基于分層沉降理論的海堤預(yù)測沉降計算方法

潘明杰，羅林峰，吳國芳

（1.浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心，杭州310012；2.紹興市水利水電勘測設(shè)計院，紹興312000）

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基于分層沉降理論的海堤預(yù)測沉降計算方法

潘明杰1，羅林峰1，吳國芳2

（1.浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心，杭州310012；2.紹興市水利水電勘測設(shè)計院，紹興312000）

摘要：文本介紹了采用基于一維固結(jié)沉降理論下的分層總和法，計算軟粘土地基的主固結(jié)沉降量，利用實測沉降數(shù)據(jù)推算最終沉降量，并反算沉降修正系數(shù)；再對未來荷載下的地基利用分層總和法計算主固結(jié)沉降量，利用當前荷載下推算的沉降修正系數(shù)，即可計算得出未來荷載下的地基總沉降量。本方法在預(yù)測未來荷載下地基的最終沉降量具有一定的精確性，是一種預(yù)測海堤地基沉降的新方法。

關(guān)鍵詞：海堤地基；荷載；沉降；預(yù)測

1　前言

海堤工程身處海域之中，其堤頂高程設(shè)計，需滿足相應(yīng)的防潮標準，故在海堤工程完工后運行期的一定期限內(nèi)，堤頂高程需達到設(shè)計標高，以確保海堤運行安全。特別是重力式防浪墻，由于其結(jié)構(gòu)的整體性，要求在底板澆筑前就確定海堤沉降的預(yù)留量，以克服運行期沉降使海堤標高低于設(shè)計標高的問題。目前對于軟基沉降的預(yù)測，公認比較合理的是基于現(xiàn)場實測資料的曲線擬合法，其特點是實測沉降數(shù)據(jù)中綜合了各種影響軟基沉降的因素，在地基沉降穩(wěn)定時間較長的情況下，能夠較為精確地預(yù)測出當前荷載下地基的最終沉降量［2-4］。通過假設(shè)海堤填筑達到一定高程后（一般為總荷載的2 / 3），土體變形特性近似滿足線彈性體理論，可以對未來多級荷載作用下的地基沉降量進行預(yù)測，但由于實際施工中未來荷載的不確定性，給未來多級荷載下預(yù)測地基沉降量，提出了新的難題。

本文主要采用基于一維固結(jié)沉降理論下的分層總和法，計算出軟粘土地基的主固結(jié)沉降量，利用實測沉降數(shù)據(jù)推算最終沉降量，并反算出沉降修正系數(shù)，再對未來荷載下的地基利用分層總和法計算主固結(jié)沉降量，及當前荷載下推算的沉降修正系數(shù)，即可計算出未來荷載下的地基總沉降量。由于相同地區(qū)的地基沉降修正系數(shù)具有近似唯一性，也主要基于海堤填筑后期，地基土體結(jié)構(gòu)的線彈性體假設(shè)，本方法在預(yù)測未來荷載下地基的最終沉降量具有一定的精確性，且可以忽略其他預(yù)測方法中對未來荷載的加載時間和應(yīng)力大小的要求，是一種預(yù)測海堤地基沉降的新方法。

應(yīng)用該預(yù)測理論的海堤建設(shè)工程，于2007年12月開建，預(yù)測現(xiàn)狀時間為2009年11月（防浪墻底板澆筑前），工程于2011年11月完工，最新觀測成果為2012年12月，觀測時間跨度長達5年，其中得出預(yù)測成果時，離完工相距2年，離最近觀測相距3年。

2　計算方法

2.1 分層總和法計算主固結(jié)沉降量

分層總和法計算地基主固結(jié)沉降量，主要采用單向壓縮試驗為基礎(chǔ)的一維固結(jié)沉降理論，利用壓縮試驗的資料e-p曲線、壓縮模量Es或e-1gp曲線，計算軟土地基的主固結(jié)沉降量。本文采用e-p曲線，其計算公式如下：式中：Sc—主固結(jié)沉降量，mm；n—壓縮層范圍土層數(shù)；e1i—第i土層在平均自重固結(jié)應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i—第i土層在平均自重和平均附加固結(jié)應(yīng)力作用下的孔隙比；Hi—第i土層厚度，mm；

由于海堤斷面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文計算的海堤結(jié)構(gòu)材料由拋石和淤泥土組成，因此在計算地基所受附加應(yīng)力時，需進行分塊計算，考慮應(yīng)力疊加。

2.2 利用實測沉降數(shù)據(jù)推算最終沉降量

利用實測沉降曲線推算當前荷載下地基的最終沉降方法有很多，常用的有雙曲線法、指數(shù)曲線、三點法等，由于地基沉降曲線的發(fā)展趨勢往往有所不同，不能單一地確定一種方法來預(yù)測最終沉降量，因此本文對最終沉降量的預(yù)測，采用了上述方法同時對同一條沉降曲線進行分析的方法，最后選用預(yù)測沉降量最接近實測沉降量的預(yù)測值，來進行沉降修正系數(shù)的反算。

2.3 沉降修正系數(shù)的反算

利用沉降修正系數(shù)和地基主固結(jié)沉降量計算最終沉降量，其計算公式為：

式中：S∞—最終沉降量，mm；m—沉降修正系數(shù)。

2.4 未來荷載下的地基最終沉降量

重復(fù)2.1項的計算工作，計算完工后下的海堤地基主固結(jié)沉降量，并利用2.3項計算得到的沉降修正系數(shù)，推算出地基在完工后的最終沉降量。

3　實例分析

3.1 基本情況

北洋涂圍墾工程位于椒江河口外側(cè)，臨海市上盤鎮(zhèn)以東，圍墾面積為3.27萬畝（21.8km2），海堤堤線總長7.14km，北洋堤北起下山頭至麂晴山，長度為6.74km，涂面高程-0.7～-1.4m［1］。北洋堤現(xiàn)狀典型斷面及完工后典型斷面見圖1、圖2。

依據(jù)浙江省水利水電勘測設(shè)計院編制的《浙江省臨海市北洋涂圍墾工程初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告》，本工程白沙堤地表40m下，地基土體自上而下可分為下述幾層，計算用地基土層e-p資料見表1。

表1　計算用地基土層e-p值

3.2 沉降修正系數(shù)推算

3.2.1 利用分層總和法計算當前荷載下的地基主固結(jié)沉降量

利用分層總和法，及各斷面的地質(zhì)資料，在同實測沉降點的位置，對現(xiàn)狀斷面下的海堤地基進行主固結(jié)沉降量計算，計算結(jié)果見表2。由于本工程沉降觀測斷面共有21個，限于篇幅，本文選取了7個連續(xù)的斷面。

圖1　北洋堤現(xiàn)狀典型斷面圖

圖2　北洋堤完工后典型斷面圖

表2　現(xiàn)狀斷面下（2009年11月）主固結(jié)沉降量、預(yù)測最終沉降量、沉降修正系數(shù)計算成果

3.2.2 利用實測沉降數(shù)據(jù)推算當前荷載下的最終沉降量

利用實測沉降資料及曲線擬合法，對現(xiàn)狀荷載下的海堤地基的最終沉降量進行預(yù)測，計算結(jié)果見表2。

3.2.3 反算沉降修正系數(shù)

利用預(yù)測的最終沉降量，及分層總和法計算得到的主固結(jié)沉降量，即可求得該斷面的沉降修正系數(shù)，計算結(jié)果見表2。

3.3 完工斷面下地基的最終沉降量預(yù)測

3.3.1 利用e-p曲線計算未來荷載下的地基主固結(jié)沉降量

利用分層總和法，及各斷面的地質(zhì)資料，在相同的位置，對完工斷面下的海堤地基進行主固結(jié)沉降量計算，計算結(jié)果見表3。

3.3.2 完工斷面下最終沉降量預(yù)測

利用分層總和法，及各斷面的地質(zhì)資料，在相同的位置，對完工斷面下的海堤地基進行主固結(jié)沉降量計算，計算結(jié)果見表3；利用3.2計算得到的沉降修正系數(shù)，最后推算出完工斷面下地基的最終沉降量見表3。

表3　完工斷面下地基主固結(jié)沉降量及最終沉降量計算成果

3.3.3 預(yù)測沉降量對施工預(yù)留的建議

由于海堤防浪墻施工的整體性，要求海堤沉降施工預(yù)留在防浪墻底板澆筑前進行，此時距離完成設(shè)計堤頂高程要求仍有近3.6m的拋石、平均2m的閉氣土方及防浪墻混凝土荷載，距離工程完工還有2年的時間，是海堤施工沉降預(yù)留的難題。根據(jù)上述計算成果，預(yù)測沉降建議值見表4。

表4　防浪墻底板澆筑預(yù)留沉降建議值

3.4 運行期一年后實測預(yù)留超高量

項目施工按照本文計算成果進行了預(yù)留，由于施工精度最終施工實際預(yù)留約為105cm，項目于2011年11月順利進行了完工驗收，至2012年12月，又運行了1年有余，根據(jù)實測高程資料，海堤堤頂高程均有一定量的超高，能夠滿足今后海堤運行對于高程的要求，實測預(yù)留超高量見表5。

4　結(jié)論

本文成果建立在5年的實測沉降序列上，獲得的主要結(jié)論如下。

表5　運行期一年后實測預(yù)留超高量

（1）海堤工程的預(yù)留沉降量，考慮防浪墻的施工整體性，最宜在底板澆筑前進行。

（2）本方法是由基于一維固結(jié)沉降理論下的分層總和法，計算出現(xiàn)狀斷面下（防浪墻底板澆筑前斷面）軟粘土地基主固結(jié)沉降量，再利用現(xiàn)狀斷面下的實測沉降數(shù)據(jù)，用曲線擬合的方法推算最終沉降量，并反算出沉降修正系數(shù)；再對未來荷載下的地基利用分層總和法計算主固結(jié)沉降量，利用現(xiàn)狀斷面下推算的沉降修正系數(shù)，計算出未來荷載下的地基總沉降量，最后計算出海堤防浪墻底板澆筑前的預(yù)留量。

（3）經(jīng)過實踐驗證，該預(yù)測未來荷載下地基的最終沉降量方法，具有一定的精確性，是一種預(yù)測海堤地基沉降的新方法，能夠?qū)崿F(xiàn)海堤施工階段的沉降預(yù)留，對海堤施工具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻

［1］浙江水利水電勘測設(shè)計院.浙江省臨海市北洋涂圍墾工程初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］.2006.

［2］吳雄偉，曾熙敏等.海堤地基沉降預(yù)測方法研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2010（06）：47-49.

［3］潘林有，謝新宇.用曲線擬合的方法預(yù)測軟土地基沉降［J］.巖土力學(xué)，2004，25（07）：1053-1058.

［4］吳雄偉，基于指數(shù)曲線模型的沉降修正系數(shù)推求［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2010，22（01）：29-31.

作者簡介：潘明杰（1981年—），男，工程師。

收稿日期：2015-01-04

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.017

中圖分類號：TV148，TV52

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0044-03