基于現(xiàn)場實測的水下圓筒傾斜分析

基于現(xiàn)場實測的水下圓筒傾斜分析

在沿海地區(qū)修建的垂直水工涂料通常由大型混凝土沉淀池和塊體建造。以往施工時常把施工區(qū)域內(nèi)軟土挖掉,然后通過拋填塊石且夯實后安裝沉箱的方式實現(xiàn)的。一般水工護岸岸線較長,且部分區(qū)域軟土厚度較大(一般大于10m),采用傳統(tǒng)方式施工費用較大,為此設(shè)計出了在不挖泥或部分挖泥的條件下,通過排水預(yù)壓方式處理地基,建立直立式護岸的施工方法。軟基上排水預(yù)壓是通過在軟基內(nèi)打設(shè)塑料排水板,并拋填塊石基床及整平,安裝沉箱,然后進行兩側(cè)回填,最后頂部澆筑胸墻的方式施工,該方式每道施工工序都需預(yù)留足夠的地基穩(wěn)定時間,并嚴(yán)格按照觀測數(shù)據(jù)安排施工。由于水工直立式護岸兩側(cè)荷載厚度不一致,即反壓棱體和后方棱體存在高差(圖1),在軟基上,直立圓筒兩側(cè)必然產(chǎn)生不均勻的沉降,造成傾斜。一般圓筒或沉箱傾斜均須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi),才認(rèn)為合格。因此為減小圓筒或沉箱傾斜的量級,保證工程質(zhì)量,必須在施工期采取各種措施減小這一傾斜的發(fā)展。大連某工程建立水工護岸,預(yù)計安裝大直徑圓筒近400個。為處理好工程進度及工程質(zhì)量的關(guān)系,對前100個圓筒兩側(cè)回填進行了加荷試驗,為后續(xù)標(biāo)段施工提供理論指導(dǎo)及技術(shù)支持。本文以該工程為例,對該類護岸不均勻沉降的控制及治理方法進行探討。1基地帶粉質(zhì)粘土護岸的基本概念根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料,大連某護岸排水板段的主要軟土類別包括:(1)淤泥(Q4m):灰黑色,流塑,偶見貝殼碎片,具腥臭味。該層在整個場地均有揭露,鉆孔揭露厚度7.8m。(2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(Q4m):灰黑色,軟塑,具腥臭味,偶見貝殼碎片,部分鉆孔底部強度有所增加,偶見薄層軟塑粉質(zhì)粘土。該層在整個場地均有揭露,鉆孔揭露厚度3.1m。在該護岸區(qū)域的軟土厚度一般為10～14m,下部為粉砂或粉質(zhì)粘土,性質(zhì)較好,對工程而言,上部存在較厚的軟土層是護岸產(chǎn)生不均勻沉降的主要原因。該工程為了加快地基排水固結(jié)速度,保證施工期完成后地基在較短時間內(nèi)達(dá)到沉降穩(wěn)定,在施工區(qū)域內(nèi)軟基上鋪設(shè)了排水墊層,并打設(shè)了塑料排水板。該區(qū)域軟土層的主要力學(xué)指標(biāo)見表1。2基于附加應(yīng)力的正截面的確定由圖1可知,圓筒下地基產(chǎn)生的主要附加應(yīng)力包括圓筒及回填石料的重量產(chǎn)生的附加應(yīng)力以及后方棱體對圓筒產(chǎn)生的水平推力2種,而這2項附加應(yīng)力均和圓筒兩側(cè)棱體的高度有關(guān)。根據(jù)規(guī)范方法,角點下附加應(yīng)力計算公式為式中:σz為附加應(yīng)力;KS為角點下附加應(yīng)力系數(shù);σ0為自重應(yīng)力。由式(1)及圖1可知,地基中心點的附加應(yīng)力是地基角點下附加應(yīng)力的2倍,所以圓筒陸側(cè)地基附加應(yīng)力為其角點下附加應(yīng)力的2倍,且水平推力在圓筒兩側(cè)角趾產(chǎn)生的附加應(yīng)力正好反號,因此圓筒兩側(cè)附加應(yīng)力差等于圓筒后趾填料自重產(chǎn)生的角點下附加應(yīng)力減去2倍的填料高差產(chǎn)生的水平推力。簡化后計算圓筒前趾后趾自重應(yīng)力及附加應(yīng)力,分析如下:圓筒下地基受力包括地基土自重應(yīng)力、上部荷載附加應(yīng)力和圓筒前后方棱體存在高差產(chǎn)生的水平推力。地基自重應(yīng)力按照表1數(shù)據(jù)計算,該工程圓筒高7.5m,后方棱體和圓筒同高,寬20m,前方反壓棱體厚3.5m,寬47m,附加應(yīng)力計算按照塊石重度20kN/m3,考慮最低潮情況,水位0.0m,計算上覆垂直應(yīng)力115kPa,水平推力90kN,查表計算附加應(yīng)力,根據(jù)以上計算,圓筒下地基內(nèi)承受總應(yīng)力見圖2。根據(jù)地質(zhì)勘察資料,該區(qū)段內(nèi)軟土e-p曲線見表2。按照規(guī)范公式計算圓筒兩側(cè)沉降高差△h為式中:△h為圓筒兩側(cè)沉降高差;sQ為圓筒前趾處沉降;sH為圓筒后趾處沉降;ms為經(jīng)驗修正系數(shù);△e為平均自重壓力設(shè)計值時孔隙比與平均最終壓力設(shè)計值壓縮穩(wěn)定后的孔隙比之差;e1i為第i層土受到平均自重壓力設(shè)計值時的孔隙比;hi為第i層土的厚度;i為土層計算層編號。經(jīng)計算,圓筒兩側(cè)沉降高差△h為102～158mm,因此認(rèn)為圓筒在正常加載控制及加載間歇條件下,由于兩側(cè)荷載厚度不同造成的圓筒沉降傾斜高差理論計算結(jié)果為102～158mm。有待現(xiàn)場施工實測驗證。3計算模式及結(jié)果完全依靠理論計算的方法來預(yù)測分析半直立式護岸圓筒兩側(cè)的不均勻沉降,對工程施工來說風(fēng)險較大,因為理論條件無法等同于現(xiàn)場施工的實際工況,還需要通過現(xiàn)場加載試驗來進行統(tǒng)計分析?，F(xiàn)場加載試驗的條件能夠完全模擬現(xiàn)場施工的各種工況,以及各種工況下的不均勻沉降,供有關(guān)單位根據(jù)工期條件,選擇最優(yōu)的施工方案。為保證地基穩(wěn)定,需要充分的排水時間,而這與施工進度之間存在矛盾。工程施工時需要找到二者的平衡點,結(jié)合施工工期的要求,在不同區(qū)域采取了3種加載方案(加荷應(yīng)力路徑),最后通過分析總結(jié),為后續(xù)工程施工加載及圓筒傾斜控制提供多種方案。圓筒前、后方棱體回填按照以下標(biāo)準(zhǔn)進行:(1)按照圓筒回填標(biāo)準(zhǔn),以2m厚度一級回填,20d時間間隔進行施工,試驗區(qū)域為27～35號圓筒;(2)以4m厚度一級,20d時間間隔施工,施工區(qū)域為36～75號圓筒;(3)以4m厚度一級,40d時間間隔進行荷載施加,施工區(qū)域為76～106號筒。施工完成及地基穩(wěn)定后,對所有圓筒兩側(cè)垂直于施工軸線方向的高差進行測量,其結(jié)果見圖3。部分圓筒上的觀測點被堆料覆埋而未能進行觀測,故圖3中未標(biāo)出。根據(jù)現(xiàn)場實測資料分析,27～35號圓筒內(nèi)和圓筒后方荷載施加是按照2m厚度作為一級荷載,20d時間間隔進行的加載控制,圓筒兩側(cè)高差在100～200mm。36號圓筒以后均按照4m厚度作為一級荷載施加,36～75號圓筒后方陸域回填進度為1d4個圓筒,兩級荷載間隔約20d,圓筒兩側(cè)高差在170～330mm,南北高差發(fā)展較大。76號圓筒之后的第三試驗段,施工控制為一次回填4m厚度,一次推進2個圓筒,兩級荷載施加間隔時間為40d,圓筒兩側(cè)高差控制在140～250mm。結(jié)合理論計算結(jié)果,對27～35、36～75、76～106號圓筒3個試驗段加載監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,可知計算結(jié)果接近按照2m一級加載控制的區(qū)段。對于按照4m一級荷載控制的區(qū)域,計算結(jié)果明顯偏小。因為理論計算無法模擬施工現(xiàn)場的實際條件,而圓筒傾斜發(fā)展和施工加荷的應(yīng)力路徑密切相關(guān),巖土體存在較大的塑性變形,沿不同的應(yīng)力路徑加荷,各個階段的塑性變形就不同,累計求和就有不同的變形總量,因此同樣的施工斷面、不同的加荷應(yīng)力路徑必然產(chǎn)生不同的地基變形。從巖土體的抗剪能力分析,較小的加載厚度減小了塑性區(qū)的發(fā)展,適當(dāng)?shù)募虞d間隔保證了地基的充分排水和有效應(yīng)力的增長,防止了地基的剪切破壞,且保證了地基承載力的穩(wěn)定提高。因此,該項目后續(xù)標(biāo)段施工時,必須充分考慮地基穩(wěn)定性以及圓筒傾斜的特點,根據(jù)工程進度要求,選擇合適的施工加載方案,并制定與之配合的傾斜治理措施,是提高后續(xù)工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵。4不同加載方案下的抗剪穩(wěn)定性分析通過分析工程3個加載試驗段圓筒不均勻沉降的發(fā)展特點,得到以下結(jié)論:(1)半直立式水工護岸兩側(cè)荷載不同,必然產(chǎn)生不均勻沉降,必須通過合理的加載方案及圓筒傾斜治理措施,把兩側(cè)的不均勻沉降控制在允許范圍內(nèi)。(2)地基在不同的加荷應(yīng)力