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)
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。