軟土堤基固結(jié)沉降預(yù)測的數(shù)值仿真分析

陳偉

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

青草沙水庫位于長江口南北港分流口附近，水庫圍堤基礎(chǔ)為軟土堤基，土體具有孔隙率大、壓縮性大、含水量大、滲透系數(shù)小、水分不易排出、沉陷大等特點(diǎn)，水庫圍堤的固結(jié)沉降需要持續(xù)多年才能完成，因此，預(yù)測準(zhǔn)確水庫圍堤的固結(jié)沉降對水庫的穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。

1 計(jì)算理論與方法

1.1 計(jì)算理論

利用多孔介質(zhì)模型來模擬孔隙水壓力不斷消散，堤基不斷固結(jié)沉降，其主要微分控制方程[1]如下：

總（Cauchy）應(yīng)力微分控制方程：

其中：Pf為孔隙水壓力；Ciejkl為第四階彈性張量；為彈性應(yīng)變張量；δ為Kronecker增量。ij

微可壓縮流體的連續(xù)性條件，其流量必須滿足：

其中：k為多孔介質(zhì)的滲透矩陣；εii為多孔介質(zhì)的骨架的體積應(yīng)變；n為土體的孔隙率；Kf流體體積模量。

1.2 計(jì)算方法

水庫東堤的土方加載在計(jì)算過程中是采用單元生死來控制堤身填筑速度，在整個土方加載期假定堤身填筑均勻上升，整個有限元仿真的計(jì)算周期為50年，土方加載期的計(jì)算步長為1 d。在土方加載期結(jié)束之后，在堤身自重的長期作用下，由于堤基的沉降速度不斷減緩，為了有效利用計(jì)算資源，采用逐步加大步長的方式來控制。

堤基在長期重力作用下，沉降基本已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，因此堤基必須先進(jìn)行地應(yīng)力平衡的計(jì)算，消除堤基初始沉降的影響，然后再進(jìn)行土方加載期堤身均勻填筑上升及孔隙水壓力不斷消散的計(jì)算，堤基表面設(shè)定為排水邊界，堤基兩側(cè)及底邊設(shè)置不排水邊界，通過不斷迭代計(jì)算直到堤基沉降完畢。

2 有限元計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 有限元計(jì)算模型

水庫圍堤地基的取值范圍為上、下游各100 m，堤基深度為60 m，坐標(biāo)原點(diǎn)位于堤頂?shù)淖髠?cè)，有限元模型共分5個單元組，3 578個單元，3 711個單元節(jié)點(diǎn)。

2.2 計(jì)算參數(shù)

水庫堤基通過打設(shè)塑料排水板來加固軟基，其布置塑料排水板[2]長20 m，間距1.4 m，塑料排水板主要是用來縮短土體排水距離，以達(dá)到加速排水固結(jié)的目的；若增加土體的滲透系數(shù)，同樣可以達(dá)到加速土體排水固結(jié)。因此，根據(jù)固結(jié)度等效[3]的原則，得出與有塑料排水板等效的豎向滲透系數(shù)，將用塑料排水板加固的地基簡化成滲透系數(shù)較大的天然層狀地基進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。

東堤堤基各土層、堤身土體的物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 東堤各土層、堤身物理力學(xué)參數(shù)匯總表

3 堤基固結(jié)沉降仿真計(jì)算成果分析

3.1 堤基固結(jié)沉降

東堤的堤身土方加載期為18個月，在18個月的均勻填筑上升的過程中，水庫圍堤建基面與堤頂中心線的交界處為下述典型點(diǎn)位置，選擇堤身填筑施工完畢工后50年的固結(jié)沉降云圖見圖1。

圖1 工后50年堤基固結(jié)沉降位移云圖

圖2 堤基典型點(diǎn)固結(jié)沉降位移歷時曲線圖（工后前10年）

選擇土方加載期[4]結(jié)束時，工后1年、2年、3年、5年、10年、50年的水庫圍堤堤基典型點(diǎn)的固結(jié)沉降值匯總于表2。

表2 各個典型時間點(diǎn)堤基典型點(diǎn)沉降值匯總表

根據(jù)圖2、表2可以看出，堤基沉降最大值發(fā)生在建基面與堤頂中心線的交界處，堤基沉降速度先快后慢，堤身兩側(cè)變形相對中間部位逐漸減小，典型點(diǎn)在土方加載期結(jié)束后的殘余變形為0.144 m，占總沉降值的8%，工后10年堤基沉降達(dá)到100%，在此時間段內(nèi)完成固結(jié)排水及沉降，堤基達(dá)到穩(wěn)定。

3.2 堤基固結(jié)沉降對比分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測堤基固結(jié)沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元仿真計(jì)算的固結(jié)沉降數(shù)據(jù)，繪制兩條沉降歷時對比曲線見圖3。

圖3 堤基仿真計(jì)算與監(jiān)測固結(jié)沉降位移曲線歷時曲線對比圖（工后前10年）

采用多孔介質(zhì)本構(gòu)模型有限元仿真計(jì)算的堤基固結(jié)沉降值，與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基本規(guī)律一致，固結(jié)沉降過程中數(shù)值基本相當(dāng)，吻合性較好。因此，可以利用有限元仿真計(jì)算的數(shù)值結(jié)果來預(yù)測水庫堤基的固結(jié)沉降。

4 結(jié)語

上文基于多孔介質(zhì)本構(gòu)模型,精細(xì)地建立了水庫圍堤及堤基相互作用的有限模型，充分考慮孔隙水壓力與土體變形之間的關(guān)系，模擬軟土堤基中孔隙水壓力不斷消散，孔隙水不斷通過塑料排水帶排出，需持續(xù)多年的軟土堤基固結(jié)沉降不斷進(jìn)行[5]；將數(shù)值仿真計(jì)算與堤防中埋設(shè)的監(jiān)測儀器測得固結(jié)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，水庫圍堤堤基的固結(jié)沉降仿真計(jì)算成果可對水庫堤基固結(jié)沉降做較為準(zhǔn)確的預(yù)測，研究分析成果可供同類水庫圍堤工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理作科學(xué)地參考。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］Britto,A.M.and Gunn,M.J.,Critical state soil mechanics via finite elements［J］,Ellis Horwood Limited,1987.

［2］許俊超，童小東，潘衛(wèi)東.基于固結(jié)度等效的軟土地基沉降預(yù)測方法探討［J］.路基工程，2006（05）：78—79.

［3］瞿路佳，郭素明，王鵬.雙層套管塑料排水板在洋山深水港四期東圍堤工程中的應(yīng)用［J］.水運(yùn)工程，2015（12）：166—168.

［4］楊永強(qiáng)，徐超，楊陽.吹填軟基固結(jié)沉降數(shù)值分析及參數(shù)反演［J］.中山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（09）：155—158.

［5］趙蕾，陳筠，鄔忠虎，劉磊磊.基于ABAQUS的紅黏土地基排水固結(jié)沉降分析［J］.長江科學(xué)院院報，2015（02）：103—106.