挡浪墙顶预留沉降量设定方法

唐 云，王四根

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

软土地基上的护岸工程施工，挡浪墙施工到顶或交工时，由于地基工后沉降原因，墙顶须预留适当的超高(预留沉降量)，预留偏大则增加工程费用，偏小则可能导致交工后短时间内墙顶高程低于设计值，不能满足防洪或防浪的需要而不得不再次加高。一般情况下，该预留沉降量根据沉降固结计算得出[1-2]，但由于影响沉降的因素众多，预留沉降量难以准确计算；也有工程通过对施工时获得的典型段实测沉降数据进行综合分析，参考实测值设定堤顶预留沉降量[3-4]。近年来，随着沉降预留问题越来越受到广泛关注，采用实测沉降观测数据来推算预留工后沉降的方法得到一定应用[5-6]。总体上，国内对于预留沉降设定方法的研究还不太系统。

本文以小虎岛石化码头一期工程中护岸挡浪墙顶预留沉降量的设定为例，基于护岸典型段浇筑后的实测沉降数据，分别采用双曲线法及三点法推算挡浪墙工后沉降，对两种方法进行对比分析，并结合理论计算工后沉降量来设定挡墙超高浇筑量，为类似工程提供一种相对较为准确设定挡浪墙顶预留沉降量的方法。

1 工程概况

小虎岛石化码头一期工程位于广州市南沙区小虎岛的东南侧，工程地点处江面宽阔，东南面有大虎岛为天然屏障，往下游约15 km为虎门出口。本项目一期工程建设1 000和3 000吨级成品油及化工泊位共6个，工作船泊位2个，新建护岸约287 m，护岸后方吹填造地，建设陆域配套设施等。

工程设计水位为(以当地理论最低潮面起算)：设计高水位3.27 m，设计低水位0.56 m，极端高水位4.35 m，极端低水位-0.15 m。

滩涂原地面高程约1.0 m，陆域形成交工高程4.5 m。护岸前沿线往后40 m内设计使用荷载为10 kNm2。

表1 主要压缩土层物理力学指标

表2 软土层压缩曲线e-p数据

本工程护岸及地基处理典型断面见图1。施工工序为：基槽开挖，抛填基槽中粗砂至高程0.3 m，铺设土工布、抛填碎石倒滤层，间隔2个月后抛填挡浪墙基床块石及浇筑墙体，墙前抛填护面块石、墙后回填中粗砂，利用回填砂自重进行预压，再间隔3个月后方吹填疏浚泥土成陆。工后沉降从挡浪墙浇筑完成且墙后回填中粗砂已预压3个月并开始陆域吹填时刻起算。

图1 护岸及地基处理典型断面1(高程:m；尺寸：mm)

2 沉降计算值

根据e-p数据，采用分层总和法，断面1的沉降计算结果为：挡浪墙顶最终沉降量S∞=78.7 cm，吹填疏浚土前沉降量St=62.5 cm，挡浪墙交工后的工后沉降量Sr=16.2 cm，沉降计算曲线见图2。另外两个断面(本文未列图)沉降计算值分别为S∞≈51 cm、St≈42 cm、Sr≈9 cm和S∞≈46.1 cm、St≈36 cm、Sr≈10.1 cm。

图2 断面1的B1观测点沉降计算曲线

3 工后沉降推算方法

根据停止加荷后的实测沉降曲线(S-t曲线)，推算工后沉降常用的方法主要有三点法[7]和双曲线法[8]。三点法源自固结度理论概化的形式解，理论上似乎更为合理，但由于加载不规律、地下水位变化等各种因素的影响，实测沉降曲线往往不够平滑，导致选点不易，误差较难控制。双曲线法则相对简便，将数据进行线性化转换后，可以利用Excel自带线性拟合功能实现数据处理，易于被接受。

3.1 双曲线法

双曲线公式如下：

(1)

式中：St为在时间t(从施工期或加载期一半时刻起算)时的实测沉降量；S为地基最终沉降量，待定；a为经验参数，待定。

为确定S和a这两个待定值，可从实测的S-t曲线后段，任取两组已知数据(St1，t1)和(St2，t2)，代入式(1)联立得：

(2)

(3)

再将S和a值代入式(1)，即可推算任意时间t时的沉降量。

为消除观测资料可能产生的偶然误差，通常将S-t曲线后段的全部观测值都加以利用，进行整体拟合，分别计算出tSt值，绘制tSt-t关系曲线。此曲线的后段往往近似直线，则此直线的斜率即为推算的最终沉降量S。

3.2 三点法(对数曲线法)

对于大多数工程问题，次固结沉降与固结沉降相比很小。因此，地基的最终沉降量S(计算值)可取瞬时沉降量Sd与固结沉降量Sc之和，即S=Sd+Sc。令施工期t时刻的主固结沉降固结度为Ut，此时沉降量为：

St=Sd+UtSc

(4)

不同条件的固结度的计算公式，可用式(5)概括：

Ut=1-Aexp(-Bt)

(5)

式中：A、B为待求参数。将式(5)代入式(4)，得：

(6)

再将S=Sd+Sc代入式(6)，并用实测推算的最终沉降量S代替理论计算的最终沉降量S，得出三点法不同时刻沉降St基本计算式：

St=S[1-Aexp(-Bt)]+SdAexp(-Bt)

(7)

参数A一般取一维固结理论近似值8π2，剩下3个未知数S、Sd、B通过代入3组实测数据即可求解。

从实测的S-t曲线段选择加载停止后的3个时间点数据(St1，t1)、(St2，t2)、(St3，t3)，其中t3应尽可能与曲线段末端对应，时间差尽量大些且t3-t2=t2-t1。将沉降、时间代入式(7)，得：

(8)

4 双曲线法推算工后沉降结果

本工程吹填疏浚土之前，在典型段挡浪墙顶布设了3个沉降观测点B1～B3。2005年9月—2006年2月期间的观测数据见表3，S-t曲线见图3。根据观测数据，绘制典型测点B1的tSt-t曲线，使用整体拟合和分段拟合两种方法，结果如图4所示。

表3 挡浪墙交工后沉降实测数据

图3 实测工后沉降曲线

图4 B1观测点的tSt-t曲线

由图3、4可见，工后60 d左右由于加载和吹填等原因，沉降曲线存在突变。整体拟合比分段拟合的相关性略差。采用60 d后的数据拟合可得工后总沉降量Sr≈12.1 cm，略小于前文列出的理论计算值16.2 cm。

综合考虑其他断面的理论计算工后沉降量，实际本工程挡浪墙全线按15 cm预留工后沉降量，使用至今(超过10年)未发生修补。

5 三点法推算工后沉降结果

由图3可见，沉降曲线呈锯齿状，观测时间间隔也不均匀，采取多组数据推算进行评估。选取时间间隔大体相等的6组观测数据，分为两类，使用三点法推算工后沉降，结果见表4。

从表4的结果可看出，本文中传统三点法的推算结果出现了很多异常情况：推算的最终沉降量小于最后一次观测值，即推算的固结度> 100%。

为消除观测资料产生的误差，也可以将S-t曲线后段的全部观测值进行整体拟合，精度会有所提高。但从式(7)可见，该推算式无法转换成线性公式，须采用试算法编程计算，对于现场应用甚为不便。

表4 三点法推算结果

注：第一类数据推算的固结度部分大于100%，第二类数据推算的固结度全部大于100%，均属异常。

6 结语

1)挡浪墙顶预留沉降量的设定，有条件时宜先进行施工期沉降观测，根据实测数据合理推算工后沉降量，并结合理论计算的沉降量进行沉降预留，相比纯理论计算值往往更为合理、可靠。

2)根据实测沉降曲线，采用双曲线法推算后期沉降相比三点法更为简便，数据处理简单，易于为现场应用和推广；三点法受加载不规律、地下水位变化等各种因素的影响，实测沉降曲线往往不够平滑，导致选点不易，误差较难控制，推算结果易出现异常。

3)在填石、填砂等其他场地中，对于采取不设置竖向排水通道的堆载预压法情况，也可用本文的方法推测工后沉降量及进行沉降预留。