近海軟土地基臨海側拋石壓載沉降計算

栗 佳

(遼寧省清河水庫管理局有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112003)

1 概 述

某海堤屬于圍墾項目，始建于2004年。原工程級別為3級，防潮標準50a一遇。后來墾區海堤防護對象調整為特大型規模工業園區，根據《海堤工程設計規范》規定，防潮標準調整為200a一遇，工程級別調整為1級。

為保證海堤臨海側邊坡結構穩定，在海堤臨海側現狀拋石上增加拋石進行壓載，并對臨海側拋石進行沉降計算，提供施工預留超高。

2 計算采用的基本資料

2.1 堤基和堤身物理力學指標

根據地質勘察，對海堤橫斷面的堤基分別分區為臨海側拋石下淤泥、堤后路外側淤泥、堤身下淤泥質黏土、粉質黏土、臨海側及背海側現狀淤泥。斷面分區見示意圖1，筑堤材料參數見表1、堤基土參數見表2。

表1 筑堤材料物理力學指標表

2.2 依據規范及計算軟件

海堤依據《海堤工程設計規范》(GB/T51015—2014)進行沉降計算。計算采用《理正巖土工程分析軟件》(6.5PB2版)進行計算。

3 沉降計算

3.1 沉降計算

3.1.1 沉降公式

沉降計算方法選擇經驗系數法，主固結沉降用壓縮模量Es計算的分層總和法計算。

地基的總沉降S按經驗系數法計算，計算公式如下：

S=m×Sc

(1)

(2)

式中：S為地基總沉降，m；Sc為主固結沉降，m；m為沉降系數，與地基條件、荷載強度、加荷速率等因素有關，其范圍值為1.3-1.6。根據工程地質勘察，并結合目前工程實際施工的現場沉降情況，臨海側拋石取1.5；Esi為壓縮模量，kPa；ΔPi為地基中各分層中點的附加應力增量，kPa；Δhi為地基沉降計算中，分層時第i層的分層厚度(m)，取0.5m，在計算分層范圍內，當遇到天然地層界限時，作為分層面。

適用以上計算公式的基本假定條件為：①基底壓力呈線性分布；②附加應力增量采用基礎中心點下的附加應力，并用彈性理論計算；③地基只發生單向沉降，地基土處于側限應力狀態；④地基土的瞬時沉降和次固結沉降通過mc經驗系數修正體現。

任意時刻的堤基工后沉降量采用以下公式計算：

(3)

式中：St為任意時刻的地基沉降，m；Ut為堤基土的平均固結度。采用理正軟件提供的微分方程數值解法計算，計算原理為：

(4)

(5)

式中：u為地基中任意點的超靜孔隙水壓力，kPa；t為時間，s；Z為地基中任意點到天然地面的高度，m；k為地基土的滲透系數，m/s；e1為滲透固結前土的孔隙比；a為土的壓縮系數(1/kPa)；γw為水的重度，kN/m3，本次復核計算γw取10kN/m3；Cv為土的固結系數，m2/s。

根據差分法求解上述微分方程，其邊界條件為：

u|t=0=u0
u|Z=0=0

(6)

(7)

求解該方程，即可得出任意時刻的超靜孔隙水壓力ut，則該點土的固結度為：

(8)

式中：u0為地基中任意點初設超靜孔隙水壓力，kPa；ut為地基中任意點在任意時刻的超靜孔隙水壓力，kPa。

如果堤基采取豎向打塑料排水板處理，則采用豎向排水板處理范圍地基土的平均固結度(不考慮井阻和涂抹作用)采用以下公式計算：

(9)

式中：Ch為土的水平向排水固結系數，cm2/s；Cv為土的豎向排水固結系數，cm2/s；H為采用塑料排水板處理的土層厚度，cm；de為塑料排水板的等效影響直徑，cm；dw為塑料排水板的當量半徑，cm；地基壓縮土層為淤泥或淤泥質黏土，計算厚度采用實際厚度，由于地勘鉆孔未穿透粉質黏土層或殘積土層，計算厚度統一取30m[1]。

3.1.2 原堤基排水板布置

該海堤工程均為軟土地基堤防，為適應軟土復雜地基條件，原堤基布置1m厚砂墊層，并在一定范圍設有梅花型排水板及鋪設高強機織土工布等處理措施。

原堤基排水板布置見表1。

表1 原堤基排水板統計表

3.1.3 堤基各土層固結系數

考慮淤泥及淤泥質土取樣過程擾動影響，且不同堤身部位下部基礎承受的荷載作用不同，本次復核計算時，海堤臨、背海側淤泥按尚未固結狀態取值，固結系數Cv=1.5×10-3cm2/s；堤身下部淤泥質土按基本固結狀態取值，固結系數取Cv=5×10-4cm2/s。堤基各巖土層固結系數取值匯總見表2。

3.1.4 施工期附加荷載

海堤培厚加高加固施工基本采取汽車運輸為主，施工期機械設備附加荷載取值按汽車-20級計算，單列車隊荷載值取22.231kPa，雙列車隊荷載值取19.481kPa。

表2 堤基各巖土層土的固結系數計算取值匯總表

3.1.5 計算方法

該工程是提級加固項目，是利用原有的海堤進行加高培厚改造，包括堤身加固培厚、堤身臨水側拋石壓載、堤身背水側吹填砂培厚壓載等。原有的海堤已建成近10年，建堤初期對基礎產生的附加應力而引起的沉降變形已基本趨于穩定，因此，本次復核計算主要考慮因堤防培厚加固結構對基礎產生的附加應力而引起的沉降變形量，不計算原海堤累計的沉降變形，分施工期和最終沉降分別計算，施工期6個月。

海堤提級加固是利用原有堤防結構進行培厚加高，因此，施工期由培厚加固結構體引起的沉降量按照加固結構體施工期內平均分期逐級加載計算；最終沉降量以加固后的海堤斷面恒定加載變形計算。

計算施工期由培厚加固結構體引起的沉降變形量時，分別取加固前海堤斷面和加固后(完建期)海堤斷面作為目標斷面，分別計算兩種斷面在設計施工期(6個月)內平均分期逐級加載產生的累計沉降量，然后將以加固后海堤斷面作為目標斷面的計算結果減去加固前海堤斷面作為目標斷面的計算結果，即得施工期由培厚加固引起的沉降量。

計算由培厚加固結構體引起的最終沉降變形量時，分別取加固前海堤斷面和加固后(沉降穩定期)海堤斷面作為目標斷面，分別計算兩種斷面工后最終沉降量，然后將以加固后海堤斷面作為目標斷面的計算結果減去加固前海堤斷面作為目標斷面的計算結果，即得培厚加固結構體引起的最終沉降量[2]。

3.1.6 計算斷面

本次復核計算，加固前斷面采用海堤現場剖面，對應加固后目標斷面采用提級加固施工圖成果。

3.1.7 沉降計算成果

根據《海堤工程設計規范》(GB/T51015—2014)要求，應確定海堤各結構部位工后沉降量以進行堤身施工預留加高，海堤的工后沉降量為最終沉降量與施工過程已發生沉降量的差值。

海堤各堤段典型斷面沉降計算成果分項列入表3。

表3 各堤段典型斷面沉降計算成果表 m

4 結 語

通過計算得出的各典型斷面工后沉降，可給出海堤施工的預留超高，保證了工程結構穩定滿足要求，工程正常運用，堤防發揮應有的防護作用。