新淤土地基上閘堤連接段差異沉降分析與控制研究

朱廣安，張 婧

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心， 上海 200061)

1 概述

圍海造陸所采取措施一般是先促淤，后吹填成海堤。由于工程排水等需要，需在圍堤處設(shè)置水閘等建筑物[1]。因這種新淤吹填土具有較高的土壤含水量、土壤孔隙比、可壓縮性及較低的土壤滲透性和強(qiáng)度，無法滿足閘基承載力的要求，需進(jìn)行閘基處理。規(guī)范中對(duì)工后閘基沉降及差異沉降均有嚴(yán)格控制要求，而對(duì)水閘兩側(cè)坐落于新回填土上連接堤堤身沉降及差異沉降控制相對(duì)寬松。由于土體特性及附加應(yīng)力不同，連接堤堤身工后固結(jié)時(shí)間長、沉降量較大，而閘首段因底板下打設(shè)較長的剛性樁沉降小，因故閘堤沉降控制需協(xié)調(diào)，以避免閘堤連接段因不均勻沉降而產(chǎn)生堤身塌陷、水閘傾斜，甚至導(dǎo)致工程損毀[2]。那么，如何經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行閘堤差異沉降控制是當(dāng)前亟待解決的工程問題。

因此，研究中通過持續(xù)監(jiān)測(cè)無附加應(yīng)力條件下的吹填土沉降特性及模型模擬施加附加應(yīng)力條件下堆載試驗(yàn)過程，系統(tǒng)分析閘堤連接段吹填土沉降變形規(guī)律。另外，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)塑料排水板法、PHC樁法、堆載預(yù)壓法、三軸攪拌樁穿透軟土層法、三軸攪拌樁未穿透軟土層法等[3- 4]地基加固處理方法的效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合工程實(shí)際計(jì)算成果，明確不同地基處理方式下閘堤連接段土層產(chǎn)生差異沉降的效果及差異，給出適宜的地基土處理方法，以期為解決類似難點(diǎn)工程提供技術(shù)支持。

2 工程概況

橫沙東灘位于橫沙島東側(cè)的北港與北槽航道之間的淺灘水域，項(xiàng)目區(qū)呈現(xiàn)西高東低(上海吳淞高程1.6 ～3.0m)，南高北低(上海吳淞高程1.5～-1.0m)，地形變化平緩。地貌類型屬于河口，沙嘴，沙島地貌。橫沙東灘從2009年開始實(shí)施促淤，至2016年7月新淤泥層平均已達(dá)到5m左右。

本次研究選取橫沙東灘圈圍(八期)工程水閘及其連接海堤部位作為典型斷面進(jìn)行研究，工程地質(zhì)條件具有上海地區(qū)圈圍工程的廣泛代表性，場(chǎng)地選取5#、6#圍區(qū)，北側(cè)堤，堤頂高程為8.8～8.9m，吹填厚度達(dá)10.8m(分兩次吹填)，下部尚有最大厚度達(dá)8m的一層新近淤積層，此圍區(qū)勘探范圍內(nèi)均為第四系松散堆積物。其地層按其成因時(shí)代，成因類型，巖性特征及其物理力學(xué)指標(biāo)從上至下分為5個(gè)主要巖土層和9個(gè)亞層：①1灰黃色淤泥質(zhì)粘土，①2灰黃色粉砂，②3-1灰色粉砂，②3-2灰色砂質(zhì)粉土，②3t灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂，③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，④灰色淤泥質(zhì)粘土，⑤1灰色黏土，⑤2灰色砂質(zhì)粉土夾黏性土。

橫沙八期5#水閘的主體建筑物等級(jí)為Ⅰ級(jí)，采用百年一遇的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，總凈寬均為24m，設(shè)3孔，3孔凈寬均為8m，閘底板面高程0.00m，閘底板厚2.00m，中墩寬1.60m，邊墩頂寬為1.50m，邊墩根部寬2.0m。

3 模型的建立

3.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件Plaxis對(duì)水閘進(jìn)行整體有限元計(jì)算，根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案以及地質(zhì)勘察報(bào)告等相關(guān)資料，選取典型的設(shè)計(jì)斷面在Plaxis有限元分析軟件中建立了有限元模型。研究中通過設(shè)置有限元計(jì)算范圍(遠(yuǎn)大于主體結(jié)構(gòu)尺寸)，以消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。本工程主要構(gòu)件為空箱、底板、樁等組成，模型按照實(shí)際尺寸建立，采用三角形塊體單元模擬土體，板單元模擬閘底板，邊墩及空箱，采用Embedded beam row單元模擬樁[5]。根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，閘室寬度34.2m，兩側(cè)空箱寬度8.6m，所以選取模型長最大值為198m，最小值為-60m，高度最大值為85m，最小值為0。極端高水位5.34，平均高水位3.3m，閘底高程0m。胸墻、閘門、上部橋梁荷載、上部建筑荷載由于是簡(jiǎn)支閘墩上，采用施加集中荷載和線荷載的型式進(jìn)行模擬。其網(wǎng)格劃分及相互連接如圖1所示。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)上節(jié)吹填土的沉降性質(zhì)，模型模擬計(jì)算時(shí)采用HS模型，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

4 結(jié)果與分析

4.1 吹填土性質(zhì)模擬分析

4.1.1無附加應(yīng)力時(shí)吹填土沉降性質(zhì)模擬

建立吹填土堆載模型，且在模型中依次選擇7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行沉降模擬，如圖2所示。

設(shè)置模型以每10d為一個(gè)周期進(jìn)行沉降觀測(cè)，共觀測(cè)6次，前后歷時(shí)60d，為了直觀呈現(xiàn)吹填土在自重應(yīng)力下的地基沉降變形特征，根據(jù)各點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)做各點(diǎn)沉降值隨時(shí)間的變化曲線匯總圖如圖3所示。

由圖3可得，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的位移總量隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其沉降速率基本一致，為勻速沉降。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的沉降量均較小，主要是因?yàn)樵谧灾貞?yīng)力作用下固結(jié)過程仍未完成，處于自平衡狀態(tài)。由圖3可得，吹填土體位移總量與監(jiān)測(cè)時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。研究中吹填土體的沉降速率為5mm/d，沉降過程持續(xù)時(shí)間較長，因時(shí)間局限未得到自重作用下固結(jié)完成時(shí)間。因此，吹填土地基處于欠固結(jié)的狀態(tài)，沉降變形不能通過已有的規(guī)范或者研究成果推算。

圖2 沉降節(jié)點(diǎn)示意圖

圖3 無附加應(yīng)力各沉降節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化示意圖

4.1.2有附加應(yīng)力條件下吹填土沉降性質(zhì)模擬

在無荷載的吹填土堆載模型基礎(chǔ)上，增設(shè)均布荷載模擬附加應(yīng)力條件下吹填土沉降性質(zhì)，所加荷載分別為10、30、80 kN。所得各點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由于模型為對(duì)稱模型，故取A，B，E，G進(jìn)行分析。

圖4 10 kN附加應(yīng)力各沉降節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化示意圖

因添加荷載10、30、 80 kN條件下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，故本文以10 kN荷載為例進(jìn)行說明。由圖4可得，B、G和E監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移無顯著性差異，顯著高于A點(diǎn)的位移。

在加載時(shí)間5d條件下，B、G和E監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始沉降值為8.7mm，測(cè)點(diǎn)的瞬間沉降值與試驗(yàn)期內(nèi)的最終沉降值之比較大。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總位移量與監(jiān)測(cè)時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，沉降速率為16mm/d。因監(jiān)測(cè)時(shí)間有限，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均為出現(xiàn)極值，故無法準(zhǔn)確估計(jì)最終沉淀量，從而確定此場(chǎng)地中吹填土地基為高沉降速率吹填土地基[6]。

為了研究堆載荷載大小對(duì)吹填土沉降的影響，分別取堆載10、30、80 kN的G點(diǎn)的沉降平均值作對(duì)比分析，沉降曲線對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同附加應(yīng)力大小下吹填土沉降變化曲線

由圖5可得，G點(diǎn)的總位移量隨著靜載時(shí)間的增加而增加。荷載80kN/m2和30kN/m2條件下G點(diǎn)的位移總量較荷載10kN/m2條件下顯著增加。另外，G點(diǎn)的沉降速率隨著荷載的增加而增加。地表荷載增加到2倍左右，沉降速率增加了5倍左右?？傊?，吹填土地基沉降速率增大倍數(shù)遠(yuǎn)大于附加荷載增大倍數(shù)，沉降速率對(duì)上部荷載大小較為敏感，與楊敏等研究成果一致[8]。

4.2 閘堤連接處不同吹填土地基處理措施模擬分析

根據(jù)上海地區(qū)橫沙島圈圍工程1—7期實(shí)際吹填土工程處理措施，設(shè)置5種地基處理方法進(jìn)行模擬計(jì)算。5種地基處理方法分別為：塑料排水板法、堆載預(yù)壓法、三軸攪拌樁穿透軟土層、三軸攪拌樁未穿透軟土層和PHC樁法，分別記為工況一、工況二、工況三、工況四和工況五。

研究中基于Biot固結(jié)理論進(jìn)行流固耦合過程模擬[9]。軟件模擬的時(shí)間為500d。模擬過程中迎水面的水閘結(jié)構(gòu)物、海堤墻等部位均假設(shè)為不透水邊界，堤壩背水面假設(shè)為透水邊界條件。

由于真實(shí)情況下海堤及水閘施工過程為分級(jí)加載，所以模型模擬海堤和水閘時(shí)采用分步激活單元，實(shí)際堆載過程根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，塑料排水板通過設(shè)置排水線實(shí)現(xiàn)，軟件通過提高地基土的強(qiáng)度參數(shù)及滲透系數(shù)來進(jìn)行模擬。研究中各工況流固耦合沉降曲線如圖6所示。

圖6 各種工況流固耦合沉降曲線

由圖6可得，5種地基處理?xiàng)l件下，閘堤連接段吹填土在前60d沉降速率較快。除工況一以外，其他工況下100d后趨于穩(wěn)定，主要是塑料排水板因具有巨大的真空吸力而使得粘粒較高的吹填土中細(xì)小顆粒被吸附至塑料排水板周圍，因形成泥膜阻礙其排水固結(jié)，導(dǎo)致其固結(jié)速度較慢，且最終沉降值偏大，地基加固效果一般。

由圖6可得，對(duì)比各工況的最終沉降值，工況三和工況五的沉降值較小，分別為18.8mm和20.8mm，表明采用樁基礎(chǔ)處理閘堤連接處吹填土為較為適宜的地基土處理方式，可較好地控制沉降，與肖文輝等研究結(jié)果一致[10]，主要是采用樁處理地基可使豎向應(yīng)力梯度明顯減小。采用樁基礎(chǔ)處理地基時(shí)，樁傳遞了地基土以上建筑物的主要荷載，使得地基承受的附加應(yīng)力大幅度減小。

而由圖6可得，選擇PHC樁效果和三軸攪拌樁穿透軟土層效果相似，PHC樁效果略微優(yōu)于三軸攪拌樁，而從實(shí)際工程應(yīng)用中，三軸攪拌樁造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PHC樁法，所以在實(shí)際工程中推薦使用三軸攪拌樁法處理閘堤連接處吹填土地基降低沉降。

4.3 階梯狀三軸攪拌樁法模擬分析

由上文可知，三軸攪拌樁法處理閘堤連接處吹填土地基可取得較好效果，參考文獻(xiàn)[3]提出的高層建筑長短樁組合樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能有效減少建筑地基沉降，本文探究階梯狀三軸攪拌樁法對(duì)閘堤連接處地基處理效果[11- 12]。

選取左右空箱兩邊各30m，作為三軸攪拌樁范圍，取長樁長40m，短樁樁長20m，樁間距為1.0m。分5種工況進(jìn)行計(jì)算分析，第一種為全長樁，第二種為全短樁，第三種到第五種長樁范圍分別為空箱兩邊10～30m，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 各種長短樁工況組合沉降曲線

由圖7可知，工況二(全短樁)條件下基礎(chǔ)整體沉降均較大，最大沉降可達(dá)25cm，不均勻沉降可達(dá)8cm，且500d(2a)內(nèi)未能達(dá)到平衡狀態(tài)。另外，本研究中計(jì)算了長短樁基礎(chǔ)調(diào)節(jié)差異沉降的能力，結(jié)果顯示長短樁基礎(chǔ)調(diào)節(jié)差異沉降的能力強(qiáng)于全短樁基礎(chǔ)和全長樁基礎(chǔ)?；A(chǔ)中長樁不僅可影響地基總體的沉降，還影響了沉降的分布規(guī)律，使基礎(chǔ)受力更趨于均一，可能是由于淤泥質(zhì)粘土的存在導(dǎo)致沉降及差異沉降較大。

長短樁組合條件下長樁將部分荷載傳至深層土體，使得短樁基礎(chǔ)受力土層承受較小的荷載，故可將基礎(chǔ)沉降量控制在允許沉降量之下。而增加樁長如工況三、四、五，可得對(duì)沉降控制效果明顯增加，且可以看出2年內(nèi)沉降趨于平衡，且長樁范圍越多對(duì)沉降及差異沉降控制效果越顯著[13]，可以說明基礎(chǔ)沉降主要由長樁控制，但當(dāng)長樁范圍達(dá)到一定的量時(shí)，對(duì)整體沉降控制效果下降。階梯狀樁長控制閘堤連接處是較為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，既可達(dá)到減少沉降及差異沉降的總體效果，又可充分發(fā)揮長樁控制變形的能力及短樁控制持力層的承載能力，大大減少了長樁數(shù)量和工程造價(jià)，具有一定的推廣價(jià)值[14]。本次工程采用三級(jí)階梯狀三軸攪拌樁法處理閘堤連接段地基，靠近空箱處采用40m長樁，最遠(yuǎn)離空箱處采用20m短樁，中間采取30m樁長，計(jì)算模擬可得最大沉降量18cm，差異沉降量為3.4cm，效果較好。

5 結(jié)論

以上海橫沙東灘圈圍(八期)工程為例，研究吹填土沉降性質(zhì)及在此種地基上閘堤連接處沉降和差異沉降控制工程措施，得到以下結(jié)論：

(1)新近吹填土海堤自重應(yīng)力下沉降速率較為均一，附加應(yīng)力條件下沉降速率隨著荷載的增加而顯著增加。

(2)堆載預(yù)壓法、三軸攪拌樁穿透軟土層法、三軸攪拌樁未穿透軟土層法及PHC樁法的地基處理效果明顯優(yōu)于優(yōu)于塑料排水板法，研究中三軸攪拌樁穿透軟土層法是推薦的較為適宜的處理控制閘堤連接段沉降和差異沉降的方法。

(3)階梯狀三軸攪拌樁法能有效減少地基沉降及差異沉降，并且可以減低施工難度及工程造價(jià)，建議用于類似海堤工程中施工工藝改進(jìn)。

需要說明的是，本文結(jié)論基于有限元模型計(jì)算，由于所依托工程尚在施工過程中，缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有待基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證及研究。