海濱深厚軟基上圍墾造地工程固結(jié)沉降分析方法研究

胡群革，嚴(yán) 俊，魏迎奇，趙 麒

（1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048；3.云南建工水利水電建設(shè)有限公司，云南 昆明 650224）

海濱深厚軟基上圍墾造地工程固結(jié)沉降分析方法研究

胡群革1，嚴(yán) 俊2，魏迎奇2，趙 麒3

（1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048；3.云南建工水利水電建設(shè)有限公司，云南 昆明 650224）

濱海地區(qū)圍墾造地工程多涉及深厚軟基的處理，其排水固結(jié)過程比較復(fù)雜，影響因素包括軟土的物理力學(xué)性質(zhì)、土層條件、荷載條件、處理方法及工期等。本文依據(jù)有限元數(shù)值分析理論與方法，以溫州市龍灣區(qū)海濱圍墾造地工程為例，對海濱圍墾造地工程施工期的固結(jié)沉降進行了計算分析，并預(yù)測了工程運行過程中的沉降量，結(jié)果表明有限元數(shù)值分析方法很好地應(yīng)用于海濱圍墾造地工程固結(jié)沉降問題中，為同類型工程固結(jié)沉降分析和處理措施提供技術(shù)參考。

濱海地區(qū)；深厚軟基；固結(jié)沉降；數(shù)值分析

1 研究背景

軟土在我國沿海一帶分布很廣，如渤海灣及天津塘沽、長江三角洲、浙江、珠江三角洲以及福建沿海地區(qū)都存在海相或湖相沉積的軟土。這類軟土具有高壓縮性、高靈敏度、高流變性和低強度、低滲透性的特點，導(dǎo)致軟基道路或堤防工程施工將面臨“孔壓過高、變形過大、抗力過小”的難題［1］。國內(nèi)外目前對軟基的處理方案主要包括砂墊層+土工格柵+堆載預(yù)壓（或超載預(yù)壓）、砂墊層+土工格柵+豎向排水體（如袋裝砂井）+堆載預(yù)壓、土工格柵+深層水泥土攪拌樁、強夯置換法等方式［2-6］。但是，在施工期間，軟土存在排水固結(jié)過程，如果填筑速度過快，軟基內(nèi)的水將無法及時排出，從而使地基孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，進而導(dǎo)致堤體產(chǎn)生開裂、滑坡或者地基失穩(wěn)等事故。

軟基的排水固結(jié)過程比較復(fù)雜，影響因素包括軟土的物理力學(xué)性質(zhì)、土層條件、荷載條件、處理方法及工期等。目前對于軟基固結(jié)沉降的計算方法主要有理論公式法和數(shù)值分析法兩類，其中理論公式法是建立在Terzaghi［7-8］創(chuàng)立的經(jīng)典土力學(xué)基礎(chǔ)上，該類方法具有簡便、直觀、計算參數(shù)少且易取得等優(yōu)點，但是在推導(dǎo)過程中引入了許多簡化假定，計算結(jié)果與實測結(jié)果偏差較大，因此在實際應(yīng)用中多用在設(shè)計階段的預(yù)測分析；而有限元數(shù)值分析方法，可以更加全面地考慮土體的變形特性、邊界條件、土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性特性、土-水耦合效應(yīng)等，能夠獲得任一時刻的沉降、水平位移、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化，理論上更為嚴(yán)密，目前已經(jīng)在軟基上筑壩和修路等工程計算分析中［9-11］，但在海濱圍墾造地工程固結(jié)沉降中應(yīng)用還較少。

本文依據(jù)有限元數(shù)值分析理論與方法，以溫州市龍灣區(qū)海濱圍墾造地工程為例，對海濱圍墾造地工程施工期的固結(jié)沉降進行計算分析，并預(yù)測了工程運行過程中的沉降量，可以為同類型工程固結(jié)沉降分析和處理措施提供技術(shù)參考。

2 軟基固結(jié)沉降機理及分析方法

2.1 軟基固結(jié)沉降機理 在飽和軟基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之減少，地基發(fā)生固結(jié)變形，同時隨著超靜水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土強度就逐漸增長。根據(jù)有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力增量為Δσ，有效應(yīng)力增量為Δσ′，孔隙水壓力增量為Δp，三者之間滿足以下關(guān)系：

軟基土層的排水固結(jié)效果與它的排水邊界有關(guān)系。根據(jù)固結(jié)理論，在達(dá)到同一固結(jié)度時，固結(jié)所需要的時間與排水距離的平方成正比。軟黏土層越厚，固結(jié)所需要的時間越長。如果淤泥質(zhì)土層厚度大于10～20m，要達(dá)到較大固結(jié)度U＞80%，所需要的時間要幾年甚至幾十年之久。為了加速固結(jié)，最為有效的方法是在天然土層中增加排水途徑，縮短排水距離，在天然地基中設(shè)置垂向排水體。縮短預(yù)壓工程的預(yù)壓期，在短期內(nèi)達(dá)到較好的固結(jié)效果，使沉降提前完成；加速地基土強度的增長，使地基承載力提高的速率始終大于施工荷載的速率，以保證地基的穩(wěn)定性。

2.2 軟基固結(jié)沉降有限元計算理論 有限單元法一般是采用能準(zhǔn)確反映孔隙壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的Biot固結(jié)理論［12］。該理論包含土體平衡方程、幾何方程、有效應(yīng)力方程、土骨架本構(gòu)方程、Darcy定律和滲流連續(xù)性方程等，寫成如下張量形式：

土體平衡方程：

土體幾何方程：

有效應(yīng)力原理：

Darcy定律：

滲流連續(xù)性方程：

式中：ui為土體位移向量；σij為土體應(yīng)力張量；γi為土體重度向量；εij為土體應(yīng)變張量；Dijkl為土體剛度張量，可以為彈性張量，可以為彈塑性張量；ωi為土體中地下水相對速度向量；H0、H分別為初始水頭和未知水頭。

相應(yīng)的邊界條件和初始條件如下：

位移邊界條件Г1：

應(yīng)力邊界條件Г2：

水頭邊界條件Г3：

流速邊界條件Г4：

位移初始條件：

水頭初始條件：

式（2）—（6）包含了3個未知位移函數(shù)和1個未知水頭函數(shù)，在式（7）—（12）的邊界條件和初始條件下可以求出這些未知函數(shù)，上述即構(gòu)成了軟基固結(jié)沉降有限元計算理論基礎(chǔ)。

3 龍灣區(qū)海濱圍墾造地工程實例

3.1 工程背景 溫州市龍灣區(qū)海濱圍墾造地位于甌江口南側(cè)的東海岸。工程區(qū)域東臨大海，外圍為海濱圍墾工程，南接永興北片圍墾，西靠海濱街道腹地，北與溫州淺灘工程隔江相望。海濱圍墾工程圍涂面積657.3 hm2，工程概算總投資18 146萬元，由海堤（2 841m主堤、1 955m北堤、501m南堤）和水閘（1座排水閘，2座進水閘）組成（如圖1所示）。

通過地質(zhì)勘探獲取了工程區(qū)的軟基分布、地下水位以及土層物理力學(xué)性質(zhì)。在勘探深度范圍內(nèi)為第四系（Q4）沉積土層，主要由淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土等組成，各巖土層的主要特征自上而下分別為（如下圖2所示）：

①-1稀泥：灰棕色、灰褐色、灰黃色，流動狀態(tài)，飽和，由①黏土表層被水浸泡所形成的泥狀土，層厚0.10～0.50 m；①-2黏土：淡棕色、灰棕色，軟塑狀，高壓縮性，干強度高，韌性高，搖振反應(yīng)無，刀切面光滑平整，層厚0.20～1.90m；②-1淤泥：青灰色，流塑狀，具有高壓縮性、高含水率、低抗剪性、高靈敏度、易觸變等特點，層厚1.90～7.00 m；②-2含粉砂淤泥：灰色，呈流塑狀，具有高壓縮性、高含水率、高靈敏度、易觸變等特點，層厚4.70～12.20m；②-3含砂淤泥：青灰色，呈流塑狀，高壓縮性，具有高含水率、高靈敏度、易觸變等特點，層厚11.20～17.40 m；③-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，呈軟塑狀，高壓縮性，具有較高含水率、較高靈敏度等特點，呈鱗片狀結(jié)構(gòu)，層厚6.70～9.80 m；③-2粉質(zhì)黏土：灰色、灰褐色，可塑狀，高壓縮性，干強度中等，韌性中等，層厚6.55～11.80m。

圖1 工程區(qū)域及建模分析位置分布

圖2 典型地質(zhì)剖面各軟土地層分布

從各土層的工程特性可以看出，龍灣區(qū)海濱圍墾工程的基礎(chǔ)土層均為高壓縮性土層，這使得工程在建設(shè)、運行過程中可能會存在較大的沉降，甚至不均勻沉降，因此需要格外關(guān)注工程的沉降變形。

3.2 固結(jié)沉降計算模型及條件 本次固結(jié)沉降計算分析分別針對工程南區(qū)和北區(qū)開展，具體剖面位置參考圖1。南部和北部典型計算剖面如下圖3所示，其中，各典型剖面的堤防采用的是黏土料，南區(qū)典型剖面包含6個亞層：①-2黏土、②-1淤泥、②-2含粉砂淤泥、②-3含砂淤泥、③-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③-2粉質(zhì)黏土；北區(qū)典型剖面包含5個亞層：②-1淤泥、②-2含粉砂淤泥、②-3含砂淤泥、③-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③-2粉質(zhì)黏土。

圖3 典型計算剖面

計算工況：主要對工程區(qū)南部、北部海堤及堤內(nèi)一定范圍（200.0m）的典型斷面在填筑過程以及運行期的應(yīng)力、變形進行計算分析，分別計算堤防填筑、圍墾填土以及1年、4年運行期后軟基礎(chǔ)沉降量。

主要計算工況如下：①工況1：填筑期，堤防分層填筑至頂部高程6.0m；②工況2：填土期，圍墾造地填土至標(biāo)高3.0 m；③工況3：運行期，主要考慮地基排水條件，計算1年后基礎(chǔ)的沉降量；④工況4：運行期，主要考慮地基排水條件，計算4年后基礎(chǔ)的沉降量。

計算條件：計算剖面的左、右邊界考慮為不透水邊界以及位移邊界，剖面的地面考慮為不透水地基以及固定位移邊界。

計算過程中，對各土層采鄧肯-張模型，相應(yīng)的計算參數(shù)參考同類工程經(jīng)驗及相關(guān)試驗結(jié)果，如下表1所示：

表1 各土層的相關(guān)計算參數(shù)

3.3 計算成果分析 工程區(qū)南部堤防典型剖面軟基礎(chǔ)沉降量。各工況下的南部堤防典型剖面軟基沉降計算結(jié)果如下圖4所示：（1）在堤防的分層填筑過程中，軟基礎(chǔ)的沉降量逐漸增加。堤防填筑完成時，其下軟基礎(chǔ)的最大沉降量達(dá)到0.72 m。（2）堤防填筑完成后，堤內(nèi)地基填土加高至標(biāo)高3.00 m后。通過計算，堤防附近軟基礎(chǔ)的新增最大沉降量約0.20m。（3）考慮到龍灣區(qū)海濱圍墾工程軟基礎(chǔ)均為弱透水性、高壓縮性土體，在堤防填筑完成后仍然會在很長的一段時間內(nèi)持續(xù)沉降。通過計算，在堤防、堤內(nèi)填土工程完成后1年內(nèi)，軟基礎(chǔ)的新增最大沉降量達(dá)到0.45m。（4）為預(yù)測工程竣工后一段時間內(nèi)堤防附近軟基礎(chǔ)的新增沉降量，計算過程中還模擬了工程竣工后4年內(nèi)的軟基礎(chǔ)沉降。通過計算，工程竣工運行4年后，軟基礎(chǔ)的新增最大沉降量達(dá)到0.25m。

工程區(qū)北部堤防典型剖面軟基礎(chǔ)沉降量。各工況下的南部堤防典型剖面軟基沉降計算結(jié)果如圖5所示：（1）工況1條件下，堤防的分層填筑完成時，堤防下軟基礎(chǔ)的最大沉降量達(dá)到0.77m。（2）工況2條件下，堤防填筑完成后，堤內(nèi)地基填土加高至標(biāo)高3.00 m時，堤防附近軟基礎(chǔ)的新增最大沉降量約0.22m。（3）工況3條件下，在堤防、堤內(nèi)填土工程完成后1年內(nèi)，軟基礎(chǔ)的新增最大沉降量達(dá)到0.40m。（4）工況4條件下，工程竣工運行4年后，通過計算，軟基礎(chǔ)的新增最大沉降量達(dá)到0.20m。

4 結(jié)論

圖4 工程區(qū)南部堤防典型剖面沉降量計算結(jié)果（單位：m）

圖5 工程區(qū)北部堤防典型剖面沉降量計算結(jié)果（單位：m）

（1）本文依據(jù)有限元數(shù)值分析理論與方法，以溫州市龍灣區(qū)海濱圍墾造地工程為例，對海濱圍墾造地工程施工期的固結(jié)沉降進行了計算分析，并預(yù)測了工程運行過程中的沉降量，預(yù)測結(jié)果與以往工程經(jīng)驗較為符合。（2）濱海地區(qū)圍墾造地工程多涉及深厚軟基的處理，其排水固結(jié)過程比較復(fù)雜，影響因素包括軟土的物理力學(xué)性質(zhì)、土層條件、荷載條件、處理方法及工期等，采用有限元數(shù)值分析方法，可以更加全面地考慮土體的變形特性、邊界條件、土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性特性、土-水耦合效應(yīng)等，能夠獲得任一時刻的沉降、水平位移、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化，可以為同類型工程固結(jié)沉降分析和處理措施提供技術(shù)參考。

［1］ 李樹榮.深厚軟土地基處理方法［J］.科學(xué)技術(shù)：城市建設(shè)，2010（15）：257-259.

［2］ 秦景，趙云，路威，等.濱海軟土區(qū)排水箱涵深基坑工程設(shè)計及施工技術(shù)分析［J］.中國水利水電科學(xué)研究學(xué)院學(xué)報，2013，11（4）：314-319.

［3］ 張福海，王保田，王炳奇，等.大粒徑碎石樁在飽和超軟土地基中的應(yīng)用［J］.河海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，34（4）：430-433.

［4］ 藍(lán)冰，鄧新德.振沖碎石樁在飽和軟土地基處理中的應(yīng)用研究［J］.巖土工程界，2002，5（11）：37-40.

［5］ 沈樓燕，吳國高，熊衍良.塑料排水板排水固結(jié)工藝在尾礦壩軟基處理中的應(yīng)用［J］.有色金屬：礦山部分，2007，6（59）：47-49.

［6］ 朱岳明，陳振雷，吳昕，等.沉井及承重墻軟基建壩方案的計算分析［J］.水利水電科技進展，1995，3（15）：25-30.

［7］ Terzaghi K.Die theorie der hydrodynamisehen gspannum gsercheinungen und ihrerd-bautechnischen anwendungsgebier［C］//Proceeding 1stCongressing Mechanics，1924：288-294.

［8］ Terzaghi K.Theroretical soil mechaniscs［M］.New york：John Wiely and Sons，1943.

［9］ 趙九齋.連云港軟土路基沉降研究［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22（11）:643-649.

［10］ 潘安平，湯涵，牛彤.有限元方法在基礎(chǔ)沉降計算中的應(yīng)用及工程實例［J］.福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，10（33）：260-263.

［11］ 周軍.路堤軟土地基沉降數(shù)值分析［D］.福州：福州大學(xué)，2003.

［12］ 毛成，邱延峻.超寬路堤軟土地基加固的固結(jié)沉降數(shù)值分析［J］.東北公路，2002，3：31-33.

［13］ 王志建，陶太江，廖濟川.軟土地基Biot固結(jié)的一種有限元方法［J］.巖土工程學(xué)報，1990，6（12）：91-98.

Research on consolidation settlement analysis method of deep soft foundation in reclamation projects of coastal region

HU Qunge1，YAN Jun2，WEI Yingqi2，ZHAO Qi3
（1.Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；3.Yunnan Water Conservancy and Hydropower Construction Co.，Ltd，Kunming 650224，China）

s：Deep soft soil foundation always exists in reclamation projects of coastal region.However，the drainage consolidation process of the kind of foundation is more complicated since the impact factors include the physical and mechanical properties of soft soil，soil conditions，loading conditions，processing method and construction period，etc.In this paper，on the basis of theory of finite element numerical method，a reclamation projects of coastal region in Wenzhou Longwan beach is chosen to verify the related applicability.As an example，the consolidation settlement of the projects during construction is calculated and analyzed.And the long-term settlement deformation is forecast.The research results show that the finite element numerical method can be well applied to solve the consolidation settlement problem of the reclamation engineering of coastal region and provide technical reference for treatment measures in similar projects.

coastal region；deep soft foundation；consolidation settlement；numerical analysis

TU476

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.01.011

1672-3031（2016）01-0067-06

（責(zé)任編輯：李 琳）

2015-04-13

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）課題（2014CB047004）；中國水利水電科學(xué)研究院專項（巖基本科研1243）

胡群革（1966-），男，浙江永康人，副教授，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程大壩安全監(jiān)控、水利工程管理技術(shù)等研究。E-mail：475123449@qq.com