已建堤防加固工程中對軟土層的勘察和評價方法探討

呂　振, 程汝恩

(中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津　300222)

0　引言

在已建堤防堤身以下的地基土層經過長期排水固結作用,其工程性質發生改變。由于堤身高度一般比較低,所產生的附加荷載相對較小,因此對于砂性土和固結程度較高的粘性土,其固結效果就比較差;而對于固結程度較低的軟土來說,其作用效果就非常明顯。由此而導致原始狀態下的同一軟土層,在堤身之下和堤身之外,其土質類別和物理力學性質存在很大差異。在堤防加固工程中,如果對同一地質單元軟土層在老堤堤身之下和堤身之外的這種差異性缺乏足夠認識,那么在勘察工作布置及工程地質分析評價中,就有可能產生疏漏,從而對已建堤防加固工程產生不利影響。

在天津濱海地區某水庫圍堤加固工程中,設計將原圍堤加高2 m,加高后圍堤高度為6.0 m,并在迎水坡方向加寬。施工過程中,當新筑堤身填筑工程接近完成時,其南堤長約130 m的新筑堤身產生滑動破壞。經過勘察和分析,失穩原因是Ⅳ1層軟土在老堤堤身之下和堤身之外的工程性質差異較大,但在前期勘察評價時對此沒有予以區別,從而在設計和施工時也沒有分別采取相應工程措施。之后根據施工期勘察分析結果,對典型堤段作了穩定性分析研究,提出了相應工程處理措施及合理施工方法。目前工程已完工并正常運行。

1　土體分布及物理力學性質

2　堤基軟土力學性質研究和對比

2.1　鉆孔巖芯編錄和現場觀察

在鉆孔巖芯編錄和現場觀察發現:①在老堤之外和老堤之下,Ⅲ層土體均為灰黃色,Ⅳ1層土體均為深灰色,顏色相同;②在老堤之外,Ⅲ層土體普遍為軟塑狀,Ⅳ1層土體普遍為流塑狀;而在老堤之下,Ⅲ層、Ⅳ1層土體普遍為可塑狀,局部Ⅳ1層為軟塑狀。土體狀態明顯不同;③在老堤之外的位置開挖探坑很難成型,流塑狀土體很快就會坍塌淤滿探坑。

2.2　鉆孔內獲取原狀樣品進行室內土工試驗

在勘察研究過程中,分別在不同工程部位,采用鉆孔內固定活塞取土器獲?、髮印ⅱ?層土體原狀樣品,進行室內物理性質試驗,然后按照樣品所處的工程部位和地質單元分別進行統計,結果見表1。

從試驗成果看出,按照《巖土工程勘察規范》GB50021的標準,老堤之外的Ⅲ層、Ⅳ1層土體為軟土,土質定名為淤泥質粘土或淤泥,其中Ⅲ層土體在局部區域為粘土;而老堤之下的相應層位的土體則為非軟土,定名為粘土。雖然存在試驗樣品在采取和運輸過程中的擾動影響,以及土工試驗指標的離散性比較大,但試驗結果還是能夠反映出這種土體差異。

圖1　堤基土層分布圖

表1軟土物理力學性質指標試驗統計結果表

Table 1Testing results of physical and mechanical property indexes of soft soil

地質單元工程部位統計值物性指標界限含水率標準貫入試驗含水率比重干密度濕密度孔隙比液限WL塑限Wp塑性指數IP液性指數IL標貫擊數N63．5%—g/cm3g/cm3—%%—擊Ⅲ老堤之下老堤之外平均值34．12．731．381．840．98439．422．315．40．674．4試樣組數1616161616141414145平均值46．32．741．211．771．26344．525．219．31．10自沉～2．7試樣組數3333333335Ⅳ1老堤之下老堤之外平均值37．42．761．321．821．09442．523．818．70．964．7試樣組數5555544445平均值40．82．711．301．821．12134．219．514．81．44自沉～1．4試樣組數9999977775

本次勘察研究還在各土層完成了幾組標準貫入試驗,但考慮到標準貫入試驗在軟土體的適用性限制,標貫擊數N63.5只作為參考。

2.3　原位十字板剪切試驗

考慮到勘探和試驗方法在軟土層應用中的局限性,針對Ⅳ1層粘土和淤泥質粘土,本次試驗研究分別在不同堤段的鉆孔內完成了十字板剪切試驗,試驗采用開口鋼環式十字板剪切儀,板頭采用50 mm×100 mm和65 mm×130 mm兩種規格[1]。試驗結果見表2。

雖因軟土層厚度變化和夾有其它土質透鏡體等因素的影響,試驗成果離散性比較大,但當試驗數據量足夠多時,其統計結果也能夠反映出天然狀態土體的力學特征。通過對Ⅳ1層軟土的十字板剪切峰值強度Cu平均值進行對比和分析,可以看出:

(1)該軟土層在老堤之下的抗剪強度指標明顯高于老堤之外位置。說明在老堤地基范圍內,經過施工碾壓和老堤堤身的長期壓實固結,同一層位的土體,在不同的工程部位,其性狀發生改變,工程地質性質有明顯差異。

(2)十字板剪切試驗的適用范圍限于測定飽和軟粘土的不排水抗剪強度,對于其它類型的土,十字板剪切試驗成果會有相當大的誤差,因此老堤之下非軟土體試驗指標僅供參考。

3　堤基破壞機理分析

堤身失穩段位于水庫圍堤的南段,長度約130 m,當堤身填筑至高度6 m時,堤頂開裂,迎水側邊坡下滑,堤身下錯約2 m,并產生多條縱向裂縫;堤腳及附近地面拱起約1.0 m以上,并產生數條縱向裂縫。見示意圖2。

選取失穩段邊坡典型斷面,采用圓弧條分法進行穩定驗算[2];其工況條件設定為水庫未蓄水,坡面未進行護砌。計算結果表明:邊坡穩定安全系數Fs=0.962(Fs<1.0),處于不穩定狀態。由此最終導致新筑堤身的破壞滑移。

表2　各堤段Ⅳ1層軟土十字板剪切試驗結果統計表

圖2　新筑堤身失穩滑動狀態示意圖

與此同時,采用上述模型和計算方法,分別選取了Ⅲ層厚度和內摩擦角φ1、Ⅳ層厚度和內摩擦角φ2作為可變動因子進行演算。演算結果表明,對邊坡穩定安全系數Fs影響最明顯的因子是Ⅳ層內摩擦角φ2,其次是Ⅳ層厚度。針對Ⅳ層軟土層,地基之下和地基之外的內摩擦角φ2均采用前期勘察結果(即地基之下土體的內摩擦角)時,邊坡穩定安全系數Fs>1.0,應該是能保持邊坡穩定的;而當地基之外Ⅳ層軟土的內摩擦角φ2采用施工期勘察結果時,邊坡穩定安全系數Fs<1.0。

由此可以看出,堤身失穩的內在原因是軟土地基強度較低,不能承受上部新筑堤身的附加荷載作用,于最軟弱的Ⅳ1層淤泥質粘土部位產生了剪切破壞。同時,從地基土層分布特征上看,該堤段地基Ⅳ層軟土厚度一般在1.5～5.5 m,是整個圍堤厚度最大的地段。另外,堤身填筑速率過快、地基軟土層不易排水固結等,也是新筑堤身沿新老堤身結合部及地基軟弱層位產生滑動的外部因素。

通過施工期勘察和分析,在該堤防工程設計和施工中,對可能失穩堤段,采取在迎水坡增設反壓平臺等措施，并且在施工過程中控制壩體填筑速率,加強觀測,由此工程得以順利完工并正常運行。

4　軟土體工程性質分析和勘察評價

在已建堤防工程中,老堤之下的地基土層除了因土的自重所引起的自重應力之外,還存在由于堤身附加荷載作用而產生的附加應力;而堤身以外的地基土體僅有土的自重應力。一般來講,正常固結的土體在自重作用下的壓縮變形早已完成,土的自重應力不會引起地基變形;而附加荷載能夠對地基土體產生新的壓實固結作用,使地基產生新的變形。由此可見,相比較而言,附加應力對地基土體的壓實作用要遠大于自重應力。

由于堤身高度相對來講一般比較低,所產生的附加荷載相對較小,因此對于土質不同、固結程度不同的土體,堤身所產生的壓固效果也大為不同。對于砂性土和固結程度較高的粘性土,其壓固效果就比較差;而對于固結程度較低的軟土來說,堤身附加荷載的作用效果就非常明顯。在軟土地區修建的堤防工程,堤身對其下部軟土層經過長時間(甚至長達幾十年)的排水固結作用,使得堤基之下的軟土層(比如淤泥、淤泥質粘性土等)土質類別和工程性質發生了很大改變。由此導致原始狀態下的同一土層,在堤身之下和堤身之外,其土質類別和物理力學性質存在很大差異。

在堤防加固工程中,如果對同一地質單元軟土層在老堤堤身之下和堤身之外的這種差異性缺乏足夠的認識,那么在勘察工作布置及工程地質分析評價中,就有可能產生疏漏,從而對已建堤防加固工程產生不利影響。因為按照通常的堤防工程分段和工程地質單元劃分方法,以及試驗測試數據按工程分段和工程地質單元來統計整理的原則,往往可能忽略或過濾掉這種土體的差異,使得工程地質勘察和評價結果產生偏差,得出與實際地質條件不符的結論。

因此,已建堤防加固工程的勘察工作,應充分考慮到已建堤防對軟土的作用和影響。勘察工作的布置,要在老堤地基之外布置足夠的勘探工作量,并且在資料整理分析時與老堤地基之下相應土層的成果數據分別進行整理、統計和對比。

5　結論

(1)由于已建堤防堤基以下的軟土層經過多年排水固結作用,導致在堤基之下和堤基之外的同一土層,其物理力學性質存在明顯差異。因此在堤防加固工程中,如果這種差異被忽略,新筑堤身容易沿新/老堤身結合部及地基軟土層產生剪切破壞。

(2)在已建堤防加固工程的勘察中,勘探工作布置,以及工程地質分析評價既要根據不同地質體單元進行,還要考慮到已建堤防上部建筑物的影響,以使勘察結果符合實際地質條件。

參考文獻：

[1]林宗元.巖土工程勘察設計手冊[M].沈陽：遼寧科技出版社，1994.

[2]林宗元.巖土工程試驗監測手冊[M].沈陽：遼寧科技出版社，1996.