南沙某軟土地基海堤堤頂裂縫成因分析及工程措施建議

鐘志輝,張玉成,陳彩苑,姜 燕

(1.廣州市宏禹水利水電勘測設計有限公司，廣東 廣州 511458；2.華南農業大學水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642；3.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

廣東珠三角地區軟土分布廣泛，尤其在珠江入海口范圍，主要為第四系海相沉積或海陸交互沉積形成的淤泥及淤泥質土。該區域軟土層具有含水量高、承載力低、壓縮性高、固結時間長、抗滑穩定性差等工程特性[1-2]。隨著沿海地區經濟的發展，工程建設規模和數量不斷增加，軟土地基引起的工程問題越來越多。例如軟土中的基坑開挖和支護，往往很難滿足穩定性要求或嵌固深度要求，基坑位移也較難控制[3]；又如軟土地基會發生工后沉降較大、地基不均勻沉降的問題，此類現象會引起地基上部結構產生傾斜或開裂[4-6]。因此，在軟土地質條件下修建工程，需要針對具體工程類型作出具體分析，并提出具有針對性的工程措施，提前預防或減少工程問題。

珠三角沿海城市修建了大量的海堤、河堤工程，其中很多修建在軟土地基上。這些堤防往往會因軟土地基承載力較低、沉降不均勻而出現各種工程問題。本文以廣州南沙區某海堤工程為例，通過計算分析說明軟土地基不均勻沉降對該海堤堤頂裂縫的影響，并給出相關的建議和處理措施，為同類工程設計提供參考。

2 工程概況

2.1 海堤工程介紹

某海堤坐落在廣州南沙區，1期工程：堤身為漿砌石擋墻，堤基自上而下主要以素填土及軟土層組成，軟土以淤泥為主，軟土厚度約為10～15 m。

2期工程：2014—2018年，對舊堤進行升級改造(如圖1所示)，在舊擋墻外側新建一塊混凝土擋墻，新舊擋墻之間通過鑿毛的方式銜接，并在舊堤上鋪設碎石墊層、C25板、干砌條石；新擋墻前采用拋石回填以防止堤腳被沖刷。

圖1 2期工程的海堤典型剖面示意

2.2 海堤景觀提升工程

3期工程：為了提升海堤的整體景觀效果，2020年對海堤進行生態景觀提升改造，景觀提升工程的典型設計如圖2所示，該工程擬在已建設的堤防外側進行40～60 cm填土并種植生態植物，外圍采用生態袋進行防護。2020年初按照設計方案在海堤局部進行了生態景觀試驗段(如圖3所示)。

圖2 海堤景觀提升工程典型設計示意

圖3 海堤景觀提升工程試驗段示意

海堤景觀提升工程填土的運土方案如下所述(現場作業如圖4所示)。

圖4 海堤景觀提升工程現場施工示意

1) 通過船只將土方量在預定的卸土點卸土，并且要做到卸土均勻。

2) 土方回填采用50 m皮帶船進行，皮帶船將土方卸到距土袋圍堰15 m處，每堆土高度不超過2～3 m。

3) 土方卸落同時，水陸挖機進行倒運，將土方倒運攤鋪到施工范圍內，每個卸土區域由2臺水陸挖機接力轉運，均勻攤鋪到土工格室，初層高度不高于40 cm，待鋪設完成土工格室后，再機械配合將20 cm土方鋪設完成。

2.3 海堤堤頂裂縫情況

試驗段完工后，發現海堤堤頂局部范圍條石之間縫隙出現較為明顯的張開，縫隙寬度為8～10 mm，且貫通較長(如圖5所示)。

圖5 堤頂裂縫現場位置示意

在景觀提升工程試驗段附近，貫通裂縫距離垂直岸墻約2.4 m，距離護欄內側約1.6 m。與該海堤典型剖面進行對比，發現裂縫所處的位置與2期擋墻和2期C25混凝土板交接的位置十分接近(如圖6所示)，并且2期擋墻和C25板之間無任何銜接處理。

圖6 堤頂裂縫位置示意

為了解該海堤堤頂裂縫產生的原因，通過對海堤的抗滑穩定和不均勻沉降進行分析，以確定裂縫產生的主要因素。

3 場地工程地質條件

根據地質勘察報告，場區基巖為燕山三期(γ)花崗巖，上覆為第四系人工填土層(Q4ml)、全新統海陸交互相沉積層(Q4mc)、上更新統河流相沖積層(Q3al)和殘積層(Qel)。本次分析的土層巖性和狀態自上而下可劃分為：

1) 第四系人工填土層(Q4ml)

①1雜填土：雜色、褐紅色、褐灰色，稍濕，松散，主要由碎石、塊石、磚塊及少量生活垃圾組成，硬質物約占50%～70%，粉質粘土和中粗砂充填。該層均出露于地表，層厚為0.70～3.50 m，平均為1.66 m。

①2素填土：見于整個場區，呈層狀連續分布。褐色、褐灰色、灰色等，稍壓實，主要由粘性土和少量中砂回填組成，主要為河堤和路基填土。層頂埋深為0.00～1.50 m，層厚為0.50～7.10 m，平均為2.44 m。標準貫入試驗N=6.0～10.0擊，平均為8.1擊；Ps=0.05～1.76 MPa，平均為0.59 MPa。

①3耕土：見于場區部分地段，呈似層狀或透鏡狀分布。褐色、灰黃色、灰褐色等，結構疏松，主要由粘性土組成，含少量植物根系。該層均直接出露于地表，層厚為0.50～1.00 m，平均為0.62 m。

2) 第四系全新統海陸交互相沉積層(Q4mc)

②1淤泥：灰色、深灰色，飽和，流塑，有機質含量為0.630%～3.626%，具腐臭味，層間普遍夾線狀薄層粉細砂，局部夾少量碎貝殼。此層均出露于河底，層厚為2.80～22.50 m，平均為9.19 m。標準貫入試驗N=1.0～3.0擊，平均為1.7擊。

②2淤泥質粉質粘土：見于整個場區，呈層狀連續分布。深灰色，飽和，流塑，有機質含量為0.880%～4.020%，具腐臭味。層頂埋深為0.00～30.80 m，層厚為0.90～31.40 m，平均為10.38 m。標準貫入試驗N=1.0～5.0擊，平均為3.3擊；Ps=0.01～0.88 MPa，平均為0.45 MPa。

②3淤泥質中砂：見于場區部分地段，呈似層狀分布。灰色、灰黃色等，飽和，松散，粒徑不均勻，含少量淤泥質和碎貝殼，局部相變為淤泥質細砂。層頂埋深為4.50～40.80 m，層厚為0.80～13.00 m，平均為3.39 m。標準貫入試驗N=2.0～7.0擊，平均為4.2擊；Ps=1.30～6.79 MPa，平均為3.52 MPa。

②4淤泥質粘土夾細砂：見于場區部分地段，呈似層狀或透鏡狀分布。該層以淤泥質粘土為主，夾細砂薄層，兩者呈互層狀。淤泥質粘土呈灰—深灰色，流塑，有機質含量為0.770%～3.920%，厚度一般為3～5 cm；細砂薄層呈淺灰色，松散，粒徑均勻，厚度一般為5～8 mm。層頂埋深為2.80～25.50 m，層厚為0.60～17.40 m，平均為4.70 m。標準貫入試驗N=1.0～6.0擊，平均為3.8擊；Ps=0.13～2.45 MPa，平均為1.12 MPa。

4 海堤抗滑穩定性分析

海堤整體抗滑穩定性的計算分析剖面示意如圖7所示，新建擋墻利用舊護岸擋墻進行加固。

圖7 抗滑穩定性分析剖面示意

在新擋墻墻頂形成1級平臺，平臺標高為6.50～6.80 m。1級平臺的步道采用干砌條石鋪裝，靠欄桿側的條石下部是新建擋墻，其他部分條石下部是20 cm厚的C25混凝土板，混凝土板下鋪20 cm厚的碎石墊層，墊層下部為淤泥質土。擋墻下部的淤泥質土厚度約為12 m，土層底部標高約為-6.8 m，再往下是淤泥質土夾細砂層，厚度約為5 m。

根據地質勘察報告，各巖土體的計算參數見表1，其中強度參數采用總應力強度。

a 2期工程

表1 巖土體計算參數

本海堤抗滑穩定的最不利工況：臨水側水位從設計洪水位7.93 m驟降至堤腳，背水側水位為地下水位(地面-0.5 m)。采用理正巖土計算軟件，得到Bishop法的安全系數為：2期工程2.184，3期工程2.426，均滿足《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)的安全系數最低要求1.50。圖8為計算得出的潛在滑動面，可見滑動面的入口不在現場裂縫處(第1級平臺)。因此，可以判斷該海堤整體是穩定的，抗滑穩定性不是堤頂產生裂縫的主要原因。

5 海堤不均勻沉降分析

5.1 分析模型

有限元分析能夠模擬更加復雜的結構和地層情況[7-8]，在合理的簡化條件下能夠得出較為符合實際的計算結果。采用Midas/GTS有限元軟件模擬不同工況下的堤防和地基變形，有限元簡化分析模型如圖9所示。考慮舊堤已經存在多年，下部堤基淤泥質土由于固結，其變形模量會大于堤基以外的淤泥質土，因此，將淤泥質土分為兩部分考慮。

很多研究表明土的變形模量跟應力狀態有關[9-12]，即土的應力水平越高，變形模量越小。圖9中堤防外側的地基土所受的側向約束較小，因此，應力水平相對較高，所以變形模量較小，土體更“軟”；而堤防底部地基側向約束更大，因此，應力水平相對較低、變形模量較高。所以將地基簡化成圖9中兩部分進行考慮是合理的。

圖9 有限元分析模型示意

5.2 不均勻沉降的原因

堤防不均勻沉降產生的原因主要有兩個方面：① 地基的剛度不同，即地基的變形模量不同，主要與地基的應力狀態和固結狀態有關；② 地基受力不均勻，主要與堤防的結構形式和外荷載有關。

5.3 計算分析工況

計算分析工況簡化如下：

1) 1期工程：舊擋墻、堤身土、原有拋石、淤泥質土在自重的作用下，形成的初始應力。

2) 2期工程：新擋墻、碎石墊層、C25板、新填拋石。

3) 3期工程：施工生態填土(40 cm厚)，采用荷載7.2 kPa等效。

a 新填拋石

a 新填拋石

5.4 不同的地基的變形模量對堤防不均勻沉降的影響分析

1) 當考慮堤基和堤基外側的淤泥質土的變形模量一致時，2期工程的新填拋石和3期工程的生態填土引起的海堤變形如圖10所示。通過現場檢測確定條石縫隙的初始寬度約為5 mm，疊加計算變形增量后可得新填拋石和生態填土分別引起的縫隙寬度為5.7 mm、6.71 mm。可見，縫隙寬度不算明顯。

2) 當考慮堤基外淤泥質土的變形模量是堤基淤泥質土的1/4時，新填拋石和生態填土引起的海堤變形如圖11所示。條石縫隙的初始寬度約為5 mm，疊加計算變形增量后可得新填拋石和生態填土分別引起的縫隙寬度為6.91 mm、9.28 mm。可見，此時的縫隙寬度較為明顯。

不同條件下步道裂縫寬度計算值見表2，由此可見堤防臨水側在新增荷載的作用下，由于地基的剛度不均勻，導致堤防臨水側的變形較大，并產生結構的傾斜，從而導致在新擋墻和C25板交接處(無任何銜接處理)的縫隙增加。

表2 不同條件下的裂縫寬度

隨著地基剛度的差異不斷增加，堤頂縫隙計算值也不斷增大，當堤基外側與堤基的變形模量比值達到1/4時，裂縫寬度達到9.28 mm，與實際測量的裂縫寬度8～10 mm較為接近。

6 結論和建議

本文通過對廣州南沙某海堤進行抗滑穩定分析和有限元分析，明確了海堤堤頂裂縫產生的原因，主要有以下幾個方面：

1) 地基的剛度不同，即舊堤下部軟土地基的變形模量要比海堤外側的軟土地基大，從而導致在相同荷載作用下堤圍外側的沉降較大。

2) 地基的剛度不同，除了固結程度不同，還與地基土的應力狀態有關，堤外側的地基土側向約束少，因此，應力水平較高，變形模量也相對較低。

3) 地基受力不均勻，堤防外側的新填拋石和生態填土增加了海堤臨水側的地基受力，從而增加了海堤的不均勻沉降。

4) 此外，其他因素(如漲潮退潮、軟土次固結、施工堆土不均勻)也會引起軟土地基的不均勻沉降。

綜上所述，為了減少該海堤堤頂裂縫的擴大，則應盡量降低地基的不均勻沉降，并且減少地基承受的荷載和擾動，可行的工程措施建議如下：

1) 盡量減少海堤外側的生態填土荷載，即減少生態填土的高度，或開挖部分拋石后再填土。

2) 在條件允許的情況下，可以在海堤臨水側施工木樁或微型樁[13]以增加軟土地基的剛度。

3) 注意施工時不要擾動軟土地基原狀結構，避免在堤防外側一定范圍內挖土。

4) 避免重型機械施工在岸頂上作業，盡量選擇輕型機械施工。機械在施工過程中，挖機位置應與土工袋圍堰保持2 m左右距離，嚴禁碰觸現狀堤岸及土工袋圍堰，以免對現狀干砌石護坡及土工袋造成擾動。

5) 施工期間，建議對海堤的變形(沉降和水平位移)進行監測，制定合理的監測方案。如果發現變形異常，應立即停止施工并分析異常原因，找到原因并得到處理后，方可繼續進行施工。