大連某圍填海造陸場(chǎng)地碎石土性質(zhì)及地表變形計(jì)算

趙熠，張延軍，鄧浩，倪金

1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽(yáng) 110000

0 引言

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市用地嚴(yán)重緊張，圍海造地成為緩解土地緊張的重要手段。圍填海區(qū)域分布大量的軟弱土層，含水率大，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低。在圍填海場(chǎng)地進(jìn)行建筑工程，會(huì)產(chǎn)生很大的地表變形，對(duì)建筑設(shè)施產(chǎn)生巨大的危害。

Terzaghi[1]提出了一維固結(jié)理論，可以近似計(jì)算固結(jié)沉降。之后Biot[1]提出第一個(gè)嚴(yán)格意義的三維固結(jié)理論，經(jīng)典固結(jié)理論不斷地被改進(jìn)和發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用有限元法對(duì)軟基沉降的研究推廣。Mamoru et al.[2]針對(duì)日本關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)一號(hào)跑道，將實(shí)際監(jiān)測(cè)值與工后固結(jié)沉降有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果相差很小。金宗川等[3]揭示了大面積堆載作用下軟土地基變形特性規(guī)律，以及在不同邊界條件下軟土地基變形和固結(jié)沉降的規(guī)律。趙東遠(yuǎn)[4]對(duì)廈門新機(jī)場(chǎng)吹填淤泥造地區(qū)域采用固結(jié)排水法之后的沉降和固結(jié)度進(jìn)行了計(jì)算研究，證明經(jīng)處理的道面區(qū)下臥層沉降較快，不會(huì)產(chǎn)生工后沉降。余虔[5]對(duì)南京某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程，利用雙曲線法預(yù)測(cè)地基最終沉降量，并結(jié)合分層總和法計(jì)算場(chǎng)地變形，反演推算出了場(chǎng)地沉降修正系數(shù)。吳昊旭等[6]采用多種軟土地基沉降預(yù)測(cè)方法對(duì)煙臺(tái)地區(qū)軟土地基沉降預(yù)測(cè)進(jìn)行研究，證明該場(chǎng)地粉噴樁的固結(jié)效果最佳。寇曉強(qiáng)等[7]對(duì)天津某海上圍堤工程進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)施工期沉降主要為不排水沉降，施工滿載后的沉降主要是固結(jié)沉降且土體側(cè)向位移對(duì)地基沉降影響較大。張國(guó)聯(lián)等[8]針對(duì)大連普灣新區(qū)海港城項(xiàng)目，進(jìn)行堆載預(yù)壓處理的三維數(shù)值分析，驗(yàn)證了三維排水板單元的可靠性，為以后三維模擬提供新的手段。趙杰等[9]采用軟土蠕變模型，對(duì)圍填海場(chǎng)地進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)超固結(jié)比OCR和滲透系數(shù)值越大，達(dá)到沉降穩(wěn)定時(shí)間越少。前人對(duì)圍填海場(chǎng)地的沉降變形研究只是單一采用數(shù)值模擬或計(jì)算分析，將二者相結(jié)合的研究較少。

筆者對(duì)大連金州灣附近某圍填海場(chǎng)地的地表變形進(jìn)行計(jì)算研究。針對(duì)金州灣附近某圍填海場(chǎng)地，研究了圍填海區(qū)的碎石土性質(zhì)，采用規(guī)范法對(duì)場(chǎng)地的地表變形進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合巖土軟件MIDAS GTS NX建立了三維地質(zhì)模型，利用有限元軟件FLAC3D對(duì)于地表變形進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)場(chǎng)地在施加預(yù)設(shè)荷載后的地表變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為沿海的填海造地相關(guān)工程提供參考和借鑒。

1 填海區(qū)碎石土性質(zhì)

大連市金州灣地區(qū)填海造陸所用碎石土多為開(kāi)山土石，所含粒徑范圍非常大，從漂石、塊石、卵礫石、到黏粒等都有，碎石土的顆粒級(jí)配和抗剪強(qiáng)度會(huì)影響場(chǎng)地地表變形研究，對(duì)于獲得土層參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)取值有較大影響，因此本文對(duì)圍填海區(qū)域的碎石土性質(zhì)進(jìn)行研究。試驗(yàn)所用樣品均取自大李家鎮(zhèn)以及長(zhǎng)興島附近。

1.1 碎石土顆粒級(jí)配分析

顆粒分析試驗(yàn)是土的常規(guī)試驗(yàn)之一，對(duì)土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，能夠定量描述土粒中各個(gè)粒組的含量，為土的工程分類和了解土的工程性質(zhì)提供依據(jù)。顆粒分析試驗(yàn)的方法主要有篩析法、密度計(jì)法和移液管法，其中篩析法所適用的土的粒徑范圍為0.075～60 mm，密度計(jì)法和移液管法適用的粒徑范圍≤0.075 mm。本次試驗(yàn)采用激光粒度顆分儀。

根據(jù)圖1顆粒分布曲線可以看出，d>1 mm的顆粒含量達(dá)80%，d<0.01 mm的顆粒含量<10%，說(shuō)明所取填海區(qū)的碎石土的顆粒大小以直徑d>1 mm為主，與其他學(xué)者研究結(jié)果基本相似。

a. 顆粒分布曲線(碎石--1)； b. 顆粒分布曲線(碎石--2)。

1.2 碎石土抗剪強(qiáng)度分析

為了獲得圍填海區(qū)上部碎石土的內(nèi)摩擦角(φ)和內(nèi)聚力(C)，在場(chǎng)地周圍取樣，進(jìn)行大型直剪實(shí)驗(yàn)。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[10]中對(duì)地基回填土壓實(shí)度的要求，對(duì)碎石土進(jìn)行處理，使其壓實(shí)系數(shù)達(dá)到95%進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用大型直剪壓縮兩用儀(圖2)，取土的試樣放入剪切盒內(nèi)，將上盒固定，下盒可沿水平方向滑動(dòng)。施加垂直壓力，在對(duì)剪切盒的下盒逐級(jí)施加水平剪力，直至試樣被剪壞。取多個(gè)試樣，試驗(yàn)垂直壓力為250 kPa,500 kPa,1 000 kPa三個(gè)等級(jí)施加。

圖2 大型直剪實(shí)驗(yàn)儀器

根據(jù)直剪試驗(yàn)擬合出的抗剪強(qiáng)度和垂直壓力關(guān)系函數(shù)(圖3)，可以確定場(chǎng)地碎石土C值為16.5 kPa，φ值為42.5°。內(nèi)聚力偏小，內(nèi)摩擦角較大，究其原因在于，碎石土中，飄石、卵礫石含量較大，細(xì)顆粒穿插其中，不能完整充斥其中的孔隙，有水的條件下，也還是不能牢靠周圍的粗顆粒。

圖3 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系圖

2 工程概況

填海場(chǎng)地位于大連市甘井子區(qū)，為矩形人工島，長(zhǎng)約6 620 m，寬約3 320 m,面積約21 km2。場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)由海相、海陸交互相和陸相3大沉積層組成，覆蓋層厚50～80 m。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，場(chǎng)地主要土層自上而下為:第一大層海相沉積層包括粉質(zhì)黏土混砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土，屬于流塑--軟塑狀態(tài)，該層主要分布于勘察區(qū)表層，層位較穩(wěn)定，分布不連續(xù)，在部分鉆孔中缺失該層；第二大層陸相沉積層包括黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂，含少量砂粒及碎貝殼，土質(zhì)不均勻，屬于可塑--硬塑狀態(tài)；第三大層陸相沉積層包括黏土、粉質(zhì)黏土，屬于硬塑狀態(tài)，局部夾粉細(xì)砂薄層。該層分布較連續(xù)，部分鉆孔終孔前未揭露或未穿透該層；第四大層為基巖層，以強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖為主。

3 地表變形計(jì)算

3.1 前期固結(jié)程度分析

該場(chǎng)地填海造陸工程從5年前開(kāi)始陸續(xù)完成。后在上方填了一層碎石土，上部素填土約為2.8 m厚，根據(jù)規(guī)范，碎石土的重度約為20 kN/m3,碎石土的壓縮模量取22 MPa。

由于在幾年前已經(jīng)填完了碎石土，對(duì)場(chǎng)地沉降進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要考慮前期的固結(jié)沉降。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]關(guān)于成層土體等效均勻固結(jié)系數(shù)的計(jì)算公式對(duì)場(chǎng)地前期固結(jié)度進(jìn)行計(jì)算。在每排鉆孔中取一到兩個(gè)不同地層條件的鉆孔進(jìn)行計(jì)算，以1E鉆孔為例(圖4)，在2 m碎石土，即40 kPa荷載下，此鉆孔經(jīng)過(guò)3.1 a基本完成固結(jié)，在2.8 m碎石土，即56 kPa荷載下，此鉆孔經(jīng)過(guò)2.16 a前期固結(jié)基本完成。

圖4 鉆孔固結(jié)時(shí)間與上部荷載關(guān)系曲線

查閱相關(guān)論文可知[12]，天津?yàn)I海某吹填土場(chǎng)地采用堆載預(yù)壓處理，經(jīng)過(guò)持續(xù)堆載，土體在最終的4.5 m堆載下，固結(jié)度接近100%，整個(gè)固結(jié)過(guò)程持續(xù)了184.9 d。天津其他的一些填海造陸區(qū)在堆載預(yù)壓下的固結(jié)沉降時(shí)間大約在2.5 a到4.5 a之間。此外一些學(xué)者[13]對(duì)大連大窯灣吹填土軟基，采用兩級(jí)單純堆載，第一級(jí)堆載4 m，96 d后進(jìn)行第二級(jí)堆載8 m，在250 d固結(jié)基本完成。根據(jù)對(duì)固結(jié)度的計(jì)算以及相關(guān)地區(qū)對(duì)比，可以認(rèn)為該場(chǎng)地地基土在地基處理后5 a內(nèi)固結(jié)基本完成。

3.2 基于規(guī)范法的地表變形預(yù)測(cè)計(jì)算

地基沉降的常用計(jì)算方法有分層總和法[11]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]推薦的方法，簡(jiǎn)稱規(guī)范法。與分層總和法相比，規(guī)范法進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化：

(1)引入了平均附加應(yīng)力系數(shù)的概念；

(2)在總結(jié)國(guó)內(nèi)大量建筑物沉降觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，引入了地基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)；

(3)重新規(guī)定了地基沉降計(jì)算深度的標(biāo)準(zhǔn)。

本次計(jì)算采用規(guī)范法。規(guī)范推薦的最終變形量的基本計(jì)算公式為：

(1)

式中:s為地面最終沉降量，mm；φs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定，也可采用規(guī)范數(shù)值；n是地基沉降計(jì)算范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0為對(duì)應(yīng)于荷載標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力，kPa；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，按實(shí)際應(yīng)力范圍取值，MPa；z和α分別為上層底面到下層頂面之間的距離和范圍內(nèi)的平均附加應(yīng)力系數(shù)?；A(chǔ)中點(diǎn)的地基沉降計(jì)算深度可簡(jiǎn)化為：zn=b(2.5-0.4lnb)。

各區(qū)域的荷載分布如圖5所示。

圖5 場(chǎng)地上方荷載分布圖

經(jīng)過(guò)前期固結(jié)沉降，在施加上部荷載后，場(chǎng)地會(huì)產(chǎn)生新的沉降。計(jì)算每個(gè)鉆孔的沉降量，利用surfer軟件的插值功能得到場(chǎng)地的變形量分布圖(圖6)。

圖6 填海場(chǎng)地場(chǎng)地地表變形分布圖

根據(jù)計(jì)算得到的場(chǎng)地變形分布圖(圖6)可以看出，場(chǎng)地在預(yù)設(shè)荷載的作用下沉降量主要在20～70 mm之間，最大沉降達(dá)90 mm,出現(xiàn)在航站和陸域停機(jī)坪區(qū)域，后續(xù)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此區(qū)域的沉降監(jiān)測(cè)。對(duì)于計(jì)算范圍內(nèi)各場(chǎng)地分區(qū)的工后沉降和差異沉降(按30 a計(jì))控制標(biāo)準(zhǔn)[14]如表1所示。

表1 場(chǎng)地工后沉降和差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

場(chǎng)地最大沉降達(dá)到90 mm,滿足控制標(biāo)準(zhǔn)中不超過(guò)25 cm的要求，經(jīng)過(guò)堆載和前期沉降的場(chǎng)地在預(yù)加荷載的作用下場(chǎng)地變形值符合場(chǎng)地工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 基于三維地質(zhì)模型對(duì)場(chǎng)地地表變形的數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在越來(lái)越多的復(fù)雜工程和大型項(xiàng)目中迫切需要引進(jìn)三維地質(zhì)模型和數(shù)值分析技術(shù)，以解決復(fù)雜地層的工程評(píng)價(jià)和巖土設(shè)計(jì)問(wèn)題。筆者利用三維數(shù)值模擬對(duì)研究場(chǎng)地進(jìn)行地表變形的預(yù)測(cè)和分析。

采用MIDAS GTS NX結(jié)合FLAC3D進(jìn)行建模分析。進(jìn)行人機(jī)交互操作，利用鉆孔分布圖CAD文件，獲得每個(gè)鉆孔的坐標(biāo)，結(jié)合實(shí)際鉆孔圖獲得每個(gè)鉆孔中各土層的標(biāo)高以及孔口標(biāo)高，錄入Excel文件中，將得到的Excel文件導(dǎo)入MIDAS中，進(jìn)行建模，獲得場(chǎng)地三維地質(zhì)模型。本文的計(jì)算模型根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況，沿南北兩側(cè)岸堤長(zhǎng)度約為6 500 m，東西兩側(cè)長(zhǎng)度約為3 500 m，總計(jì)包括節(jié)點(diǎn)數(shù)23 880個(gè)，單元總數(shù)84 195個(gè)，三維實(shí)體以四面體為主。計(jì)算模型的三維地質(zhì)圖見(jiàn)圖7。

圖7 場(chǎng)地三維地質(zhì)模型

利用MIDAS /FLAC3D幾何模型轉(zhuǎn)換接口程序，將模型導(dǎo)入FLAC3D中。本模型對(duì)機(jī)場(chǎng)土體作如下假設(shè)：①模擬范圍內(nèi)的地基為均質(zhì)各向同性彈塑性半無(wú)限空間體；②不考慮地下水及地下水面的影響；③在計(jì)算中僅考慮重力的作用。模擬所用土層和碎石層參數(shù)如表2所示。

表2 模擬參數(shù)表

FLAC3D中，邊界條件的定義并不是通常的位移邊界條件，而是速度邊界條件。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面限制垂直移動(dòng)，對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)用FIX命令加以固定；上部施加固定荷載。

模擬填碎石土之后在自重下的變形，使3個(gè)方向位移初始為零，模擬經(jīng)過(guò)自重沉降的地層在場(chǎng)地預(yù)設(shè)荷載作用下的變形。根據(jù)場(chǎng)地工后沉降和差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)場(chǎng)地30 a內(nèi)的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2 模型計(jì)算結(jié)果分析

在現(xiàn)有資料下，根據(jù)模擬結(jié)果(圖8)可以看出，在施加預(yù)設(shè)荷載后，場(chǎng)地建筑區(qū)和停機(jī)坪區(qū)域沉降值約為60 mm，航站區(qū)最大沉降值接近100 mm,邊緣區(qū)域的沉降值約35 mm，數(shù)值模擬結(jié)果滿足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)所設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖8)的沉降數(shù)據(jù)，獲得施加預(yù)設(shè)荷載之后的場(chǎng)地沉降--時(shí)間曲線(圖9)。可以看出在前5 a沉降速度最快，完成了超過(guò)60%的沉降；在15 a后，沉降曲線逐漸趨于平緩。

圖8 場(chǎng)地30 a后沉降變形量

根據(jù)不同荷載區(qū)域不同深度處變形--時(shí)間曲線(圖10)，可以看出場(chǎng)地碎石土層和深層巖石層沉降量較小，主要沉降發(fā)生在中間層，占總沉降量的95%以上。尤其是粉質(zhì)黏土層和淤泥層，沉降量占總沉降值的60%以上。〗后續(xù)進(jìn)行場(chǎng)地地基處理或者基礎(chǔ)選擇時(shí)也要重點(diǎn)考慮這兩層。

圖9 變形--時(shí)間曲線

圖10 不同荷載區(qū)域不同深度處變形--時(shí)間曲線

5 結(jié)論

(1)場(chǎng)地在施加預(yù)設(shè)荷載30 a后最大變形量接近100 mm，最大沉降出現(xiàn)在停機(jī)坪和航站區(qū)域，基本滿足工后沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)工程中應(yīng)加強(qiáng)此區(qū)域變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)本次預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)周邊其他圍填海場(chǎng)地的軟土地基變形具有參考意義。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果可以得出前5 a的沉降速度最快，場(chǎng)地沉降在15 a后基本完成。沉降主要發(fā)生在粉質(zhì)黏土層和淤泥層，后續(xù)地基處理和基礎(chǔ)選擇時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮這兩層。