防波堤施工過(guò)程中地基變形及穩(wěn)定性數(shù)值分析

周建鋒 耿瑞巖 丁頁(yè)嶺

(1.無(wú)錫市地震局，江蘇 無(wú)錫 214000； 2.連云港市地震數(shù)據(jù)處理中心，江蘇 連云港 222002； 3.江蘇省地震局，江蘇 南京 210000)

防波堤施工過(guò)程中地基變形及穩(wěn)定性數(shù)值分析

周建鋒1耿瑞巖2丁頁(yè)嶺3

(1.無(wú)錫市地震局，江蘇 無(wú)錫 214000； 2.連云港市地震數(shù)據(jù)處理中心，江蘇 連云港 222002； 3.江蘇省地震局，江蘇 南京 210000)

以堤身填筑過(guò)程引起的地基沉降以及對(duì)邊坡穩(wěn)定影響為研究對(duì)象，使用有限元軟件建立流固耦合數(shù)值分析模型，模擬了某防波堤工程堤身填筑過(guò)程，對(duì)沉降規(guī)律以及邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算分析，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

防波堤，地基沉降，地基水平位移，邊坡穩(wěn)定性

1 研究背景

防波堤施工過(guò)程中會(huì)引起一系列的地基變形，同時(shí)，堤身穩(wěn)定會(huì)在施工過(guò)程中發(fā)生變化，一些學(xué)者據(jù)此展開(kāi)了一些研究。對(duì)于地基變形，通常分為在豎直方向上的沉降和水平方向的位移，例如劉銳等[1]通過(guò)研究監(jiān)測(cè)地基沉降的沉降盤(pán)，對(duì)某防波堤工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的沉降監(jiān)測(cè)，分析了各級(jí)加載階段的沉降變化規(guī)律；郭少龍等[2]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)地基沉降的觀測(cè)，分析了基于MIDAS/GTS軟件建立的地基加固效果研究的數(shù)值模型的可靠性；對(duì)于防波堤穩(wěn)定性計(jì)算，之前研究者們常采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法等，例如路衛(wèi)衛(wèi)[3]采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行防波堤穩(wěn)定計(jì)算，分析了孔隙水壓力及有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化以及對(duì)防波堤穩(wěn)定性的影響；宣廬峻[4]結(jié)合國(guó)外某軟土地質(zhì)條件下的防波堤工程案例,采用基于Biot固結(jié)理論的有限元法模擬整個(gè)防波堤建造過(guò)程的穩(wěn)定與變形分析,并與常規(guī)計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行了比較。因此，建立有限元模型，對(duì)施工過(guò)程中地基變形和整體穩(wěn)定性的計(jì)算，對(duì)保障施工安全有至關(guān)重要的作用。

2 有限元模型

2.1 模型建立

在荷載作用下，土體的超孔隙水壓力逐漸消散，內(nèi)部含水緩慢滲出，體積逐漸減小，有效應(yīng)力在一定范圍內(nèi)逐漸增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為土的固結(jié)。工程實(shí)踐中，軟土的固結(jié)沉降主要發(fā)生在超孔隙水壓力完全消散之前，但在固結(jié)完成(超靜水壓力完全消散)之后，軟土仍產(chǎn)生一定量緩慢的沉降變形，這就是土的蠕變作用。因此，完整的土體沉降應(yīng)該是軟土固結(jié)沉降與軟土蠕變共同作用的結(jié)果。固結(jié)基本方程基于比奧(Biot)理論，滲流問(wèn)題采用達(dá)西(Darcy)定理，基于小應(yīng)變理論，假設(shè)土體骨架彈性變形[5,6]。根據(jù)太沙基(Terzaghi)原理，土體中的應(yīng)力分為有效應(yīng)力和孔隙壓力：

σ=σ′+m×(Psteady+Pexcess)

(1)

其中，σ=(σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σzx)T;m=(1,1,1,0,0,0)T,m包含單位正應(yīng)力分量和零剪應(yīng)力分量的矢量；σ為總應(yīng)力矢量；σ′為有效應(yīng)力；Pexcess為超孔隙水壓力；固結(jié)過(guò)程最終的穩(wěn)態(tài)解表示為Psteady。

2.2 三維簡(jiǎn)化

由于塑料排水板的形狀比較特殊，在理論分析過(guò)程中存在一定困難，一般將塑料排水板換算為等周長(zhǎng)的圓截面排水體——等效砂井[7]。

塑料排水板在平面上按等邊三角形布置，其有效排水范圍為正六邊形，該有效范圍內(nèi)的水通過(guò)位于其中的排水體排出。在進(jìn)行固結(jié)分析時(shí)，將每個(gè)排水體的影響范圍轉(zhuǎn)換為一個(gè)等面積的圓[8]，以方便計(jì)算。

砂井地基的工作狀態(tài)是三維的。由于砂井布置比較密集，需劃分的單元數(shù)目很多，導(dǎo)致模型計(jì)算量非常大，降低了計(jì)算效率，因此把三維砂井轉(zhuǎn)換為二維來(lái)研究。轉(zhuǎn)換的前提是保證前后固結(jié)度與平均孔壓不變，首先增大砂井的間距，以減少單元數(shù)目，從而減少計(jì)算量；然后用沿著縱向連續(xù)分布的砂墻替換有一定間隔的砂井，即把原來(lái)的砂井地基轉(zhuǎn)變成了砂墻地基[9]。根據(jù)Barron理論，考慮井阻和涂抹作用的影響，只要調(diào)整滲透系數(shù)即可保證砂井與砂墻等效。

經(jīng)過(guò)兩次簡(jiǎn)化后，三維的塑料排水板將用一排排二維的砂墻地基代替，這極大提高了運(yùn)算效率。

2.3 數(shù)值模型

考慮到防波堤整體長(zhǎng)度達(dá)5 km左右，各斷面為典型的平面應(yīng)變問(wèn)題，因此在防波堤上取一典型斷面進(jìn)行平面應(yīng)變建模分析。所建立的典型數(shù)值分析模型如圖1所示。

根據(jù)施工進(jìn)度安排，模擬了在設(shè)計(jì)低水位(-0.10 m)條件下研究斷面的以下幾個(gè)過(guò)程：施打塑料排水板、鋪設(shè)土工格柵、鋪設(shè)二片石、拋填堤心石至第一加載分界線(xiàn)，拋填堤心石和墊層石至第二加載分界線(xiàn)，拋填堤心石、墊層石和護(hù)面塊體至堤頂。

3 結(jié)果分析

圖2～圖4為計(jì)算結(jié)果云圖。按照施工過(guò)程，進(jìn)行各個(gè)填筑階段的總體豎直沉降、水平位移、超孔隙水壓力計(jì)算，同時(shí)，對(duì)坡腳穩(wěn)定性進(jìn)行分析。經(jīng)長(zhǎng)期排水固結(jié)，達(dá)到最終沉降基本穩(wěn)定時(shí)(最大超靜孔壓小于10 kPa)，累計(jì)沉降量約為1 040 mm，工后沉降184.3 mm。

3.1 第一階段堤身填筑

在排水板施工完成并鋪設(shè)土工格柵后，拋填0.5 m厚的二片石。二片石鋪設(shè)后，維持穩(wěn)定一段時(shí)間使地基土體排水固結(jié)沉降，共歷時(shí)6 d，此間最大沉降為9.3 mm，沉降速率約為1.55 mm/d，最大超靜孔壓為5.28 kPa。

第一階段堤身填筑至標(biāo)高-5.9 m，本級(jí)填筑高度2.1 m，累計(jì)填筑高度2.6 m，填筑后維持穩(wěn)定40 d，使土體排水固結(jié)。此間本級(jí)沉降量為117.9 mm，最大累計(jì)沉降量約為127.2 mm，本級(jí)沉降速率為2.87 mm/d，累計(jì)平均沉降速率為2.71 mm/d，剛填筑至指定標(biāo)高時(shí)超靜孔壓約為23.2 kPa，堤身坡腳穩(wěn)定安全系數(shù)為6.0，固結(jié)沉降后最大超靜孔壓降低為17.4 kPa，堤身填筑第一階段累計(jì)水平位移分布如圖2所示。

3.2 第二階段堤身填筑

第二階段堤身填筑至標(biāo)高-2.26 m，本級(jí)填筑高度3.64 m，累計(jì)填筑高度6.24 m，填筑后維持穩(wěn)定100 d，使土體排水固結(jié)。此間本級(jí)沉降量為316.2 mm，最大累計(jì)沉降量約為443.3 mm，本級(jí)沉降速率為3.13 mm/d，累計(jì)平均沉降速率為2.99 mm/d，剛填筑至指定標(biāo)高時(shí)超靜孔壓約為51.8 kPa，堤身坡腳穩(wěn)定安全系數(shù)為2.59，固結(jié)沉降后最大超靜孔壓降低為28.7 kPa，堤身填筑第二階段累計(jì)水平位移分布如圖3所示。

3.3 第三階段堤身填筑

第三階段堤身填筑至標(biāo)高+5 m，本級(jí)填筑高度7.26 m，累計(jì)填筑高度13.5 m，填筑后維持穩(wěn)定使土體排水固結(jié)。按30 d完成本級(jí)填筑，完成時(shí)本級(jí)沉降量為412.4 mm，最大累計(jì)沉降量約855.7 mm，本級(jí)沉降速率13.7 mm/d，累計(jì)平均沉降速率4.81 mm/d，

剛填筑至指定標(biāo)高時(shí)超靜孔壓約為52.6 kPa，堤身坡腳穩(wěn)定安全系數(shù)1.35。經(jīng)一年排水固結(jié)沉降后，最大超靜孔壓降低為36.5 kPa，最大累計(jì)沉降為922.1 mm，一年工后沉降為66.4 mm。堤身填筑第三階段累計(jì)水平位移分布如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

建立有限元流固耦合模型，對(duì)某防波堤施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，選取典型斷面進(jìn)行了固結(jié)沉降、水平位移、超孔隙水壓力和整體穩(wěn)定的計(jì)算和分析，主要結(jié)論如下：

1)隨著堤身的填筑，地基沉降逐漸增大，沉降速率也逐步增大，最大沉降速率出現(xiàn)在第三級(jí)填筑階段，計(jì)算斷面的最大沉降速率為1.37 cm/d，研究斷面的最大沉降為1.04 m。

2)由于施打塑料排水板，防波堤在填筑施工完成時(shí)固結(jié)度在80%左右，在施工完成一年后固結(jié)度在86%左右，達(dá)到最終穩(wěn)定(最大超靜孔壓小于10 kPa)約需要2 548 d。

3)隨防波堤填筑高度的增大，堤身整體穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變小，在設(shè)計(jì)低水位時(shí)第三級(jí)填筑完成后堤身整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，其值約為1.3，滿(mǎn)足規(guī)范要求(1.3～1.5)，防波堤整體穩(wěn)定基本滿(mǎn)足要求，但在實(shí)際填筑過(guò)程中需密切關(guān)注堤身變形，控制填筑速度。

4)隨防波堤填筑高度的增大，堤身整體穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變小，在第三級(jí)填筑完成后堤身整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，約為1.3，滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，防波堤整體穩(wěn)定基本滿(mǎn)足要求，但在實(shí)際填筑過(guò)程中需密切關(guān)注堤身變形，控制填筑速度。

[1] 劉 銳,徐振坤,張秀勇，等.東營(yíng)港北防波堤工程沉降位移分析[J].港口科技,2016(8):9-14.

[2] 郭少龍,蔣學(xué)煉,鹿 群，等.防波堤工程軟土地基排水固結(jié)處理的數(shù)值分析[J].土工基礎(chǔ),2012,26(6)：88-91.

[3] 路衛(wèi)衛(wèi).PLAXIS在防波堤穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2014(4):40-42,62.

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Numerical analysis of foundation deformation and stability in breakwater construction

Zhou Jianfeng1Geng Ruiyan2Ding Yeling3

(1.WuxiSeismologicalBureau,Wuxi214000,China; 2.LianyungangSeismicDataProcessCenter,Lianyungang222002,China; 3.JiangsuSeismologicalBureau,Nanjing210000,China)

Taking the foundation settlement caused by embankment construction process and the influence to slope stability as the research object, this dissertation simulates one certain breakwater construction processes and numerically analyses the foundation deformation and slope stability by means of finite element numerical analysis model of fluid structure interaction, so as to provide reference for site construction.

breakwater, foundation settlement, foundation water level, slope stability

1009-6825(2017)20-0062-02

2017-04-19

周建鋒(1978- )，男，工程師; 耿瑞巖(1978- )，男，助理工程師; 丁頁(yè)嶺(1981- )，女，工程師

TU441.6

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