吹填软黏土岸坡稳定性分析及加固处理

吹填软黏土岸坡稳定性分析及加固处理

1软黏土岸坡滑动破坏在规定的软粘土基础上修建码头时，发生了大规模的海滩坍塌，整个滑动边坡发生了倾斜。调查表明，滑坡的当天分别历经了高潮位和低潮位。滑动体长约210m，宽为190m，上千吨的土体滑入海港。幸运的是，在地基土发生大规模迅速滑动之前，出现了一些滑动的前兆，使现场的施工人员有足够的时间撤离。因此，滑坡只造成了一些临时性的建筑设施损毁，未导致人员伤亡。此次软黏土岸坡的滑动呈明显的渐进破坏过程。滑坡开始时，位于岸坡前沿的少量土体首先滑入海中。随后，残留土体的局部达到极限平衡状态，相继滑动。这一过程不断重复，已经滑动的土体对后方稳定的土体起到牵引作用，使得滑坡的规模不断扩大。随着滑坡舌、滑坡后壁和滑坡鼓丘的出现，滑体形成了新的平衡条件，滑动土体趋于稳定，滑坡才慢慢终止。岸坡发生滑动破坏后，采用了积极的工程技术措施对滑坡体和后方的地基土体进行了加固处理，第2年年底码头重建工程顺利完工。本文详细介绍了岸坡破坏的过程，分析了可能导致岸坡发生滑动的原因，阐述了滑坡后地基的加固方法和码头的重建过程。2场地地基土、混凝土桩桩加固码头附近的地基土体主要为河相沉积物，地表1～2m硬壳层下广泛分布着20m厚的软黏土，具有高含水率、高孔隙比、高压塑性和低强度的特点，使得修建于其上的各种建筑物，都必须采取可靠的工程措施来保证稳定性和耐久性。此次兴建码头的场地地基土为1995年底通过水力吹填形成的陆域，吹填土地基采用真空预压法进行了加固。在真空预压的过程中，吹填土表面覆盖有300～400mm厚的砂垫层，使用了塑料排水板加速地基土体排水固结。排水板宽为100mm，厚为4.5mm，施工中的插板深度为20～25m，间距为800～1000mm，施加的真空荷载为80kPa。从1996年9月开始至次年4月地基加固基本完成。码头基础采用预制混凝土桩，断面方型，边长为650mm，桩长为25～30m，间距为5m。打桩施工从1997年9月开始，到发生滑坡为止已经打入了57根桩。在准备打入靠近坡脚处的桩时，为了使打桩船能更加靠近桩位，在岸坡下部将原坡度设计值由1:2.8改为1:2。码头的原设计岸坡与实际开挖岸坡如图1所示。3地基土层物理力学性能地基土表层1m分布着强度相对较高的硬壳层，以下为深厚的软黏土层、粉质黏土层直至密砂层。表1分别给出了地基土层的分布情况和物理力学指标。其中土体的抗剪强度指标分别通过室内不固结不排水、固结不排水的三轴试验和原状土样的无侧限压缩试验得到。表中同时给出了原位十字板试验强度指标。可以看出，地基中的粉质黏土具有很高的含水率、极低的强度、很高的压缩性和灵敏度。4岸壁破坏过程分析4.1原位体试验法岸坡的破坏呈明显地渐进过程。滑坡终止后，地表分布着一系列波纹状的滑坡陡坎和滑坡台地，见图2。在地表以下，使用原位十字板试验的方法判断滑动面的位置。在滑坡发生的前后都进行了原位十字板试验。由于滑坡的扰动位于滑动面附近的土体强度发生了明显的降低（见图3）。降低的幅度可以根据灵敏度计算得到。室内试验表明，粉质黏土的灵敏度系数大于等于4。根据图3中的试验结果，可以判断最终滑动面的位置约在地表以下9m处。4.2抗剪强度参数分析为了研究导致滑坡的原因，采用PLAXIS程序对实际工程中出现的4种工况进行了模拟分析。4种工况分别为：(1)设计高潮位时按原设计坡比开挖岸坡；(2)设计低潮位时按原设计坡比开挖岸坡；(3)设计高潮位时的实际岸坡；(4)设计低潮位时的实际岸坡。通常边坡稳定安全系数的定义为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比。它有两种计算方法，一种是通过加大外力以达到极限平衡，这一安全系数相当于超载系数；另一种为国际上采用较多的方法，通过降低材料强度达到极限平衡，即同时降低土的黏聚力与内摩擦角，求出的安全系数是材料强度的储备系数。本文采用后一种计算方法，其公式为式中：c和ϕ为实际土体强度参数；σn为实际正应力；cr和ϕr为达到极限平衡时的强度参数。分析中土体的本构关系选用摩尔-库仑模型，土体的抗剪强度指标采用三轴试验的不固结不排水指标。由于岸坡沿某一方向较长，选择典型设计断面，简化为平面应变问题进行模拟。根据岸坡的实际尺寸建立有限元分析模型，采用平面15节点单元划分网格，两侧边界施加水平向约束，底部边界施加固定约束，见图4。分析结果汇总于表2。由表可知，实际开挖的较陡岸坡在低潮位时安全系数小于1，因此，发生了滑坡。图5给出了岸坡临近破坏时的位移增量云图，从中可以看出，岸坡中的最大位移增量出现在坡体较浅的位置，说明位于岸坡浅层的土体将首先达到极限平衡发生滑动，而后引起深层土体滑动。计算得到的岸坡最终滑动面位置见图6。有限元分析得到岸坡最终的滑弧位置在地表以下第3层土底部即软黏土层底部，该层标高为-5.0～-11.0m。与滑坡现场的调查和原位试验结果得到的滑弧位置——地表下9m附近相一致。4.3动态效果分析打桩施工和交通荷载的作用对岸坡的稳定性也会产生不利影响。4.3.1超静孔压及其对坡体的力学岸坡区域内的打桩施工从1997年9月5日持续到15日，而岸坡的滑坡发生于17日。打桩施工不可避免地会导致地基中产生超静孔压，致使黏土层抗剪强度降低，并降低了岸坡的抗滑力。国内外许多学者对如何合理确定沉桩引起的超静孔压的大小、分布规律及消散过程进行了研究。目前，主要采用柱孔扩张理论来进行计算。由孔穴扩张理论，结合Henkel孔隙水压力公式推导出柱孔扩张产生的超静孔压计算公式为式中：Af为孔压系数，对正常固结黏土其值介于0.5～1.0之间；R为塑性区半径；r为计算点据孔穴中心的距离；cu为土体的不排水强度。由式（2）可计算得到在打桩施工时桩周土产生的超静孔压见表3，其中d表示桩的直径。本文采用Slide软件研究超静孔压对岸坡稳定性的影响，在分析岸坡的稳定性时将表3中的超静孔压施加于相应的节点上，得到岸坡中的孔压分布及相应的安全系数，见图7。由计算可知，当考虑打桩施工引起的超静孔压时，岸坡稳定的安全系数由0.916降低至0.736，较不考虑超孔压时明显减小，说明了打桩施工对岸坡的稳定性有较大影响。4.3.2坡顶动力荷载作用施工中的交通荷载作用于岸坡坡顶不仅增加了坡体中的附加应力，而且同样导致地基土中孔压升高。本文首先应用PLAXIS的动力模块，分析了交通荷载作用的影响范围。图8为动力分析的有限元模型。在动力分析中为了消除边界效应的影响，模型的边界处施加了吸收边界。其中在坡顶施加动荷载以模拟车辆荷载的作用，其大小、频率及作用时间见图8。动力分析的结果表明，岸坡坡顶作用的交通荷载在地基土体一定深度范围内产生了影响，以第2、3层软黏土中最为明显。由动荷载作用时地基中加速度分布的阴影图（图9）可知，最大加速度位于地表数值为22m/s2，随着深度的增加加速度明显减小。当深度为10m时，对应的加速度只有0.02m/s2。采用Slide软件研究超静孔压对岸坡稳定性的影响，在第2、3层软黏土的相应节点上施加超静孔压，沿深度方向由浅至深分别为60、55、……0kPa，得到岸坡稳定的安全系数为0.905，较不考虑动荷载作用时有所减小（见图10），说明了岸坡顶部的动力作用对岸坡的稳定性不利。但与打桩的影响相比，交通荷载作用的影响深度较浅，数值较小，因此，对岸坡稳定性的影响程度不大。5码头重建5.1有限元分析结果初步确定码头的重建方案为地基整平后打设竖向排水通道进行堆载预压，而后按1:3坡比分级放坡开挖。采用有限元法对这一方案的加固效果进行了分析。图11为有限元分析模型，其中采用Drain单元模拟地基中打设的排水通道，间距为1.0m，深度至地表下-11.0m。分析中模拟堆载预压的加固效果，使地基的固结度达到85%，而后计算放坡开挖后的安全系数。结果表明，堆载预压与分步开挖的措施可以有效地提高岸坡的稳定性，计算得到的在低潮位时的岸坡稳定性安全系数为1.214。5.2加强方案的执行5.2.1砂桩设计及施工对场地进行了清理和整平，将在滑坡中遭到破坏的临时性建筑物、施工设备和其他杂物运离场地，地表用粉土填平碾压。重新整平的场地采用振动砂桩进行地基处理。砂桩的设计直径为0.3m，双向间距分别为1.0～1.4m。桩的入土深度选择在软黏土层的底部，根据表1的地层资料，桩底标高为-11.0m和-14.0m。砂桩的施工过程可参见文献。构成砂桩的砂外摩擦角不小于35°，通过振动使其密实，现场的标贯试验得到其标贯击数大于18。这一施工过程按区域分先后顺序进行，持续了4.5个月。5.2.2地表沉降量测定采用堆载预压法使地基土体固结。在地表铺3m厚的碎石层作为荷载，地基中的砂桩可作为排水通道，堆载时间为9个月。在碎石层荷载的作用下，地基中的软土层发生了固结，地表明显沉降。分别在地基加固的不同区域布设了水准点测量地基的沉降量，结果见表4。由表4可知，当堆载预压9个月时，地表的平均沉降量约为0.54m。根据沉降量的计算方法和固结理论可知，地基土体已完成了85%的主固结沉降。也就是说，在下一步的开挖施工前地基土体的固结度已经达到了85%。5.2.3开挖深度基土体变形测量加固后的地基在迎水面按1:3开挖岸坡。岸坡的开挖分4个阶段进行：(1)从地表开挖至-4.0m；(2)从-4.0m开挖至-10.0m；(3)从-10.0m开挖至-11.5m；(4)从-11.5m开挖至-13.8m。不同阶段的开挖深度根据地基土体的固结程度、物理力学性质以及应力水平确定。每一步开挖完成后均采用仪器测量岸坡在2～3d内的竖直向和水平向的变形量。只有当岸坡的变形量在允许的范围内时才进行下一步的开挖施工，岸坡的允许变形量控制在2cm/d。5.2.4跳打和打桩的顺序码头的基础形式为桩基础。采用预制混凝土方桩，直径为650mm，使用柴油锤打桩。水下打桩时，打桩架由驳船支撑。为了尽可能地减小由于打桩施工而导致的地基中粉质黏土层孔压升高，此次打桩施工没有完全按照桩位顺序依次进行，而是每隔4根桩进行跳打。这样当打入下一根桩时，由于打桩而在上一根桩周地基中引起的超静孔压可以消散。由于可作业空间的限制，只能有2～3部打桩机同时进行施工。根据天气条件、桩的位置以及打入深度不同，每部打桩机平均一天只能打入约10根桩。5.2.5上部结构上部结构主要由桩帽，预应力混凝土梁和预应力混凝土板构成。上部结构的建造大约在2个月内完成。图12为重建后的码头照片。6基础