小洋山深厚軟基海堤監(jiān)測(cè)成果和數(shù)值模擬

姜永興，楊曉霞，褚高強(qiáng)

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310020)

0 引 言

海堤工程主要興建在軟土地基上，基礎(chǔ)土體含水率高、孔隙比大、滲透系數(shù)小、承載力與抗剪強(qiáng)度低，導(dǎo)致堤防沉降量大、達(dá)到沉降穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng).目前地基沉降理論計(jì)算方法較多，如分層總和法、彈性半空間模型法、切線模量法等，但受制于各種理論計(jì)算方法的局限性，實(shí)際沉降量往往和理論計(jì)算沉降量有較大的差別.這種差別往往引起工程結(jié)算糾紛[1]，沉降量預(yù)估較小時(shí)，造成工后預(yù)留沉降不足，從而加大竣工驗(yàn)收難度、降低工程防潮(洪)能力.本文將實(shí)測(cè)資料與設(shè)計(jì)理所采用的的分層總和法計(jì)算的沉降量進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)利用有限元軟件，對(duì)海堤沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析.

1 工程概況

小洋山圍墾一期工程位于浙江省嵊泗縣境內(nèi)、小洋山島至薄刀嘴之間的海域，地處上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)北側(cè)，圍墾總面積為13.11 km2，海堤全長(zhǎng)3 539 m，設(shè)計(jì)防潮標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，堤頂高程7.3 m，2012年5月開工，2015年5月完工.工程區(qū)域海底泥面呈現(xiàn)南高北低，西端相對(duì)高、東端較低的趨勢(shì)，涂面高程一般為+2.0 m～-6.0 m，坡降約2.0‰.

2 地層巖性

堤基土層主要為第四紀(jì)全新世、晚更新世的松散堆積層，K0+420斷面位置各地基土層的工程地質(zhì)特征如下：

1-2層 灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(QR)：飽和，流塑狀.ω=42.1%～68.6%，γ=15.7～18.6 kN/m3，e=1.041～1.688；頂板標(biāo)高2.1 m，厚5.1 m.

2-1層 灰黃色粉質(zhì)粘土(Q4)：飽和，流塑，局部軟塑.ω=29.8%～37.7%，γ=18.4～19.2 kN/m3，e=0.718～1.047；頂板標(biāo)高-3.0 m，厚2.2 m.

2-2層 灰色砂質(zhì)粉土(Q4)：飽和，松散～稍密.ω=26.0%～32.8%，γ=18.7～19.7 kN/m3，e=0.718～0.918；頂板標(biāo)高-5.2 m，厚3.3 m.

3-2層 灰黃～灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(Q4)：飽和，流塑.ω=34.3%～48.1%，γ=17.2～18.5 kN/m3，e=1.001～1.322；頂板標(biāo)高-8.5 m，厚29.2 m.

4-2層 灰～灰綠色粘土(Q3)：局部灰黃色，飽和，軟塑～可塑.ω=34.6%～43.1%，γ=17.5～18.5 kN/m3，e=1.012～1.342；頂板標(biāo)高-37.7 m，未揭穿.

各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值(見表1).

表1 各土層物理學(xué)指標(biāo)建議值表

3 理論與實(shí)測(cè)沉降量對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告，本工程地基沉降采用分層總和法計(jì)算.軟土地基在荷載作用下，地基總沉降量包括：瞬時(shí)沉降量(Sd)、主固結(jié)沉降(Sc)和次固結(jié)沉降(Ss).總沉降量(S∞)可按下式計(jì)算：

S∞=Sd+Sc+Ss

(1)

由于瞬時(shí)沉降和次固結(jié)沉降難以通過理論計(jì)算獲得，設(shè)計(jì)考慮通過計(jì)算主固結(jié)沉降，再用沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ms修正，將主固結(jié)沉降量計(jì)算結(jié)果用ms修正后作為最終總沉降量.設(shè)計(jì)根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定本工程軟土沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ms=1.3.

本工程共設(shè)置了4個(gè)主控觀測(cè)斷面，其中K0+420斷面沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)比較全面，能夠反映工程施工至完工的全過程沉降變化.此斷面采用分層總和法計(jì)算后，主固結(jié)沉降量為1.57 m，修正后總沉降量(S∞)為2.04 m.

根據(jù)原位觀測(cè)資料，2012年9月～2017年5月，K0+420斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉降量為2.70 m.可見，分層總和法計(jì)算的總沉降量小于實(shí)測(cè)累計(jì)沉降量，根據(jù)實(shí)測(cè)資料利用雙曲線法推測(cè)，最終沉降量為2.90 m，理論計(jì)算與實(shí)測(cè)誤差為29.6%.根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算，分層總和法的沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ms=2.9/1.57=1.85，說明設(shè)計(jì)沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值偏小.

4 有限元模型構(gòu)建

4.1 典型斷面選取

為了便于分析，選擇K0+420斷面為研究對(duì)象.該斷該斷面涂面高程2.1 m，堤頂高程7.3 m，防浪墻頂高程8.5 m，堤頂寬20 m，迎水坡在3.0 m高程設(shè)置14 m寬平臺(tái)，平臺(tái)上、下邊坡均為1 ∶2，坡腳設(shè)置21 m寬拋石鎮(zhèn)壓層.背水坡在5.0 m高程設(shè)置2.0 m寬平臺(tái)，平臺(tái)以上邊坡1 ∶2，以下邊坡1 ∶2.5,坡腳設(shè)充砂管袋.海堤的天然地基采用塑料排水板+土工布+碎石墊層+高強(qiáng)度土工織物進(jìn)行加固處理，排水板間距1.1 m，正方形布置，底標(biāo)高-30 m，堤防典型斷面圖(見圖1).

圖1 堤防典型斷面圖

4.2 排水板簡(jiǎn)化處理

排水板的設(shè)置，從宏觀上講，縮短了土體的排水距離，增加了土體的豎向滲透性，起到加固地基的作用.根據(jù)固結(jié)等效的原則，將塑料排水板看成勻質(zhì)地基，即簡(jiǎn)化成與其滲透系數(shù)相同的天然層地基[2].運(yùn)用Hansbo相關(guān)理論[3-7]進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)多層地基，等效后的滲透系數(shù)調(diào)整系數(shù)為：

(2)

式中：De—單個(gè)的塑料排水板影響區(qū)直徑；

L—為排水板的打設(shè)深度；

khn—多層地基下土體第n層的水平方向和豎直方向的滲透系數(shù)；

kvn—多層地基下土體第n層的水平方向和豎直方向的滲透系數(shù).

μ的取值有三種情況：

(1)不考慮井阻和涂抹時(shí)

(2)涂抹和井阻都考慮時(shí)

(3)只考慮涂抹而不考慮井阻影響時(shí)

其中：n=De/dw；s=ds/dw；

dw—塑料排水板等效排水半徑；

qw—塑料排水板的通水能力；

ks—涂抹區(qū)的水平方向的滲透系數(shù)；

ds—涂抹區(qū)直徑，可取ds=3dm；

dm—芯棒斷面的等效直徑.

本工程K0+420斷面塑料排水板插入深入為32.0 m，排水板寬100 mm，厚4.6 mm，插板機(jī)芯棒114 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，取kh/ks=13.根據(jù)Terzaghi[8]等的建議，不考慮井阻影響，僅考慮考慮涂抹區(qū)的影響.經(jīng)等效處理后，各土層滲透系數(shù)轉(zhuǎn)換表(見表3).

表3 軟土滲透系數(shù)轉(zhuǎn)換表 單位：cm/s

4.3 有限元模型建立

根據(jù)上述典型斷面和排水板簡(jiǎn)化處理，建立有限元模型.模型深度方向取到排水板以下30 m，垂直于堤軸線方向兩側(cè)各取200 m作為模型計(jì)算邊界.模型內(nèi)外海側(cè)施加垂直于堤軸線的水平約束，基礎(chǔ)底面為固定邊界.模型共11 472個(gè)單元，11 552個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型(見圖2).地基土體和堤身土體其本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，固結(jié)計(jì)算采用流固耦合模型.模型參照實(shí)際加載過程，并將連續(xù)加載過程作為一個(gè)加載階段進(jìn)行模擬，簡(jiǎn)化后，模型加載分5級(jí)進(jìn)行，施工加載過程(見表2).

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表2 海堤施工加載情況表

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3為實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬沉降曲線，前期兩者沉降變形曲線十分接近，中后期曲線變化趨勢(shì)基本一致，但數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果大于實(shí)測(cè)值.至2017年5月，沉降板所在位置的沉降量為2.87 m，與實(shí)測(cè)值2.70 m相差17 cm，誤差為6.3%，說明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是比較可靠的.

圖3 實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬沉降曲線圖

5 結(jié) 語

采用分層沉降法計(jì)算堤防總沉降量時(shí)，不能準(zhǔn)確估算瞬間沉降和次固結(jié)沉降，沉降值往往小于實(shí)測(cè)值.用此方法作為海堤沉降控制依據(jù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)留足夠超高，以滿足工后沉降的需要.數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為接近，是一種比較可靠的計(jì)算方法，可以作為類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、結(jié)算等的參考依據(jù).

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