深厚软土中回填边坡的整体稳定分析

谢万东，刘帅，王征亮

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

在港口和填海造地工程中，经常会遇到软土厚度大、回填高度大的情况，在回填过程中容易出现拱淤、边坡失稳等问题[1]。在海外工程中，回填过程中的边坡稳定性经常成为工程各方关注的焦点，设计往往会对回填施工提出严格分层要求，防止出现拱淤和边坡失稳。

香港国际机场第三跑道填海工程（简称香港三跑工程）的海床面标高为-8～-5 m，回填标高为6.5～7.0 m。在不考虑沉降和软基处理堆载高度的情况下，回填厚度已达12～15 m，而海床面以下分布有平均厚度约15 m 的软土，其表层3 m 的不排水抗剪强度仅有2 kPa。为防止在回填过程中出现拱淤和边坡失稳，设计提供了详细的回填边坡断面图纸，断面宽度很大，且要求必须分层回填，每层厚度不超过1 m。设计提供的临时回填断面虽然可以保证施工过程中的安全，但在施工过程中的可操作性较低，实施难度很大，对工期和费用都有很大的影响。因此，有必要对回填边坡断面的稳定性进行深入的分析，发掘优化空间，尽量为回填施工提供便利。

1 回填边坡断面优化

香港三跑工程主要采用水泥搅拌桩、碎石桩和插塑料排水板堆载预压等方法对软土地基进行处理。以堆载预压为例，先在海床面上铺设2 m厚的砂垫层，然后水上插打塑料排水板，再进行分层回填和堆载预压施工。设计提供的临时回填边坡断面见图1。

图1 原设计回填边坡典型断面图Fig.1 Typical section of filling slope from original design

为避免回填边坡过于陡峭引起下部软土层的剪切破坏，要求砂垫层以上每层回填厚度不大于1 m，且不得采用容易造成拱淤的施工方法。但是，在施工期间发现如下问题：

1） 临时边坡的断面宽度达到514.5 m，而插塑料排水板堆载预压处理区的宽度仅有470 m，水上作业面狭窄，施工非常困难。

2） 受水深影响，在-1.0～2.5 m 的高度区间，无法进行水上回填，也不能进行陆上推填，施工活动无法开展。

3） 水上回填工程量大，分层回填的效率很低，对费用和工期都有很大的不利影响。

根据场地条件和施工设备的能力，在保证回填边坡稳定性的前提下，需要对回填边坡的断面进行优化，优化后的回填边坡典型断面图如图2所示。

图2 优化后的回填边坡典型断面图Fig.2 Typical section of optimized filling slope

主要变化点为：1） 取消图1 中的-1.0 m 和1.0 m 平台；2） 根据水深条件和设备施工能力设置0.0 m 平台，平台宽度缩小至50 m；3） 0.0 m平台和2.5 m 平台之间的过渡边坡由1∶15 调整为1∶5，并改为一次性陆上推填施工。调整后，临时回填边坡的总宽度缩小为361 m，水上回填的工作量也大幅减少。

2 回填边坡稳定性和变形分析

2.1 土层物理力学参数

关于在施工期边坡稳定分析采用的土体强度指标，殷博等[2]认为在施工期采用固结快剪强度并考虑土体固结度和采用直剪快剪强度均偏于不安全，而采用十字板剪切强度并考虑土体固结的强度增长是一种偏于安全的计算分析方法。尹长权[3]通过十字板剪切试验和数值分析揭示了某含淤泥层边坡的失稳机制。因此，十字板剪切试验是获取软土层不排水抗剪强度的有效手段。

原设计在进行稳定性和变形分析时采用的土层物理力学参数见表1。由于设计采用的海泥层抗剪强度极低，表层3 m 强度仅有2 kPa，深层最大强度也仅有约15 kPa，对回填边坡稳定性的影响非常不利。为获得海泥层的实际抗剪强度，施工期间在海泥层中重新进行了22 组十字板剪切试验，并按照Decoding Eurocode 7[4]中推荐的方法进行了统计，得到海泥层的强度见图3，较原设计采用值有一定提高。

表1 原设计采用的土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters adopted in the original design

图3 根据十字板剪切试验结果确定的海泥层不排水抗剪强度Fig.3 Undrained shear strength of marine deposit from field vane shear test

在海床面上铺设砂垫层后，打设塑料排水板。在回填过程中，随着填土荷载逐渐增大，海泥等软土层发生排水固结，强度逐渐提高。对于软土层在预压荷载下的强度增长值，国内规范可按照式（1）[5]计算；海外项目则经常按照式（2）[6]估算。

式中：Δcuk为地基或土层的强度增量的标准值；Urz为地基或土层的平均应力固结度；σzk为地基或土层垂直附加应力平均值标准值；φcq为地基或土层的固结快剪内摩擦角标准值。

为保持回填边坡的稳定性，在不同阶段要求的海泥层不排水抗剪强度最小值见表2。

表2 海泥层强度的最低要求Table 2 Minimum Requirements for the strength of marine deposit

2.2 整体稳定计算方法和安全系数

边坡稳定分析最常用的计算分析方法是极限平衡法，包括瑞典条分法、简化Bishop 条分法、Morgenstern-Price 法、Spencer 法等，在海外工程中经常采用的可以同时考虑力和力矩平衡的Morgenstern-Price 法，安全系数一般要求大于1.3。

Eurocode 7[7]在传统整体稳定计算方法的基础上引入极限状态设计理论，将荷载或荷载效应、材料性能和几何参数的标准值赋以各种分项系数，再加上结构重要性系数来表达边坡的稳定性。根据工程经验，在多数情况下，采用Eurocode 7 中边坡整体稳定计算方法得到的结果比采用单一安全系数法的结果更为保守。

抗剪强度折减法也是一种有效的边坡整体稳定计算方法。这种方法是在保持外荷载不变的情况下，边坡坡体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。当假定边坡内所有坡体抗剪强度的发挥程度相同时，对应的抗剪强度折减系数即为边坡的整体稳定系数[8]。与传统极限平衡法相比，强度折减法在有限元数值分析中无需事先指定滑动面的形状与位置，具有一定的优势[9]。

在香港三跑工程中，对回填过程中边坡的整体稳定安全系数和海床面隆起量都有非常严格的要求。由于极限平衡法只能计算安全系数，无法得到变形值，因此为了方便起见，临时边坡的整体稳定分析采用有限元抗剪强度折减法。在PLAXIS 等数值分析软件中，可以先进行各个施工步的塑性计算，得到边坡变形值，再采用强度折减法进行安全系数的计算。

在正常和极端工况下临时回填边坡的安全系数分别不小于1.3 和1.1。

2.3 变形和稳定性

整体稳定性和变形计算采用PLAXIS 2D 软件，包括如下计算步骤：

1） 铺砂垫层，打塑料排水板，回填砂至0.0 m。

2） 回填砂至2.5 m。

3） 回填砂至6.5 m。

4） 第1 级堆载至10.5 m。

5） 第2 级堆载至14.5 m。

各施工步的变形和安全系数结果见表3，步骤5）的滑动面见图4。

表3 回填边坡变形和安全系数计算结果Table 3 Calculation results for deformation and safety factor of filling slope

图4 回填至14.5 m 时的滑动面Fig.4 Slip surface when filling to 14.5 m

3 讨论

本项目对施工过程中产生的拱淤控制要求非常严格，且当地设计文件的报批和变更程序非常复杂，必须有翔实的试验和计算分析作为技术支撑。

1） 进行补充十字板剪切试验，对设计采用的海泥层抗剪强度进行了验证，可以适当提高。

2） 根据场地的土质、水深条件和施工机具能力拟定临时回填边坡的断面，使施工具有可实施性，可以节省较多的工期和成本。

3） 与最常用的极限平衡法相比，采用有限元法计算边坡稳定性时，既可以计算边坡的变形，进行水平位移和竖向位移的定量评价，还可以采用强度折减法进行边坡安全系数的计算。由于强度折减法不需要事先指定滑动面的形状和位置，可以自动搜索最不利的滑动面，因此可以得到如图4 所示的非圆弧滑动面，而极限平衡法则难以做到。

4） 表层海泥的强度非常低，容易出现挤淤和滑动破坏，在回填施工期间要注意控制分层厚度和坡度，避免一次性回填厚度过大导致土体发生破坏。

4 结语

通过对回填边坡的稳定性进行优化计算分析，得出如下结论：

1） 原设计确定的临时边坡断面要求非常严格，导致施工难度很大。通过施工期间的补充勘察和统计分析，对原设计采用的海泥层强度进行了适当提高，为回填边坡断面的优化提供了有力的支撑。

2） 优化后的回填边坡在施工期的水平位移和地面隆起量都是可接受的，采用强度折减法计算得到的安全系数也满足要求；回填边坡的断面长度可以从514.5 m 缩小至361 m。

3） 利用数值分析软件可以进行边坡的水平位移和隆起量的评估，也可以采用强度折减理论进行安全系数的计算，与极限平衡法相比具有一定的优势，计算结果也更具有说服力。