软基上半直立式水工护岸圆筒倾斜控制及治理措施探讨

田双珠，徐满意，乔小利，韩冉冉

（交通部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456）

沿海地区兴建的直立式水工护岸一般采用大体积混凝土浇筑的沉箱或块体来实现。以往施工时常把施工区域内软土挖掉，然后通过抛填块石且夯实后安装沉箱的方式实现的。一般水工护岸岸线较长，且部分区域软土厚度较大（一般大于10 m），采用传统方式施工费用较大，为此设计出了在不挖泥或部分挖泥的条件下，通过排水预压方式处理地基，建立直立式护岸的施工方法。

软基上排水预压是通过在软基内打设塑料排水板，并抛填块石基床及整平，安装沉箱，然后进行两侧回填，最后顶部浇筑胸墙的方式施工，该方式每道施工工序都需预留足够的地基稳定时间，并严格按照观测数据安排施工。

由于水工直立式护岸两侧荷载厚度不一致，即反压棱体和后方棱体存在高差（图1），在软基上，直立圆筒两侧必然产生不均匀的沉降，造成倾斜［1］。一般圆筒或沉箱倾斜均须严格控制在一定范围内，才认为合格。因此为减小圆筒或沉箱倾斜的量级，保证工程质量，必须在施工期采取各种措施减小这一倾斜的发展。大连某工程建立水工护岸，预计安装大直径圆筒近400个。为处理好工程进度及工程质量的关系，对前100个圆筒两侧回填进行了加荷试验，为后续标段施工提供理论指导及技术支持。本文以该工程为例，对该类护岸不均匀沉降的控制及治理方法进行探讨。

1 工程地质状况

根据工程地质勘察资料，大连某护岸排水板段的主要软土类别包括：（1）淤泥（Q4m）：灰黑色，流塑，偶见贝壳碎片，具腥臭味。该层在整个场地均有揭露，钻孔揭露厚度7.8 m。（2）淤泥质粉质粘土（Q4m）：灰黑色，软塑，具腥臭味，偶见贝壳碎片，部分钻孔底部强度有所增加，偶见薄层软塑粉质粘土。该层在整个场地均有揭露，钻孔揭露厚度3.1 m。

在该护岸区域的软土厚度一般为10～14 m，下部为粉砂或粉质粘土，性质较好，对工程而言，上部存在较厚的软土层是护岸产生不均匀沉降的主要原因。该工程为了加快地基排水固结速度，保证施工期完成后地基在较短时间内达到沉降稳定，在施工区域内软基上铺设了排水垫层，并打设了塑料排水板。该区域软土层的主要力学指标见表1。

表1 地层土体物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical properties of soil

2 圆筒倾斜分析

由图1可知，圆筒下地基产生的主要附加应力包括圆筒及回填石料的重量产生的附加应力以及后方棱体对圆筒产生的水平推力2种，而这2项附加应力均和圆筒两侧棱体的高度有关。

根据规范方法，角点下附加应力计算公式［2-3］为

式中：σz为附加应力；KS为角点下附加应力系数；σ0为自重应力。

由式（1）及图1可知，地基中心点的附加应力是地基角点下附加应力的2倍，所以圆筒陆侧地基附加应力为其角点下附加应力的2倍，且水平推力在圆筒两侧角趾产生的附加应力正好反号，因此圆筒两侧附加应力差等于圆筒后趾填料自重产生的角点下附加应力减去2倍的填料高差产生的水平推力。

简化后计算圆筒前趾后趾自重应力及附加应力［4-5］，分析如下：圆筒下地基受力包括地基土自重应力、上部荷载附加应力和圆筒前后方棱体存在高差产生的水平推力。

地基自重应力按照表1数据计算，该工程圆筒高7.5 m，后方棱体和圆筒同高，宽20 m，前方反压棱体厚3.5 m，宽47 m，附加应力计算按照块石重度20 kN/m3，考虑最低潮情况，水位0.0 m，计算上覆垂直应力115 kPa，水平推力90 kN，查表计算附加应力，根据以上计算，圆筒下地基内承受总应力见图2。

根据地质勘察资料，该区段内软土e-p曲线见表2。

表2 圆筒地基软土e-p曲线数据Tab.2 e-p curve of soft soil under cylinder caisson

按照规范公式［2］计算圆筒两侧沉降高差Δh为

式中：Δh为圆筒两侧沉降高差；sQ为圆筒前趾处沉降；sH为圆筒后趾处沉降；ms为经验修正系数；Δe为平均自重压力设计值时孔隙比与平均最终压力设计值压缩稳定后的孔隙比之差；e1i为第i层土受到平均自重压力设计值时的孔隙比；hi为第i层土的厚度；i为土层计算层编号。

经计算，圆筒两侧沉降高差Δh为102～158 mm，因此认为圆筒在正常加载控制及加载间歇条件下，由于两侧荷载厚度不同造成的圆筒沉降倾斜高差理论计算结果为102～158 mm。有待现场施工实测验证。

3 现场监测结果分析

完全依靠理论计算的方法来预测分析半直立式护岸圆筒两侧的不均匀沉降，对工程施工来说风险较大，因为理论条件无法等同于现场施工的实际工况，还需要通过现场加载试验来进行统计分析。现场加载试验的条件能够完全模拟现场施工的各种工况，以及各种工况下的不均匀沉降，供有关单位根据工期条件，选择最优的施工方案［6-7］。

为保证地基稳定，需要充分的排水时间，而这与施工进度之间存在矛盾。工程施工时需要找到二者的平衡点，结合施工工期的要求，在不同区域采取了3种加载方案（加荷应力路径），最后通过分析总结，为后续工程施工加载及圆筒倾斜控制提供多种方案。

圆筒前、后方棱体回填按照以下标准进行：（1）按照圆筒回填标准，以2 m厚度一级回填，20 d时间间隔进行施工，试验区域为27～35号圆筒；（2）以4 m厚度一级，20 d时间间隔施工，施工区域为36～75号圆筒；（3）以4 m厚度一级，40 d时间间隔进行荷载施加，施工区域为76～106号筒。施工完成及地基稳定后，对所有圆筒两侧垂直于施工轴线方向的高差进行测量，其结果见图3。部分圆筒上的观测点被堆料覆埋而未能进行观测，故图3中未标出。

根据现场实测资料分析，27～35号圆筒内和圆筒后方荷载施加是按照2 m厚度作为一级荷载，20 d时间间隔进行的加载控制，圆筒两侧高差在100～200 mm。36号圆筒以后均按照4 m厚度作为一级荷载施加，36～75号圆筒后方陆域回填进度为1 d 4个圆筒，两级荷载间隔约20 d，圆筒两侧高差在170～330 mm，南北高差发展较大。76号圆筒之后的第三试验段，施工控制为一次回填4 m厚度，一次推进2个圆筒，两级荷载施加间隔时间为40 d，圆筒两侧高差控制在140～250 mm。

结合理论计算结果，对 27～35、36～75、76～106号圆筒3个试验段加载监测数据进行分析，可知计算结果接近按照2 m一级加载控制的区段。对于按照4 m一级荷载控制的区域，计算结果明显偏小。因为理论计算无法模拟施工现场的实际条件，而圆筒倾斜发展和施工加荷的应力路径密切相关，岩土体存在较大的塑性变形，沿不同的应力路径加荷，各个阶段的塑性变形就不同，累计求和就有不同的变形总量，因此同样的施工断面、不同的加荷应力路径必然产生不同的地基变形［1］。从岩土体的抗剪能力分析，较小的加载厚度减小了塑性区的发展，适当的加载间隔保证了地基的充分排水和有效应力的增长，防止了地基的剪切破坏，且保证了地基承载力的稳定提高。因此，该项目后续标段施工时，必须充分考虑地基稳定性以及圆筒倾斜的特点，根据工程进度要求，选择合适的施工加载方案，并制定与之配合的倾斜治理措施，是提高后续工程施工质量的关键。

4 结语

通过分析工程3个加载试验段圆筒不均匀沉降的发展特点，得到以下结论：（1）半直立式水工护岸两侧荷载不同，必然产生不均匀沉降，必须通过合理的加载方案及圆筒倾斜治理措施，把两侧的不均匀沉降控制在允许范围内。（2）地基在不同的加荷应力路径下变形不同，原则上选择一个加荷标准，配合一定倾斜治理措施，可以满足圆筒倾斜控制的质量要求，但不可一味加大一次加载的厚度，而不考虑地基的抗剪稳定性。（3）通过理论计算并结合现场试验监测的方法，获取不同加载工况下地基不均匀沉降的发展特点，可为本工程的后续施工及类似工程施工的圆筒倾斜控制及治理提供指导。

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