抛石挤淤法的有效挤淤深度

张永涛，唐 炫，杨 钊

(中交二航局技术中心， 湖北 武汉 430040)

软土主要是第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、湖沼相的黏性土沉积物或河流沉积物。它的特点是天然含水量大、有机质含量多、压缩性高、孔隙比大、渗透性差、承载能力低，广泛分布于我国东南部沿海和部分内地地区[1,2]。随着经济发展和城市化水平的提高，在工程建设过程中不断涉及到软土地基加固。根据软土的性质和空间分布，一般可通过塑料排水板堆载预压、砂桩振冲挤密、强夯置换、抛石挤淤[3]等方法进行加固处理。

与其他加固方法相比，抛石挤淤法施工方便快捷、工艺简单、不用抽水、不用挖淤、施工迅速，特别适用于软弱地基表面存在大量积水无法排除，大型施工机械无法进入的区域。对施工区域附近石料丰富，运输距离较短的情况，采用抛石挤淤法进行软基处理，可以有效节约施工成本，缩短工期。正是由于这些特点，抛石挤淤法在沿海地区的地基加固工程中得到了广泛的应用。

对于抛石挤淤法的有效挤淤深度和适用范围，有的学者认为，抛石挤淤法一般适用于厚度不超过4 m，且表层硬壳被挖除的具有触变性流塑状的饱和淤泥或淤泥质土处理，对于5 m以上的深厚淤泥或淤泥质土则还需辅以爆破或强夯措施[4]。有的学者则认为，抛石挤淤主要适用于厚度在10 m以内，流动性大，基本无硬壳层的大面积流塑状淤泥的地基处理，当淤泥厚度大于10 m时，可在抛石挤淤的基础上进行振动挤淤、强夯挤淤和爆破挤淤[5]。有的学者则指出，抛石挤淤处理厚度跟淤泥的状态有直接的联系，一般来说，淤泥为流塑状时，抛石挤淤的处理厚度不大于15 m[6]。而在JTS 147-1-2010《港口工程地基规范》中第8.1.1条明文规定，抛石挤淤法适用于厚度小于5 m的淤泥或流泥的情况。然而在实际工程中，有的地区采用抛石挤淤法施工，其挤淤厚度已经达到了10 m以上，例如位于威海境内的文登港工程的有效挤淤深度已经超过10 m。

由上可知，在实际工程中，抛石挤淤法能够到达的有效挤淤深度存在差异。而确定有效挤淤深度，决定着在地基加固施工过程中，抛石挤淤是否还需结合其他加固方法进行联合施工，这对降低施工成本，缩短施工工期，提高生产效率有着重要意义。本文以海阳港围海造地工程为背景，对抛石挤淤法加固地基的有效挤淤深度进行分析。

1 抛石挤淤原理

淤泥质软土的含水量大、孔隙比大、强度低，又为高灵敏土。这种土体具有明显的触变性，一旦受到扰动，淤泥结构从絮凝结构(胶粒凝聚)变成某种程度的分散结构(胶溶现象)，结构强度急剧降低，这为施工中采用抛石挤淤方法，使土石填筑体直接挤开淤泥，沉至淤泥中形成人工置换地基，提供了有利条件[7]。

在这种土体中进行抛填施工，土石填筑体产生的压力(包括大型车辆、施工机械行走的工作压力)，会使得淤泥产生整体剪切破坏，填筑体两侧的淤泥会向上翻涌、隆起，并在淤泥中产生连续的滑动面。于是，土石填筑体便挤开淤泥，不断座滑下沉至淤泥内一定深度，达到新的极限平衡状态，产生压载挤淤效果。

对于淤泥面，当抛石瞬间挤入淤泥时，淤泥会受到剪切破坏，随着抛石体下方的淤泥被挤出，抛石体两侧的淤泥就会壅起，而且两侧壅起部分的截面积之和应等于挤入淤泥中抛石体的截面积[5]。在抛石体坡脚处，壅起的淤泥会在自身重力作用下逐渐回壅，达到平衡。

静置后，被挤淤泥土体中的超孔隙水压力逐渐排出，有效应力逐渐增大，淤泥的结构强度逐渐恢复，承载力逐渐加大，填筑体日趋成为悬浮于淤泥中或着底的稳定结构。压载挤淤后形成的填筑体，在施工期可以作为施工道路及工作平台，运营期又是可靠的构筑物。

抛石挤淤法地基处理就是基于以上原理，通过向流塑状高灵敏度淤泥质土表面大量集中抛填土石方料，依靠填筑体的自重和施工机械的工作压力，将淤泥强行挤出基底范围并占据其位置，达到强制置换淤泥质软土的目的，以此来提高地基承载力，减小沉降量、提高土体的稳定性。

2 工程概况

海阳港防波堤工程位于山东省烟台市境内，其中防波堤工程东侧北起疏港路，是烟台港海阳港区的起步建设工程。防波堤设计全长8719 m，走向0°～180°，顶面高程为5.1 m，填方边坡坡率为1∶1.5，行车道宽7.5 m。堤身外侧护坡采用抛石斜坡堤，护面采用大块石或扭王字块体。

防波堤所在区域海底地势相对平缓，总体呈西北高，东南低。地面标高最大值4.10 m，最小值-9.58 m，地表相对高差13.68 m。设计高水位为3.88 m，设计低水位为0.40 m，极端高水位为5.02 m，极端低水位为-0.71 m。

场地所处地貌单元类型为滨海地貌，场区勘察深度内岩土层为：①淤泥质粉质粘土(Q4m)；②粉细砂(Q4m)；③粉质粘土(Q4apl)；③-1粉细砂(Q4apl)；③-2中粗砂(Q4apl)；④粉质粘土(Q4apl)；④-1中粗砂(Q4apl)；⑤砂岩(K1s)；⑥页岩(K1s)。

根据地勘资料的分析得出，①层淤泥质粉质粘土为需要置换加固的软弱土体，②层粉细砂层可作为持力层，①层土体沿防波堤沿线分布的深度从1～6 m之间变化。

设计原方案为将防波堤底部的①层土体全部挖除，换填石块进行防波堤堤身施工，然而这种方法的土方开挖回填量巨大，后经设计同意采用抛石挤淤工艺施工。

3 有效挤淤深度分析方法

根据抛石挤淤原理可知，防波堤抛石挤淤的过程可以认为是在重力荷载作用下，坡脚处淤泥不断发生滑动的结果。假定在一定重力荷载作用下，坡脚进入淤泥层一定深度，由于淤泥层的反压作用，防波堤堤头坡脚保持稳定。当防波堤继续推填，堤身重力荷载增大，淤泥层的反压作用不足以抵抗坡脚滑动，则会在坡脚发生小范围的滑动，坡脚以下淤泥即被挤出，堤心石将置换坡脚淤泥，使得挤淤厚度增加。如此反复，直到防波堤推填到设计标高，此时根据坡脚所处标高以及淤泥面顶标高，即可确定防波堤的有效挤淤厚度。由此可知，防波堤有效挤淤厚度可以采用边坡滑动分析来确定，防波堤抛石挤淤的全过程可以认为是坡脚的动态滑动过程。

目前边坡稳定性分析方法有很多，常用的方法有极限平衡分析法和有限元强度折减法两种。极限平衡分析法，需要事先假设边坡土体滑移面的位置，从而确定边坡滑移体进行计算分析，计算结果会因为个人的经验判断不同而出现偏差，无法得到相对准确的分析判断。而有限元强度折减法无需事先假定滑动面的形状和位置，只需通过不断降低岩土体的强度参数，从而使边坡岩土体因抗剪强度不能抵抗剪切应力而发生破坏，并得到最危险滑动面及相应的安全系数。

强度折减法的基本原理[8]是将边坡岩土体的物理力学强度参数(粘聚力c和内摩擦角φ)均除以折减率Fs得到一组新的强度参数粘聚力ccr和内摩擦角φcr，如下式所示：

(1)

(2)

式中，Fs为强度折减系数；c，φ为土体实际的抗剪强度参数；ccr和φcr为土体折减后的抗剪强度参数。

将此强度指标参数作为新的计算参数进行边坡稳定计算，随着逐次迭代计算，直到土坡在外载荷或者自重作用下失稳破坏，塑性区贯穿整个土坡而形成一滑裂带，整个土坡将沿该滑裂带滑动，从而使滑裂带以上的土体成为可动机构，此时有限元计算不收敛而终止计算。至有限元计算不收敛为止，该阶段的最大强度折减系数即可作为边坡的稳定系数。

在对抛石挤淤有效挤淤深度进行分析时，由于只关心抛石体在软土中形成的滑移面的入土深度，即滑裂带塑性区的分布区域，因此采用有限元强度折减法进行防波堤边坡的稳定分析，根据土体塑性区的分布即可确定有效的挤淤深度。

4 有限元模型计算分析

采用Midas-GTS有限元软件中的边坡稳定分析模块，使用强度折减法对防波堤抛石堤头区域进行边坡稳定分析。

4.1 模型的建立

结合背景工程的实际情况和土体及抛石体的物理力学参数，建立模拟抛石体的二维有限元模型。取淤泥厚度为8 m，计算模型如图1所示，对相同淤泥厚度情况下的不同入土深度的防波堤进行边坡稳定性分析，根据边坡破坏时的滑移面塑性区分布范围，可以确定抛石挤淤施工过程中防波堤堤头抛石的有效挤淤厚度。

图1 计算模型示意

4.2 计算结果分析

根据堤头不同入土深度的有限元模型计算结果，可以得到如下图所示的防波堤边坡堤头填筑时的土体塑性区分布，见图2～5。

图2 入土深度为4 m时的滑移面塑性区分布

图3 入土深度为5 m时的滑移面塑性区分布

图4 入土深度为6 m时的滑移面塑性区分布

图5 入土深度为7 m时的滑移面塑性区分布

由以上计算结果可以得出，当淤泥质软土层厚度为8 m，堤头的入土深度为4 m、5 m、6 m的时候，堤头边坡滑移破坏时的塑性变形区均到达淤泥层底部，也就是说，此时抛填石块完全可以在自重作用下，逐渐将表层淤泥挤开，达到置换的目的；而当堤头的入土深度为7 m时，堤头边坡滑移破坏形成的塑性变形区只发生在浅层的淤泥层中，而无法到达淤泥层底面，也就是说抛填石块已无法挤入这个深度。

由此，可以认为在海阳港防波堤抛石挤淤施工过程中，堤头抛填挤淤的有效厚度可以达到6 m。在施工中只要确保施工质量，采用合理的施工工艺流程，防波堤堤头的填筑体是可以深入到6 m的淤泥层底部，达到完全置换淤泥的施工效果，而无需再结合强夯或爆破的方式进行地基加固处理。

4.3 实测对比分析

为了检验抛石挤淤法防波堤施工的挤淤效果和地基处理的质量，确保大堤安全，同时检验有限元数值分析得出的有效挤淤深度结论，施工方在淤泥层6 m深度范围内，分别在已完成抛填施工的防波堤外侧的20.5 m、22.8 m、28.6 m距离处进行了地质钻孔取样。根据钻孔取样分析，可以得出抛石挤淤施工后抛填石块与淤泥地层分布的情况如下图所示。

图6 抛填石块成堤断面与淤泥层分布示意图

由示意图可以看出，抛填石块挤入淤泥地层，淤泥面以下抛填石块填筑体大致呈倒梯形，填筑体内部均为抛填石块，表层淤泥已被完全挤开，填筑体的底部与持力层间分布一层约0.2 m厚度的泥石混合层透镜体，大堤坡脚处淤泥有一定范围的壅起。由此可以认为抛石挤淤法的有效挤淤深度已经达到6 m淤泥层的底部，这些都与数值计算分析得出挤淤深度结论相符。

5 结 语

根据有限元数值计算分析，结合海阳港防波堤施工过程实际，可以得出以下结论：

(1)在优化施工工艺和确保抛填石块施工质量的条件下，海阳港防波堤工程的抛填挤淤置换深度可以到6 m；

(2)从海阳港防波堤抛填施工的工程实际得出的结论，验证了采用有限元数值计算进行抛石挤淤法的挤淤置换深度分析是可行的；

(3)前海阳港防波堤已经完成一期建设，正在进行后续扭王字块的安装施工，大堤整体稳定，边坡未发生坍塌现象。但以本背景工程地质条件得出的以上结论是否可以在所有工程中得到适用，有待进一步的研究分析。

[1] 李 平, 陈利群. 抛石挤淤在软土地基处理中的应用[J].湘潭师范学院学报(自然科学版), 2009, 31(2): 103-106.

[2] 胡永安, 孙立宏. 抛石挤淤地基处理法在饱和淤泥基础中的应用[J]. 陕西水利, 2010, 5(4): 65-66.

[3] 赵明华. 土力学与基础工程[M]. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2005.

[4] 蒋 亚, 张文渊. 抛石挤淤综合法在加固地基中的应用[J]. 土工基础, 2005, 19(6): 8-9.

[5] 余海忠, 刘国楠, 徐玉胜,等. 抛石挤淤成堤断面形态研究[J]. 中国铁道科学, 2011, 32(3): 1-7.

[6] 单颖涛, 张明义, 高存贵. 抛石挤淤在吹填淤泥区地基处理中的应用[J]. 青岛理工大学学报, 2011, 31(5): 23-26.

[7] 杨光煦. 水下及淤泥中施工与地基处理[M]. 北京：海洋出版社, 1998.

[8] 赵尚毅, 郑颖人, 时卫民,等. 用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(3): 333-336.