深水防波堤軟土地基數(shù)值模擬

葛棟林，徐賓賓，解林博，潘良鵠

(1.海軍研究院，北京 100070；2. 中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222)

地基的數(shù)值模擬是研究地基穩(wěn)定性和地基沉降的重要方法，但由于獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)極其困難，數(shù)值模型難以得到直接的驗(yàn)證，模擬結(jié)果往往不能放心采用。某深水防波堤工程自然水深18～30 m，軟土層厚度超過30 m，防波堤結(jié)構(gòu)采用部分開挖換填的斜坡堤形式，保留了10余米厚的軟土層且不進(jìn)行軟基處理，因此完工后會(huì)有較大的沉降。施工中須預(yù)留堤頂沉降量，以滿足堤頂高程設(shè)計(jì)要求，這就需要準(zhǔn)確預(yù)計(jì)地基的竣工后沉降。采用數(shù)值方法模擬防波堤地基的變形和穩(wěn)定性，利用施工期地基監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，能夠準(zhǔn)確預(yù)計(jì)地基的沉降變形情況，同時(shí)復(fù)核防波堤的地基穩(wěn)定性。

1 工程概況

防波堤土層從上至下依次為①1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、①3淤泥、①4粉細(xì)砂、①5淤泥質(zhì)黏土、②1粉質(zhì)黏土等，其中①5淤泥質(zhì)黏土以上為軟土層。各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。防波堤為斜坡堤結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用部分開挖換填方式。防波堤典型斷面見圖1，圖中基槽底面高程-41 m，開挖深度21 m，保留12 m厚的軟土層，開挖底面以下包含淤泥和淤泥質(zhì)黏土層。軟基開挖后底面鋪設(shè)2 m厚中粗砂墊層、1 m厚碎石墊層。

圖1 防波堤斷面(高程：m；尺寸：mm)

表1 各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

深水條件下的海積軟土是在近代海水環(huán)境中緩慢沉積并經(jīng)長(zhǎng)期生物化學(xué)作用形成的。沉積顆粒以黏粒為主，孔隙比及含水率大，有機(jī)質(zhì)含量高。海積軟土具有高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性等特征，受荷載作用會(huì)產(chǎn)生很大的沉降變形，但固結(jié)發(fā)展很慢。這些特征使得防波堤達(dá)到沉降穩(wěn)定所需時(shí)間也較長(zhǎng)，同時(shí)預(yù)測(cè)軟土地基變形沉降有很大難度。

數(shù)值模擬采用PLAXIS 3D有限元分析軟件。它擁有全面豐富的專業(yè)巖土本構(gòu)模型，因其計(jì)算內(nèi)核穩(wěn)定高效，計(jì)算結(jié)果可靠性高而在國(guó)際巖土工程界受到廣泛的認(rèn)可，功能包括彈塑性分析、滲流計(jì)算、固結(jié)、大變形、動(dòng)力分析以及土與結(jié)構(gòu)共同作用[1]。

計(jì)算模型如圖2所示。各土層從上至下依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等，模型左右兩側(cè)及底部為不透水邊界。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土采用修正劍橋模型作為本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)如表2所示，其中回彈指數(shù)通過多組一維回彈再壓縮試驗(yàn)得到，壓縮指數(shù)采用地勘資料中的壓縮系數(shù)確定，臨界狀態(tài)線斜率則通過多組三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)得到。堤心石及粉細(xì)砂等砂性土選取摩爾庫侖模型為本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)如表1所示，扭王字塊按線彈性處理。

圖2 計(jì)算模型

表2 修正劍橋模型參數(shù)

2.2 計(jì)算方案

數(shù)值計(jì)算中，首先進(jìn)行地基應(yīng)力平衡，確定初始應(yīng)力分布。在PLAXIS 3D中，初始應(yīng)力可以通過K0過程生成，通常假定正常固結(jié)土的K0與摩擦角有關(guān)，根據(jù)Jaky經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即：

K0=1-sinφ

(1)

式中：K0為初始水平土壓力系數(shù)，φ為摩擦角 。再假定原泥面軟土一次性開挖至底高程，計(jì)算過程中記錄底面高程處的回彈變形情況，隨后在回彈基槽的基礎(chǔ)上，開始逐層拋填計(jì)算，并記錄該過程中防波堤底部的沉降變形。

3 模型檢驗(yàn)

3.1 水下地基監(jiān)測(cè)

采用具有水下無線傳輸系統(tǒng)的海上構(gòu)筑物自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法[2]，包括監(jiān)測(cè)傳感器、自動(dòng)采集系統(tǒng)、水下無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4個(gè)部分，具有與施工相互干擾少、節(jié)省費(fèi)用、安全有保障、不受網(wǎng)絡(luò)信號(hào)及惡劣天氣影響、能實(shí)時(shí)或定時(shí)采集等優(yōu)點(diǎn)，可以保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性、準(zhǔn)確性和可靠性[3]。

為滿足該深水防波堤建設(shè)中軟土地基穩(wěn)定和變形的監(jiān)控需求，采用該套技術(shù)對(duì)防波堤開挖面以下的地基進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4-5]，全堤共布置了3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中監(jiān)測(cè)斷面2-2、22-22位于防波堤端部，監(jiān)測(cè)斷面10-10位于中部。地基監(jiān)測(cè)從防波堤拋填施工起，至工程完工后1 a，歷時(shí)34個(gè)月，獲得了防波堤地基沉降、孔隙水壓力和水平位移的寶貴實(shí)測(cè)資料。首次成功應(yīng)用于40 m水下軟土地基的監(jiān)測(cè)，在驗(yàn)證建設(shè)方案和在防波堤施工中控制塊石拋填，確保軟土地基穩(wěn)定發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.2 檢驗(yàn)過程及結(jié)論

主要介紹10-10斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)數(shù)值模型的檢驗(yàn)情況。圖3為監(jiān)測(cè)斷面布置，圖4為斷面拋填過程中的加載情況，平均加載速率基本上維持在0.5～1 kPad。

圖3 斷面測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖4 斷面拋填加載過程

對(duì)施工過程中的地基沉降進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，表3列出1號(hào)測(cè)點(diǎn)位置施工期地基沉降實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果。從表3可見，二者存在明顯差異。拋填前地基沉降的實(shí)測(cè)值為0，而數(shù)值計(jì)算值為-135 mm，其實(shí)是二者起算點(diǎn)不同造成的。數(shù)值計(jì)算中，地基沉降的初始面是開挖底部；而地基沉降傳感器是在基槽開挖已經(jīng)完成、即將拋填堤心石之前埋設(shè)的，此時(shí)由于開挖基槽下的地基回彈，基槽底面已經(jīng)高出原開挖底面，而沉降監(jiān)測(cè)的起算面是以此時(shí)的基槽底面為基準(zhǔn)的。即，地基沉降觀測(cè)到的沉降不能反映地基的回彈。

為了對(duì)地基沉降的數(shù)值計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，將數(shù)值計(jì)算的基準(zhǔn)面統(tǒng)一到實(shí)測(cè)基準(zhǔn)面，即將計(jì)算值都加上回彈值135 mm。計(jì)算值修正后與實(shí)測(cè)值的比較見表3。可以看出計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致。

表3 1#測(cè)點(diǎn)位置地基沉降實(shí)測(cè)與計(jì)算沉降值比較 mm

圖5為斷面中部(1#測(cè)點(diǎn)位置)沉降的實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算曲線。可以看到，數(shù)值計(jì)算沉降修正值與實(shí)測(cè)沉降值吻合良好。實(shí)測(cè)值中存在因拋填堤心石造成的沉降突變，即瞬時(shí)變形，該現(xiàn)象在計(jì)算沉降曲線中也較為明顯，表明PLAXIS 3D不僅可以模擬長(zhǎng)期的固結(jié)沉降，還可以重現(xiàn)短時(shí)間加荷過程中的初始沉降。

圖5 斷面防波堤地基中部沉降比較

基槽開挖過程中基槽底部的回彈變形較為明顯，對(duì)拋填施工階段的地基沉降有較大影響，為此進(jìn)一步計(jì)算地基回彈的橫向分布，見表4。由表4可知，基槽中心回彈值最大，向側(cè)邊逐漸減小，與工程經(jīng)驗(yàn)較為吻合。

表4 斷面沿堤底方向的計(jì)算回彈值

按照同樣的方法修正2#～5#測(cè)點(diǎn)處地基沉降數(shù)值計(jì)算值，并與地基實(shí)測(cè)沉降值進(jìn)行比較，見圖6。可以看到，2#和3#測(cè)點(diǎn)處數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)沉降值相差較小；4#測(cè)點(diǎn)由于傳感器中途受到機(jī)械損壞，僅有前3層數(shù)據(jù)，但計(jì)算得到的沉降值與實(shí)測(cè)值仍較為接近；5#測(cè)點(diǎn)兩者相差較大，可能是由于實(shí)際工程中基槽放坡處淤泥回淤量較大，引起了較大的實(shí)測(cè)沉降。從地基沉降的數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較來看，數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

圖6 各測(cè)點(diǎn)計(jì)算與實(shí)測(cè)沉降值

對(duì)2-2和22-22監(jiān)測(cè)斷面位置的地基沉降實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行比較，同樣基本一致。2-2斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷前的沉降為711 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為750 mm；22-22斷面第4層拋填結(jié)束時(shí)監(jiān)測(cè)的沉降為520 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為480 mm。

10-10斷面水平位移的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，二者有共同的變化趨勢(shì)，最大水平位移值符合較好。拋填第1、3、17層、拋填結(jié)束1 a后最大水平位移實(shí)測(cè)值分別為16.5、47、593、661 mm，相應(yīng)的計(jì)算值分別為17、53、710、690 mm。

地基變形數(shù)值計(jì)算與地基監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較說明，數(shù)值計(jì)算能較好地模擬施工過程中防波堤軟土地基的變形，可以用于實(shí)際工程。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 地基沉降

3個(gè)斷面地基沉降實(shí)測(cè)結(jié)果證明數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各斷面的地基沉降，重點(diǎn)在防波堤竣工后的長(zhǎng)期沉降。

圖7給出10-10斷面、2-2斷面和22-22斷面中部地基長(zhǎng)期沉降變形曲線，表5為各斷面不同階段的沉降值。由圖7和表5可知，10-10斷面填筑結(jié)束60 a后地基沉降速率基本為0，可認(rèn)為超孔隙水壓力基本消散，固結(jié)變形接近完成，此時(shí)最終沉降值約為2 894 mm，由此可知填筑結(jié)束時(shí)地基的固結(jié)度約為65%；2-2斷面填筑結(jié)束50 a后地基沉降速率基本為0，可認(rèn)為固結(jié)變形接近完成，此時(shí)最終沉降值約為2 924 mm；22-22斷面填筑結(jié)束30 a后地基沉降速率基本為0，最終沉降值約3 948 mm。

圖7 各斷面防波堤中部地基長(zhǎng)期沉降

表5 各斷面不同階段的計(jì)算沉降值

4.2 地基穩(wěn)定性

為了評(píng)價(jià)防波堤在拋填過程中以及拋填結(jié)束后一定時(shí)間段內(nèi)的穩(wěn)定性，對(duì)防波堤各個(gè)拋填階段進(jìn)行安全性分析。PLAXIS 3D中安全性計(jì)算用于計(jì)算整體抗力分項(xiàng)系數(shù)，計(jì)算采用強(qiáng)度折減法，即土的強(qiáng)度參數(shù)tanφ和c逐步減小，直到土體發(fā)生破壞。安全性分析中某個(gè)計(jì)算階段的土的強(qiáng)度參數(shù)值通過總乘子∑Msf定義，即強(qiáng)度折減系數(shù)的倒數(shù)定義為：

(2)

式中：tanφinput、cinput是指在材料組中輸入的強(qiáng)度參數(shù)值；tanφreduced、creduced是指在分析中采用的強(qiáng)度參數(shù)折減值。安全性計(jì)算開始時(shí)，所有的材料強(qiáng)度參數(shù)取其輸入值，即∑Msf為1.0。通過繪制1強(qiáng)度折減系數(shù)與位移的關(guān)系曲線查看整個(gè)計(jì)算過程中折減系數(shù)的發(fā)展，通過這種方式可以檢查隨著變形的發(fā)展折減系數(shù)是否達(dá)到了一個(gè)常量，即破壞機(jī)制是否已完全發(fā)展。

1)施工期。第14層拋填后抗力分項(xiàng)系數(shù)為1.26，經(jīng)過一段時(shí)間固結(jié)后抗力分項(xiàng)系數(shù)增大為1.28；第17層拋填后抗力分項(xiàng)系數(shù)約為1.15，固結(jié)后增大為1.18。簡(jiǎn)而言之，隨著拋填高度的增加，防波堤整體抗力分項(xiàng)系數(shù)逐漸降低，經(jīng)過一段時(shí)間的固結(jié)沉降，整體抗力分項(xiàng)系數(shù)較拋填后有所增加。另外，根據(jù)防波堤離心模型試驗(yàn)[6]，抗力分項(xiàng)系數(shù)約為1.19，與計(jì)算值十分接近。

對(duì)2-2斷面、22-22斷面防波堤施工期間的整體抗力分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出同樣的變化規(guī)律：2-2斷面竣工時(shí)的抗力分項(xiàng)系數(shù)1.20，22-22斷面竣工時(shí)抗力分項(xiàng)系數(shù)1.09。

2)竣工后。竣工后防波堤整體抗力分項(xiàng)系數(shù)最終穩(wěn)定在1.23左右，較拋填結(jié)束1 a后的1.18抗力分項(xiàng)系數(shù)有所增大，說明隨著防波堤的固結(jié)變形，地基不斷沉降，防波堤整體穩(wěn)定性逐漸提高。同樣，2-2斷面最終抗力分項(xiàng)系數(shù)1.26，22-22斷面最終抗力分項(xiàng)系數(shù)1.17。

5 結(jié)語

1)現(xiàn)場(chǎng)地基實(shí)測(cè)資料證明：數(shù)值計(jì)算對(duì)深水防波堤軟土地基的模擬是可信的。10-10斷面施工期和竣工后1 a的地基沉降過程計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降結(jié)果吻合良好，2-2斷面和22-22斷面的誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

2)數(shù)值計(jì)算能模擬軟土地基在防波堤施工過程中的復(fù)雜變化。實(shí)測(cè)沉降值中，拋填過程中由于堤心石的沖擊作用，監(jiān)測(cè)沉降值中存在沉降突變，即初始沉降；該現(xiàn)象在計(jì)算沉降曲線中也較為明顯，表明PLAXIS 3D不僅可以模擬長(zhǎng)期的固結(jié)沉降變形，還可以重現(xiàn)短時(shí)間加荷過程中的瞬時(shí)變形。數(shù)值計(jì)算還對(duì)基槽開挖后的地基回彈進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬。

3)通過數(shù)值計(jì)算得到各典型斷面最終沉降、施工期沉降和竣工后沉降。

4)對(duì)防波堤各個(gè)拋填階段進(jìn)行的安全性分析結(jié)果表明：隨著地基的固結(jié)沉降，竣工后整體抗力分項(xiàng)系數(shù)較拋填后有所增加，防波堤在施工期和竣工后都是穩(wěn)定的。