软基海堤工后沉降影响因素分析

李书杭,高 健,潘桂娥

(1.美国明尼苏达大学,United States Minnesota Crookston 2900 University Ave PO box 2054;2.浙江省水利水电专科学校,浙江 杭州 310018;3.浙江省水利发展规划研究中心,浙江 杭州 310014)

海堤工后沉降是指竣工验收后软土地基的固结沉降量。影响软基海堤工后沉降的因素多且复杂,但还是可以分析出主要、次要及一般的因素,为今后海堤工程工后沉降量的分析计算及预留提供参考。

本文利用大量的调查资料,以鱼刺图的方法分析海堤工后沉降的影响因素,然后通过Delphi(德尔菲法)赋予各影响因素分值,最后采用AHP法(Analytic Hierarchy Process,即层次分析法)计算各因素的权重。

1 工后沉降对海堤工程的影响

工后沉降对海堤工程将产生不利影响,主要表现在使海堤产生不均匀沉降和位移,导致海堤倾斜、滑动甚至破坏;降低海堤设防标准,使海堤达不到标准堤要求;降低防护区的防护标准,使防护区遭受不必要的损失。

1.1 不均匀沉降和位移

不均匀沉降和位移是工后沉降导致对海堤不利影响中最常见的。软土地基的物理力学性质因地段而异,因分层而异,不可预见性大。在勘察、设计、施工过程中,某个断面代表性差、某个环节考虑不周,或某段地基处理时稍有不慎,都会使海堤工后沉降不均匀,导致海堤在运行期间潜伏安全隐患,出现倾斜、滑动甚至毁损形成险工险段等诸多问题。

1.2 降低海堤防潮标准

海堤工后沉降实质上是堤基和堤身断面在工程完工后继续下沉,不断寻找稳定的断面结构和堤身位置的过程。在实际工程中,由于勘测、设计、施工中的误差,运行期间的管理维护不善,以及遭遇外力影响等各种原因,往往出现工后沉降实际发生值大于预留值的情况,从而导致海堤堤顶最终高程达不到设计要求,降低了海堤的防潮标准,影响海堤正常功能的发挥。

1.3 降低防护区设防标准

由于工后沉降导致海堤实际防潮标准低于设计标准,使海堤防护区内的防护标准相应降低,从而影响人们的生产生活环境。

2 软基海堤工后沉降影响因素分析

在进行分析前,首先制定了一套调查表格,收集到浙江省内129个海堤工程的第一手资料。调查内容主要包括工程地理位置、地形、地质、基础处理方式、堤型、堤身结构、断面形式、施工方法、运行年限、遭遇的风暴潮及地质灾害等勘测、设计、施工、运行的有关资料。对搜集到的资料进行统计筛选分析归纳,认为软基海堤的工后沉降影响因素可按地基处理方式、土层特性、海堤自身情况、施工方式、沉降监测及某些外在因素进行分类。

2.1 地基处理方式

2.1.1 处理方法

软土地基具有高含水率、高孔隙度、高压缩性、高灵敏度和渗透性弱、抗剪强度低等工程特性,工程地质条件不良,是堤基沉降和稳定的控制层,需进行地基处理。

目前浙江省软基海堤常用的地基处理方法有爆炸置换法和塑料排水板法。爆炸置换法是在滩涂上预抛块石 (渣)料,采用炸药爆炸的方法,一次或数次在极短的时间内将地基一定深度和范围内的软土置换成抛石体(或石渣、砂石等混合物)的一种软基处理施工方法。塑料排水板法是先在地基中设置塑料排水板,然后利用建(构)筑物本身重量分级逐渐加载;或是在建(构)筑物建造以前,在场地先行加载预压 (或者真空预压),使土体中的孔隙水排出,逐渐固结,使地基在发生沉降的同时提高强度的施工方法。

爆炸置换法是直接置换,用密实、沉降小的材料置换了压缩性大的软土,工后沉降变形很小;而塑料排水板法主要是加快固结,存在较大的工后沉降。从实际工程工后沉降调查数据分析,采用塑料排水板法的大部分直立式或斜坡式海堤工后沉降平均值在440 mm左右,最大达700 mm;而采用爆炸置换法时要小得多。如温州市某围垦工程,地基处理深度20～31 m,东堤采用塑料排水板法,施工期最大沉降量为3 400mm,工后沉降量最大值为407mm;西堤采用爆炸置换法,施工期最大沉降量为40 mm,工后沉降量最大值为43 mm。可见,地基处理方法对工后沉降的影响明显。

2.1.2 处理深度

根据对调查资料的分析,地基处理深度与工后沉降的关系为:处理深度越大则残留软土越薄,海堤越稳定,工后沉降越小;反之,工后沉降越大。

2.1.3 处理宽度

分析调查资料后认为:地基处理宽度越小,在堤身荷载作用下海堤侧向变形越大,铅垂向变形也随之加大;反之,地基处理宽度越大,则海堤在堤身荷载作用下的侧向变形越小,铅垂向变形也较小,对工后沉降的影响也就减小。

2.2 地基土层

2.2.1 土层参数

土层参数主要以压缩系数、灵敏度、孔隙比、含水率表示。其中压缩系数决定土层的压缩性,对海堤沉降影响最大。灵敏度越高,土层受施工扰动影响越大,强度降低越多,可能产生不可预见的沉降越大。孔隙比越大,土层具有更大的可压缩空间,可能产生较大的工后沉降。含水率越大,土层越软,工后沉降也越大。另外,土的粘聚力、内摩擦角也是间接反映土层软硬的指标,也会对工后沉降产生影响。

2.2.2 土层厚度

软土层的分布自上而下一般为:淤泥—淤泥质软土—黏土。在压缩性质相同的前提下,如果软土层很薄,其沉降量也较小。分析调查资料可得出:软土层厚度越大,施工期固结度越低,工后沉降就越大。工后沉降量与软土层厚度成正比。

2.2.3 勘探精度

勘探点的布置是否符合规范要求,勘探数据的整理、勘探报告建议值的精度等直接影响海堤设计和施工,对海堤工后沉降会产生一定影响。因地质勘察钻孔有一定间距,钻孔中试样采集也存在较大差距,故岩土工程勘察报告所揭露的地层不能完全代表实际土层情况,甚至有些土层特别是透镜体土层、尖灭土层容易漏测,导致设计值出现偏差,使海堤产生不均匀沉降甚至开裂。

2.3 海堤自身因素

2.3.1 堤身高度

设计的海堤堤身越高,堤身荷载就越大,地基变形也越大。根据对统计资料的分析,堤身边坡大致相近时,堤身高度越高,堤底宽度一般随之加大;除荷载增大之外,荷载分布范围也增大,地基沉降量增大,工后沉降也增大。

2.3.2 堤身结构、筑堤材料、堤顶荷载

堤身结构、筑堤材料、堤顶荷载不同,均能影响基底荷载的大小及荷载面积的范围,所以工后沉降变形也不相同。一般情况下,荷载越大,荷载面积越大,工后沉降也越大。

2.3.3 运行年限

海堤沉降变形是一个随时间逐步发展的过程,因此海堤施工期的长短也影响工后沉降的发展。施工期延长,则可使海堤下卧土层可以在施工期内的固结度有效提高,从而降低工后沉降量的大小;而海堤运行期越长,则海堤下卧土层工后变形过程就越长,工后沉降累计值相应增加,但单位时段的工后沉降值却趋小。

2.3.4 涂面高差

堤线涂面高差不同则地基变形不同。根据勘测调查资料,涂面有较大高差的工程,会出现侧向挤淤作用,地基变形增大,工后沉降随之增大。

2.4 施工方式

2.4.1 加荷速率、施工机械

加荷速率大,施工时间短,施工阶段土层固结程度低,主固结变形小,则工后沉降大,反之亦然。施工机械影响着施工速率,也间接影响着工后沉降。

2.4.2 施工顺序

施工顺序同样对海堤工后沉降产生影响。分层施工、从一侧向另一侧施工、多点并进施工,施工顺序不同影响施工工期,所以海堤工后产生的沉降不同。

2.5 监测因素

2.5.1 沉降监测点位置

工后沉降值的预留随着施工过程中的实际情况变化而不断修正,所以施工中原位监测点位置的布置是否合理和具有代表性,直接影响施工过程中对工后沉降预测值的判断和预留,影响施工加载数量及海堤断面的形象尺寸,从而影响工后沉降。

2.5.2 监测环境、监测精度

沉降监测时,外界的气候环境、潮流、潮水位对监测值有一定影响。监测数据的精确度对海堤工后沉降的判断也有一定影响。

2.6 外在因素

2.6.1 地理位置

浙江沿海不同地区具有不同的自然条件、工程任务和风暴潮灾害特点,直接影响着地基处理方法、施工方式、海堤结构设计。但是,地理位置对工后沉降的影响是次要的、间接的。

2.6.2 周边施工、震动

海堤附近如果有其它工程施工特别是采用了爆炸置换法施工,或者海堤本身靠近公路、铁路,有汽车、火车的震动影响,则这些震动对工后沉降有一定的影响。

2.7 采用鱼刺图分析工后沉降影响因素

鱼刺图法又称因果分析法,是把许多潜在的原因归纳为主要原因和次要原因,并画成类似鱼刺的样子,故名鱼刺图。

海堤工后沉降是地基土层、地基处理方式、海堤结构、施工方式、监测及外在环境等多方面因素综合作用的结果,这些因素与海堤工后沉降的关系相当复杂,它们彼此之间也存在着错综复杂的关系。用鱼刺图分析可以使这些因素系统化、条块化,而且简洁直观、逻辑性强,因果关系明确,能清晰地分析出海堤发生工后沉降的各种可能原因。进行分析归纳后,工后沉降影响因素鱼刺分析图见图1。

由图1可清楚地看到,影响海堤工后沉降的主要原因是地基土层、地基处理、海堤自身、施工、沉降监测、外在因素,这些因素对海堤工后沉降的影响各异,其权重在下文中进行分析计算。

图1 海堤工后沉降影响因素鱼刺分析图

3 基于AHP法的影响因素权重计算

3.1 权重计算

AHP法是对一些较为复杂、较为模糊的问题作出决策的简易方法,它特别适用于那些难以完全定量分析的问题,在目标结构复杂且缺乏必要数据的情况下更为实用[1],是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法[2]。

AHP法的基本原理是:通过两两比较各因素的相对重要性,给各因素赋予分值,从而构成判断矩阵;通过求解判断矩阵的最大特征值λmax和它所对应的特征向量,就可求解出各因素的权重。根据这一思路,在分析工后沉降影响因素中,只要引入合理的标度,就可以用AHP法来度量各因素之间的相对重要性,从而为有关决策提供依据。AHP法大体可以分为如下基本步骤:建立层次模型、构造判断矩阵、计算评价指标的权重系数、进行一致性检验。

这里直接采用鱼刺分析图代替海堤工后沉降影响因素层次模型,根据图1及表1,分析比较各因素之间的相对重要性状况,以便给出层次构造矩阵中各有关元素的值,据此构造判断矩阵。

表1 标度表

采用Delphi法,邀请专家对各因素进行对比打分,则各因素之间两两对比的相对重要性见表2。

表2 各因素之间相对重要性指标表

打分时遵照表1中的规定。C1与C2比,C2稍微重要,则C2得2分,C1得1/2分;C1与C3比,C3略重要,则C3得3分,C1得1/3分;C1与C4比,C4较重要,则C4得5分,C1得1/5分;C1与C5比,C5非常重要,则C5得7分,C1得1/7分;C1与 C6比,C6十分重要,则C6得8分,C1得1/8分。依此类推。

根据上述分析,构成判别矩阵如下:

①计算矩阵中每行元素乘积M(i);

③对向量Wi正规化,得到各元素对A的权重。

表3 各因素权重系数表

3.2 一致性检验

CR=CI/RI=0.02＜0.1(这里 n=6时查得RI=1.24);

由CR值可以看出,构成的判别矩阵满足一致性要求。平均随机一致性指标见表4。

表4 平均随机一致性指标表

3.3 影响因素权重

由上述分析计算可见,6个因素的影响程度由轻到重分别为:外在因素、沉降监测、施工因素、海堤、地基土层、地基处理,其中“地基处理”对海堤工后沉降的影响占比43%,其次为“地基土层”占比24%,这2项为主要因素;“海堤”自身对工后沉降的影响主要体现在堤身荷载和运行年限,占比达15%,与 “施工”构成次要因素;“沉降监测”和 “外在因素”为影响工后沉降的一般因素。

由此可以看出,要控制或减少工后沉降,建议在设计阶段进行地基处理方案的论证比选,根据地基土层特性、当地建筑材料、施工技术、投资、工期等限制条件,选择合适的地基处理方案,能有效控制工程量、投资和工期,提高工程质量,并达到理想的设计断面。

4 结 语

由于海堤建设涉及面广,技术问题复杂,海堤工后沉降影响因素可能不止文中所述,具体详细的影响因素及影响程度分析,有待今后作更深入地研究。本文仅限于软土地基的海堤,至于其它土性地基,对海堤工后沉降有何影响,主要因素有哪些,各因素影响大小如何等,也是今后需要研究的问题。工后沉降影响因素分析的准确度及合理性是直接影响海堤工后沉降量预留值的关键,目前浙江省乃至全国有关设计海堤堤顶高程中对工后沉降量的预留缺乏统一的技术标准或公式参照,预留值与实际发生值经常出现误差超过100%甚至更大的情况,与设计人员对工后沉降影响因素的分析判断及经验有很大关系。建于软土地基上的海堤,若工后沉降过大则很难满足防潮的要求。所以,工后沉降规律的探寻、预留值的预测计算更是海堤设计中应关注的主要问题,在今后的工作中需要重点研究。

[1]王以彭,李结松.层次分析法在确定评价指标权重系数中的应用 [J].第一军医大学学报,1999(4):377-379.

[2]甘应爱,田丰.运筹学[M].北京:清华大学出版社出版,1990.