基于分層沉降理論的海堤預測沉降計算方法

潘明杰，羅林峰，吳國芳

（1.浙江省水利科技推廣與發展中心，杭州310012；2.紹興市水利水電勘測設計院，紹興312000）

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基于分層沉降理論的海堤預測沉降計算方法

潘明杰1，羅林峰1，吳國芳2

（1.浙江省水利科技推廣與發展中心，杭州310012；2.紹興市水利水電勘測設計院，紹興312000）

摘要：文本介紹了采用基于一維固結沉降理論下的分層總和法，計算軟粘土地基的主固結沉降量，利用實測沉降數據推算最終沉降量，并反算沉降修正系數；再對未來荷載下的地基利用分層總和法計算主固結沉降量，利用當前荷載下推算的沉降修正系數，即可計算得出未來荷載下的地基總沉降量。本方法在預測未來荷載下地基的最終沉降量具有一定的精確性，是一種預測海堤地基沉降的新方法。

關鍵詞：海堤地基；荷載；沉降；預測

1　前言

海堤工程身處海域之中，其堤頂高程設計，需滿足相應的防潮標準，故在海堤工程完工后運行期的一定期限內，堤頂高程需達到設計標高，以確保海堤運行安全。特別是重力式防浪墻，由于其結構的整體性，要求在底板澆筑前就確定海堤沉降的預留量，以克服運行期沉降使海堤標高低于設計標高的問題。目前對于軟基沉降的預測，公認比較合理的是基于現場實測資料的曲線擬合法，其特點是實測沉降數據中綜合了各種影響軟基沉降的因素，在地基沉降穩定時間較長的情況下，能夠較為精確地預測出當前荷載下地基的最終沉降量［2-4］。通過假設海堤填筑達到一定高程后（一般為總荷載的2 / 3），土體變形特性近似滿足線彈性體理論，可以對未來多級荷載作用下的地基沉降量進行預測，但由于實際施工中未來荷載的不確定性，給未來多級荷載下預測地基沉降量，提出了新的難題。

本文主要采用基于一維固結沉降理論下的分層總和法，計算出軟粘土地基的主固結沉降量，利用實測沉降數據推算最終沉降量，并反算出沉降修正系數，再對未來荷載下的地基利用分層總和法計算主固結沉降量，及當前荷載下推算的沉降修正系數，即可計算出未來荷載下的地基總沉降量。由于相同地區的地基沉降修正系數具有近似唯一性，也主要基于海堤填筑后期，地基土體結構的線彈性體假設，本方法在預測未來荷載下地基的最終沉降量具有一定的精確性，且可以忽略其他預測方法中對未來荷載的加載時間和應力大小的要求，是一種預測海堤地基沉降的新方法。

應用該預測理論的海堤建設工程，于2007年12月開建，預測現狀時間為2009年11月（防浪墻底板澆筑前），工程于2011年11月完工，最新觀測成果為2012年12月，觀測時間跨度長達5年，其中得出預測成果時，離完工相距2年，離最近觀測相距3年。

2　計算方法

2.1 分層總和法計算主固結沉降量

分層總和法計算地基主固結沉降量，主要采用單向壓縮試驗為基礎的一維固結沉降理論，利用壓縮試驗的資料e-p曲線、壓縮模量Es或e-1gp曲線，計算軟土地基的主固結沉降量。本文采用e-p曲線，其計算公式如下：式中：Sc—主固結沉降量，mm；n—壓縮層范圍土層數；e1i—第i土層在平均自重固結應力作用下的孔隙比；e2i—第i土層在平均自重和平均附加固結應力作用下的孔隙比；Hi—第i土層厚度，mm；

由于海堤斷面結構較為復雜，本文計算的海堤結構材料由拋石和淤泥土組成，因此在計算地基所受附加應力時，需進行分塊計算，考慮應力疊加。

2.2 利用實測沉降數據推算最終沉降量

利用實測沉降曲線推算當前荷載下地基的最終沉降方法有很多，常用的有雙曲線法、指數曲線、三點法等，由于地基沉降曲線的發展趨勢往往有所不同，不能單一地確定一種方法來預測最終沉降量，因此本文對最終沉降量的預測，采用了上述方法同時對同一條沉降曲線進行分析的方法，最后選用預測沉降量最接近實測沉降量的預測值，來進行沉降修正系數的反算。

2.3 沉降修正系數的反算

利用沉降修正系數和地基主固結沉降量計算最終沉降量，其計算公式為：

式中：S∞—最終沉降量，mm；m—沉降修正系數。

2.4 未來荷載下的地基最終沉降量

重復2.1項的計算工作，計算完工后下的海堤地基主固結沉降量，并利用2.3項計算得到的沉降修正系數，推算出地基在完工后的最終沉降量。

3　實例分析

3.1 基本情況

北洋涂圍墾工程位于椒江河口外側，臨海市上盤鎮以東，圍墾面積為3.27萬畝（21.8km2），海堤堤線總長7.14km，北洋堤北起下山頭至麂晴山，長度為6.74km，涂面高程-0.7～-1.4m［1］。北洋堤現狀典型斷面及完工后典型斷面見圖1、圖2。

依據浙江省水利水電勘測設計院編制的《浙江省臨海市北洋涂圍墾工程初步設計階段工程地質勘察報告》，本工程白沙堤地表40m下，地基土體自上而下可分為下述幾層，計算用地基土層e-p資料見表1。

表1　計算用地基土層e-p值

3.2 沉降修正系數推算

3.2.1 利用分層總和法計算當前荷載下的地基主固結沉降量

利用分層總和法，及各斷面的地質資料，在同實測沉降點的位置，對現狀斷面下的海堤地基進行主固結沉降量計算，計算結果見表2。由于本工程沉降觀測斷面共有21個，限于篇幅，本文選取了7個連續的斷面。

圖1　北洋堤現狀典型斷面圖

圖2　北洋堤完工后典型斷面圖

表2　現狀斷面下（2009年11月）主固結沉降量、預測最終沉降量、沉降修正系數計算成果

3.2.2 利用實測沉降數據推算當前荷載下的最終沉降量

利用實測沉降資料及曲線擬合法，對現狀荷載下的海堤地基的最終沉降量進行預測，計算結果見表2。

3.2.3 反算沉降修正系數

利用預測的最終沉降量，及分層總和法計算得到的主固結沉降量，即可求得該斷面的沉降修正系數，計算結果見表2。

3.3 完工斷面下地基的最終沉降量預測

3.3.1 利用e-p曲線計算未來荷載下的地基主固結沉降量

利用分層總和法，及各斷面的地質資料，在相同的位置，對完工斷面下的海堤地基進行主固結沉降量計算，計算結果見表3。

3.3.2 完工斷面下最終沉降量預測

利用分層總和法，及各斷面的地質資料，在相同的位置，對完工斷面下的海堤地基進行主固結沉降量計算，計算結果見表3；利用3.2計算得到的沉降修正系數，最后推算出完工斷面下地基的最終沉降量見表3。

表3　完工斷面下地基主固結沉降量及最終沉降量計算成果

3.3.3 預測沉降量對施工預留的建議

由于海堤防浪墻施工的整體性，要求海堤沉降施工預留在防浪墻底板澆筑前進行，此時距離完成設計堤頂高程要求仍有近3.6m的拋石、平均2m的閉氣土方及防浪墻混凝土荷載，距離工程完工還有2年的時間，是海堤施工沉降預留的難題。根據上述計算成果，預測沉降建議值見表4。

表4　防浪墻底板澆筑預留沉降建議值

3.4 運行期一年后實測預留超高量

項目施工按照本文計算成果進行了預留，由于施工精度最終施工實際預留約為105cm，項目于2011年11月順利進行了完工驗收，至2012年12月，又運行了1年有余，根據實測高程資料，海堤堤頂高程均有一定量的超高，能夠滿足今后海堤運行對于高程的要求，實測預留超高量見表5。

4　結論

本文成果建立在5年的實測沉降序列上，獲得的主要結論如下。

表5　運行期一年后實測預留超高量

（1）海堤工程的預留沉降量，考慮防浪墻的施工整體性，最宜在底板澆筑前進行。

（2）本方法是由基于一維固結沉降理論下的分層總和法，計算出現狀斷面下（防浪墻底板澆筑前斷面）軟粘土地基主固結沉降量，再利用現狀斷面下的實測沉降數據，用曲線擬合的方法推算最終沉降量，并反算出沉降修正系數；再對未來荷載下的地基利用分層總和法計算主固結沉降量，利用現狀斷面下推算的沉降修正系數，計算出未來荷載下的地基總沉降量，最后計算出海堤防浪墻底板澆筑前的預留量。

（3）經過實踐驗證，該預測未來荷載下地基的最終沉降量方法，具有一定的精確性，是一種預測海堤地基沉降的新方法，能夠實現海堤施工階段的沉降預留，對海堤施工具有一定的指導作用。

參考文獻

［1］浙江水利水電勘測設計院.浙江省臨海市北洋涂圍墾工程初步設計階段工程地質勘察報告［R］.2006.

［2］吳雄偉，曾熙敏等.海堤地基沉降預測方法研究［J］.水利規劃與設計，2010（06）：47-49.

［3］潘林有，謝新宇.用曲線擬合的方法預測軟土地基沉降［J］.巖土力學，2004，25（07）：1053-1058.

［4］吳雄偉，基于指數曲線模型的沉降修正系數推求［J］.浙江水利水電專科學校學報，2010，22（01）：29-31.

作者簡介：潘明杰（1981年—），男，工程師。

收稿日期：2015-01-04

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.017

中圖分類號：TV148，TV52

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0044-03