吹填軟黏土岸坡穩(wěn)定性分析及加固處理

吹填軟黏土岸坡穩(wěn)定性分析及加固處理

1軟黏土岸坡滑動(dòng)破壞在規(guī)定的軟粘土基礎(chǔ)上修建碼頭時(shí)，發(fā)生了大規(guī)模的海灘坍塌，整個(gè)滑動(dòng)邊坡發(fā)生了傾斜。調(diào)查表明，滑坡的當(dāng)天分別歷經(jīng)了高潮位和低潮位。滑動(dòng)體長(zhǎng)約210m，寬為190m，上千噸的土體滑入海港。幸運(yùn)的是，在地基土發(fā)生大規(guī)模迅速滑動(dòng)之前，出現(xiàn)了一些滑動(dòng)的前兆，使現(xiàn)場(chǎng)的施工人員有足夠的時(shí)間撤離。因此，滑坡只造成了一些臨時(shí)性的建筑設(shè)施損毀，未導(dǎo)致人員傷亡。此次軟黏土岸坡的滑動(dòng)呈明顯的漸進(jìn)破壞過程。滑坡開始時(shí)，位于岸坡前沿的少量土體首先滑入海中。隨后，殘留土體的局部達(dá)到極限平衡狀態(tài)，相繼滑動(dòng)。這一過程不斷重復(fù)，已經(jīng)滑動(dòng)的土體對(duì)后方穩(wěn)定的土體起到牽引作用，使得滑坡的規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著滑坡舌、滑坡后壁和滑坡鼓丘的出現(xiàn)，滑體形成了新的平衡條件，滑動(dòng)土體趨于穩(wěn)定，滑坡才慢慢終止。岸坡發(fā)生滑動(dòng)破壞后，采用了積極的工程技術(shù)措施對(duì)滑坡體和后方的地基土體進(jìn)行了加固處理，第2年年底碼頭重建工程順利完工。本文詳細(xì)介紹了岸坡破壞的過程，分析了可能導(dǎo)致岸坡發(fā)生滑動(dòng)的原因，闡述了滑坡后地基的加固方法和碼頭的重建過程。2場(chǎng)地地基土、混凝土樁樁加固碼頭附近的地基土體主要為河相沉積物，地表1～2m硬殼層下廣泛分布著20m厚的軟黏土，具有高含水率、高孔隙比、高壓塑性和低強(qiáng)度的特點(diǎn)，使得修建于其上的各種建筑物，都必須采取可靠的工程措施來保證穩(wěn)定性和耐久性。此次興建碼頭的場(chǎng)地地基土為1995年底通過水力吹填形成的陸域，吹填土地基采用真空預(yù)壓法進(jìn)行了加固。在真空預(yù)壓的過程中，吹填土表面覆蓋有300～400mm厚的砂墊層，使用了塑料排水板加速地基土體排水固結(jié)。排水板寬為100mm，厚為4.5mm，施工中的插板深度為20～25m，間距為800～1000mm，施加的真空荷載為80kPa。從1996年9月開始至次年4月地基加固基本完成。碼頭基礎(chǔ)采用預(yù)制混凝土樁，斷面方型，邊長(zhǎng)為650mm，樁長(zhǎng)為25～30m，間距為5m。打樁施工從1997年9月開始，到發(fā)生滑坡為止已經(jīng)打入了57根樁。在準(zhǔn)備打入靠近坡腳處的樁時(shí)，為了使打樁船能更加靠近樁位，在岸坡下部將原坡度設(shè)計(jì)值由1:2.8改為1:2。碼頭的原設(shè)計(jì)岸坡與實(shí)際開挖岸坡如圖1所示。3地基土層物理力學(xué)性能地基土表層1m分布著強(qiáng)度相對(duì)較高的硬殼層，以下為深厚的軟黏土層、粉質(zhì)黏土層直至密砂層。表1分別給出了地基土層的分布情況和物理力學(xué)指標(biāo)。其中土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別通過室內(nèi)不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水的三軸試驗(yàn)和原狀土樣的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)得到。表中同時(shí)給出了原位十字板試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)?？梢钥闯觯鼗械姆圪|(zhì)黏土具有很高的含水率、極低的強(qiáng)度、很高的壓縮性和靈敏度。4岸壁破壞過程分析4.1原位體試驗(yàn)法岸坡的破壞呈明顯地漸進(jìn)過程。滑坡終止后，地表分布著一系列波紋狀的滑坡陡坎和滑坡臺(tái)地，見圖2。在地表以下，使用原位十字板試驗(yàn)的方法判斷滑動(dòng)面的位置。在滑坡發(fā)生的前后都進(jìn)行了原位十字板試驗(yàn)。由于滑坡的擾動(dòng)位于滑動(dòng)面附近的土體強(qiáng)度發(fā)生了明顯的降低（見圖3）。降低的幅度可以根據(jù)靈敏度計(jì)算得到。室內(nèi)試驗(yàn)表明，粉質(zhì)黏土的靈敏度系數(shù)大于等于4。根據(jù)圖3中的試驗(yàn)結(jié)果，可以判斷最終滑動(dòng)面的位置約在地表以下9m處。4.2抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析為了研究導(dǎo)致滑坡的原因，采用PLAXIS程序?qū)?shí)際工程中出現(xiàn)的4種工況進(jìn)行了模擬分析。4種工況分別為：(1)設(shè)計(jì)高潮位時(shí)按原設(shè)計(jì)坡比開挖岸坡；(2)設(shè)計(jì)低潮位時(shí)按原設(shè)計(jì)坡比開挖岸坡；(3)設(shè)計(jì)高潮位時(shí)的實(shí)際岸坡；(4)設(shè)計(jì)低潮位時(shí)的實(shí)際岸坡。通常邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義為沿整個(gè)滑裂面的抗剪強(qiáng)度與實(shí)際產(chǎn)生的剪應(yīng)力之比。它有兩種計(jì)算方法，一種是通過加大外力以達(dá)到極限平衡，這一安全系數(shù)相當(dāng)于超載系數(shù)；另一種為國(guó)際上采用較多的方法，通過降低材料強(qiáng)度達(dá)到極限平衡，即同時(shí)降低土的黏聚力與內(nèi)摩擦角，求出的安全系數(shù)是材料強(qiáng)度的儲(chǔ)備系數(shù)。本文采用后一種計(jì)算方法，其公式為式中：c和?為實(shí)際土體強(qiáng)度參數(shù)；σn為實(shí)際正應(yīng)力；cr和?r為達(dá)到極限平衡時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)。分析中土體的本構(gòu)關(guān)系選用摩爾-庫侖模型，土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用三軸試驗(yàn)的不固結(jié)不排水指標(biāo)。由于岸坡沿某一方向較長(zhǎng)，選擇典型設(shè)計(jì)斷面，簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行模擬。根據(jù)岸坡的實(shí)際尺寸建立有限元分析模型，采用平面15節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，兩側(cè)邊界施加水平向約束，底部邊界施加固定約束，見圖4。分析結(jié)果匯總于表2。由表可知，實(shí)際開挖的較陡岸坡在低潮位時(shí)安全系數(shù)小于1，因此，發(fā)生了滑坡。圖5給出了岸坡臨近破壞時(shí)的位移增量云圖，從中可以看出，岸坡中的最大位移增量出現(xiàn)在坡體較淺的位置，說明位于岸坡淺層的土體將首先達(dá)到極限平衡發(fā)生滑動(dòng)，而后引起深層土體滑動(dòng)。計(jì)算得到的岸坡最終滑動(dòng)面位置見圖6。有限元分析得到岸坡最終的滑弧位置在地表以下第3層土底部即軟黏土層底部，該層標(biāo)高為-5.0～-11.0m。與滑坡現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查和原位試驗(yàn)結(jié)果得到的滑弧位置——地表下9m附近相一致。4.3動(dòng)態(tài)效果分析打樁施工和交通荷載的作用對(duì)岸坡的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生不利影響。4.3.1超靜孔壓及其對(duì)坡體的力學(xué)岸坡區(qū)域內(nèi)的打樁施工從1997年9月5日持續(xù)到15日，而岸坡的滑坡發(fā)生于17日。打樁施工不可避免地會(huì)導(dǎo)致地基中產(chǎn)生超靜孔壓，致使黏土層抗剪強(qiáng)度降低，并降低了岸坡的抗滑力。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)如何合理確定沉樁引起的超靜孔壓的大小、分布規(guī)律及消散過程進(jìn)行了研究。目前，主要采用柱孔擴(kuò)張理論來進(jìn)行計(jì)算。由孔穴擴(kuò)張理論，結(jié)合Henkel孔隙水壓力公式推導(dǎo)出柱孔擴(kuò)張產(chǎn)生的超靜孔壓計(jì)算公式為式中：Af為孔壓系數(shù)，對(duì)正常固結(jié)黏土其值介于0.5～1.0之間；R為塑性區(qū)半徑；r為計(jì)算點(diǎn)據(jù)孔穴中心的距離；cu為土體的不排水強(qiáng)度。由式（2）可計(jì)算得到在打樁施工時(shí)樁周土產(chǎn)生的超靜孔壓見表3，其中d表示樁的直徑。本文采用Slide軟件研究超靜孔壓對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，在分析岸坡的穩(wěn)定性時(shí)將表3中的超靜孔壓施加于相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，得到岸坡中的孔壓分布及相應(yīng)的安全系數(shù)，見圖7。由計(jì)算可知，當(dāng)考慮打樁施工引起的超靜孔壓時(shí)，岸坡穩(wěn)定的安全系數(shù)由0.916降低至0.736，較不考慮超孔壓時(shí)明顯減小，說明了打樁施工對(duì)岸坡的穩(wěn)定性有較大影響。4.3.2坡頂動(dòng)力荷載作用施工中的交通荷載作用于岸坡坡頂不僅增加了坡體中的附加應(yīng)力，而且同樣導(dǎo)致地基土中孔壓升高。本文首先應(yīng)用PLAXIS的動(dòng)力模塊，分析了交通荷載作用的影響范圍。圖8為動(dòng)力分析的有限元模型。在動(dòng)力分析中為了消除邊界效應(yīng)的影響，模型的邊界處施加了吸收邊界。其中在坡頂施加動(dòng)荷載以模擬車輛荷載的作用，其大小、頻率及作用時(shí)間見圖8。動(dòng)力分析的結(jié)果表明，岸坡坡頂作用的交通荷載在地基土體一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生了影響，以第2、3層軟黏土中最為明顯。由動(dòng)荷載作用時(shí)地基中加速度分布的陰影圖（圖9）可知，最大加速度位于地表數(shù)值為22m/s2，隨著深度的增加加速度明顯減小。當(dāng)深度為10m時(shí)，對(duì)應(yīng)的加速度只有0.02m/s2。采用Slide軟件研究超靜孔壓對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，在第2、3層軟黏土的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上施加超靜孔壓，沿深度方向由淺至深分別為60、55、……0kPa，得到岸坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為0.905，較不考慮動(dòng)荷載作用時(shí)有所減?。ㄒ妶D10），說明了岸坡頂部的動(dòng)力作用對(duì)岸坡的穩(wěn)定性不利。但與打樁的影響相比，交通荷載作用的影響深度較淺，數(shù)值較小，因此，對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響程度不大。5碼頭重建5.1有限元分析結(jié)果初步確定碼頭的重建方案為地基整平后打設(shè)豎向排水通道進(jìn)行堆載預(yù)壓，而后按1:3坡比分級(jí)放坡開挖。采用有限元法對(duì)這一方案的加固效果進(jìn)行了分析。圖11為有限元分析模型，其中采用Drain單元模擬地基中打設(shè)的排水通道，間距為1.0m，深度至地表下-11.0m。分析中模擬堆載預(yù)壓的加固效果，使地基的固結(jié)度達(dá)到85%，而后計(jì)算放坡開挖后的安全系數(shù)。結(jié)果表明，堆載預(yù)壓與分步開挖的措施可以有效地提高岸坡的穩(wěn)定性，計(jì)算得到的在低潮位時(shí)的岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.214。5.2加強(qiáng)方案的執(zhí)行5.2.1砂樁設(shè)計(jì)及施工對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了清理和整平，將在滑坡中遭到破壞的臨時(shí)性建筑物、施工設(shè)備和其他雜物運(yùn)離場(chǎng)地，地表用粉土填平碾壓。重新整平的場(chǎng)地采用振動(dòng)砂樁進(jìn)行地基處理。砂樁的設(shè)計(jì)直徑為0.3m，雙向間距分別為1.0～1.4m。樁的入土深度選擇在軟黏土層的底部，根據(jù)表1的地層資料，樁底標(biāo)高為-11.0m和-14.0m。砂樁的施工過程可參見文獻(xiàn)。構(gòu)成砂樁的砂外摩擦角不小于35°，通過振動(dòng)使其密實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)貫試驗(yàn)得到其標(biāo)貫擊數(shù)大于18。這一施工過程按區(qū)域分先后順序進(jìn)行，持續(xù)了4.5個(gè)月。5.2.2地表沉降量測(cè)定采用堆載預(yù)壓法使地基土體固結(jié)。在地表鋪3m厚的碎石層作為荷載，地基中的砂樁可作為排水通道，堆載時(shí)間為9個(gè)月。在碎石層荷載的作用下，地基中的軟土層發(fā)生了固結(jié)，地表明顯沉降。分別在地基加固的不同區(qū)域布設(shè)了水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量地基的沉降量，結(jié)果見表4。由表4可知，當(dāng)堆載預(yù)壓9個(gè)月時(shí)，地表的平均沉降量約為0.54m。根據(jù)沉降量的計(jì)算方法和固結(jié)理論可知，地基土體已完成了85%的主固結(jié)沉降。也就是說，在下一步的開挖施工前地基土體的固結(jié)度已經(jīng)達(dá)到了85%。5.2.3開挖深度基土體變形測(cè)量加固后的地基在迎水面按1:3開挖岸坡。岸坡的開挖分4個(gè)階段進(jìn)行：(1)從地表開挖至-4.0m；(2)從-4.0m開挖至-10.0m；(3)從-10.0m開挖至-11.5m；(4)從-11.5m開挖至-13.8m。不同階段的開挖深度根據(jù)地基土體的固結(jié)程度、物理力學(xué)性質(zhì)以及應(yīng)力水平確定。每一步開挖完成后均采用儀器測(cè)量岸坡在2～3d內(nèi)的豎直向和水平向的變形量。只有當(dāng)岸坡的變形量在允許的范圍內(nèi)時(shí)才進(jìn)行下一步的開挖施工，岸坡的允許變形量控制在2cm/d。5.2.4跳打和打樁的順序碼頭的基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)。采用預(yù)制混凝土方樁，直徑為650mm，使用柴油錘打樁。水下打樁時(shí)，打樁架由駁船支撐。為了盡可能地減小由于打樁施工而導(dǎo)致的地基中粉質(zhì)黏土層孔壓升高，此次打樁施工沒有完全按照樁位順序依次進(jìn)行，而是每隔4根樁進(jìn)行跳打。這樣當(dāng)打入下一根樁時(shí)，由于打樁而在上一根樁周地基中引起的超靜孔壓可以消散。由于可作業(yè)空間的限制，只能有2～3部打樁機(jī)同時(shí)進(jìn)行施工。根據(jù)天氣條件、樁的位置以及打入深度不同，每部打樁機(jī)平均一天只能打入約10根樁。5.2.5上部結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)主要由樁帽，預(yù)應(yīng)力混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土板構(gòu)成。上部結(jié)構(gòu)的建造大約在2個(gè)月內(nèi)完成。圖12為重建后的碼頭照片。6基礎(chǔ)