既有堤加固工程的穩定性分析研究

樂嘉熠

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

現行規范[1-2]中主流的穩定性分析理念為數值法，即，要求計算邊坡的最小滑弧穩定性抗力分項系數應達到某一數值，該法主要針對于設計新建邊坡結構；另外，規范[3]中也提到，當擬建工程附近有穩定坡時，亦可通過對比法判斷擬建工程穩定性，當新建邊坡的穩定系數大于附近已有的穩定坡的穩定系數時，即可認為新建邊坡是穩定的，我國早在1957 年便應用對比法判斷邊坡穩定[4]。

在水運工程中，當既有堤后方使用荷載提高時，往往需要對原結構進行加固，確保其加固后的穩定性能滿足新的使用需求，對于此類既有堤加固工程，主流的數值法存在一定的局限性：數值法未考慮既有堤現狀穩定性，計算值往往偏低，王四根[5]提出需要在既有堤同一斷面綿密布孔，以確定更能反應實際情況的土層線和地質參數，從而更為準確地通過數值法判斷既有堤穩定性，但該法勘察工程量極大，對于岸線較長的既有堤加固工程而言，可行性較低。

針對上述問題，本文提出一種滑弧分類理念，針對既有堤某一斷面的潛在失穩滑弧進行分類討論，將可能發生的滑弧分為大、中、小3 類，并在現行規范基礎上分別采用數值法或對比法確定各類滑弧的穩定性標準，從而確保既有堤加固設計方案性價比高、針對性強。

以下結合福州港三都澳港區漳灣作業區18—20 號泊位工程，對其東側駁岸的加固設計進行方案比選，并對不同類型滑弧的穩定性分析進行具體闡述。

1 工程概述

擬建工程陸域形成總面積約18.13 萬m2，其中，回填區15.34 萬m2，開山區2.79 萬m2。回填區下伏軟土主要為②1灰色淤泥和②3灰色淤泥質土，軟土總厚度約7.5～27 m，大部分區域軟土總厚度在25 m 左右，軟土層下為卵石層和巖基。回填區經由前期造地工程吹填細砂已形成陸地，下伏軟土未進行加固處理。回填區東側為一條已建駁岸，該駁岸作為前期造地工程的臨時吹填圍護結構，建設時僅考慮后方吹填荷載作用下短期的穩定性，其堤身結構為全棱體袋裝砂被斜坡堤，原堤基處理方式為塑料排水板排水固結方案。根據本工程總平面布置，場地使用設計高程為9.5 m（當地理論最低潮面），陸域場地布置有鋼材堆場、礦石堆場及件雜貨堆場。根據新的平面布置方案，東側駁岸后方使用荷載提高，本次需對原駁岸進行升級，二次加固堤基軟土，以滿足施工期、使用期穩定需求。駁岸加固長度約653.14 m。本工程平面與前期造地工程的關系如圖1 所示。

圖1 本工程與前期吹填造地工程位置關系圖Fig.1 Relationship between this project and former land formation project

2 地質條件

本工程回填區未打設排水板，下伏軟土在回填砂層壓載作用下緩慢單向排水，壓載期為1 a，固結不充分；東側駁岸堤基已打設有排水板，堤基軟土固結較為充分；東側駁岸外側海域的軟土既無附加荷載又沒有打設過排水板。考慮到本工程各區域受前期造地工程施工影響，同一土層各區域物理力學性質存在差異[6-7]，應重新進行地質勘查，并分區對土體物理力學指標進行統計整理。各分區軟土物理力學指標見表1。

表1 軟土主要設計參數表Table 1 Main parameters of soft soil

3 既有堤加固改造方案設計

相較于建設新的堤防結構而言，既有堤加固所面臨的限制條件更多、更復雜，不同的工程需要結合實際情況制定加固設計方案。既有堤加固設計的主要思路為：

1）分析既有堤現狀穩定性；

2）分析總結既有堤加固限制條件，確定加固初步方案；

3）結合穩定性分析成果，細化加固方案。

3.1 既有堤現狀穩定性

根據地勘成果，選取4 個東側駁岸斷面，采用瑞典條分法對已建東側駁岸進行穩定性分析，各斷面現狀抗力分項系數見表2。

表2 東側駁岸各斷面現狀抗力分項系數表Table 2 Current partial safety factor for resistance of East Revetment

由于瑞典條分法忽略了土條側面的作用力，算出的穩定安全系數可能偏低10%～20%[8]，另外，考慮到模型土層線和實際土層線存在差異，且各斷面土體實際抗剪強度與地勘提供的統一的計算值亦存在差異，故計算所得的抗力分項系數并不完全大于1，但是該抗力分項系數可以作為后續對比法判斷邊坡穩定的依據[4-5]。由以上穩定性計算結果可以得知，本工程已建東側駁岸結構現狀雖然處于穩定狀態，但各斷面抗力分項系數基本在1 左右，現狀抗力分項系數數值不高，若后方使用荷載提高，東側駁岸存在失穩的可能，需要進行加固，方能滿足新的使用需求。

3.2 初步方案

既有堤加固的限制條件需要根據各工程的具體情況進行針對性分析，本工程已建東側駁岸加固的主要限制條件為：

1）用海紅線限制。已建東側駁岸外坡坡腳緊貼本工程用海紅線，無法在外坡新增反壓荷載，另外，若采用削坡的方法放緩外坡，則會占用過多的場地空間，亦不推薦；

2）工法效果限制。已建東側駁岸原堤基處理方式為塑料排水板排水固結方案，根據地勘，堤基軟土強度增長并不明顯，若對已建東側駁岸再次采用排水固結法進行二次加固，加固效果難以保證，無法滿足東側駁岸加固的穩定性需求。

綜上分析，受用海紅線和工法效果限制，緩坡反壓法、削坡法、排水固結法等方法均不適用于本工程已建東側駁岸加固。考慮到本工程回填區存在有大量前期造地工程吹填的細砂，綜合分析限制條件、料源情況、經濟性、施工便利性等因素，推薦利用本工程回填區前期吹填的細砂，采用擠密砂樁法加固東側駁岸堤基軟土。另外，從施工便利性角度考慮，加固區域宜設置在堤頂線后方區域。

3.3 穩定性分析及加固方案

1）數值法穩定性分析理念及對應方案

按照規范中主流的數值法穩定性分析理念，計算邊坡的最小滑弧穩定性抗力分項系數應達到某一數值，東側駁岸加固后各滑弧抗力分項系數控制標準確定為：施工期滑弧抗力分項系數不小于1.15，使用期滑弧抗力分項系數不小于1.3[3]。根據穩定性計算，本工程需要在東側駁岸外坡平臺打設3 排擠密砂樁，并在東側駁岸堤頂線后方25～30 m 內的范圍打設擠密砂樁，擠密砂樁樁徑取80 cm，按正方形布置，不同加固斷面擠密砂樁置換率為25%和30%兩種。

2）滑弧分類法穩定性分析理念及對應方案

主流的數值法穩定性分析理念未考慮既有堤現狀穩定性、各位置滑弧差異性等問題，容易導致過度設計。滑弧分類法穩定性分析理念通過合理考慮上述因素，將滑弧分為大、中、小3 類，見圖2，并分別針對性確定荷載布置方案和各類滑弧穩定性標準。

圖2 各位置滑弧示意圖Fig.2 Schematic diagram of slip arcs at different positions

小滑弧：此類滑弧為不穿過主要加固區的最外側滑弧，主要加固區對該類滑弧的穩定性完全沒有提升效果，其抗力分項系數大小不隨加固土體抗剪強度的提升而提升。若要提升本工程東側駁岸小滑弧的穩定性，勢必要加固外坡的軟基，加固難度大，加固代價高。綜合施工可行性和安全性考慮，對于本工程該類滑弧，以維持現狀穩定狀態為原則，采用對比法判定此類滑弧的穩定性，并在滑弧進入位置不新增荷載，故本工程該類滑弧進入位置主要布置為綠化區。

中滑弧：此類滑弧為小部分穿過主要加固區的中部滑弧，其抗滑力中的一小部分由主要加固區土體提供。以本工程為例，主要加固區土體提供的抗滑力僅占總抗滑力的20%～25%，故抗力分項系數大小雖然隨加固土體抗剪強度的提升而提升，但提升效果有限。對于此類滑弧，若以抗力分項系數是否能夠達到某一數值作為判斷邊坡穩定性的標準，則忽視了邊坡現狀穩定性。建議采用對比法判定此類滑弧的穩定性，并通過合理布置堤頂荷載的方式限制滑動力，確保此類滑弧的穩定。本工程中滑弧進入位置主要布置為荷載較小的堆場限載區和行政車道。參考規范中對于擬建工程附近有穩定坡的情況，擬建工程邊坡抗力分項系數應稍大于現有穩定坡的抗力分項系數[3]，考慮一定的安全富余，本工程東側駁岸加固后中滑弧抗力分項系數控制標準確定為：大于現有穩定坡自身抗力分項系數10%以上。

大滑弧：此類滑弧為完全穿過主要加固區的內側滑弧，主要加固區土體對該類滑弧的穩定性起到決定性的作用，故該類滑弧的抗力分項系數數值可以反映其穩定性，為確保該類滑弧穩定性，其抗力分項系數應達到規范中相關數值要求。本工程該類滑弧進入位置主要布置為堆場滿載區。依據規范要求，本工程東側駁岸加固后大滑弧抗力分項系數控制標準確定為：施工期滑弧抗力分項系數不小于1.15，使用期滑弧抗力分項系數不小于1.3[3]。

東側駁岸堤后荷載布置與3 類滑弧的關系如圖3 所示。

圖3 東側駁岸堤后荷載布置與3 類滑弧的關系示意圖Fig.3 Relationship between load arrangement and 3 types of slip arcs

根據穩定計算結果，擠密砂樁加固區域確定為堤頂線后方25～30 m 內的范圍，擠密砂樁樁徑取80 cm，按正方形布置，不同加固斷面擠密砂樁置換率為25%和30%兩種，擠密砂樁需打穿軟土層、打設至硬土層頂。

東側駁岸加固施工期穩定計算結果見表3。

表3 東側駁岸加固施工期抗力分項系數匯總表Table 3 Partial safety factors for resistance of East Revetment during execution of ground improvement

根據以上計算結果，本工程東側駁岸加固施工期，在施工荷載作用下，小滑弧抗力分項系數為現狀最小抗力分項系數的1.13～1.21 倍；中滑弧抗力分項系數比現狀最小抗力分項系數提升了14.7%～37.39%，提升百分比均大于10%；大滑弧抗力分項系數為1.153～1.259，均大于1.15。

東側駁岸加固后使用期穩定計算結果見表4。

表4 東側駁岸使用期抗力分項系數匯總表Table 4 Partial safety factors for resistance during use of East Revetment

根據以上計算結果，本工程東側駁岸加固后，在使用荷載作用下，小滑弧抗力分項系數為現狀最小抗力分項系數的1.0～1.08 倍；中滑弧抗力分項系數比現狀最小抗力分項系數提升了10.35%～28.75%，提升百分比均大于10%；大滑弧抗力分項系數為1.327～1.687，均大于1.3。

由以上計算結果可以看出，對于小滑弧，雖然其抗力分項系數數值均較低，但是其值均大于現狀穩定邊坡的最小抗力分項系數，在小滑弧范圍內不新增荷載的情況下，此類滑弧的穩定性是可以保證的；對于中滑弧，經過軟基加固，在新增荷載的作用下，其抗力分項系數提升均大于現狀穩定邊坡最小抗力分項系數10%以上，亦可以確保其穩定。

綜上所述，本工程東側駁岸加固后穩定性滿足施工期、使用期穩定要求。

3.4 對比分析

以斷面4 使用期的穩定性分析為例：若按照常規的數值法，小滑弧的抗力分項系數在數值上也應達到大滑弧的標準，即使用期1.3，這就意味著在既有堤現狀穩定且小滑弧范圍內不新增荷載的情況下，要將其穩定性由0.832 提升至1.3 以上，穩定性提升達到了56%以上，遠遠超過了實際需求，相應的設計方案缺乏經濟性與合理性，屬于過度設計。

相較于常規方案，滑弧分類穩定性分析理念合理考慮既有堤現狀穩定性、各位置滑弧差異性等問題，將可能發生的滑弧進行分類討論，并依據穩定計算結果，取消了施工難度較高的外坡平臺上的擠密砂樁，擠密砂樁工程量減少了約20%，既降低了工程造價，也提高了施工可行性。

4 結語

1）為確保既有堤加固設計方案合理可靠、穩定性分析準確，既有堤建設前的地勘資料應謹慎采用，受前期工程建設影響的區域，應重新進行地質勘查，并根據施工歷史的不同，分區對土體物理力學指標進行統計整理；

2）相較于建設新的堤防結構而言，既有堤加固所面臨的限制條件更多、更復雜，且限制條件、堤后平面功能布置、既有堤加固方案互相牽制影響，在設計中，需將三者統籌分析研究，并最終確定經濟合理的設計方案；

3）常規的堤身穩定性分析理念要求計算邊坡的最小滑弧穩定性抗力分項系數要達到某一數值，這種判定標準適用于新建堤的穩定性分析，而對于既有堤加固工程，這種做法未考慮既有堤現狀穩定性、各位置滑弧的差異性等問題，容易導致過度設計。對于既有堤加固工程，應根據實際情況，將同一斷面的各位置滑弧進行分類討論，重點分析新增使用荷載對各位置滑弧的影響，針對性確定穩定性標準，合理運用對比法進行穩定性分析，確保加固方案經濟合理。