擋浪墻頂預留沉降量設定方法

唐 云，王四根

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

軟土地基上的護岸工程施工，擋浪墻施工到頂或交工時，由于地基工后沉降原因，墻頂須預留適當的超高(預留沉降量)，預留偏大則增加工程費用，偏小則可能導致交工后短時間內墻頂高程低于設計值，不能滿足防洪或防浪的需要而不得不再次加高。一般情況下，該預留沉降量根據沉降固結計算得出[1-2]，但由于影響沉降的因素眾多，預留沉降量難以準確計算；也有工程通過對施工時獲得的典型段實測沉降數據進行綜合分析，參考實測值設定堤頂預留沉降量[3-4]。近年來，隨著沉降預留問題越來越受到廣泛關注，采用實測沉降觀測數據來推算預留工后沉降的方法得到一定應用[5-6]?？傮w上，國內對于預留沉降設定方法的研究還不太系統。

本文以小虎島石化碼頭一期工程中護岸擋浪墻頂預留沉降量的設定為例，基于護岸典型段澆筑后的實測沉降數據，分別采用雙曲線法及三點法推算擋浪墻工后沉降，對兩種方法進行對比分析，并結合理論計算工后沉降量來設定擋墻超高澆筑量，為類似工程提供一種相對較為準確設定擋浪墻頂預留沉降量的方法。

1 工程概況

小虎島石化碼頭一期工程位于廣州市南沙區小虎島的東南側，工程地點處江面寬闊，東南面有大虎島為天然屏障，往下游約15 km為虎門出口。本項目一期工程建設1 000和3 000噸級成品油及化工泊位共6個，工作船泊位2個，新建護岸約287 m，護岸后方吹填造地，建設陸域配套設施等。

工程設計水位為(以當地理論最低潮面起算)：設計高水位3.27 m，設計低水位0.56 m，極端高水位4.35 m，極端低水位-0.15 m。

灘涂原地面高程約1.0 m，陸域形成交工高程4.5 m。護岸前沿線往后40 m內設計使用荷載為10 kNm2。

表1 主要壓縮土層物理力學指標

表2 軟土層壓縮曲線e-p數據

本工程護岸及地基處理典型斷面見圖1。施工工序為：基槽開挖，拋填基槽中粗砂至高程0.3 m，鋪設土工布、拋填碎石倒濾層，間隔2個月后拋填擋浪墻基床塊石及澆筑墻體，墻前拋填護面塊石、墻后回填中粗砂，利用回填砂自重進行預壓，再間隔3個月后方吹填疏浚泥土成陸。工后沉降從擋浪墻澆筑完成且墻后回填中粗砂已預壓3個月并開始陸域吹填時刻起算。

圖1 護岸及地基處理典型斷面1(高程:m；尺寸：mm)

2 沉降計算值

根據e-p數據，采用分層總和法，斷面1的沉降計算結果為：擋浪墻頂最終沉降量S∞=78.7 cm，吹填疏浚土前沉降量St=62.5 cm，擋浪墻交工后的工后沉降量Sr=16.2 cm，沉降計算曲線見圖2。另外兩個斷面(本文未列圖)沉降計算值分別為S∞≈51 cm、St≈42 cm、Sr≈9 cm和S∞≈46.1 cm、St≈36 cm、Sr≈10.1 cm。

圖2 斷面1的B1觀測點沉降計算曲線

3 工后沉降推算方法

根據停止加荷后的實測沉降曲線(S-t曲線)，推算工后沉降常用的方法主要有三點法[7]和雙曲線法[8]。三點法源自固結度理論概化的形式解，理論上似乎更為合理，但由于加載不規律、地下水位變化等各種因素的影響，實測沉降曲線往往不夠平滑，導致選點不易，誤差較難控制。雙曲線法則相對簡便，將數據進行線性化轉換后，可以利用Excel自帶線性擬合功能實現數據處理，易于被接受。

3.1 雙曲線法

雙曲線公式如下：

(1)

式中：St為在時間t(從施工期或加載期一半時刻起算)時的實測沉降量；S為地基最終沉降量，待定；a為經驗參數，待定。

為確定S和a這兩個待定值，可從實測的S-t曲線后段，任取兩組已知數據(St1，t1)和(St2，t2)，代入式(1)聯立得：

(2)

(3)

再將S和a值代入式(1)，即可推算任意時間t時的沉降量。

為消除觀測資料可能產生的偶然誤差，通常將S-t曲線后段的全部觀測值都加以利用，進行整體擬合，分別計算出tSt值，繪制tSt-t關系曲線。此曲線的后段往往近似直線，則此直線的斜率即為推算的最終沉降量S。

3.2 三點法(對數曲線法)

對于大多數工程問題，次固結沉降與固結沉降相比很小。因此，地基的最終沉降量S(計算值)可取瞬時沉降量Sd與固結沉降量Sc之和，即S=Sd+Sc。令施工期t時刻的主固結沉降固結度為Ut，此時沉降量為：

St=Sd+UtSc

(4)

不同條件的固結度的計算公式，可用式(5)概括：

Ut=1-Aexp(-Bt)

(5)

式中：A、B為待求參數。將式(5)代入式(4)，得：

(6)

再將S=Sd+Sc代入式(6)，并用實測推算的最終沉降量S代替理論計算的最終沉降量S，得出三點法不同時刻沉降St基本計算式：

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

(7)

參數A一般取一維固結理論近似值8π2，剩下3個未知數S、Sd、B通過代入3組實測數據即可求解。

從實測的S-t曲線段選擇加載停止后的3個時間點數據(St1，t1)、(St2，t2)、(St3，t3)，其中t3應盡可能與曲線段末端對應，時間差盡量大些且t3-t2=t2-t1。將沉降、時間代入式(7)，得：

(8)

4 雙曲線法推算工后沉降結果

本工程吹填疏浚土之前，在典型段擋浪墻頂布設了3個沉降觀測點B1～B3。2005年9月—2006年2月期間的觀測數據見表3，S-t曲線見圖3。根據觀測數據，繪制典型測點B1的tSt-t曲線，使用整體擬合和分段擬合兩種方法，結果如圖4所示。

表3 擋浪墻交工后沉降實測數據

圖3 實測工后沉降曲線

圖4 B1觀測點的tSt-t曲線

由圖3、4可見，工后60 d左右由于加載和吹填等原因，沉降曲線存在突變。整體擬合比分段擬合的相關性略差。采用60 d后的數據擬合可得工后總沉降量Sr≈12.1 cm，略小于前文列出的理論計算值16.2 cm。

綜合考慮其他斷面的理論計算工后沉降量，實際本工程擋浪墻全線按15 cm預留工后沉降量，使用至今(超過10年)未發生修補。

5 三點法推算工后沉降結果

由圖3可見，沉降曲線呈鋸齒狀，觀測時間間隔也不均勻，采取多組數據推算進行評估。選取時間間隔大體相等的6組觀測數據，分為兩類，使用三點法推算工后沉降，結果見表4。

從表4的結果可看出，本文中傳統三點法的推算結果出現了很多異常情況：推算的最終沉降量小于最后一次觀測值，即推算的固結度> 100%。

為消除觀測資料產生的誤差，也可以將S-t曲線后段的全部觀測值進行整體擬合，精度會有所提高。但從式(7)可見，該推算式無法轉換成線性公式，須采用試算法編程計算，對于現場應用甚為不便。

表4 三點法推算結果

注：第一類數據推算的固結度部分大于100%，第二類數據推算的固結度全部大于100%，均屬異常。

6 結語

1)擋浪墻頂預留沉降量的設定，有條件時宜先進行施工期沉降觀測，根據實測數據合理推算工后沉降量，并結合理論計算的沉降量進行沉降預留，相比純理論計算值往往更為合理、可靠。

2)根據實測沉降曲線，采用雙曲線法推算后期沉降相比三點法更為簡便，數據處理簡單，易于為現場應用和推廣；三點法受加載不規律、地下水位變化等各種因素的影響，實測沉降曲線往往不夠平滑，導致選點不易，誤差較難控制，推算結果易出現異常。

3)在填石、填砂等其他場地中，對于采取不設置豎向排水通道的堆載預壓法情況，也可用本文的方法推測工后沉降量及進行沉降預留。