深水軟基斜坡堤沉降變形對護面層穩定的影響

孫 楠，李 健，別社安（.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300； .天津大學 建筑工程學院，天津 30007）

?

深水軟基斜坡堤沉降變形對護面層穩定的影響

孫 楠1，李 健1，別社安2
（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222； 2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072）

摘要：為了研究深水軟土地基上拋石斜坡堤沉降變形對護面層結構穩定性的影響，采用軟土蠕變模型對深水拋石斜坡堤的軟土地基的沉降變形進行模擬計算。計算結果表明深水軟土地基上拋石堤的豎向沉降和水平變位發展持續時間較長；堤身變形穩定后，堤身中部的豎向沉降量大于堤腳處的水平位移量，堤身外輪廓線長度變短，軟土地基和堤身的沉降變形對護面層結構的穩定基本沒有不利影響。

關鍵詞：軟土地基；沉降變形；護面層；PLAXIS；軟土蠕變模型

引 言

軟土地基上斜坡堤的堤身和護面結構的豎向沉降量及水平位移量均較大，特別是后期的沉降和變位可能會導致墊層結構和護面結構破壞，因此有效模擬斜坡堤的沉降及水平位移是至關重要的。深水軟土地基上斜坡堤的豎向沉降主要是地基軟土固結變形產生的，水平變形主要是地基軟土受擠壓變形和蠕變產生的。固結變形和蠕變均可通過PLAXIS有限元軟件［1，2］中的軟土蠕變模型來進行模擬計算。

本文先對地質條件相似、且有現場觀測資料的某斜坡堤進行有限元分析，以確定相關土體的模型參數，再將驗證了的計算模型和參數應用到某深水軟土地基上的斜坡堤的變形分析中，根據得到斜坡堤面層的變形結果，來分析豎向沉降和水平變形對斜坡堤護面及墊層結構穩定性的影響［3］。

1 淺水軟土地基拋石堤固結變形計算分析

1.1 基本資料

圖1 淺水軟土地基上的拋石堤斜坡堤

某淺水軟土地基上的拋石堤斜坡堤結構如圖1示。該堤的施工工序和工期如表1所示，地質土層參數如表2所示。

表1 堤身結構施工工序和工期時間

表2 土層物理力學指標

1.2 固結變形有限元分析

1）模型及參數選取

地基土層中的淤泥、淤泥質粘土以及粉質粘土采用軟土蠕變模型，粉砂采用摩爾-庫侖模型，模型參數如表3示［4］。

表3 土體模型參數

2）數值計算和實測結果對比

通過數值計算得到了位于原泥面上距外側坡腳距離分別為41 m、25 m、10 m、0 m處的ABCD四點的最終沉降量，以及D點的水平位移值，如表4所示。對應的工程施工監測得到的現場實測數據也列于表4中。

表4 數值計算與實測沉降和水平位移的比較

數值計算與實測數據的對比可見，拋石斜坡堤有限元計算得到的變形情況與實際情況基本相符，表明本文有限元計算中的模型和參數選取是合理的，該計算模型和參數可應用于相似地質條件的拋石斜坡堤結構的沉降變形分析。

2 深水軟土地基拋石堤固結變形計算分析

2.1 工程結構和參數

文獻［5］中的某深水軟土地基上的拋石防波堤，結構斷面如圖2所示，地質土層參數如表5所示。該堤的施工工序和工期如表6所示。

圖2 深水軟土地基上的拋石堤斜坡堤

表5 土層物理力學指標

表6 深水斜坡堤結構施工工序和工期時間

該拋石斜坡堤結構頂高程 7.5 m，底高程-23.0 m，泥面處設計斷面寬度174 m。地基中的淺層淤泥用砂土換填，厚度為7 m。堤心采用拋石結構，外側護面坡度為1：2，肩臺頂高程為-7.0 m，寬度為5 m。肩臺以上護面采用10 t扭王字塊體，肩臺以下護面采用4 t扭王字塊體，護面下設置1.2 m厚的500～800 kg墊層塊石。護底采用200～400 kg塊石，寬度為10 m。

2.2 計算模型和計算結果分析

換砂、堤心石及護面塊體采用摩爾庫侖模型，淤泥、淤泥質粘土及粉質粘土采用軟土蠕變模型，參數如表7所示。

表7 土體模型參數

通過計算得到了堤身和地基土中各位置處的豎向沉降量和水平位移量隨時間的變化情況［6］。

圖3所示為從施工期到完工后5年內堤中心下地基中不同深度處的豎向沉降量隨時間的變化情況。軟土地基上，完工5年后，堤身沉降仍未穩定。堤心地基沉降量隨深度增大而減小。最大沉降量出現在堤心原泥面處，總沉降量超過3 m。施工期全部加載完成后，堤心沉降量為1.20 m，5年內仍有1.80 m的固結沉降量。

圖4為泥面線上各點的豎向沉降量變化情況。堤心原泥面處的總沉降量最大，堤腳處基本沒有沉降量，堤身外側的地基有隆起現象。

圖5和圖6所示為原泥面線上各點的水平位移量隨時間的變化情況。距堤中20 m（堤身高度30.5 m）寬度內，原泥面線上各點的水平位移量水平逐漸增大，距堤中20 m寬度外，原泥面線上各點的水平位移量基本相同，施工完成5年后，堤腳泥面處的水平位移量約為2 m。

圖3 堤心不同深度處的豎向沉降量的歷時曲線

圖4 泥面線上各點的豎向沉降量隨時間變化

圖5 泥面線上各點的水平位移量的歷時曲線

圖6 泥面線上各點的水平位移量隨時間變化

圖7所示為堤身和地基的沉降變形，圖8為堤身面層輪廓線的沉降變形，表8為沉降變形前后堤身輪廓線長度的變化情況。堤身變形接近穩定后，堤身中部的豎向沉降量大于堤腳處的水平位移量（堤身中部的水平位移量為0，堤腳處的豎向沉降量為0），堤身外輪廓線的總長度、斜坡段長度均變短，說明堤身結構整體變緊實。肩臺以上部分的的坡度略有變緩（由1：2變為1：2.18），肩臺以下部分的坡度變化不大。因此可以認為沉降變形對護面層結構的穩定基本沒有不利影響。

圖7 堤身和地基的沉降變形

圖8 堤身面層輪廓線的沉降變形

表8 沉降變形前后堤身輪廓線長度變化

3 結 論

深水軟土地基上拋石堤的豎向沉降和水平變位發展持續時間較長，在5年以上。堤身變形穩定后，堤身中部的豎向沉降量大于堤腳處的水平位移量（堤身中部的水平位移量為0，堤腳處的豎向沉降量為0），堤身外輪廓線長度變短，堤身結構整體變緊實。肩臺以上部分的坡度略有變緩，肩臺以下部分的坡度變化不大。沉降變形對護面層結構的穩定基本沒有不利影響。

參考文獻：

［1］ 朱伯芳.有限單元法原理與應用［M］.北京：水利電力出版社，1979.

［2］ Introductory version of PLAXIS code：程序說明書［M］.2000.

［3］ 中華人民共和國交通運輸部.JTS147-1-2010港口工程地基規范 ［S］.人民交通出版社，2010.

［4］ 廖先斌，王強，馬峰.軟土屈服前后固結系數變化特征［J］.水運工程，2013，（7）：54-56.

［5］ 李紹武，儲小歡.軟土地基上斜坡式防波堤斷面穩定性的物理模型試驗研究［J］.港工技術，2011，48（5）：9-11.

［6］ 宣廬峻.國外某軟土地質防波堤工程的地基穩定分析［J］.水運工程，2013， （9）：108-115.

Impact on Stability of Armor Layer Due to Settlement and Deformation of Inclined Breakwater Supported on Deepwater Soft Soil Ground

Sun Nan1， Li Jian1， Bie She' an2
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China； 2.School of Civil Engineering，Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：In order to study how the structural stability of armor layer is impacted by the settlement and deformation of rubble-mound inclined breakwater on deepwater soft ground， soft soil creep model is used to simulate the settlement and deformation.The calculation results show that the vertical settlement and horizontal deformation of rubble-mound breakwater are of long duration under the condition of deepwater soft soil ground.When the deformation of breakwater reaches stable state， the vertical settlement at the middle of breakwater is more than the horizontal displacement at the toe of breakwater， the external contour of breakwater becomes shorter， and the settlement and deformation of soft soil ground and breakwater almost has no adverse impact on the structural stability of armor layer.

Key words：soft soil ground； settlement and deformation； armor layer； PLAXIS， soft soil creep model

中圖分類號：TU441+.6

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）02-0055-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160214

收稿日期：2015-10-19

作者簡介：孫楠（1984-），女，工程師，主要從事港口工程水工結構設計工作。