深厚淤泥地基上填筑圍海堤的動態(tài)控制技術(shù)

深厚淤泥地基上填筑圍海堤的動態(tài)控制技術(shù)

1工程建設(shè)內(nèi)容及特點上海臨港新城魯潮港西側(cè)海灘圍欄工程位于南匯區(qū)東南的南匯口附近。除了現(xiàn)有的小港口和半碼頭外，東海港延伸至杭州南岸，西至南匯與奉賢區(qū)交匯處。擬建順堤以內(nèi),促淤后形成的泥面標(biāo)高為1.8～2.0m,地勢較平坦,低潮時泥面露出水面;擬建順堤以外,灘面由北向南逐漸傾斜,地形變化較平緩,-2.0,-5.0m等深線基本與擬建順堤平行;擬建順堤1.0km以外,泥面標(biāo)高為-7.0～-9.0m,海底地形較平坦。由于本工程采用了分階段實施的整體成陸步驟,該工程范圍的促淤工程即先期拋石壩和坡面扭王塊體工程在2005年完成。本次二期工程的實施內(nèi)容包括3,4,5號圍區(qū)順堤(樁號3+436.550～6+899.260)、西側(cè)堤(樁號0+000～0+504.818)及3號隔堤等。根據(jù)詳勘資料,在所揭露深度50.30m范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀(jì)上更新世Q3至全新世Q4沉積物,屬正常沉積區(qū),土層分布較穩(wěn)定。主要由黏性土、粉性土和砂土組成,一般具有成層分布特點:(1)淤泥在場地淺部普遍分布,據(jù)2005年8月和2006年3月補(bǔ)勘資料顯示該層新近淤積土厚度4.5～6.0m,該層淤泥與原灘面上的(1)2淤泥土連成一體,平均總厚度達(dá)到4.5m以上。該層土土質(zhì)軟弱,灰色,飽和,流塑,高壓縮性,夾砂質(zhì)粉土,表層含少量腐質(zhì)物及有機(jī)質(zhì)。(2)3砂質(zhì)粉土夾粉砂平均厚度約10.17m,灰色,飽和,松散～稍密,中等壓縮性,含云母、貝殼碎屑,土面粗糙,搖振反應(yīng)迅速,干土強(qiáng)度低,局部區(qū)域4～8m處夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土較多。(4)淤泥質(zhì)黏土平均厚度約4.78m,該層土呈灰色,飽和～很濕,流塑～軟塑,高壓縮性。含云母,夾薄層粉砂。搖振無反應(yīng),干土強(qiáng)度高。(5)粉質(zhì)黏土層平均厚度約3.59m,灰色,飽和～很濕,流塑～軟塑,高壓縮性,含云母、少量有機(jī)質(zhì),夾薄層粉砂。搖振無反應(yīng),干土強(qiáng)度中等。(6)粉質(zhì)黏土平均厚度約3.38m,暗綠～草黃色,濕～很濕,可塑,含鐵銹斑。搖振無反應(yīng),干土強(qiáng)度高。(7)1砂質(zhì)粉土夾粉砂平均厚度約5.14m,草黃～灰黃色,飽和,中密～密實,含云母、石英,土質(zhì)均勻。(7)2灰色粉砂未鉆穿。2大壩的地基處理本工程的難點在于地基表層存在2005年促淤形成的4.5～6.0m厚流塑狀淤泥層,對大堤施工非常不利,同時大堤的8m標(biāo)高以下結(jié)構(gòu)必須在下一個汛期來臨前完成,這更加大了大堤施工難度。針對上述工程難點,施工中先對淤泥質(zhì)地基進(jìn)行處理,地基處理采用方法:在壩基范圍的淤泥層上鋪一層1m厚的吹填砂,再吹一層50cm厚的管袋,在管袋上插塑料排水板,排水板穿透整個淤泥層。在排水板上鋪土工格柵。大堤施工采用分級加載。大堤外海側(cè)用護(hù)坡塊石保護(hù)吹填砂和管袋。施工前,先修建試驗段,以試驗段指導(dǎo)整個大堤施工。整個大堤采用監(jiān)測地表沉降、分層沉降、水平位移、孔隙水壓力,動態(tài)監(jiān)測大堤的安全,同時根據(jù)加載的不同階段,進(jìn)行原位十字板檢測,分析地基土強(qiáng)度增長情況,指導(dǎo)下一步的加載。3支護(hù)結(jié)構(gòu)及加載大堤地基處理在2006年8月中旬開始施工,10月底完成。在2007年2月初完成分級加載,2007年10月完成整個工程。施工流程:1m厚吹砂墊層→50cm厚吹砂管袋→塑料排水板→土工格柵→分級加載。1)1m厚砂墊層吹砂利用鏈斗式挖泥船挖砂裝入運(yùn)砂船,運(yùn)砂船自航至吹砂船旁,由1000m3/h吹砂船通過吹泥管將砂吹填至大堤壩基區(qū)域內(nèi)。2)吹泥管袋吹泥管袋一層(厚0.5m)待吹填1m厚外來砂完成1～2d后進(jìn)行。3)塑料排水板以吹泥管袋一層(厚0.5m)作為打插的操作平臺。本工程塑料排水板的布置呈正方形布置,間距1.20m,排水板穿透淤泥層,采用C型以上的排水板。4)土工格柵在塑料排水板打設(shè)后,堤身底層加鋪土工格柵,以滿足大堤的抗滑穩(wěn)定要求,單向拉伸聚丙烯土工格柵極限抗拉強(qiáng)度為180kN/m。其搭接長度約為10～15cm。5)分級加載每1.5～2.5m高度為一級荷載進(jìn)行加載:(1)第1級加載為2.5m左右,包括地基處理的1m厚吹填砂,50cm厚充砂管袋,約1m高的堤身,堤身內(nèi)外棱體為充砂管袋,內(nèi)外棱體之間為吹填砂。吹填砂由吹砂船施工,充砂管袋用水力沖挖機(jī)組施工。(2)第1級荷載加載后,停止施工20～30d,此段時間讓堤身下的淤泥及淤泥土土體排水固結(jié),提高土體抗剪強(qiáng)度。(3)第2級加載為1.5m左右。加載時每層50cm,沿壩軸線均勻加高。(4)第2級荷載加載后,停止施工20d,讓堤身下的淤泥及淤泥土土體排水固結(jié),提高土體抗剪強(qiáng)度。(5)第3級加載為2m左右。加載時每層50cm,沿壩軸線均勻加高。(6)第3級荷載加載后,停止施工15d。(7)第4級加載為1m左右,壩身土方到頂。地表沉降及水平位移控制指標(biāo)如表1所示。另外,需控制超靜孔隙水壓力系數(shù)≤0.6。4工程監(jiān)測本工程進(jìn)行了4個斷面的地表沉降點、3個分層沉降點、3個側(cè)斜孔以及4個孔隙水壓力計的監(jiān)測,并完成了3次十字板強(qiáng)度測試。4.1地方孔隙水壓力監(jiān)測1)地表沉降點埋設(shè)2006年9月19日完成K3+500斷面的6個沉降點埋設(shè),2006年9月23日完成K3+780斷面的7個沉降點埋設(shè),并開始連續(xù)監(jiān)測(見圖1)。2)分層沉降點埋設(shè)2006年9月29日完成K3+780的3個分層沉降點埋設(shè),并開始連續(xù)監(jiān)測。3)側(cè)斜孔的埋設(shè)2006年10月13日完成K3+780的3個側(cè)斜孔埋設(shè),并開始連續(xù)監(jiān)測。4)孔隙水壓力孔的埋設(shè)2006年9月29日完成K3+780的4組(8個)孔隙水壓力孔埋設(shè),并開始連續(xù)監(jiān)測。5)十字板強(qiáng)度測試分別在2006年10,12月、2007年2月對K3+780斷面進(jìn)行第1,2,3次十字板強(qiáng)度測試。4.2荷載停機(jī)觀測對于在施工期間的斷面進(jìn)行每日監(jiān)測,施工間歇期在荷載停歇3d內(nèi),每天觀測1次,3d后視觀測數(shù)據(jù)變化量,每3～5d觀測1次。由于現(xiàn)場施工間歇期內(nèi)的地表沉降仍比較大,故仍采取每日監(jiān)測。4.3統(tǒng)計數(shù)據(jù)與分析對K3+500,K3+780兩個監(jiān)測斷面的監(jiān)測成果進(jìn)行統(tǒng)計與分析。4.3.1沉降及沉降速率圖2為2006年9月19日至2007年6月10日K3+500斷面標(biāo)高、沉降和沉降速率變化曲線,圖3為沿斷面的沉降曲線。由圖2,3可見,截至2006年10月25日,K3+500的堤身最大標(biāo)高約在+4.36m,其沉降斷面形態(tài)隨吹填標(biāo)高增大由初始鍋底形變?yōu)橐粋?cè)開口形,其主要因素是沉降較小(如ET2,局部回彈)一側(cè)受拋石壩的側(cè)限作用;另一側(cè)(ET6)由于圍內(nèi)存在較厚的淤泥,淤泥的側(cè)向流動極大。在監(jiān)測期內(nèi),最大沉降為325mm(ET5),加載時最大沉降速率為78.8mm(ET6),沉降速率在9月26日、10月19日和10月21日達(dá)到了報警值,主要是由于這段時間正在在進(jìn)行沖泥管袋的堆高,引起堤身下淤泥變形急劇增大,并產(chǎn)生較大的側(cè)向位移,但大部分變形發(fā)生在淺層,一旦停止加載后,沉降速率明顯減緩,不會產(chǎn)生土體的整體滑動?？傮w來講,當(dāng)?shù)躺順?biāo)高控制在4.50m以內(nèi),K3+500斷面的沉降及沉降速率的變化基本控制在正常范圍內(nèi)。截至2006年12月7日,K3+500的堤身最大標(biāo)高約在5.20m,與10月份監(jiān)測結(jié)果對比,其沉降斷面形態(tài)仍為一側(cè)開口形,一方面是北側(cè)(ET6)圍內(nèi)存在較厚的淤泥,淤泥的側(cè)向流動性大,另一方面是內(nèi)棱體標(biāo)高已略高于內(nèi)坡角,荷載較大。ET2位置(外坡角)在荷載作用下,從側(cè)擠上抬逐漸恢復(fù)下沉。在10月26日至12月7日監(jiān)測期內(nèi),除個別點加載當(dāng)天沉降較大(10月28日沉降速率44mm/d)外,停止加載后,沉降速率明顯減緩,未出現(xiàn)連續(xù)3d沉降超過20mm/d?？傮w來講,按目前K3+500斷面的堤身標(biāo)高,沉降及沉降速率的變化基本控制在屬正常范圍內(nèi)。截至2007年3月12日,K3+500的堤身最大標(biāo)高約在9.0m,與12月份監(jiān)測結(jié)果對比,其沉降斷面形態(tài)已從一側(cè)開口形逐漸變?yōu)榕栊?主要是由于12月之后的工作主要是堤芯吹填,因此堤芯處的沉降發(fā)展較其它部位大。在06年12月7日至07年3月12日的監(jiān)測期內(nèi),在12月下旬由于堤芯吹填導(dǎo)致連續(xù)幾天沉降速率大于15mm/d,停止加載后,沉降速率明顯減緩。拋石壩累計水平位移為10mm,水平位移速率控制在1mm/d以內(nèi)。沉降及沉降速率的變化基本控制在屬正常范圍內(nèi)。截至2007年6月10日,K3+500的堤身最大沉降為1206mm,堤身的沉降速率基本控制在2mm/d以內(nèi),沉降速率穩(wěn)定。4.3.2沉降變形結(jié)果與變形1)沉降監(jiān)測成果統(tǒng)計與分析(見圖4,5)由圖4,5可見,截至2006年10月25日,K3+780斷面的堤身最大標(biāo)高約在4.49m,其沉降斷面形態(tài)與K3+500斷面基本一致,其最大沉降為243mm(ET05),最大沉降速率為57.5mm(ET05,10月4日)。由于沖泥管袋的施工,加載時K3+780斷面的ET7點在10月21日開始的連續(xù)幾天沉降速率都較大(超過報警值30mm/d),最大值達(dá)到了54.8mm/d,其原因與K3+500斷面基本一致,停止加載后連續(xù)3d沉降速率最大值為15mm/d(10月26日,ET07)?？傮w來講,當(dāng)?shù)躺順?biāo)高控制在4.50m以內(nèi),K3+780斷面的沉降及沉降速率的變化基本控制在屬正常范圍內(nèi)變。截至2006年12月27日,K3+780斷面的堤身最大標(biāo)高約在5.5m,其沉降斷面形態(tài)與K3+500斷面基本一致,其最大沉降為495mm(ET05)。在相同加載速率情況下,加載標(biāo)高超過4.5m后的沉降速率比之前敏感,速率曲線波動明顯,大速率持續(xù)時間增長,沉降速率明顯增加,沉降曲線明顯變陡。截至2007年3月12日,K3+780斷面的堤身最大標(biāo)高約在9.0m,其沉降斷面的發(fā)展形態(tài)與K3+500斷面基本一致,其最大沉降為1013mm(ET04),加載時最大沉降速率為29mm/d(1月26日)。拋石壩累計水平位移為12mm,位移速率控制在1mm/d以內(nèi),位移發(fā)展較正常。截至2007年6月10日,K3+780斷面的最大沉降為1096mm(ET4),沉降速率基本控制在1mm/d左右,各監(jiān)測點在近段時間的沉降量基本一致,沉降發(fā)展基本穩(wěn)定。2)測斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析(見圖6)由圖6可見,截至10月25日,CX1處的最大水平位移為144.1mm,最大水平位移速率為13mm/d;CX2處的最大水平位移為8.2mm(10月11日),最大水平位移速率為12mm/d(10月22日);CX3處的最大水平位移為287.6mm,最大水平位移速率為204mm/d(10月23日)。CX1于9月21日埋設(shè)完成,而在10月9日第1次監(jiān)測時已產(chǎn)生128.6mm的水平位移,第2天監(jiān)測發(fā)現(xiàn)最大水平位移速率為11.4mm/d,但之后的監(jiān)測水平位移都比較小,說明在測斜管埋設(shè)完之后的一段時間里,上部淤泥已產(chǎn)生了較大側(cè)移,導(dǎo)致上部管身發(fā)生了較大的偏斜。CX3在10月23日產(chǎn)生了多達(dá)204mm的水平位移,同時位于測斜孔附近的ET7沉降點也產(chǎn)生了55mm的沉降,之后幾天隨著施工節(jié)奏的變化位移速率也隨之穩(wěn)定。從水平位移曲線可以看到,土體水平位移主要產(chǎn)生在(2)3層以上的淤泥,說明淤泥是導(dǎo)致沉降以及側(cè)移的主要土層。截至12月7日,CX1處的最大水平位移為164.5mm,經(jīng)前期淤泥外擠產(chǎn)生大部分位移后,本月水平位移趨于穩(wěn)定,最大水平位移速率為6mm/d,水平位移影響深度正逐步加深,至12月7日,水平位移超過15mm的深度已影響至-6.5m標(biāo)高處,即第(2)3層砂質(zhì)粉土頂面,表明在加載初期(截至11月19日),主要受力層為第(1)2、(1)3層淤泥質(zhì)土,隨著加載量增大,下部土體位移變得明顯;CX2處(內(nèi)坡角)的水平位移仍較小,最大水平位移為41.3mm,但較10月相比,增長幅度較大,與該處開始堤芯吹砂造成的高差有顯著關(guān)系;CX3處在10月達(dá)到最大水平位移287.6mm后,12月基本保持不變,并略有減少,12月7日前最大水平位移為269mm。截至3月12日,CX1處的最大水平位移為196.9mm,CX2處的最大水平位移為109.2mm,CX3處的最大水平位移為274.8mm。這段時間CX1和CX2的水平位移值變化較小,CX2處由于堤芯吹填土施工而產(chǎn)生了一定的水平位移,但發(fā)展較穩(wěn)定,最大水平位移速率為6mm/d。至3月12日,CX1和CX2處水平位移超過15mm的影響深度分別達(dá)到-16.5m和-13.5m的標(biāo)高,即第(4)層淤泥質(zhì)黏土,表面隨著上部加載量的不斷增大,主要受力層從(1)2、(1)3層逐漸影響到第(4)層;CX3處水平位移超過15mm的影響深度在-1.0m以內(nèi),水平位移超過10mm的影響深度在-6.0m以內(nèi)且變化較小,一方面內(nèi)棱體的加載較少故影響深度較淺,另外也與該處長時間未加載有關(guān)。截至6月10日,CX1處的最大水平位移為201.9mm,CX2處的最大水平位移為113.2mm,CX3處的最大水平位移為285.2mm。由于上部荷載變化較小,這段時間的水平位移值變化較小。截至2007年6月10日,CX1處的最大水平位移為201.9mm,CX2處的最大水平位移為113.2mm,CX3處的最大水平位移為285.2mm。3)分層沉降點監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析(見圖7,8)由圖7,8可見沉降發(fā)展最快的為ES1和ES2點,說明土體壓縮仍主要集中在上部淤泥質(zhì)土中。而從ES3中可看見,淺部淤泥在上部荷載長時間未增加的情況下,沉降速率逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)分層壓縮量統(tǒng)計,(1)2、(1)3層的壓縮量總和占到了90%左右,(1)2層和(1)3層是主要的壓縮層,且承當(dāng)了大部分荷載。4)孔隙水壓力計監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析圖9為2006年9月19日至07年6月10日K3+780斷面的超靜孔壓變化曲線(經(jīng)數(shù)據(jù)處理,并考慮潮水影響)。9月19日至10月26日K3+780斷面的P1～P7孔監(jiān)測得到的最大孔壓為11.3kPa,出現(xiàn)在P7孔,深度為15m;P8～P16孔監(jiān)測得到的最大孔壓為17.4kPa,出現(xiàn)在P8孔,該孔位于淤泥層頂面;P17～P26孔監(jiān)測得到的最大孔壓為16.9kPa,出現(xiàn)在P18孔,深度為2m;P27～P35孔監(jiān)測得到的最大孔壓為7.8kPa,出現(xiàn)在P27孔,該孔位于淤泥層頂面?？讐褐档淖兓兓烤鶎僬Ｇ闆r。10月27日至12月7日K3+780斷面的超靜孔壓P1～P7孔由于加載已于10月達(dá)到設(shè)計標(biāo)高,超靜孔隙水壓力基本保持在穩(wěn)定水平,淺層最大孔壓為保持在25kPa,并隨深度增加超靜孔壓逐漸減少。P8～P16、P17～P26孔監(jiān)測得到的超靜孔壓則受目前加載影響明顯,尤其是淺層0m標(biāo)高淤泥處,為17.4kPa,出現(xiàn)在P8孔,該孔位于淤泥層頂面;P17～P26孔監(jiān)測得到的最大孔壓為16.9kPa,出現(xiàn)在P18孔,深度為2m;P27～P35孔監(jiān)測得到的最大孔壓為7.8kPa,出現(xiàn)在P27孔,該孔位于淤泥層頂面?？讐褐档淖兓兓烤鶎僬Ｇ闆r。2006年12月8日至07年2月9日K3+780斷面的超靜孔壓P1～P7孔的超靜孔隙水壓力基本保持在穩(wěn)定水平,淺層最大孔壓為保持在25kPa,深層15m處的孔壓出現(xiàn)了一定的增加,最大孔壓達(dá)到37kPa。P8～P16孔的超靜孔壓數(shù)據(jù)曾明顯的消散趨勢,最大孔壓為25kPa,孔壓消散了約35%。P17～P26孔的超靜孔壓變化較平穩(wěn),隨著加載施工有一定的起伏,淺層最大孔壓為30kPa,最大孔壓為38kPa,出現(xiàn)在12m深度處。P17～P26孔監(jiān)測得到的最大孔壓為16.9kPa,出現(xiàn)在P18孔,深度為2m;P27～P35孔的孔壓變化與P17～P26類似,目前最大孔壓為的最大孔壓為25.8kPa?？讐褐档淖兓兓烤鶎僬Ｇ闆r。2007年2月10日至07年6月10日K3+780這段時間孔壓值總體趨向平緩,孔壓值變化較小。P1～P7孔的超靜孔隙水壓力基本保持在穩(wěn)定水平,淺層最大孔壓仍在25kPa左右,深層15m處的最大孔壓達(dá)到33kPa。P8～P16孔最大孔壓為25.8kPa,深度出現(xiàn)在6m處。P17～P26孔的超靜孔壓變化較平穩(wěn),隨著加載施工有一定的起伏,淺層最大孔壓為28kPa,最大孔壓為33kPa,出現(xiàn)在12m深度處。P27～P35孔的孔壓變化與P17～P26類似,最大孔壓為的最大孔壓為27.5kPa?？讐褐档淖兓兓烤鶎僬Ｇ闆r?？讐褐档淖兓兓烤鶎僬Ｇ闆r。4.3.3需求增長的泥石流對比3次十字板試驗數(shù)據(jù),隨著上部沖泥管袋堆高施工和土體固結(jié),(1)2淤泥和(1)3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土的強(qiáng)度產(chǎn)生了明顯增長,(4)淤泥質(zhì)黏土和(5)粉質(zhì)黏土由于埋深較深,且(4)的滲透性較差,故強(qiáng)度增長不明顯。表2為兩個斷面(1)2和(1)3層的3次試驗數(shù)據(jù)對比,(1)2層強(qiáng)度增長超過3倍,(1)3層強(qiáng)度增長接近1倍。4.3.4沉降發(fā)展曲線當(dāng)?shù)躺順?biāo)高吹填至4.50m,其最大沉降點一般發(fā)生在堤中～堤內(nèi),最大沉降約335mm,加載時最大沉降速率約78mm/d,加載后約6d沉降速率最大值可減至12mm/d左右;當(dāng)?shù)躺順?biāo)高吹填至+5.50m,其最大沉降點一般發(fā)生在堤中部,最大沉降約424mm,加載時最大沉降速率約44mm/d,加載后6d沉降速率最大值可減至15mm/d左右;在12月下旬由于堤芯吹填導(dǎo)致連續(xù)幾天沉降速率大于15mm/d,停止加載后,沉降速率明顯減緩。原有促淤拋石壩累計水平位移為10mm,水平位移速率控制在1mm/d以內(nèi)。斷面形態(tài)隨吹填標(biāo)高增大由初始鍋底形變?yōu)橐粋?cè)開口形再變?yōu)殄伒仔?其主要因素,沉降較小(如ET2,局部回彈)一側(cè)受拋石壩的側(cè)限作用;另一側(cè)由于圍內(nèi)存在較厚的淤泥,淤泥的側(cè)向流動極大;當(dāng)?shù)讨袠?biāo)高增大到一定高度,沉降量最大點逐漸移向中部。通