夏 詠，袁文喜

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

在國內(nèi)，工程設計人員通常依據(jù)GB/T 51015—2014《海堤工程設計規(guī)范》進行海塘整體穩(wěn)定計算，使建筑物達到相應級別安全系數(shù)要求（見表1）。規(guī)范中對土體強度指標的選取要求為：施工期施工速率較快，地基不發(fā)生固結排水，應取直接快剪指標Cq、φq，或三軸不固結不排水指標Cuu、φuu，或十字板強度指標Cu；施工加荷速率較慢，分期施工或地基設置豎向排水設施時產(chǎn)生排水固結，計算時應考慮施工期土體強度增長。

表1 海堤整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

由于壩體填筑過程中會產(chǎn)生瞬時孔隙水壓力，并隨時間逐漸消散，土體逐步固結，有效應力不斷提高，但瞬時孔隙水壓力難以測得，有效應力法很難直接使用，通常測定固結不排水強度指標進行總應力法計算。

對于在老塘上進行提標加固的項目而言，加固前地基土本身在正常運行過程中會發(fā)生固結排水，參數(shù)可以按照固結不排水指標取用。但提標加固時，按照施工期控制，設計人員往往取用快剪指標。若新增荷載不多、附加應力增加不大，地基土參數(shù)全部取直接快剪指標或三軸不固結不排水指標，會導致計算出的安全系數(shù)明顯偏低。所以，結合分期施工和設置排水設施的因素，提標加固設計既要考慮因老塘壩體填筑后產(chǎn)生的附加應力引起基礎插板區(qū)固結度的變化，又要考慮由于地基土體尚未固結完全，抗剪強度需有一定折減。

2 理論基礎

2.1 固結不排水抗剪強度

不排水抗剪強度計算基于摩爾-庫倫強度準則：

式中：τf為破壞面上的剪應力，kPa；C′為土的有效凝聚力，kPa；σ、σ′分別為破壞面上總應力和有效法向應力，kPa；φ′為土的有效內(nèi)摩擦角，°；μ為孔隙水壓力，kPa。

飽和軟土地基上筑壩示意見圖1。地面以下H處的抗剪強度τf可表示為公式（2）：

圖1 飽和軟土地基上筑壩示意圖

式中：σ′為計算點法向有效應力，kPa；γ1為壩體容重，kN/m3；γ2為地基土容重，kN/m3；h為壩體高度，m；H為地基計算點深度，m。

文中，h代表老塘高度，對于老塘自重產(chǎn)生的附加應力引起下部地基土抗剪強度增長可適當予以考慮，以地基土的平均固結度U表示：

式中：U為固結度，指土體發(fā)生固結或者孔隙水應力消散程度；u0為初始孔隙水應力，kPa；u為t時刻孔隙水應力，kPa。

對于深厚軟土地基筑壩穩(wěn)定計算，根據(jù)SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》、GB/T 51015—2014《海堤工程設計規(guī)范》等規(guī)定，可選用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法，采用總應力法或者有效應力法進行分析。

總應力法計算公式：

有效應力法計算公式：

式中：αi為第i個土條底面中點的徑向與豎直方向的夾角，°；φi、Ci為第i個土條的總抗剪強度指標，°、kPa；φi′、Ci′為第i個土條的有效抗剪強度指標，°、kPa；bi為第i個土條的寬度，m；ui為第i個土條底部的孔隙水壓力，kPa；γw為水的容重，kN/m3；Zi為坡外水位線高出第i個土條底面中點的距離，m。

前面已經(jīng)闡述，對于提標加固的項目，地基土尚未完全固結，但考慮排水插板等作用，老塘重量產(chǎn)生的附加應力增量可部分轉換成有效應力。若按照式（6）～（7）的2種方法，公式中老塘荷載均全部按照有效應力考慮，乘以tanφi轉化成抗剪強度，提高了抗滑力，使得計算出的安全系數(shù)的值偏大，這是不合適的。

2.2 “Cu = Su，φu = 0”法

為解決上述問題，考慮采用“Cu=Su，φu= 0”法分析。對于飽和軟黏土，土的滲透系數(shù)極低，假定其孔隙率保持不變，原狀地基土恢復到原始孔隙率，在不排水條件下，得到固結不排水指標Ccu、φcu，以確定固結不排水強度Su值作為凝聚力Cu。此時，地基土某一點的抗剪強度參數(shù)可表示為：

參數(shù)代入（6）、（7）式計算，由于φu= 0，提標加固時新填筑部分壩體的重量W1不引起抗滑力變化，其地基某點的抗剪總強度Su僅取決于地基加固前的狀態(tài)，并隨地基深度H變化。計算時，新填筑部分采用直接快剪指標。對于每層土的Su值按照每一層土的平均深度H取用，土層厚度根據(jù)不同土的類型均勻劃分。

3 工程案例

3.1 基本情況

工程位于浙東沿海，現(xiàn)狀防潮標準為50 a一遇，海塘為3級建筑物，原設計塘頂高程為7.2 m，塘頂總寬6.0 m。海塘地基為深厚淤泥層，采用塑料排水插板法進行海塘基礎處理，排水板插入涂面最大深度為25.0 m，原設計斷面見圖2。海塘安全運行多年后，最大沉降81.9 cm。本次提標按照防潮標準100 a一遇設計，塘頂高程抬升至8.0 m，海塘提標設計計算斷面見圖3。

圖2 海塘原設計斷面圖

圖3 海塘提標設計計算斷面圖

3.2 地質指標

綜合勘察成果，海塘基礎淤泥質土層厚度一般大于20.0 m，Ⅱ1、Ⅱ2層含水率高，孔隙比大，壓縮性高，抗剪強度低，是海塘基礎沉降及穩(wěn)定的主要控制土層。經(jīng)對比，海塘建成后，地基土層的物理力學性質有一定程度提高，尤其是采取工程措施進行處理的表部Ⅱ1層。具體地質指標見表2。

表2 地基土的巖土力學特性試驗成果表

計算時，選定原始涂面為海塘與地基的分界線，插板區(qū)考慮海塘自重引起地基抗剪強度增長，用平均固結度U控制不同深度H處附加應力引起的有效應力值的大小?；谠囼灣晒?，對于插板區(qū)考慮固結度U=0.0～0.8，隨深度H變大，U值逐漸降低?？倧姸萐u計算成果見表3～4。

表3 插板區(qū)地基土不排水總強度Su計算成果表

表4 非插板區(qū)地基土不排水總強度Su計算成果表

3.3 計算成果

海塘穩(wěn)定計算成果見表5。

表5 海塘穩(wěn)定計算成果匯總表

續(xù)表5

綜合計算成果分析，運用“Cu=Su，φu= 0”法進行海塘整體穩(wěn)定計算，既能客觀反映工程建成以后，地基土逐步固結，抗剪強度提高，穩(wěn)定性提升這一過程，同時又不考慮新筑塘身抗滑力，不高估其安全系數(shù)；海塘提標后斷面安全系數(shù)接近或高于原斷面安全系數(shù)，認為結構優(yōu)化是合適的。

4 結論和建議

本文主要對海塘提標加固過程中整體穩(wěn)定分析方法進行探討，采用“Cu=Su，φu= 0”法分析，既考慮插板區(qū)老塘重量產(chǎn)生的附加應力引起地基土土體抗剪強度增長，又解決了采用快剪指標或三軸不固結不排水指標導致安全系數(shù)明顯偏低，或直接使用有效應力參數(shù)Ccu和φcu代入計算而高估其安全系數(shù)等問題。這一方法的應用將有助于合理優(yōu)化海塘結構斷面，在滿足安全的前提下，體現(xiàn)其經(jīng)濟效益，并對今后類似工程設計具有借鑒意義。下一步，將進一步分析敏感參數(shù)對安全系數(shù)的影響，包括固結度U的取值及徑向與豎向夾角α等。