細(xì)陂河堤防淤泥質(zhì)地基沉降特性模擬分析

(廣州筑正工程建設(shè)管理有限公司，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

細(xì)陂河是一條跨蘿崗區(qū)、黃埔區(qū)和增城市的河流，上中游流經(jīng)蘿崗區(qū)和黃埔區(qū)的工業(yè)區(qū)，下游流經(jīng)增城市新塘鎮(zhèn)，屬于溫涌的一級(jí)支流，東江北干流的二級(jí)支流。細(xì)陂河發(fā)源于蘿崗區(qū)尖塔山長(zhǎng)坑分水嶺，細(xì)陂河與牛屎圳匯合后稱(chēng)水南涌，往東流至夏浦，與鳳凰水匯合后分流至溫涌和水南支涌左右兩條河涌。溫涌自北向南流經(jīng)圳坦、糖寮尾，于西洲建材廠(chǎng)流入東江北干流，溫涌涌口設(shè)有石瀝口水閘。水南支涌向西南方向彎曲流過(guò)新塘鎮(zhèn)，過(guò)水南水閘流入黃埔區(qū)，流經(jīng)南崗物流基地南側(cè)，于南崗河口附近匯入東江。溫涌流域總面積40.93km2，其中細(xì)陂河流域面積13.13km2(黃埔區(qū)境內(nèi)流域面積1.29km2)，黃埔境內(nèi)細(xì)陂河流域呈狹長(zhǎng)形。黃埔區(qū)細(xì)陂河整治的任務(wù)是以城市防洪、排澇為主，兼顧河涌沿岸的環(huán)境美化、城市發(fā)展、旅游景觀(guān)、生態(tài)保護(hù)等多種功能進(jìn)行綜合整治。細(xì)陂河全長(zhǎng)11.01km(黃埔區(qū)境內(nèi)長(zhǎng)約3.3km)，此次細(xì)陂河整治工程的起點(diǎn)為廣深公路 (黃埔區(qū)與增城市的分界線(xiàn))，終點(diǎn)為廣深高速公路下游200m(黃埔區(qū)與蘿崗區(qū)的分界線(xiàn))，細(xì)陂河按20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治，其中右岸整治長(zhǎng)度3501m，左岸整治長(zhǎng)度3311m，堤防工程級(jí)別4級(jí)，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。堤基主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂等，強(qiáng)度低。

由于堤基范圍內(nèi)存在淤泥、淤泥質(zhì)土，存在不均勻沉降問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致堤防變形過(guò)大，甚至破壞[1-5]。因此，選取該段河道治理工程中有代表性的水閘堤防及其結(jié)合處進(jìn)行數(shù)值模擬，該處淤泥質(zhì)地基采用簡(jiǎn)單的地基處理措施，以期分析出堤防在填筑施工過(guò)程中的已經(jīng)處理后的淤泥質(zhì)地基沉降特性，為該工程堤防的填筑施工提供科學(xué)依據(jù)，也為此類(lèi)地基上的堤防工程施工提供有益的借鑒。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 計(jì)算模型的范圍

選取有代表性的堤防部位，整個(gè)水閘、堤防橫斷面的長(zhǎng)度為122m，堤防段采用間距為1.40m的塑料排水板進(jìn)行地基處理。此次選取中軸線(xiàn)剖面，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，取一半為計(jì)算模型，模型寬64m，高87.30m，水閘段長(zhǎng)23m，堤防段長(zhǎng)20m，兩者之間的連接段長(zhǎng)16m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，水閘、堤防和連接段高度按照7.30m取值，將CAD中的設(shè)計(jì)剖面導(dǎo)入到MIDAS GTS 軟件中，建立幾何計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)。

圖1 幾何計(jì)算模型范圍

2.2 地基土計(jì)算參數(shù)

在數(shù)值模型計(jì)算深度(80m)范圍內(nèi)，共有8層主要地層，為了模擬地基土的固結(jié)沉降情況，選用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，根據(jù)地勘報(bào)告和壓縮及三軸試驗(yàn)確定計(jì)算參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 各地層計(jì)算參數(shù)

2.3 樁體及排水板計(jì)算參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，連接段采用長(zhǎng)為15m、樁徑為0.60m、樁間距為0.40m的水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理，水閘段采用長(zhǎng)為39m、樁徑為1m、樁間距為1.50m的鉆孔灌注樁進(jìn)行地基處理，堤防段采用深為25m、寬為100mm、厚為5mm、間距為1.40m的呈正方形布置的塑料排水板進(jìn)場(chǎng)地基處理，處理寬度范圍43.40～58.80m，采用砂井參數(shù)并考慮井阻、涂抹和豎向、橫向滲流等效應(yīng)來(lái)模擬塑料排水板。樁體及材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，塑料排水板參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 樁體及材料計(jì)算參數(shù)

表3 塑料排水板等效計(jì)算參數(shù)

2.4 網(wǎng)格及邊界條件

采用柵格劃分網(wǎng)格，共劃分16720個(gè)單元，16456個(gè)節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和以往數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)，模型的邊界條件為：模型的左邊和右邊邊界為水平方向約束，模型底部邊界為固定邊界，模型的頂部邊界為自由邊界。模型的初始應(yīng)力狀態(tài)考慮地下水位和土體的自重影響。

圖2 數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分

2.5 施工階段的劃分

采用MIDAS軟件中的施工模擬模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該工程施工階段的模擬，堤防堆載采用拋石分層回填進(jìn)行填筑。根據(jù)實(shí)際工況和該地區(qū)類(lèi)似地基的處理經(jīng)驗(yàn)，將堤防的荷載分八層進(jìn)行堆載，每次堆載時(shí)間為半月(15天)，間歇期2～2.5個(gè)月不等，采用逐步激活地基土以上單元的方式來(lái)模擬堤防分層填筑的過(guò)程。施工階段劃分見(jiàn)圖3。

圖3 堤防分層填筑施工階段劃分

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為了對(duì)水閘、堤防及連接段地基的不均勻沉降進(jìn)行研究，分別在水閘、連接段和堤防中間部位布置了

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

三條豎直向下的監(jiān)測(cè)線(xiàn)，均以地表開(kāi)始豎直向下每隔5m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每條線(xiàn)各布置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4。將地表及其下的3個(gè)共4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定義為上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再往下的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定義為中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最下部的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定義為下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

整個(gè)模型加載時(shí)長(zhǎng)為18個(gè)月，總的模擬時(shí)長(zhǎng)(包括加載時(shí)長(zhǎng))為55個(gè)月，自2013年1月1日—2017年7月31日。根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的分析，發(fā)現(xiàn)在水閘、堤防及連接段中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化規(guī)律與上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)或下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)類(lèi)似，故每一段只對(duì)上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)和下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律做圖并分析。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律

由圖5(a)、(b)可知：堤防段不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨時(shí)間的變化規(guī)律相似度很高，上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的深度越深，其豎向位移(沉降)越小，在加載期，沉降速率較快，沉降量也迅速增大，在加載結(jié)束后的一年之內(nèi)，沉降速率快速降低，在加載結(jié)束后的一年之后，沉降速率趨近于零，沉降量基本保持不變，沉降達(dá)到穩(wěn)定。

由圖5(c)、(d)可知：連接段上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移在加載期隨荷載的增加不斷地增大且變化較快，在加載結(jié)束后一年之內(nèi)變化很緩，在加載結(jié)束一年以后基本不再變化，連接段上部4個(gè)不同深度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化曲線(xiàn)基本重合，變化規(guī)律高度一致，這一現(xiàn)象表明連接段在采用15m長(zhǎng)的水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理后形成了復(fù)合地基，樁和樁間土共同承擔(dān)了上部的荷載，使15m深度以?xún)?nèi)不同深度地基沉降規(guī)律基本相同；而下部不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨時(shí)間的變化規(guī)律與堤防段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律相似，在加載期，沉降速率較快，沉降量也迅速增大，在加載結(jié)束后的一年之內(nèi)，沉降速率快速降低，在加載結(jié)束后的一年之后，沉降速率趨近于零，沉降量基本保持不變，沉降達(dá)到穩(wěn)定。

由圖5(e)、(f)可知：水閘段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移曲線(xiàn)變化規(guī)律與連接段和堤防段基本一致，均呈加載時(shí)沉降迅速增大，加載后一年內(nèi)增速很緩，加載完成一年以后基本無(wú)變化的規(guī)律，水閘段上部、中部和下部深度較小的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移基本不隨深度發(fā)生改變，僅45m處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線(xiàn)有所區(qū)別，沉降較小，這一現(xiàn)象表明水閘段在采用39m長(zhǎng)的鉆孔灌注樁進(jìn)行地基處理后形成了39m深度范圍的復(fù)合地基，上部荷載由樁和樁間土共同承擔(dān)，使40m深度以?xún)?nèi)不同深度地基沉降規(guī)律基本相同，40m深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線(xiàn)僅略高于35m深度的曲線(xiàn)，而45m深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的曲線(xiàn)更高，沉降值較小。

4 結(jié) 論

采用MIDAS軟件對(duì)細(xì)陂河有代表性的水閘堤防及連接處的沉降特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：無(wú)論是堤防段、連接段還是水閘段，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移曲線(xiàn)變化規(guī)律基本一致，均呈加載時(shí)沉降迅速增大，加載后一年內(nèi)增速很緩，加載完成一年以后基本無(wú)變化的規(guī)律；同樣是上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水閘段沉降最小，連接段次之，堤防段沉降最大，中部和下部監(jiān)測(cè)點(diǎn)也有類(lèi)似的規(guī)律?？梢?jiàn)采用地基處理方案可有效地減小淤泥質(zhì)地基的沉降。