堤防軟土地基固結沉降預測模型研究與應用

寧 博 王龍華 張學喜

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程背景

1.1 同馬大堤巨網段概況

同馬大堤位于長江中下游左岸安慶市境內，上起湖北省黃廣大堤末端段窯，下抵懷寧縣官壩頭，全長173.525km，為2 級堤防，其中皖河段堤長35.525km。同馬大堤巨網段樁號138+250～144+900，全長6.65km，為同馬大堤著名的軟基段，位于皖河入江口，系穿湖筑堤壩，堤基為軟弱的河湖沉積層。近年來該堤段最主要的險情是堤坡出現塌陷、開裂的情況，其特點是持續時間較長、分布范圍較廣、破壞較為嚴重且多見于迎水坡。相關研究判斷，堤坡沉陷、下挫、堤肩開裂等險情主要是由于堤基軟弱層不均勻沉降，且主要由蠕變沉降引起。

1.2 軟基處理方案設計

本次巨網段堤防除險加固設計在軟基處理方面，采用水泥土雙向攪拌樁復合地基加固方案。處理范圍為全堤段迎水坡和平臺部位的下臥軟土層，部分坡段背水坡坡腳附近的下臥軟土層；樁底設計高程3.0m，且深入②層中粉質壤土與砂壤土互層不小于1m。坡面樁體采用梅花型布樁，樁徑600mm，樁間距1400mm。迎水坡格構式樁墻，樁徑600mm，樁與樁的搭接長度150mm，樁墻間距2.7m，堤身軸線方向樁墻間距5.4m。內、外坡坡腳限位樁墻，樁徑600mm，樁與樁的搭接長度150mm。

結合最新的勘察資料，依據巨網段堤防各段地質條件、險情性質、險情發生部位與危害程度，同時結合歷次變形觀測成果，對巨網段6.65km 堤防分段提出了三種不同的加固措施。措施一：外坡腳以上8 排梅花型布樁，內坡長130～150m 范圍坡腳以上6 排樁，內外坡腳均設一排限位樁墻；措施二：外坡腳以上12 排梅花型布樁，內坡長120m 范圍坡腳以上6 排樁，內坡腳設一排限位樁墻，外坡腳設格構式排樁墻；措施三：外坡腳以上6 或8 排梅花型布樁，外坡腳設一排限位樁墻加固。巨網段堤防各段加固措施詳見表1。

表1 巨網段堤防各段加固措施表

2 固結沉降有限元分析

2.1 計算方案

計算根據分段提出的不同加固措施選取五個計算斷面（138+500 樁號、141+310 樁號、142+405 樁號、143+050 樁號、144+079 樁號），分別建立了反映1995年堤防標準斷面形成后至2035年這一時間段的固結沉降數值模型。為了比較堤基采取加固措施后的效果，每個計算斷面設置兩個分析工況，第一個工況模擬堤防在1996—2035年一直處于自然固結狀態的過程，即2021年未采取加固措施；第二個工況模擬堤防從1996—2020年自然固結25年后，歷經2021年的加固施工，自2022年又靜置14年直至2035年的固結過程。

2.2 計算方法

計算采用GTS NX 中的固結分析模塊，地基軟土采用軟土蠕變本構模型，以此分析堤防軟土地基的固結沉降過程。軟土蠕變模型適用于表示隨著時間變化的粘土結構骨架蠕變行為；總應變率等于彈性應變與蠕變應變之和，蠕變應變是有時間依存特性的粘塑性應變。

2.3 數值模型構建

數值模型包括堤身填土、地基軟土以及砂層、回填土、水泥攪拌樁、咬合樁結構等，在模擬中做了適當的簡化，以保留主體結構來反映堤防軟土地基的固結沉降。數值模型構建基于如下假設條件： （1）將結構、各區域土層近似視為均質、連續、各向同性的介質；（2）咬合樁形成的側向圍封等效為排樁結構，屬于線彈性材料，采用線彈性模型計算；水泥攪拌樁群樁和樁間土層形成復合地基，加固后的復合地基區域選用莫爾-庫倫模型；（3）地基軟土選用軟土蠕變模型，地基砂層、堤身填土、回填土選用莫爾-庫倫模型；（4）在排樁結構和土體之間不設置接觸單元。

模型各區域中的土層均采用以四邊形網格為主輔以三角形網格的2D 平面應變單元模擬，排樁結構采用間距極小的1D 梁單元模擬。

對分析工況一，固結過程模擬設置時間達40年的時間步來控制；對分析工況二，固結過程模擬設置五步：（1）堤防自1995年固結至2020年；（2）一期開挖+加固施工；（3）二期開挖；（4）堤身回填；（5）堤防自2022年固結至2035年。

模型中施加的邊界條件主要有：（1）側向邊界、底邊界位移約束；（2）墻身的轉動約束與墻底位移約束；（3）軟土與砂層間的排水邊界；（4）堤身非固結邊界；（5）水位線，一般設置在堤身與堤基接觸面高程。施加的荷載為重力荷載。

其中，根據2010年護坡沉陷觀測統計數據，對各計算斷面軟土層的OCR、λ、κ 進行了初步率定；加固區域的土體強度視為攪拌樁復合地基的等效強度指標由計算獲得。數值模型主要參數表略。

3 結果與分析

3.1 堤基自然固結預測結果

選取各計算斷面堤防外側邊坡中心位置，分別繪出其未加固時的沉降曲線，如圖1 所示。以141+310 斷面為例，2035年未加固時的側向位移TX的云圖見圖2，豎向位移TY 的云圖見圖3。

圖1 堤防外側邊坡中心位置沉降曲線圖（未加固）

圖2 141+310 斷面2035年側向位移TX 圖（未加固）

圖3 141+310 斷面2035年豎向位移TY 圖（未加固）

3.2 堤基加固后預測結果

同樣選取各計算斷面堤防外側邊坡中心位置，分別繪出其加固后的沉降曲線，如圖4 所示。以141+310 斷面為例，2035年加固后的側向位移TX的云圖見圖5，豎向位移TY 的云圖見圖6。

圖4 堤防外側邊坡中心位置沉降曲線圖（加固后）

圖5 141+310 斷面2035年側向位移TX 圖（加固后）

圖6 141+310 斷面2035年豎向位移TY 圖（加固后）

3.3 加固效果

比較未加固與加固后兩種工況下的計算結果，堤防2022—2035年側向位移最大值及沉降最大值的增加值見表2。

表2 堤防2022—2035年側向位移及沉降最大值的增加值表

3.4 成果分析

建立的數值模型較合理地模擬了1995年堤防標準斷面形成后40年間同馬大堤巨網段軟土地基的固結沉降過程。其中，圖1 較好地反映了同馬大堤巨網段堤基軟土的流變特性，各計算斷面曲線基本可分為四個階段：1995—1996年為瞬時變形階段；1996—1998年為非穩定或過渡階段，變形速率由大逐漸減小，且歷時很短；1999—2025年為穩定階段，其變形速率保持為常量，且歷時很長；2026—2035年為漸變階段，其變形速率逐漸增大，圖中顯示該段歷時不短，故應力水平應該不大。圖4 反映出加固施工對軟基固結過程的影響，即施工完成當年會產生一定的瞬時沉降。

圖1 與圖4 均表明，對于任意選取的堤防外側坡中心位置，141+310 斷面的絕對沉降值最大，144+079 斷面的絕對沉降值最小，另外三個斷面的絕對沉降值居中。以加固后工況為例，141+310 斷面的絕對沉降值為457.2mm，144+079 斷面的絕對沉降值為164.1mm，另外三個斷面的絕對沉降值為233.5～314.1mm，這反映了堤防不同樁號范圍險情程度是不同的，相應地也應采取程度不同的加固措施。因此，本次除險加固設計針對不同樁號范圍的險情采取三種加固措施是合理的。

表3 結果顯示，2021年堤防采取加固措施后，相比較未采取加固措施的情況，側向位移最大值和沉降最大值的增加值大幅度降低。以141+310斷面為例，沉降最大值的增加值由117.8mm 降至13.2mm，降低了88.8%；堤內側側向位移最大值的增加值由53.3mm 降至4.8mm，降低了91.0%；堤外側側向位移最大值的增加值由50.8mm 降至2.2mm，降低了95.7%。因此，堤防軟基處理設計方案效果顯著。

4 結語

建立的數值模型較合理地模擬了1995年堤防標準斷面形成后40年間堤防軟土地基的固結沉降過程；各計算斷面絕對沉降值的差異說明本次除險加固設計針對不同樁號范圍的險情采取三種加固措施是合理的；兩種工況下堤防變形最大值的增加值差異明顯，表明堤防軟基處理設計方案效果顯著。相關軟土參數的準確取值方面需進一步研究