安全系數(shù)雖有一定影響但影響程度較低，可見反壓寬度對(duì)加固效果影響不大。

僅從穩(wěn)定性系數(shù)方面考慮，反壓方案在高度、寬度均為6"m時(shí)，圍堰安全穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最大。但是考慮到反壓寬度和高度在5"m增加至6"m時(shí)，圍堰安全穩(wěn)定性系數(shù)僅提升0.1左右，提升效果較小，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，建議反壓坡道的高度和寬度均采用5"m。

反壓坡道的高度和寬度均采用5"m時(shí)，圍堰安全穩(wěn)定性系數(shù)為2.41，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，這樣既能保證圍堰良好的安全穩(wěn)定性，同時(shí)也滿足經(jīng)濟(jì)性。

5結(jié)論

（1）吹填堆載施工后期和抽真空初期對(duì)土體擾動(dòng)較大，圍堰邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)密切觀測(cè)這段時(shí)間內(nèi)圍堰的深層水平位移。

（2）圍堰底部至淤泥層上部位置產(chǎn)生了相對(duì)較大的水平位移，說明土體內(nèi)部存在滑動(dòng)面或潛在滑動(dòng)面，應(yīng)密切觀測(cè)此處位置的位移變化速率。

（3）圍堰采用反坡護(hù)道的加固措施能有效提高圍堰的安全穩(wěn)定性。

（4）綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性系數(shù)，建議反壓坡道的高度和寬度均采用5"m，這樣既能保證圍堰良好的安全穩(wěn)定性，同時(shí)也具有較大的經(jīng)濟(jì)性。

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