大連新港圍填工程堆石壩基地承載力計算與優化設計

韓東海

(遼寧省本溪市桓仁縣水務局，遼寧 桓仁 117200)

20世紀80年代中期，我國自主發明了利用爆炸法處理沿海灘涂堤壩軟土地基技術[1]。經過多年發展，目前該技術已經得到廣泛應用。由于爆炸擠淤形成的堆石壩與普通軟土地基上的堆石壩在地基承載力方面明顯不同，參照普通軟土地基堆石壩進行地基承載力計算顯然不夠準確[2]。如果采用保守設計既容易造成不必要的資源浪費，也難以保證壩體的穩定與安全。因此，如何準確、合理地進行地基承載力計算，就成為這種堆石壩地基基礎設計的關鍵。

1 工程背景

1.1 工程概況

大連新港位于丹東和渤?？谥g，擬新建的30萬噸級原油碼頭位于大孤山半島，屬于大窯灣與大連灣之間的過渡性區域，在2006年沙陀子圍墾后，該處流態更為復雜[3]。因此，需要進行必要的流場整治。流場整治工程方案主要由兩部分組成：一是北側的導流堤，其主要功能是歸順原油碼頭前沿附近的水流流向，同時為鯰魚灣港區的碼頭提供一定的防浪掩護作用；二是南側的圍填工程，其方案為沿著-3m的等高線布置。

圍填工程設計堤線總長1380m，擬采用控制爆炸法進行軟基處理[4]。本工程所處的位置是淺海灘涂地區，堤壩地基原灘涂的高程為-3m，淤泥質軟土的最大厚度為35m，同時自上而下呈層狀分布，主要持力層的物理力學參數見表1。從原始設計資料看，堆石壩的設計深度為-25.4m，沒有坐落于硬巖上，而是懸浮于-25.4m以上的淤泥土層中。由此可見，該工程是控制爆炸法處理軟土地基工程中難度最大、淤泥厚度最厚的工程，施工難度可想而知。

1.2 堆石壩斷面與埋深的當前設計

圍填工程堆石壩的地基承載力計算利用傳統的壓載擠淤研究成果進行計算[5]，計算公式如下：

表1 主要持力層物理力學參數

(1)

式中，H—填筑體厚度，m；D—淤泥中下沉度，m；t—淤泥深度，m；B—填筑體寬度，m；Cu—淤泥十字板剪切強度；γ—淤泥容重，t/m3；γs—填筑體容重，t/m3；

工程原設計中采用上述公式計算得到堆石壩的埋深，結合地質資料和工程經驗進行相關參數設計，工程共分為6個不同的斷面，其樁號和埋深設計見表2。

表2 堆石壩初始設計參數表

在試施工過程中，業主委托專業單位進行了埋深鉆孔監測，結果顯示當前設計并不能很好描述施工中的實際深度，在達到設計埋深時，堆石壩仍不穩定，需要繼續進行爆炸擠淤施工方可使堆石壩達到穩定狀態，因此設計深度普遍較小，地基承載力明顯不足。由此可見傳統軟土地基承載力計算公式并不完全適合。

2 爆炸擠於堆石壩地基極限承載力計算

2.1 計算原理

根據相關文獻[6]，控制爆炸擠淤形成的堆石壩可以置換水平面下30m深的淤泥，但對于沿海灘涂淤泥層普遍較厚的工程現狀，此深度并不能保證堆石壩坐落在硬巖上。這種堆石壩筑壩機理的分析顯示，地基承載力主要由兩部分組成：一是堆石壩的埋深和基底寬度較大，深層淤泥的抗剪強度可以忽略不計，對堆石壩的承載能力就構成了地基承載力的主要部分；二是擠淤過程中的拋石體可以改善壩體兩側淤泥土的承載力條件，其承載力也成為地基承載力的重要組成。因此，從極限平衡理論出發，增加計算堆石壩兩側拋石體對承載力的影響，可以推導出適合控制爆炸擠淤堆石壩的地基承載力計算公式。

2.2 計算方法

堆石壩的橫斷面形狀太過復雜，十分不便于計算[7]。因此，在研究過程中可以將其簡化為如圖1所示的左右對稱八邊形[8]。從簡化后的形狀看，地基承載力可以分為兩部分：一是基礎底面AB部分；二是基礎側面BHG部分。其中，基礎底面AB部分的承載力可由土體塑性極限分析法獲得。計算時需要分別考慮粘聚力和超載的影響以及容重的影響，并將兩部分進行疊加，從而得出底面AB部分的地基極限承載力公式。側面部分則可以分為GH部分的土壓力和BH部分的支撐力，將其與底面AB的承載力疊加即可獲得總的地基承載力，其計算公式如下：

Qf=qfB+Qs

(2)

其中：

(3)

Qs=2N1sina1+2T1cosa1-2N2sina2+2T2cosa2

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式(2)～(3)中，Qf—總的地基承載力，kN；qf—AB部分的地基極限承載力，kN；B—填筑體寬度，m；Qs—側面地基承載力，kN；Nq、Nγ、Nc—與η、α、β相關的無因次承載力系數；σ0—BE平面上的等待應力，kN；φ—土的內摩擦角；P—被動土壓力，kN；T1—BH面的剪力，kN；T2—GH面上的剪力，kN；N1—BH面的正壓力，kN；N2—GH面上的壓力，kN；fs、f1、Ws—堆石體的重力，kN；D—淤泥中下沉度，m；t—淤泥深度，m；Cu—淤泥十字板剪切強度；γ—淤泥容重，t/m3；γs—填筑體容重，t/m3。

圖1 簡化后的堆石壩斷面與受力分析簡圖

3 地基承載力計算與優化設計

3.1 地基承載力的對比分析

利用上節方法對大連新港圍填工程堆石壩地基極限荷載進行計算，獲得表3所示的結果。由計算結果可知，第2、3、4斷面的地基承載力均小于堆石壩的設計自重，其余三個斷面雖然比自重稍大，但是幅度較小，所以當前設計不能滿足工程實際需求。

表3 各斷面計算結果

3.2 對當前設計方法的優化

基于以上計算結果，現將堆石壩各斷面的埋深進行優化調整，同時考慮到截面的相似性，將基底寬度及側邊長度也按照比例進行調整，埋深的調整結果見表4。

表4 堆石壩埋深調整方案 單位：m

根據表4的調整方案，對地基承載力和自重荷載進行重新計算，計算結果見表5。計算結果顯示，在進行設計優化以后，地基承載力與自重荷載的差值提高明顯，確保了施工過程中堆石壩的穩定和安全。

表5 各斷面計算結果

3.3 優化結果評價

為了進一步確定優化設計更符合實際工程，選用設計偏差百分比對原設計和優化設計進行比較。分別求得6個設計斷面的計算誤差與兩種設計埋深的百分比平均值，結果見表6。由表格6的結果可以看出，6個界面優化設計后的誤差均小于原設計誤差，說明優化設計更適用于工程實際。

表6 各斷面設計偏差計算結果

4 結語

本文的研究對象為控制爆炸擠淤堆石壩，采用理論分析的方法推導出適合懸浮在淤泥土層中的堆石壩的地基承載力計算公式。通過大連新港圍填工程的優化設計，驗證了計算方法的正確性，說明本文的計算公式適用于類似工程的地基基礎設計，具有重要的理論和實踐價值。另外，由于實際工程數據不足等因素的限制，本次研究還不能計算筑壩過程中的地基承載力變動，還需要在日后的研究中進一步完善。

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[3] 徐華, 夏云峰, 吳道文, 等. 大連新港潮流場整治模型試驗研究[J]. 中國港灣建設, 2011(01): 41- 45.

[4] 王兆蘭, 王利, 趙彪. 近年來大連市圍填海區域動態演化研究[J]. 海洋開發與管理, 2015(08): 43- 47.

[5] 江禮茂, 許羿. 控制加載爆炸擠淤置換法處理軟基技術及其工程實踐[J]. 土工基礎, 2011(05): 27- 30+75.

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