施工加載過(guò)程中軟土地基灰堤的沉降分析

汪 彪，饒俊勇，趙靜伊

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

軟土由于其高壓縮性、低強(qiáng)度和低透水性，在工程應(yīng)用中，需要先對(duì)其進(jìn)行處理，方可作為地基持力層[1]。隨著“一帶一路”建設(shè)的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在東南亞沿海國(guó)家的電力工程項(xiàng)目逐漸增多。淤泥質(zhì)軟土在沿海國(guó)家是比較常見(jiàn)的地質(zhì)條件，在軟土地基上修建堤壩時(shí)，由于其強(qiáng)度低，往往采用基于排水固結(jié)法的分級(jí)加載方式進(jìn)行施工[2]。軟土的壓縮性大，導(dǎo)致其總沉降較大，在進(jìn)入運(yùn)行期后，若工后沉降較大，可能會(huì)影響到堤壩護(hù)面的完整性或者導(dǎo)致灰堤標(biāo)高無(wú)法滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。通過(guò)對(duì)東南亞某工程軟土地基上考慮施工過(guò)程時(shí)灰堤的沉降分析，探討軟土地基上灰堤沉降的變化規(guī)律，有助于進(jìn)一步加深對(duì)工后沉降的認(rèn)識(shí)，減少工后沉降對(duì)灰堤可能的損害。

在目前的沉降計(jì)算中，相關(guān)規(guī)范推薦采用分層總和法[4]。當(dāng)考慮分級(jí)加載施工過(guò)程時(shí)，附加應(yīng)力隨著加載進(jìn)行在變化，分層總和法已不再適用。與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，通過(guò)應(yīng)力與孔隙水的耦合分析來(lái)模擬軟土地基上應(yīng)力的施加和孔隙水壓力的消散，然后建立分級(jí)加載數(shù)值模型，可用來(lái)計(jì)算加載施工過(guò)程時(shí)各階段發(fā)生的沉降。本文依托某軟土地基上分級(jí)加載的灘涂灰場(chǎng)工程，采用巖石工程和巖土環(huán)境仿真軟件Geo-studio 對(duì)軟土地基上灰堤的施工過(guò)程進(jìn)行耦合數(shù)值模擬，探討軟土地基上考慮施工過(guò)程時(shí)基底沉降的變化規(guī)律，可對(duì)以后的類似工程及在軟土地基上建設(shè)其他類型的堤壩提供一定參考。

1 依托工程概況

東南亞某國(guó)2×660 MW 燃煤電站二期工程，灰場(chǎng)位于濱海地帶軟土地基上，占地面積約20 hm2，為二級(jí)灘涂灰場(chǎng)，總庫(kù)容約136 萬(wàn)m3，可供電廠貯灰4 a。該灰場(chǎng)一面臨海，臨海側(cè)灰堤為碾壓堆石堤，非臨海側(cè)為粘土堤。

1.1 地質(zhì)條件

1.2 設(shè)計(jì)方案

圖1 灰堤典型斷面及地層條件圖

圖2 分級(jí)加載時(shí)程圖

2 數(shù)值模型的建立和參數(shù)選取

使用Geo-stuido 中的SIGMA/W 模塊在進(jìn)行軟土地基計(jì)算時(shí)，可選用專門用于模擬軟土的修正劍橋模型(modified cam clay model)，該模型采用有效應(yīng)力參數(shù)，能反映應(yīng)力—應(yīng)變硬化及土體在常體積下的變形，可模擬應(yīng)力的施加、孔隙水壓力的消散以及土體性質(zhì)改善的過(guò)程。

建立數(shù)值模型時(shí)，考慮施工時(shí)沉降可能的影響范圍，模型范圍取灰堤外100 m，灰堤庫(kù)區(qū)內(nèi)150 m，模型兩側(cè)設(shè)置為約束X向位移，模型底設(shè)置為約束X、Y雙向位移，有限元分析模型如圖3 所示。根據(jù)勘測(cè)資料，各土層力學(xué)參數(shù)如表1 所示。②層淤泥質(zhì)土數(shù)值模擬時(shí)采用修正劍橋模型，壓縮指數(shù)Cc=0.318，回彈指數(shù)Cs=0.092。堆石堤的分級(jí)加載的時(shí)長(zhǎng)及速率與圖2 中實(shí)際的加載時(shí)程一致，均速施加。水泥土攪拌樁垂直防滲墻采用線彈性模型模擬，作為一個(gè)相對(duì)剛性不透水體，在模型中建立了單獨(dú)的區(qū)域，賦予了壓縮模量。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)表

圖3 有限元分析模型

3 灰堤沉降計(jì)算分析

3.1 沉降計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，灰堤基底監(jiān)測(cè)點(diǎn)處沉降變化曲線如圖4 所示。

圖4 灰堤基底處沉降變化曲線

由圖4 可知，對(duì)于灰堤處的沉降，每次加載時(shí)，會(huì)在基底產(chǎn)生較大的沉降；在靜置時(shí)，沉降逐漸增大，曲線逐漸趨緩，直到下次加載的進(jìn)行。施工期完成后靜置180 d 后，隨著軟土中超孔隙水壓力的消散，沉降逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定，最大沉降為-1.106 m。

3.2 施工影響范圍

以天然地面處為研究對(duì)象，分析天然地面處沉降與灰堤位置的相互關(guān)系，以確定施工影響的范圍。不同時(shí)間段灰堤及周圍地面沉降隨位置變化曲線圖，如圖5 所示。

圖5 不同時(shí)間段地面沉降隨位置變化曲線圖

由圖5 可知，由于灰堤主體部分靠近內(nèi)側(cè)，且前中部設(shè)置了水泥土攪拌樁垂直防滲墻，地面主要的沉降發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)，其最大值為-1.106 m；由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，地面在灰堤前中部的沉降明顯減?。换业痰氖┕?，導(dǎo)致其前后的地面處均產(chǎn)生了隆起，在灰堤內(nèi)側(cè)約15 m 區(qū)域內(nèi)影響較大；隨著加載高度增加，隆起逐漸增大，地面最大隆起值為0.316 m，位于灰堤內(nèi)側(cè)；灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，影響范圍明顯較小。

對(duì)于地面水平位移與位置的相互關(guān)系，不同時(shí)間段灰堤及周圍地面水平位移隨位置變化曲線圖，如圖6 所示。

由圖6 可知，最大的水平位移發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)；由于水泥土攪拌樁和緩坡的影響，灰堤外側(cè)的水平位移明顯較少，水泥土攪拌樁對(duì)水平位移的減小作用較顯著；隨著加載高度增加，灰堤附近地表處水平位移逐漸增大，最大值為0.588 m；灰堤的施工在前后地表處均產(chǎn)生了水平位移，在灰堤內(nèi)側(cè)約15 m 范圍內(nèi)影響較大，灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，影響范圍明顯較小。

圖6 不同時(shí)間段地表水平位移隨位置變化曲線圖

綜上可知，本工程灰堤施工時(shí)，對(duì)周圍地面主要的影響發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)，影響范圍約為15 m；灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，影響范圍明顯較小，且水平位移、沉降也較內(nèi)側(cè)小，水泥土攪拌樁對(duì)豎向位移的減小作用較為顯著。

3.3 塑料排水板的影響

本工程采用塑料排水板作為豎向排水通道的排水固結(jié)地基處理法，塑料排水板增加了軟土中孔隙水的排出路徑，客觀上提高了軟土的滲透系數(shù)[5]。一般而言，壓縮是土體內(nèi)孔隙體積逐漸變小的過(guò)程，滲透系數(shù)會(huì)影響其發(fā)生速率，但不會(huì)影響土體顆粒的密度?？偟膩?lái)說(shuō)，軟土滲透系數(shù)增大時(shí)，會(huì)加快孔隙水的排出，加速土體的固結(jié)，全土體的壓縮得以較快完成。本節(jié)通過(guò)滲透系數(shù)k的變化來(lái)模擬塑料排水板的作用，對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。滲透系數(shù)不同時(shí)灰堤基底處沉降變化曲線，如圖7 所示。

圖7 不同滲透系數(shù)時(shí)基底沉降變化曲線

由圖7 可知，當(dāng)采用塑料排水板滲透系數(shù)增大時(shí)，各級(jí)加載時(shí)基底的沉降增大；施工期完成后，不同滲透系數(shù)條件下的總沉降基本一致。軟土滲透系數(shù)增大時(shí)，灰堤基底處的沉降能夠較快完成，并較早達(dá)到其最終沉降，可以起到降低灰堤工后沉降的作用，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與分析結(jié)果一致。

庫(kù)內(nèi)堆灰時(shí)，初期壩已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的靜置，壩基軟土固結(jié)已基本完成。庫(kù)內(nèi)堆灰是一個(gè)緩慢、逐漸施加的過(guò)程，周期長(zhǎng)，與灰堤施工期的短時(shí)間加載不同，庫(kù)內(nèi)堆灰反壓對(duì)初期壩的影響較小。初步分析表明，庫(kù)內(nèi)堆灰會(huì)使壩基處產(chǎn)生很小的逆向水平位移，豎直方向上受庫(kù)內(nèi)沉降的影響，也會(huì)有較小沉降。本文旨在分析灰堤施工加載過(guò)程中的沉降，故運(yùn)行期分析內(nèi)容未納入本文。

4 結(jié)論

通過(guò)前面的探討，本文分析了軟土地基上考慮施工加載過(guò)程時(shí)灰堤沉降的變化規(guī)律；本文通過(guò)應(yīng)力與孔隙水的耦合分析，考慮了應(yīng)力的施加和孔隙水壓力的消散，實(shí)現(xiàn)了軟土地基上灰堤施工加載過(guò)程的精確模擬，最終計(jì)算得到了該軟土地基上灰堤的總沉降；通過(guò)分析，得到了灰堤施工期的影響范圍以及塑料排水板對(duì)灰堤基底沉降的影響，得出以下主要結(jié)論：

1)通過(guò)應(yīng)力與孔隙水的耦合分析，本工程軟土地基上灰堤的總沉降為-1.106m，采用Geo-studio 軟件對(duì)軟土地基上灰堤的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的；

2)本工程灰堤施工時(shí)，對(duì)周圍地面主要的影響發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)，地面最大隆起為0.316 m，最大水平位移為0.588 m，影響范圍約為15 m；灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁垂直防滲墻和緩坡的作用，影響范圍明顯較小，水泥土攪拌樁對(duì)豎向位移的減小作用較為顯著；

3)當(dāng)插設(shè)塑料排水板，軟土滲透系數(shù)增大時(shí)，各級(jí)加載時(shí)基底的沉降增大；施工期完成后，不同滲透系數(shù)條件下的總沉降基本一致。軟土滲透系數(shù)增大時(shí)，灰堤基底處的沉降能夠較快完成，并較早達(dá)到其最終沉降。