海水位上升條件下軟土地基豎向位移數(shù)值模擬分析

楊 逾,袁 杰,王樹達(dá)

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

在過(guò)去的幾十年里，潮汐所產(chǎn)生的效應(yīng)一直受到相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注，關(guān)于潮汐產(chǎn)生能量的利用已取得了顯著的成果，例如潮汐發(fā)電站的應(yīng)用遍布各地。專家學(xué)者們對(duì)地基受潮汐作用的影響及軟土地基加固處理技術(shù)這一問(wèn)題的研究從未停步。潮汐對(duì)地基的影響主要表現(xiàn)在漲潮過(guò)程中海水水位不斷上升導(dǎo)致地基中土體孔隙率提升，孔隙水壓力增大，地基固結(jié)度增加，嚴(yán)重情況甚至威脅到地基的穩(wěn)定。自1856年達(dá)西(Darcy)經(jīng)大量的試驗(yàn)研究總結(jié)出滲透能量損失與滲流速度之間的關(guān)系定律以來(lái)，滲流力學(xué)在各個(gè)工程領(lǐng)域都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在實(shí)際應(yīng)用中取得顯著成效[1～6]。劉杰等[7]依據(jù)國(guó)內(nèi)外巖土滲流參數(shù)反問(wèn)題研究現(xiàn)狀，對(duì)參數(shù)辨識(shí)不適定性展開(kāi)討論，并提出初淺看法；劉占芳、劉全虎等[8]依據(jù)混合物理論的兩相多孔介質(zhì)理論，充分考慮固結(jié)過(guò)程中的水土耦合作用，通過(guò)建立數(shù)值模型，對(duì)飽和軟土的彈塑性固結(jié)沉降過(guò)程進(jìn)行分析研究；趙瑜、李曉紅等[9]通過(guò)數(shù)值模擬，基于現(xiàn)代分形理論，分析了地下水在巖體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；張冬梅、張印等[10]基于復(fù)變函數(shù)的映射變換，分析了不同滲流條件下孔隙水壓力分布及地層和隧道長(zhǎng)期沉降發(fā)展規(guī)律；董建軍等[11]研究了隨河水水位上升，河水徑向滲流對(duì)河岸基坑及土體位移規(guī)律；楊天鴻等[12]總結(jié)了破碎巖體滲流突水的研究現(xiàn)狀，得出破碎巖石滲流規(guī)律。但就在海水漲潮過(guò)程中，滲流作用對(duì)經(jīng)加固后地基的影響鮮有研究。

采用數(shù)值模擬對(duì)經(jīng)加固后的地基進(jìn)行反演預(yù)測(cè)可能會(huì)存在土性參數(shù)選取不夠精確，土層分布與實(shí)際情況存在差異等情況，但通過(guò)模擬，利用已有數(shù)據(jù)和相似模擬實(shí)驗(yàn)等相關(guān)資料，建立合理的數(shù)值模擬模型，通過(guò)不斷修正與改進(jìn)，對(duì)未來(lái)幾年甚至十幾年的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，給實(shí)際施工方案提供依據(jù)和施工思路。本文以深圳市某填海區(qū)為例，針對(duì)軟土地基選取一種加固措施，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定各土層土性參數(shù)，以FLAC3D軟件為平臺(tái)就地基在加固后受滲流作用的情況進(jìn)行模擬，對(duì)地基豎向位移進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析了隨海水水位上升，滲流作用對(duì)地基豎向位移的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)際工程的地基沉降問(wèn)題提供有益的借鑒和研究依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

深圳市后海灣填海區(qū)總計(jì)劃面積達(dá)4.2 km2，填海區(qū)原地質(zhì)條件為海相沉積帶，場(chǎng)地淤泥面標(biāo)高為-0.50～1.50 m，并沿滲流方向緩慢降低，海水平均深度2.7 m，最高潮位為1.8 m，平均高潮位0.3 m，最低潮位-2.23 m，平均低潮位為-1.06 m，大多數(shù)的淤泥面出現(xiàn)在低潮位，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土性參數(shù)見(jiàn)表1。

軟土地基具有含水率高、滲透系數(shù)小、承載能力差等特點(diǎn)，沿岸土體表現(xiàn)更為明顯，導(dǎo)致軟土地基的加固難度大大提升。后海灣地區(qū)由于受潮汐對(duì)地下水位的影響，軟土在含水量高時(shí)極易發(fā)生壓縮變形，引起基礎(chǔ)較大沉降，從而影響地基的穩(wěn)定性。為提高地基承載力，施工中常常采用對(duì)地基進(jìn)行加固的方法力求降低沉降對(duì)土體的影響。軟土地基加固方法主要是強(qiáng)致密實(shí)、化學(xué)加固換置墊層、排水固結(jié)、四大類措施。傳統(tǒng)夯實(shí)法施工，機(jī)器產(chǎn)生的噪音較大，引起的振動(dòng)更有可能造成周圍居民的不適；化學(xué)加固法成本高，施工要求嚴(yán)格，不適宜大面積施工；換置墊層法對(duì)于荷載不大的建筑物地基更為有效。根據(jù)后海灣地區(qū)地形、地質(zhì)、地貌情況，由于占地范圍廣、區(qū)域劃分多，需要大量填方材料，考慮到淤泥層和人工填土層，結(jié)合軟土地基加固方式及工程、水文地質(zhì)條件，應(yīng)采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法對(duì)軟土地基進(jìn)行加固[13-14]。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法是通過(guò)在軟土地基中打設(shè)豎向排水通道(PVD)，并在軟土地基土體通過(guò)真空泵施加負(fù)壓，將軟土地基內(nèi)部水、氣排出，加速軟土地基的固結(jié)速率，達(dá)到提升地基承載力的目的。在荷載作用下，土體孔隙率減低，地基發(fā)生沉降，土體強(qiáng)度得以提高，地基承載力得到顯著提升。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固機(jī)理為：排水固結(jié)作用、軟土再固結(jié)作用、壓密作用。其中，施工期180天，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓期180天，卸載期30天，驗(yàn)收期30天。施工示意圖如圖1所示。

圖1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined vacuum and surcharge preloading

土層名稱含水率/%重度/(kN·m-3)孔隙比內(nèi)摩擦角/(°)壓縮模量/kPa滲透系數(shù)/(m·s-1)填土30.517.70.965204.697.83×10-7淤泥質(zhì)砂53.916.21.617251.2579.34×10-7砂質(zhì)黏土50.317.11.435302.843.17×10-19

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)

以填海區(qū)某試驗(yàn)段位置采取的土樣為原樣，加工試件規(guī)格Φ×H(直徑×高度)為50 mm×100 mm，試樣分3組，每組制備場(chǎng)區(qū)不同土層試件5個(gè)，共計(jì)15個(gè)試件，為盡可能真實(shí)的還原填海區(qū)地質(zhì)情況，將試樣分別在不同的圍壓下固結(jié)穩(wěn)定，施加不同的圍壓目的在于針對(duì)不同的深度。

試驗(yàn)得出地基經(jīng)加固后各土層土性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 加固后土性參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of the strengthened soil

2 滲流作用下數(shù)值模擬

2.1 模型建立假定

潮汐對(duì)地基的作用為非穩(wěn)定滲流，即在滲透過(guò)程中，水頭和流速均隨時(shí)間發(fā)生變化。數(shù)值模型建立時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，便于研究工程實(shí)際問(wèn)題，作出如下五個(gè)假定：

(1)地基中各土層沿其長(zhǎng)度方向是等厚度的；

(2)地基中各土層均為各向同性的均質(zhì)體；

(3)各土層中的滲流均符合達(dá)西(Darcy)定律；

(4)考慮到地基中相鄰?fù)翆又g的水量交換不大，可忽略不計(jì)；

(5)不考慮土和水的壓縮性。

2.2 滲流理論

1856年，達(dá)西(Darcy)在裝滿砂的圓桶中進(jìn)行試驗(yàn)，得出：

(1)

式中：V——斷面平均流速(cm2)；

Q——流量(cm3·m-1)；

A——垂直于水流方向的過(guò)流斷面面積；

K——滲透系數(shù)；

J——水力梯度(cm·m-1)。

1950年，雅各布(Jacob)提出土和水均為彈性體可壓縮，并經(jīng)推導(dǎo)得出：

式中：α——土體壓縮系數(shù);

β——水壓縮系數(shù)。

(3)

式中:μs——貯水系數(shù)。

2.3 模型建立

取填海區(qū)試驗(yàn)段某位置建立三維可視化模型，模型的長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)置為140 m、140 m、18 m。按場(chǎng)區(qū)條件整個(gè)模型分：第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、第四系全新統(tǒng)海相沉積層、人工填土層共取3個(gè)層位。模型豎向施加自重應(yīng)力，頂面為應(yīng)力邊界，底面施加約束，模型兩側(cè)面設(shè)置為自由邊界。除施加自重產(chǎn)生的側(cè)壓以外，還施加了具有一定梯度的水平應(yīng)力，將室內(nèi)試驗(yàn)得出的土性參數(shù)進(jìn)行折減[15]，調(diào)整為適用于模擬的力學(xué)參數(shù)，模型初始平衡采用Mohr-Coulomp模型進(jìn)行計(jì)算，非穩(wěn)定滲流模擬過(guò)程中，建立Drucker-Prager彈塑型模型，采用顯示滲流算法，并通過(guò)編輯fish語(yǔ)言模擬潮汐的漲潮過(guò)程，以每天2∶00和14∶00為漲潮時(shí)間，編譯流體時(shí)間(fluid flow time)、流體時(shí)間步(fluid flow timesteo)及不平衡流體變化率(current unbanlanced fluid flow ratio)控制時(shí)間參數(shù)，忽略土和水本身的壓縮性，滲流模擬流程見(jiàn)圖2。

圖2 滲流模擬流程圖Fig.2 Flowchart of seepage simulation

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

設(shè)置孔壓邊界條件，模擬在初始水位和水位上升的0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m共七種情況下，滲流力對(duì)地基的影響。

(1)孔隙水壓力

在漲潮時(shí)，隨水位上升孔隙水壓力的變化過(guò)程如圖3所示。從圖3中可以看出，在初始水位時(shí)，地基保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)水位上升0.3 m時(shí)，孔壓值有聚增現(xiàn)象，在隨后的水位上升過(guò)程中，孔隙水壓力逐漸趨于平穩(wěn)。最大孔隙水壓力出現(xiàn)在地基臨水面下部距地表5 m以下的范圍內(nèi)，水位突然上升時(shí)，地基內(nèi)外水頭差增大?？紫端畨毫﹄S地基深度的增加而增大。

圖3 土體孔隙水壓力云圖Fig.3 Contour of pore pressure of soil

(2)土體沉降

在漲潮時(shí)，隨水位上升地基豎向位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，初始水位時(shí)，地基保持穩(wěn)定狀態(tài)，最大豎向位移出現(xiàn)在地基臨水面坡頂處，并沿滲流方向呈階梯式遞減；水位上升過(guò)程中，豎向位移逐漸增大直至趨于平穩(wěn)。

圖4 土體豎向位移云圖Fig.4 Contour of vertical displacement of soil

3 地基豎向位移分析

3.1 土體應(yīng)力

土體應(yīng)力的變化能夠反映地基的穩(wěn)定狀態(tài)，土體應(yīng)力隨水位上升的變化規(guī)律如圖5所示。圖5(a)顯示了土體最大剪應(yīng)力隨水位上升的變化規(guī)律。在水位上升0.3 m至0.9 m過(guò)程中，滲流作用對(duì)剪應(yīng)力影響顯著，剪應(yīng)力增量與初始水位相比變化較大；在水位上升0.9 m至1.8 m的過(guò)程中，雖然剪應(yīng)力繼續(xù)增大，但增量逐漸減小直至趨于平穩(wěn)。

圖5(b)顯示了地基最大水平應(yīng)力隨水位上升的變化規(guī)律。在地基斜坡坡頂，會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。相對(duì)于初始水位，水位上升0.3 m時(shí)，最大水平應(yīng)力增加最為明顯; 在水位上升0.3 m至1.8 m的過(guò)程中，最大水平應(yīng)力基本呈線性增加。

圖5 土體應(yīng)力曲線Fig.5 Stress curve of soil

3.2 土體沉降

地基沉降超過(guò)一定范圍時(shí)，基礎(chǔ)因受到影響會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，因此，應(yīng)著重考慮沉降對(duì)土體的影響。地基沉降與水位高度密切相關(guān)，在漲潮過(guò)程中，水位不斷升高，滲流力逐漸加大，地表沉降相對(duì)顯著，初時(shí)曲線斜率大，而之后的曲線斜率逐漸減小至趨于平緩。

圖6顯示了漲潮時(shí)水位不斷上升直至最高潮位1.8 m時(shí)土體最大豎向位移變化規(guī)律。初始水位時(shí)土體的沉降量趨于穩(wěn)定；由初始水位上升至0.6 m過(guò)程中，豎向位移變化較大；在水位由0.6 m上升至1.8 m的過(guò)程中，豎向位移呈緩慢增加趨勢(shì)。

圖6 土體最大豎向位移Fig.6 Maximum vertical displacement of soil

本文收集了填海區(qū)某試驗(yàn)段地基處理工程中隨水位上升實(shí)測(cè)沉降量的變化曲線，并與模擬值對(duì)比，從圖7中可以看出數(shù)值模擬的地基沉降速率與實(shí)測(cè)中的地基沉降速率較為接近且沉降量相差無(wú)幾。

圖7 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)的對(duì)比沉降Fig.7 Displacement of numerical simulation and the measured displacement

3.3 土體固結(jié)系數(shù)

地基經(jīng)加固后，土體由超固結(jié)狀態(tài)(OCR>1)轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d回彈及之后的次固結(jié)沉降，通過(guò)確定固結(jié)系數(shù)對(duì)次固結(jié)沉降量進(jìn)行估算[16]。在滲流作用下，土體空隙中的自由水由于流動(dòng)，致使土體孔隙體積發(fā)生變化；隨著固結(jié)壓力增大，超靜孔隙水壓力增大，促進(jìn)孔隙水的滲透；當(dāng)土體固結(jié)到一定程度后，滲透系數(shù)趨于一定值，致使其固結(jié)系數(shù)不再發(fā)生變化。

(4)

式中:Cv——土的固結(jié)系數(shù)(cm2/s);

k——滲透系數(shù);

γw——水的重度，一般近似值等于10.0 kN/m3;

e——天然孔隙比;

a——壓縮系數(shù)。

圖8 固結(jié)系數(shù)Fig.8 Coefficient of consolidation

不同水位條件下的土體固結(jié)系數(shù)如圖8所示。從圖8中可以看出，在初始水位上升至0.3 m過(guò)程中，固結(jié)系數(shù)明顯增加，滲流作用對(duì)地基影響最大；在水位上升0.3 m至1.8 m的過(guò)程中，固結(jié)系數(shù)趨于一定值。

結(jié)合實(shí)測(cè)資料，根據(jù)對(duì)地基豎向位移變形的規(guī)律及特點(diǎn)分析，總結(jié)出地基豎向位移變化基本上會(huì)經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程：在初始水位時(shí)，地基處于平衡狀態(tài)，豎向位移保持在一定水平，僅發(fā)生微小波動(dòng)；隨漲潮時(shí)間的增加，海水水位不斷上升，孔隙水壓力增大，土體的豎向位移隨時(shí)間的推移而持續(xù)增加，沉降速率趨于平穩(wěn)，土體固結(jié)系數(shù)逐漸增大至一定值；當(dāng)水位最高值時(shí)，沉降達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)地基豎向位移為地基最大豎向位移。因此，可認(rèn)為地基在沉降變化過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷“平衡—發(fā)展—極限”三個(gè)階段。

4 結(jié)論

(1)地基有多種加固方式，應(yīng)因地制宜，根據(jù)具體情況具體分析。本文針對(duì)填海區(qū)地基的實(shí)際水文地質(zhì)情況，對(duì)強(qiáng)致密實(shí)、化學(xué)加固換置墊層、排水固結(jié)、四大類措施進(jìn)行比較，選擇了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法對(duì)地基加固，并對(duì)該方法的作用機(jī)理和施工方法進(jìn)行了研究。

(2)在水位上升過(guò)程中，通過(guò)數(shù)值模擬得出孔隙水壓力沿滲流方向呈階梯式遞減，不同水位峰值均出現(xiàn)在地基臨水面坡頂處，土體應(yīng)力初期變化顯著，后期趨于平穩(wěn)。

(3)通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬，得出不同時(shí)間段地基沉降量，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，得出模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值基本一致，在規(guī)定允許變形范圍內(nèi)，可以認(rèn)為數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)地基的豎向位移。

(4)地基在沉降變化過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷“平衡—發(fā)展—極限”三個(gè)階段。且本次地基處理方案的選取及對(duì)其加固后受海水水位上升作用影響的分析處于科學(xué)、合理和可控狀態(tài)。