堆載深厚軟土邊坡沉降與穩(wěn)定性數(shù)值模擬

張飛　陳豆豆　沈廣軍

摘 要：市政工程中，軟土堆載邊坡的土層往往為棄土或已有河道里的淤泥與淤泥質(zhì)土，施工工期長(zhǎng)、土體沉降量大、沉降與邊坡穩(wěn)定性分析困難。該文針對(duì)某深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的邊坡堆筑過(guò)程，分析其地基處理與土坡體堆筑方案，采用大型巖土有限元軟件PLAXIS建立數(shù)值模型，分析土坡分層填筑沉降量以及沉降與時(shí)間的發(fā)展關(guān)系，并采用強(qiáng)度折減法分析填筑各階段的穩(wěn)定性與滑移面位置。計(jì)算結(jié)果表明：巖土有限元PLAXIS可以較好地模擬深厚軟土邊坡填筑過(guò)程中各深度土體的沉降變化、沉降隨時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律以及各土層填筑時(shí)的邊坡滑移面位置與變化模式，計(jì)算的沉降量與邊坡穩(wěn)定性符合實(shí)際的監(jiān)測(cè)與工程經(jīng)驗(yàn)。該文分析可以為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞：軟土 堆載邊坡 地基處理 沉降 穩(wěn)定性分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0060-06

隨著城市建設(shè)與市政工程及環(huán)境改造等行業(yè)[1-2]的不斷發(fā)展，大量的高層建筑地下室與地鐵工程開(kāi)挖[3]將產(chǎn)生棄土與相關(guān)堆土工程，一些城市公園景區(qū)人工挖湖與堆山營(yíng)造大面積綠化工程等，均涉及到軟土堆載邊坡工程問(wèn)題。此類(lèi)邊坡工程的堆積土方往往為新挖的飽和軟土甚至是已有河道里的淤泥與淤泥質(zhì)土等，含水量高、壓縮性高、孔隙比大、強(qiáng)度低與滲透性低，堆土過(guò)程中需進(jìn)行地基處理，經(jīng)歷工期長(zhǎng)、土體沉降量大、沉降與邊坡穩(wěn)定性分析困難，成為了工程難點(diǎn)，引起工程界與許多學(xué)者[4-6]的關(guān)注。對(duì)于堆載軟土邊坡沉降與穩(wěn)定性問(wèn)題，常用的地基處理與土體沉降理論較難建立符合實(shí)際的計(jì)算模型進(jìn)行分析，施工具有一定的盲目性，稍有不慎將引起土體長(zhǎng)期變形與邊坡失穩(wěn)破壞，造成嚴(yán)重的工程事故。該文針對(duì)某深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土堆土邊坡問(wèn)題，分析其地基處理與土坡體堆筑方案，采用巖土PLAXIS有限元軟件建立數(shù)值模型，分析土坡的分層分步填筑沉降量以及沉降與時(shí)間的發(fā)展關(guān)系，并采用分步強(qiáng)度折減法分析土坡填筑各階段的穩(wěn)定性與滑移面位置，為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

1.1 邊坡周?chē)h(huán)境

擬建龍脊山位于鹽城濱海地區(qū)潤(rùn)鹽大道北、鹽倉(cāng)大道南、串場(chǎng)河?xùn)|、人民路西；西側(cè)為擬開(kāi)挖龍湖800畝大型水面（湖底開(kāi)挖最深處-3.00 m）、東側(cè)緊鄰串場(chǎng)河，占地約260畝，其中主峰高14 m（黃海高程，下同）、北部側(cè)峰高11 m、南部側(cè)峰高9 m。主峰和南側(cè)峰之間建設(shè)盤(pán)龍塔，山體周邊建設(shè)展覽館、博物館、名人館。

1.2 地質(zhì)情況

該工程深厚軟土主要為自然地面以下1.6～1.8 m，黃海高程0.6～0.75 m以下11.9～14.1 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。場(chǎng)地土層分布如下：（1）灰色素填土，濕，主要成份為粉質(zhì)黏土，夾大量植物根莖，明河底部見(jiàn)厚約30 cm黑淤，富含有機(jī)質(zhì)，土質(zhì)松散，不均勻。（2）黃褐色飽和粉質(zhì)黏土，可塑，局部夾黏質(zhì)粉土薄層，明河部位該層土缺失，土質(zhì)較均勻。（3）灰黃色～灰色飽和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑，土質(zhì)不均勻。（4）灰色砂質(zhì)粉土，很濕，稍中密，夾少量粉砂團(tuán)塊及淤泥質(zhì)黏性土條帶，層面埋深及層厚變化極大，土質(zhì)欠均勻。（5）灰色黏質(zhì)粉土，很濕，稍密，夾較多淤泥質(zhì)黏性土薄層（單層厚5.0～20.0 mm）及少量中密狀粉砂團(tuán)塊（局部富集），具層理但層面埋深及層厚變化較大，土質(zhì)欠均勻。（6）灰褐～灰黃色黏土，飽和，可塑，土質(zhì)較均勻。（7）灰黃色砂質(zhì)粉土，中密，局部密實(shí)、稍密，土質(zhì)欠均勻。（8）灰黃色黏質(zhì)粉土，很濕，稍密，夾較多軟塑狀黏性土薄層（單層厚2.0～20.0 mm），層理清晰，土質(zhì)欠均勻。

1.3 建模分析思路

建模分析過(guò)程中，取龍奚山主峰位置的截面分析填土邊坡的堆載沉降及其相應(yīng)土坡的穩(wěn)定性與抗滑移安全系數(shù)。分析模型的建立考慮了主峰高度最高為14.0 m，取其坡度最大位置為穩(wěn)定性最不利截面，進(jìn)行分析土坡沉降與穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)邊坡堆載預(yù)壓沉降計(jì)算起控制作用。截面位置選取如圖1所示。

2 地基處理及山體堆土方案

2.1 龍脊山地基處理方案

該工程地基處理以強(qiáng)度控制[7-8]為設(shè)計(jì)原則，主體思路是以地基強(qiáng)度的增長(zhǎng)結(jié)合地基處理措施提高地基承載力，保證山體和地基的穩(wěn)定性。龍脊山占地260畝，主峰高14.0 m，側(cè)峰高11.0 m和9.0 m，山體西側(cè)為龍湖，湖底最深處標(biāo)高為-3.0 m。擬建山體地基軟土厚度達(dá)14.0 m，為主要的不良地質(zhì)體。鑒于山體堆筑對(duì)地基的承載力要求較高，在天然地基上堆筑已無(wú)法滿足要求（極限高度5～6 m），必須對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

依據(jù)總體工期要求，該項(xiàng)目可選擇塑料板或沙井，充分利用填土荷載預(yù)壓，分級(jí)堆筑，當(dāng)前一級(jí)荷載施加并預(yù)壓一段時(shí)間后，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和地基土強(qiáng)度的增長(zhǎng)情況決定施加下一級(jí)荷載。經(jīng)測(cè)算比較此次方案采用塑料排水板進(jìn)行堆土預(yù)壓，排水板擬采用SPB100-C型，深度28.0 m，間距1.5 m，露頭50 cm，梅花形布置，共47 756根。為確?？紫端刎Q向排水體滲入地表后順利排出場(chǎng)外，充分發(fā)揮地基土的承載力，在堆載之前鋪設(shè)600 mm厚砂墊層?？紤]到山峰中心荷載較大的部位沉降會(huì)很大（不少于2.0 m），建議填筑砂墊層時(shí)，至堆填標(biāo)高5.0 m起逐漸增高至中心部位砂墊層厚度分別不小于2.2 m（主峰）、1.9 m（北側(cè)峰）、1.6 m（南側(cè)峰），以便于留沉降空間，保證水平方向的有效排水。

2.2 山體堆筑方案

堆山土源采用龍湖開(kāi)挖時(shí)自然地面下1.6 m以上粉質(zhì)黏土或黏質(zhì)粉土，采用碾壓法施工。碾壓土的含水率應(yīng)符合最優(yōu)百分比，并控制在最優(yōu)含水率±2的范圍之內(nèi)，碾壓時(shí)采用8 t～10 t平碾，每層鋪土厚度不超過(guò)40 cm，碾壓10～12遍，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)不少于0.90。地下水位以下土源碾壓前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定是否需要進(jìn)行晾曬。堆載進(jìn)度控制以土坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，地基極限承載力依據(jù)堆載預(yù)壓后土體抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)予以估算。

經(jīng)初步測(cè)算，地基處理結(jié)束并鋪設(shè)砂墊層后即可進(jìn)行堆填，3個(gè)月內(nèi)經(jīng)分層碾壓堆筑至標(biāo)高5.0 m，隨著沉降減緩，強(qiáng)度增長(zhǎng)，第7個(gè)月開(kāi)始后續(xù)堆筑，分層碾壓并堆至標(biāo)高7.0 m，依據(jù)地基土強(qiáng)度的增長(zhǎng)情況，第12個(gè)月繼續(xù)堆筑，南側(cè)峰堆至峰頂，主峰及北側(cè)峰堆至9.0 m，第16個(gè)月北側(cè)峰堆至峰頂，主峰堆至11.0 m，第21個(gè)月開(kāi)始主峰堆筑，直至峰頂。兩年后依據(jù)沉降情況和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充堆筑并覆蓋耕植土，并做好坡面排水工作。填土堆筑順序先四周后中間，再由外至內(nèi)均勻鋪填。為確保山體的整體性和穩(wěn)定性，應(yīng)分層設(shè)計(jì)土工格柵，鋪設(shè)標(biāo)高5 m、7 m、9 m、11 m，土工格柵采用雙向塑料格柵和鋼塑土工格柵。5m標(biāo)高處格柵縱橫向極限拉應(yīng)力應(yīng)不小于20 kN/m，采用TGSG20-20土工格柵，面積約66 500 ㎡；7 m、9 m、11 m標(biāo)高處格柵縱橫向極限拉應(yīng)力應(yīng)不小于50 kN/m，采用GSZ60-60型土工格柵，面積約54 580m2。每層土工格柵鋪設(shè)完畢后，應(yīng)予碾壓（一遍）。該計(jì)算的龍奚山主峰堆載過(guò)程圖，如圖2所示。

3 計(jì)算模型與參數(shù)

利用巖土有限元PLAXIS程序建立平面應(yīng)變模型[9]，分析該工程的邊坡堆載施工過(guò)程的土體沉降及邊坡抗滑穩(wěn)定性。土體采用高精度的15結(jié)點(diǎn)三角形單元來(lái)模擬，并采用彈塑性土體模型。土體強(qiáng)度基本參數(shù)采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)指標(biāo)，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，v為土體泊松比。數(shù)值計(jì)算參數(shù)如表1所示。

依據(jù)前面圖1的建模截面截取辦法，該工程可建立如圖3所示的邊坡堆載平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。幾何模型從堆土高度為14.0的主峰中間開(kāi)始考慮，主峰為8 m寬、11.5 m高，傾斜坡面的水平距離為67 m，整體模型取100 m寬，45 m高。生成的模型網(wǎng)格如圖3所示。

4 填土沉降與穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

該實(shí)例計(jì)算中，填土過(guò)程簡(jiǎn)化地分為5步，第一步為60天填土2.5 m，固結(jié)90天；第二、三、四步分別均為60天填土2.0 m，固結(jié)90天；第五步為60天填土3 m，固結(jié)90天，總工期750天左右。分層填筑過(guò)程中，應(yīng)分層40.0 cm填筑預(yù)壓，如按實(shí)際填土計(jì)算步驟太多，計(jì)算時(shí)間過(guò)于分散，分析過(guò)于復(fù)雜并且對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，故該分析只采用如上步驟填土進(jìn)行分析。

4.1 分層填筑過(guò)程的土體沉降

圖4為分步填土過(guò)程土體的沉降分布圖。

從圖4中可以看出，隨著填土高度的增加，地基土豎向變形加大，且填土荷載對(duì)地基土的影響深度增加；豎向變形隨著深度的增加而降低，而不像側(cè)向位移，在地下一定深度產(chǎn)生最大水平位移。

主峰中間部位，原有地基土層③層中的某點(diǎn)沉降隨時(shí)間的變化如圖5所示，從圖5中可以看出，隨著堆載填筑土體時(shí)間的增加，土體的沉降值越來(lái)越大，當(dāng)填筑到標(biāo)高14.0 m，即時(shí)間為750天左右時(shí)，原有地基內(nèi)土體最終沉降約為2.0 m左右。

土體沉降的大小隨深度分布的曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著深度的增加，堆載過(guò)程的土體沉降逐漸減小，而堆載預(yù)壓的坡頂沉降約為3.2 m左右，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)土體沉降的預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)工作，應(yīng)在深層土體中埋設(shè)沉降儀，監(jiān)測(cè)相應(yīng)沉降發(fā)展規(guī)律并控制土體的固結(jié)度。

各土層的沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著邊坡堆載時(shí)間的增加，各深度處的沉降均增大，并且標(biāo)高較淺處的沉降大于較深處沉降，數(shù)值分析符合工程監(jiān)測(cè)[2-4]與經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的變化規(guī)律。

4.2 堆載過(guò)程的土坡穩(wěn)定性及滑移面分布

該工程堆載填土過(guò)程中，計(jì)算土體邊坡的穩(wěn)定性及滑移面位置分布。如圖8所示為堆載高度5～14 m以后的各土坡滑移面分布圖。

從圖8中可以看出，隨著填土高度的增加，土坡滑移面的范圍增大，在滑動(dòng)面內(nèi)的滑動(dòng)土體體積變大，表明隨著填土高度的增加，土體滑動(dòng)將造成更大體積的土體破壞；但是，堆載到第三級(jí)邊坡以后，填土高度及荷載對(duì)地基土滑移面深度及坡前位置的影響不明顯，7～14 m的3個(gè)填土高度時(shí)，邊坡的滑移面深度方向均在③層軟土層的底面，且滑移面在坡腳的位置基本相似，表明該工程填土存在一個(gè)位置較固定的軟弱滑移面，建議工程施工過(guò)程中應(yīng)引起足夠的重視，加強(qiáng)土體豎向位移、水平位移及深層位移的監(jiān)測(cè)工作，保證施工過(guò)程中土坡的變形與穩(wěn)定性達(dá)到要求。

此外，利用強(qiáng)度折減法的計(jì)算，此3步施工過(guò)程中相對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為3.8、3.1、2.8、2.4和2.1左右，可以保證邊坡填筑過(guò)程的抗滑移穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著堆土填筑過(guò)程的逐步進(jìn)行，深厚軟土堆載邊坡的沉降逐漸增加，并且從原始地基的方向向上呈逐漸增大的趨勢(shì)，隨著時(shí)間的積累，施工沉降與工后沉降均有一定的增大的趨勢(shì)；軟土邊坡的填筑過(guò)程中，滑移面范圍逐漸擴(kuò)大，穩(wěn)定性系數(shù)逐步減小，但最危險(xiǎn)滑面的深度位置變化較小。大型巖土有限元程序PLAXIS可以較好地模擬深厚軟土邊坡填筑過(guò)程中的土體沉降隨填土高度與時(shí)間的變化規(guī)律，分析的滑移面可以較好地揭示各土層填筑時(shí)的邊坡滑移面位置與變化模式，計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性也符合實(shí)際的監(jiān)測(cè)與工程經(jīng)驗(yàn)，可以為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)提供參考。

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