堤防加固工程穩(wěn)定計(jì)算軟土強(qiáng)度指標(biāo)的選用

1、堤防加固工程穩(wěn)定計(jì)算軟土強(qiáng)度指標(biāo)的選用（陳啟慶）摘要 : 討論了堤防加固工程施工期抗滑穩(wěn)定計(jì)算中， 采用各種強(qiáng) 度指標(biāo)的合理性。 指出對(duì)于已固結(jié)軟土層采用不排水強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算成 果偏小，應(yīng)采用經(jīng)修正的固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)， 分析了如何確定修正 系數(shù)，介紹了滄江河堤防加固工程施工期抗滑穩(wěn)定計(jì)算實(shí)例。關(guān)鍵詞: 堤防加固; 抗滑穩(wěn)定; 軟土地基 ; 修正系數(shù)中圖分類號(hào) : TU432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : B 文章編號(hào) : 1001-9235（2012） 02-0032-03沿海和南方地區(qū)的堤防加固工程中， 經(jīng)常遇到堤基為淤泥質(zhì)土或 淤泥等軟土的情況， 軟土的強(qiáng)度指標(biāo)在堤坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算中起到?jīng)Q定 性的作用。堤

2、防邊坡穩(wěn)定計(jì)算過程中， 設(shè)計(jì)人員一般根據(jù) GB50286-98 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范選用計(jì)算方法和強(qiáng)度指標(biāo)。然而，淤泥或淤泥 質(zhì)土的不排水強(qiáng)度指標(biāo)一般為（57 kPa , 35 ），較固結(jié)不 排水強(qiáng)度指標(biāo)和固結(jié)排水強(qiáng)度指標(biāo)要小得多， 故經(jīng)常出現(xiàn)穩(wěn)定滲流期 及水位降落期滿足穩(wěn)定計(jì)算要求而施工期卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足的情況， 需 要在軟基處理上投入大量的工程投資。 若采用軟土的不排水強(qiáng)度指標(biāo) 驗(yàn)算現(xiàn)狀堤坡抗滑穩(wěn)定，計(jì)算得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1，計(jì)算 結(jié)果與現(xiàn)狀矛盾， 這顯然是不合理的。假定其他土層的試驗(yàn)誤差較小， 基本反映了原位土的強(qiáng)度， 那么造成這樣“不合理”的主要原因是選 用的軟土強(qiáng)度指標(biāo)不能反映原

3、位土的強(qiáng)度，存在較大的偏差。1 軟土抗剪強(qiáng)度的分析在地質(zhì)報(bào)告上經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，同一層淤泥質(zhì)土，堤頂和堤腳鉆孔土 樣 A 和 B 的不排水強(qiáng)度指標(biāo)相差不大。然而，兩個(gè)部位軟土的固結(jié) 應(yīng)力是不一樣的， 固結(jié)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)當(dāng)有較明顯的差別。 出現(xiàn) 這樣的情況主要有以下原因：直剪和三軸儀試驗(yàn)均為室內(nèi)試驗(yàn)，取 樣、運(yùn)輸、搬運(yùn)等操作不可避免地引起土樣的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，土樣的物理 特性發(fā)生了變化。試驗(yàn)方法只能近似模擬原位土的受力和排水條 件，要做到完全一致是不可能的。目前，要正確測(cè)定土的強(qiáng)度指標(biāo)是 極為困難的， 不僅取決于土的種類， 而且在更大程度上取決于土的密 度、含水率、初始應(yīng)力狀態(tài)、排水條件等因素 1。例如

4、，淤泥類 土的直剪試驗(yàn)常常由于土從儀器的間隙中被擠出而使試驗(yàn)結(jié)果不合 理; 三軸儀試驗(yàn)對(duì)試樣的要求很高 2，要求試樣不回彈、不進(jìn)氣、 不蒸發(fā)干燥，還要求取樣以后在十幾分鐘內(nèi)完成試驗(yàn)才能得到較準(zhǔn)確 的試驗(yàn)結(jié)果。堤腳鉆孔土樣 B 的埋深淺或者在臨空面上，土樣 B 的試驗(yàn)結(jié)果 基本反映了原位土的抗剪強(qiáng)度 ; 土樣 A、B 在同一土層上，物理特性 接近，且土樣 A、B 的試驗(yàn)結(jié)果接近。因而，可以認(rèn)為土樣 A 的不排 水試驗(yàn)結(jié)果反映了土樣 A 在筑堤前的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)采用土樣 A 的不 排水強(qiáng)度指標(biāo)（Cu, U u）計(jì)算時(shí)，土樣A的抗剪強(qiáng)度為T 1 = Cu + （7 tg U U,該強(qiáng)度為軟土固結(jié)前的抗

5、剪強(qiáng)度。由固結(jié)不排水剪（或固結(jié)快剪） 的試驗(yàn)原理可以知道, 該試驗(yàn)?zāi)M的是微透水或不透水黏性土在外力作用下固結(jié)穩(wěn)定后快速增加荷載而受剪破壞的情況2，即軟土固結(jié)后快速加載時(shí)的抗剪強(qiáng)度應(yīng)采用固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)(Ccu，U cu)計(jì)算。故土樣A在施工期的原位抗剪強(qiáng)度為 T 2 =Ccu +(7 tg U cu。堤防加固工程施工期整體穩(wěn)定計(jì)算中，采用不排水強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得的軟土抗剪強(qiáng)度忽略了軟土老堤土壓力作用下固結(jié)而產(chǎn)生 的那部分抗剪強(qiáng)度，即T 2 - T 1,使得軟土的計(jì)算抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于 實(shí)際抗剪強(qiáng)度，也就出現(xiàn)了前言中提到的“不合理”情況。2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定和選用在建筑基坑工程的穩(wěn)定分析中,對(duì)于飽

6、和黏性土在有效固結(jié)應(yīng)力 下已固結(jié),其強(qiáng)度指標(biāo)規(guī)定采用固結(jié)不排水 ( 固結(jié)快剪 ) 強(qiáng)度指標(biāo) 3-5。該規(guī)定與上節(jié)分析結(jié)果是一致的。嘗試將固結(jié)不排水強(qiáng)度 指標(biāo)代入堤防加固施工期抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式, 看看結(jié)果怎樣。 土堤抗 滑穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧滑動(dòng)法, 施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì) 算:K =藝(Cbsec B i + Wicos 3 i tg u ) / 藝 Wi sin 3 i第 i 條土條重 Wi 為舊堤土重 W1i 與新填土重 W2i 之和,代入固 結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算,土條重作用下的抗滑力為 :Wicos3 i tg U cu = W1icos 3 i tg U cu + W2icos

7、 3 i tg U cu新填土重 W2i 快速填筑，在施工期內(nèi)它不可能使下臥軟土發(fā)生固 結(jié)，W2i對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角不應(yīng)該是 u cu,而是不排水強(qiáng)度指標(biāo)u u。 也就是說， 施工期采用固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得抗滑力偏大， 抗滑 穩(wěn)定安全系數(shù)也偏大。 建筑基坑工程的穩(wěn)定分析中可以采用固結(jié)不排 水強(qiáng)度指標(biāo)是因?yàn)榛庸こ虨橥诜焦こ蹋?滑動(dòng)面上無新填土， 并要求 施工荷載不列入抗滑力計(jì)算式中 6。由以上的分析可知 Wicosp i tg u u v Wicos 3 i tg uVWiCOSp i tg u CU，即u U VuVu cu。接下來分析如何確定 u的 取值。我們可以設(shè)修正系數(shù) a，使得u =

8、 au cu,堤防施工期抗滑 穩(wěn)定計(jì)算采用強(qiáng)度指標(biāo)為(Ccu , a u cu)。對(duì)于土條i，則有：Wicosp i tg( a i u cu) = (W1icosp i tg u cu + W2icosp i tg u u)a i 的取值可按式 tg ( a u cu) = (W1i cos p i tg u cu +W2icosp i tg u u) /Wicos p i 計(jì)算。但土條與滑弧半徑夾角 p i 、土 條重W1、W2i均為變值，土條數(shù)越多變量越多，想求得一個(gè)能反映 軟土整體抗剪強(qiáng)度的 a 值是相當(dāng)困難的, 需要經(jīng)過非常繁瑣的計(jì)算。 在實(shí)際工程實(shí)踐中,利用公式法計(jì)算修正值 a 并

9、不實(shí)用,我們可以 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取適當(dāng)?shù)?a 值。經(jīng)過對(duì)以往堤防工程穩(wěn)定計(jì)算的整理統(tǒng)計(jì),總結(jié)了一些選值的要 點(diǎn)：堤防歷史比較長(zhǎng)，只進(jìn)行坡面平整、加固堤腳、削坡卸荷等小 填方工程或挖方工程的斷面,可以直接選用固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo) ; 堤防歷史比較長(zhǎng)，原堤坡較陡，對(duì)堤坡培土加厚堤身，堤頂高程上升 不多，可取a = 0.850.95;堤防歷史比較長(zhǎng)，填方量較大， 堤頂高程上升較大，可取 a = 0.70.8;堤防歷史比較短，排 水條件差，經(jīng)研究后判斷軟土層為欠固結(jié)土，可取 a = 0.6 0.7或直接采用不排水強(qiáng)度指標(biāo) (偏安全) ; 埋深淺或臨空面的軟土應(yīng) 直接采用不排水強(qiáng)度指標(biāo)。3 工程實(shí)例本實(shí)例

10、選佛山市高明區(qū)滄江河堤防達(dá)標(biāo)加固工程中一個(gè)穩(wěn)定計(jì) 算剖面(圖1) 。滄江河堤防為 4 級(jí)堤防，在20 世紀(jì) 80 年代完成最 近一次的加固工程 ; 該剖面淤泥質(zhì)土層厚 1.0 3.5 m ，上土層為填 筑土，層厚 3.0 7.0 m ，下土層為粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂。由堤防的 歷史及排水條件可以判斷堤防下臥淤泥質(zhì)土層已固結(jié)穩(wěn)定。 淤泥質(zhì)土 層由堤身往外延伸至河床， 堤腳以外的淤泥質(zhì)土為原土， 未在外力下 發(fā)生固結(jié)。因此，施工期抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，把淤泥質(zhì)土層分為I、H 兩區(qū)。I區(qū)位于堤身以下，選用修正后的固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)，區(qū) 位于堤腳以外，選用不排水強(qiáng)度指標(biāo) (6.9 kPa ， 5.1) 。堤防加固

11、 后，堤頂上升約0.5 m，堤坡培土厚度約小于1.0 m，填方量較小， 故選取修正值 a 為 0.9 。淤泥質(zhì)土固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)為 (15.6 kPa， 14.1 )，修正后強(qiáng)度指標(biāo)為 (15.6 kPa ， 12.7) 。圖1滄江河堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算剖面通過土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析stab軟件，采用瑞典圓弧滑動(dòng)法分別計(jì) 算了施工期、原堤低水位工作狀態(tài)下，淤泥質(zhì)土整體采用不排水強(qiáng)度 指標(biāo)和分區(qū)采用不同強(qiáng)度指標(biāo) 2種情況，計(jì)算成果見表1。表i抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)塩的工作狀態(tài)不樸水強(qiáng)腹捂際分區(qū)采用 不同強(qiáng)度描標(biāo)規(guī)范翌求施工明0. 87iF09t+05腺堤低水位0.740.9R從表1可以看出，舊堤現(xiàn)狀低水位狀態(tài)

12、下淤泥質(zhì)土分區(qū)采用不同 強(qiáng)度指標(biāo)條件下，堤坡穩(wěn)定接近臨界點(diǎn)，說明選用該強(qiáng)度指標(biāo)是合理 且偏于安全的。施工期狀態(tài)下，“分區(qū)采用”與“整體采用”抗滑穩(wěn) 定安全系數(shù)相差0.22，若要在“整體米用”條件下滿足規(guī)范要求， 則要增加大量的坡腳拋石作為抗滑體，或者采取其他工程措施提高土 體的抗滑力，工程投資也相應(yīng)提高。2011年4月已完成了該段堤防 加固的主體工程，在汛期前投入使用，同時(shí)對(duì)堤防進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，經(jīng) 過一個(gè)汛期的運(yùn)行，并未發(fā)現(xiàn)任何非正常的位移和沉降。4結(jié)語a) 堤防加固工程施工期抗滑穩(wěn)定計(jì)算中，下臥軟土層整體采用 不排水強(qiáng)度指標(biāo)是不合理的， 穩(wěn)定安全系數(shù)偏小， 造成工程投資的浪 費(fèi)。b) 下臥軟土層應(yīng)當(dāng)分區(qū)處理，埋深淺或臨空部分的軟土應(yīng)該采 用不排水強(qiáng)度指標(biāo)， 堤下已固結(jié)軟土應(yīng)該采用修正后的固結(jié)不排水強(qiáng) 度指標(biāo)。c) 修正系數(shù)a可按經(jīng)驗(yàn)選取，a的確定應(yīng)綜合考慮應(yīng)力歷史、 排水條件、軟土覆蓋層厚度、新填土厚度等因素，使得計(jì)算成果能反 映實(shí)際情況。d) 選定強(qiáng)度指標(biāo)后，還應(yīng)代入計(jì)算堤防現(xiàn)狀抗滑穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn) 一步驗(yàn)證該強(qiáng)度指標(biāo)是否合理和可靠。參考文獻(xiàn) :1錢家歡.土力學(xué)M .2版.南京：河海大