軟基上半直立式水工護岸圓筒傾斜控制及治理措施探討

田雙珠，徐滿意，喬小利，韓冉冉

（交通部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456）

沿海地區興建的直立式水工護岸一般采用大體積混凝土澆筑的沉箱或塊體來實現。以往施工時常把施工區域內軟土挖掉，然后通過拋填塊石且夯實后安裝沉箱的方式實現的。一般水工護岸岸線較長，且部分區域軟土厚度較大（一般大于10 m），采用傳統方式施工費用較大，為此設計出了在不挖泥或部分挖泥的條件下，通過排水預壓方式處理地基，建立直立式護岸的施工方法。

軟基上排水預壓是通過在軟基內打設塑料排水板，并拋填塊石基床及整平，安裝沉箱，然后進行兩側回填，最后頂部澆筑胸墻的方式施工，該方式每道施工工序都需預留足夠的地基穩定時間，并嚴格按照觀測數據安排施工。

由于水工直立式護岸兩側荷載厚度不一致，即反壓棱體和后方棱體存在高差（圖1），在軟基上，直立圓筒兩側必然產生不均勻的沉降，造成傾斜［1］。一般圓筒或沉箱傾斜均須嚴格控制在一定范圍內，才認為合格。因此為減小圓筒或沉箱傾斜的量級，保證工程質量，必須在施工期采取各種措施減小這一傾斜的發展。大連某工程建立水工護岸，預計安裝大直徑圓筒近400個。為處理好工程進度及工程質量的關系，對前100個圓筒兩側回填進行了加荷試驗，為后續標段施工提供理論指導及技術支持。本文以該工程為例，對該類護岸不均勻沉降的控制及治理方法進行探討。

1 工程地質狀況

根據工程地質勘察資料，大連某護岸排水板段的主要軟土類別包括：（1）淤泥（Q4m）：灰黑色，流塑，偶見貝殼碎片，具腥臭味。該層在整個場地均有揭露，鉆孔揭露厚度7.8 m。（2）淤泥質粉質粘土（Q4m）：灰黑色，軟塑，具腥臭味，偶見貝殼碎片，部分鉆孔底部強度有所增加，偶見薄層軟塑粉質粘土。該層在整個場地均有揭露，鉆孔揭露厚度3.1 m。

在該護岸區域的軟土厚度一般為10～14 m，下部為粉砂或粉質粘土，性質較好，對工程而言，上部存在較厚的軟土層是護岸產生不均勻沉降的主要原因。該工程為了加快地基排水固結速度，保證施工期完成后地基在較短時間內達到沉降穩定，在施工區域內軟基上鋪設了排水墊層，并打設了塑料排水板。該區域軟土層的主要力學指標見表1。

表1 地層土體物理力學性質指標Tab.1 Physical and mechanical properties of soil

2 圓筒傾斜分析

由圖1可知，圓筒下地基產生的主要附加應力包括圓筒及回填石料的重量產生的附加應力以及后方棱體對圓筒產生的水平推力2種，而這2項附加應力均和圓筒兩側棱體的高度有關。

根據規范方法，角點下附加應力計算公式［2-3］為

式中：σz為附加應力；KS為角點下附加應力系數；σ0為自重應力。

由式（1）及圖1可知，地基中心點的附加應力是地基角點下附加應力的2倍，所以圓筒陸側地基附加應力為其角點下附加應力的2倍，且水平推力在圓筒兩側角趾產生的附加應力正好反號，因此圓筒兩側附加應力差等于圓筒后趾填料自重產生的角點下附加應力減去2倍的填料高差產生的水平推力。

簡化后計算圓筒前趾后趾自重應力及附加應力［4-5］，分析如下：圓筒下地基受力包括地基土自重應力、上部荷載附加應力和圓筒前后方棱體存在高差產生的水平推力。

地基自重應力按照表1數據計算，該工程圓筒高7.5 m，后方棱體和圓筒同高，寬20 m，前方反壓棱體厚3.5 m，寬47 m，附加應力計算按照塊石重度20 kN/m3，考慮最低潮情況，水位0.0 m，計算上覆垂直應力115 kPa，水平推力90 kN，查表計算附加應力，根據以上計算，圓筒下地基內承受總應力見圖2。

根據地質勘察資料，該區段內軟土e-p曲線見表2。

表2 圓筒地基軟土e-p曲線數據Tab.2 e-p curve of soft soil under cylinder caisson

按照規范公式［2］計算圓筒兩側沉降高差Δh為

式中：Δh為圓筒兩側沉降高差；sQ為圓筒前趾處沉降；sH為圓筒后趾處沉降；ms為經驗修正系數；Δe為平均自重壓力設計值時孔隙比與平均最終壓力設計值壓縮穩定后的孔隙比之差；e1i為第i層土受到平均自重壓力設計值時的孔隙比；hi為第i層土的厚度；i為土層計算層編號。

經計算，圓筒兩側沉降高差Δh為102～158 mm，因此認為圓筒在正常加載控制及加載間歇條件下，由于兩側荷載厚度不同造成的圓筒沉降傾斜高差理論計算結果為102～158 mm。有待現場施工實測驗證。

3 現場監測結果分析

完全依靠理論計算的方法來預測分析半直立式護岸圓筒兩側的不均勻沉降，對工程施工來說風險較大，因為理論條件無法等同于現場施工的實際工況，還需要通過現場加載試驗來進行統計分析?，F場加載試驗的條件能夠完全模擬現場施工的各種工況，以及各種工況下的不均勻沉降，供有關單位根據工期條件，選擇最優的施工方案［6-7］。

為保證地基穩定，需要充分的排水時間，而這與施工進度之間存在矛盾。工程施工時需要找到二者的平衡點，結合施工工期的要求，在不同區域采取了3種加載方案（加荷應力路徑），最后通過分析總結，為后續工程施工加載及圓筒傾斜控制提供多種方案。

圓筒前、后方棱體回填按照以下標準進行：（1）按照圓筒回填標準，以2 m厚度一級回填，20 d時間間隔進行施工，試驗區域為27～35號圓筒；（2）以4 m厚度一級，20 d時間間隔施工，施工區域為36～75號圓筒；（3）以4 m厚度一級，40 d時間間隔進行荷載施加，施工區域為76～106號筒。施工完成及地基穩定后，對所有圓筒兩側垂直于施工軸線方向的高差進行測量，其結果見圖3。部分圓筒上的觀測點被堆料覆埋而未能進行觀測，故圖3中未標出。

根據現場實測資料分析，27～35號圓筒內和圓筒后方荷載施加是按照2 m厚度作為一級荷載，20 d時間間隔進行的加載控制，圓筒兩側高差在100～200 mm。36號圓筒以后均按照4 m厚度作為一級荷載施加，36～75號圓筒后方陸域回填進度為1 d 4個圓筒，兩級荷載間隔約20 d，圓筒兩側高差在170～330 mm，南北高差發展較大。76號圓筒之后的第三試驗段，施工控制為一次回填4 m厚度，一次推進2個圓筒，兩級荷載施加間隔時間為40 d，圓筒兩側高差控制在140～250 mm。

結合理論計算結果，對 27～35、36～75、76～106號圓筒3個試驗段加載監測數據進行分析，可知計算結果接近按照2 m一級加載控制的區段。對于按照4 m一級荷載控制的區域，計算結果明顯偏小。因為理論計算無法模擬施工現場的實際條件，而圓筒傾斜發展和施工加荷的應力路徑密切相關，巖土體存在較大的塑性變形，沿不同的應力路徑加荷，各個階段的塑性變形就不同，累計求和就有不同的變形總量，因此同樣的施工斷面、不同的加荷應力路徑必然產生不同的地基變形［1］。從巖土體的抗剪能力分析，較小的加載厚度減小了塑性區的發展，適當的加載間隔保證了地基的充分排水和有效應力的增長，防止了地基的剪切破壞，且保證了地基承載力的穩定提高。因此，該項目后續標段施工時，必須充分考慮地基穩定性以及圓筒傾斜的特點，根據工程進度要求，選擇合適的施工加載方案，并制定與之配合的傾斜治理措施，是提高后續工程施工質量的關鍵。

4 結語

通過分析工程3個加載試驗段圓筒不均勻沉降的發展特點，得到以下結論：（1）半直立式水工護岸兩側荷載不同，必然產生不均勻沉降，必須通過合理的加載方案及圓筒傾斜治理措施，把兩側的不均勻沉降控制在允許范圍內。（2）地基在不同的加荷應力路徑下變形不同，原則上選擇一個加荷標準，配合一定傾斜治理措施，可以滿足圓筒傾斜控制的質量要求，但不可一味加大一次加載的厚度，而不考慮地基的抗剪穩定性。（3）通過理論計算并結合現場試驗監測的方法，獲取不同加載工況下地基不均勻沉降的發展特點，可為本工程的后續施工及類似工程施工的圓筒傾斜控制及治理提供指導。

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