基于砂井地基等效法的軟基海堤工后沉降數(shù)值模擬

瞿晨瑤，陳漢邦，陳文亮，沙勇華，鄭念念

(1.臺州市水利工程質量與安全事務中心，浙江 臺州 318000；2.浙江省錢塘江管理局勘測設計院，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設計研究院)，浙江 杭州 310020；4.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

海堤是防御風暴潮水侵襲，減輕其災害的重要水利設施，多建在沿岸軟土地基上。軟土含水率高、壓縮性大、固結時間長，基于此類軟弱地基修建的海堤工程極易產生較大的沉降，且工后沉降較大。若設計計算不合理，可能會造成海堤防潮、防洪高程不滿足要求，地基不均勻沉降過大影響海堤穩(wěn)定等問題。因此，海堤工后沉降是影響海堤安全的主要因素之一[1- 5]，必須引起高度重視。

目前海堤沉降分析主要有理論分析、有限元數(shù)值模擬、監(jiān)測資料分析等方法，相關研究眾多。嚴乾等[6]運用有限元法對已建海堤的應力和位移分布進行了仿真計算，分析了海堤的沉降；蔡珊珊等[7]開展考慮堤防工程堤基和堤身相互作用的有限元數(shù)值模擬，分析了堤防變形和位移等工作性態(tài)；姜永興等[8]使用將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算結果對比的方法，證明了采用有限元數(shù)值模擬計算海堤的變形、沉降的可靠性，指出為了滿足工后沉降，設計與施工時需要預留足夠超高；秦植海[9]等以海堤工后初期監(jiān)測資料為基礎，運用分層總和法和太沙基一維固結理論反演了土層固結系數(shù)，提出采用改進變維分形預測模型對海堤工后可能發(fā)生的長期沉降進行預測。

在數(shù)值模擬中，為兼顧計算精度與計算效率，對模型進行適當簡化非常必要。本文以南洋涂圍墾海堤為背景，借助先進的巖土專用軟件Midas GTS對實際工程案例工后沉降進行數(shù)值模擬，在數(shù)值模擬過程采用等效法將排水板地基轉化為排水墻地基，簡化了建模和計算量，對類似工程具有一定參考價值。

1 工程概況

南洋涂圍墾工程位于臨海市杜橋鎮(zhèn)東南方向，地處椒江出?？诒卑杜_州電廠5、6號灰壩的外側灘涂上，圍區(qū)東西長約7.5km，南北寬約1.5km，圍區(qū)涂面高程為-1.60～2.3m。工程圍涂總面積10600畝，由海堤、排澇閘及圍區(qū)配套河道和隔堤(前期兼作施工道路)組成。設計工程等別為Ⅲ等，海堤、水閘等主要建筑物級別為3級。海堤擋潮標準為50年一遇高潮位與同頻率風浪組合，按允許部分越浪設計。

海堤總長7410m，包括西直堤(200m)、西順堤(2060m)和東順堤(5150m)，采用土石混合堤斷面結構，塑料排水插板基礎處理。地基土體主要為Ⅰ層淤泥夾粉土、Ⅱ層淤泥、Ⅲ層含泥粉細砂、Ⅳ層淤泥質粉質粘土夾砂組成。Ⅱ層淤泥厚達19～25m，均為壓縮性高，抗剪強度低，靈敏度高、排水固結緩慢的軟土，厚度較大，分布廣泛，為內堤沉降、變形和穩(wěn)定的控制層。

2 等效地基方法

2.1 砂井地基等效成砂墻地基方法

利用排水板或砂井處理海堤軟土地基實際上是三維問題，但考慮到排水構件細長的外形特點，相比整個地基來說，尺寸很小。因此，在三維模型的構建過程中，劃分的網(wǎng)格數(shù)量就會很龐大，導致計算時間長，并且不易收斂。本次分析考慮將排水板地基轉化為排水墻地基，而排水墻地基可以用二維平面的有限元去模擬，從而將三維轉化為二維，大大減少了計算量。

將砂井地基等效成砂墻地基(如圖1所示)，需要在保持固結度或平均孔壓不變的條件下進行等效，根據(jù)等價方式的不同以及是否考慮井阻、涂抹效應可以推得不同的平面應變等效公式。根據(jù)Hansbo[10]單井固結理論推導得到平面應變情況下，整個砂井地基的平均徑向固結度的表達式如式(1)。

圖1 砂墻示意圖

(1)

其中：μp=2/3+2z(2l-z)khp/BQw。式中，B—砂墻間距一半，m；khp—砂墻地基水平向滲透系數(shù)，m/s；Qw—砂墻通水量，m3/s；l—砂墻打設深度，m；z—深度，m。

滲透系數(shù)按固結度等效后如式(2)所示：

(2)

2.2 參數(shù)取值及等效結果

在進行計算時要將塑料排水板等效成砂井，若以排水周長不變?yōu)闇蕜t，根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》[11]，排水板轉化為砂井可以按照式(3):

(3)

式中，dw—砂井的等效直徑，mm；δ—排水板厚度，mm；ω—排水板寬度，mm；α—換算系數(shù)，可采用0.75。本工程采用C型塑料排水板，其尺寸為ω=100mm，δ=4.5mm，得出等效砂井直徑dw=50mm。

按照排水板的布置形式，等效排水直徑可由排水板間距來計算，若排水板按照正方形布置，則等效排水直徑為：

(4)

若排水板按照三角形布置，等效排水直徑為：

(5)

式中，L—排水板間距，m；de—等效排水直徑，m。

本工程采用C型塑料排水板，按正方形布置，間距1400mm，因此等效排水直徑de=1.58m。綜合前人對參數(shù)敏感性的研究結果，確定取值結果見表1：

3 模型建立

采用有限元軟件MIDAS GTS NX 2019對選定的海堤斷面地基沉降進行數(shù)值模擬與分析，求解流程如圖2所示。

圖2 MIDAS GTS NX求解流程

表1 砂井地基轉化砂墻地基參數(shù)取值表

3.1 計算斷面確定

本次分析選取東順堤1+350斷面，該斷面2020年3月實測堤頂高程為6.376～6.429m，2015年5月東順堤1+350無實測數(shù)據(jù)，用東順1+000和東順1+600斷面堤頂實測高程平均值代替，為7.295～7.365m，該斷面5年時間沉降量約91.90～93.60cm[12]。

計算分析對海堤斷面進行適當簡化，模型區(qū)域：外海側沿海堤鎮(zhèn)壓層坡腳向外延伸50m、圍區(qū)側沿子堤坡腳向內延伸50m，底部土體選取至-50.0m高程。東順堤1+350斷面簡化模型見

圖3所示，軟件建模如4所示。

3.2 土本構模型及計算參數(shù)確定

通過簡化處理，在數(shù)值模型中地基取4個土層，計算深度至-50.0m。針對地基土的沉降固結問題，選擇莫爾-庫倫本構模型進行模擬與分析。根據(jù)地質勘探報告以及壓縮試驗、常規(guī)三軸試驗得到莫爾-庫倫參數(shù)，模型參數(shù)的取值見表2。

圖3 東順堤1+350斷面簡化模型

圖4 東順堤1+350斷面建模

表2 模型取用參數(shù)

4 模擬結果分析

本次分析海堤完工后的自重沉降、自重沉降+行車、自重沉降+行車+圍區(qū)內吹填土+外海側沖刷3種工況，模擬分析結果云圖見圖5—7。

圖5 自重沉降工況分析結果云圖

圖6 自重沉降+行車工況分析結果云圖

圖7 自重沉降+行車+圍區(qū)內吹填土+外海側沖刷工況分析結果云圖

經過3種工況模擬結果分析可知，自重沉降工況海堤5年沉降60.83cm，自重沉降+行車工況海堤5年沉降75.20cm，自重沉降+行車+圍區(qū)內吹填土+外海側沖刷工況海堤5年沉降81.76cm，其中行車荷載引起的沉降為14.37cm，圍區(qū)內吹填土+外海側沖刷引起的沉降為6.56cm。由此可見，海堤完工5年時間內，自重沉降占74.40%，行車荷載沉降占17.58%，圍區(qū)內吹填土+外海側沖刷沉降占8.02%。

模擬結果顯示海堤完工五年后堤頂沉降81.76cm；東順1+350斷面自2015年完工至今沉降約91.90～93.60cm，模擬結果比實測數(shù)據(jù)小10.14～11.84cm。差值范圍在工程許可范圍內，滿足應用需求。

5 結語

(1)在軟基海堤沉降有限元數(shù)值模擬中，將砂井地基等效成砂墻地基極大地簡化了建模及計算工作量。

(2)海堤總沉降以自身沉降為主，行車荷載導致的海堤沉降在海堤完工5年內的總沉降量中占比近1/5，圍區(qū)內吹填土和外海側沖刷導致的沉降占比較小，堤頂通車加劇海堤沉降。

(3)通過有限元數(shù)值模擬預測軟基海堤工后沉降量，掌握各因素對工后沉降的影響規(guī)律，可以更精確地確定預留沉降量，對保證工程質量、控制工程造價具有重要意義。

(4)文章未開展沉降預測模型與有限元數(shù)值模擬預測結果比對分析，建議通過開展更多工程案例進行研究。