考慮固結作用的軟土地基上灰堤的穩定性分析

汪 彪，饒俊勇

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

軟土主要產生于濱海、湖泊、河灘及沼澤地，特點是強度低、壓縮性大、含水量高和透水性差。在我國及東南亞國家沿海區域廣泛分布著深厚軟土層，在這些區域新建電廠時，需對區域內軟土地基做出合適的處理方案[1]。軟土地基未做處理時，在上部結構荷載作用下，容易失穩造成破壞。其壓縮性高且滲透性差，地基會產生相當大的工后沉降或沉降差，且沉降過程延續時間很長，影響建(構)筑物的正常使用[2]。

與其他建(構)筑物相比，灰場能較好地適應工后沉降，這使得排水固結法作為軟土上灰堤的地基處理方案成為可能[3-4]。排水固結地基處理施工時，灰堤本體材料可作為堆載體，由于軟土強度低，很難承受灰堤一次全部加載時的重量。因此，堆載時灰堤可采用分級碾壓的方式施工，每次加載之間有一定的間隔。土體中孔隙水在荷載作用下，可通過PVD或砂井等排水通道排出。當施工期軟土地基土體強度不足時，灰堤會出現穿過軟土層的深層滑動破壞，嚴重時會影響到碾壓機械及操作人員的施工安全。因此，對灰堤分級加載施工時的灰堤穩定應當給予關注。目前，對于考慮施工期的灰堤穩定的研究還比較少，本文針對一濱海地區軟土地基上分級加載的灘涂灰場，采用有限元軟件Geo-studio對軟土地基上的灰堤分級加載進行計算，以分析灰堤施工時，灰堤邊坡穩定安全系數的變化規律。

1 考慮固結的穩定性分析

影響邊坡穩定的因素有很多，但邊坡失穩的根本原因為邊坡土體內部某滑動面上的剪應力達到了土體自身的抗剪強度，其穩定狀態遭到破壞[5]。而考慮固結的關鍵在于是否考慮了軟土中有效應力增加后引起的抗剪強度的增加，公路系統中使用平均固結度作為參數來考慮土體強度增加的經驗公式即有效固結應力法[6-7]，并不完全適用于電廠灰堤的設計。有限元軟件Geo-studio通過應力與孔隙水壓力的耦合，來實現對軟土固結過程的模擬，將應力模塊的計算結果導入穩定模塊后，即可得到施工期考慮固結后各階段的安全系數。

土體抗剪強度指標的恰當選取是影響邊坡穩定計算結果的重要因素[8]，對于考慮排水固結的堆載預壓地基處理，針對不同時刻孔隙水壓力的計算是其中一個重要環節，所以在本次數值模擬中采用有效應力參數是必要的。

2 工程簡介

2.1 工程概況

東南亞某國2×660 MW燃煤電站二期工程，位于濱海地帶，為二級灘涂灰場。灰場占地面積約為20 ha，總庫容約為136萬m3，能滿足電廠貯灰4 a的要求，臨海側灰堤為碾壓堆石堤，其他側為粘土堤，堆石(粘土)堤采用三次分級堆載的方式施工，灰堤分級堆載曲線如圖1所示。

圖1 灰堤分級堆載曲線

2.2 地質條件

灰場地段廣泛分布著②層淤泥、淤泥質土，顏色呈灰黑色、褐灰色，多呈流塑狀態，屬高壓縮性土。該層土的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1，屬于軟土，厚度約10.75～22 m不等。該層軟土中發育近水平微薄層理，由于頻繁的海侵、海退和潮汐的局部作用，形成了一系列不完全的沉積韻律和極其發育的微層理。②層淤泥層下為③層粉細砂層，滲透系數大，堆載預壓處理時，可作為下層排水通道。為了改善淤泥層排水條件，在灰堤區域內設置PVD，PVD打穿②層淤泥，伸入③層粉細砂層。臨海側②層淤泥層最厚，地質條件最差，故以臨海側灰堤為典型計算斷面。灰堤典型斷面及地層條件如圖2所示。灰堤區域內的PVD按間隔1 m×1 m正方形布置，規格為W×B=100×4.5，C型排水板，縱向透水率不小于40 cm3/s。

圖2 灰堤典型斷面及地層條件圖

3 數值計算及結果分析

3.1 模型輸入

本節利用Geo-studio建立模型，以分析灰堤施工期的邊坡穩定。模型范圍取灰堤前100 m，堆灰頂后100 m，模型兩側約束X向位移，模型底約束X、Y雙向位移。有限元分析中對塑料排水板的模擬，采用等效滲透系數法，見Jin-Chun Chai[9]的相關研究。Geo-studio穩定計算采用瑞典圓弧法。

對于②層淤泥質土強度指標的選取，使用三軸固結不排水(CU)試驗的有效應力指標，各層土的參數如表1所示。

表1 各土層參數表

②層淤泥質土數值模擬時采用國際通用的適用于軟土模擬的修正劍橋模型，壓縮指數Cc=0.318，回彈指數Cs=0.092，有限元固結計算分析模型如圖3所示。

圖3 Geo-studio固結計算最終加載模型

3.2 數值計算結果分析

根據計算結果，灰堤基底下某點處超孔隙水壓力隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 灰堤基底處超孔隙水壓力隨時間變化曲線圖

由圖可知，在灰堤堆載時，超孔隙水壓力增大，隨后靜置時，超孔隙水壓力逐漸減小；第二次加載時，超孔隙水壓力又開始增大，隨后超孔隙水壓力逐漸減小；在最后一次加載后，超孔隙水壓力最終減小為0，符合堆載預壓超孔隙水壓力消散規律。

Geo-studio某一級穩定計算結果如圖5所示。

圖5 第一級加載時穩定計算結果

灰堤內坡坡度陡于外坡坡度，且外坡中部下設置了CDM樁，起到了抗滑的作用。因此，施工期各級穩定計算的邊坡失穩滑弧均出現在灰堤內坡。

3.2.1 邊坡穩定與計算方法

本節利用有限元軟件和巖土軟件分別建立分析模型進行對比計算。該有限元軟件穩定計算采用強度折減法；巖土軟件采用基于極限平衡圓弧滑動的有效固結應力法，其強度采用快剪和固結快剪指標，快剪指標c=7 kPa，Φ=4°， 固 結 快 剪 指 標c=12 kPa，Φ=13°。二者模型范圍及邊界條件均與Geo-studio軟件一致，考慮固結作用各計算方法灰堤施工期的邊坡穩定計算結果如圖6所示。

圖6 不同計算方法的安全系數隨時間曲線圖

由圖可知，由于計算理論的關系，有限元軟件安全系數的計算結果明顯偏大，Geo-studio與巖土軟件的計算安全系數相差不大；Geostudio與巖土軟件計算原理均為基于極限平衡的圓弧滑動方法，與Plaxis的強度折減法有本質區別。由于固結計算理論的不同，Geo-studio與巖土軟件的主要差異在于靜置后的安全系數，靜置前(堆載完成時)的安全系數基本一致，而靜置前的安全系數最小，是施工期穩定的控制因素。

基于有效固結應力法的理正巖土應用于路堤加載穩定的分析已較為成熟，根據其與Geostudio計算結果的對比，表明采用Geo-studio進行考慮固結的施工期穩定的數值模擬是合理可行的。強度折減法未在規范中明確可以采用，且其穩定計算結果與基于極限平衡的計算結果差異較大，因此建議避免直接利用該有限元軟件的穩定計算結果。

3.2.2 邊坡穩定與固結時間

三級加載中，隨著堆載的高度增大，每級加載的安全系數逐漸變小。在加載完成靜置固結一段時間后，安全系數會有一定的提高；這是由于靜置時，軟土中超孔隙水壓力逐漸消散，有效應力增加引起抗剪強度增加，增大了土體條塊的抗滑力；為了驗證此變化規律，選取第一級加載后的靜置期(第15～195 d)進行分時間段計算，各時間段的安全系數如圖7所示。

圖7 第15～195 d安全系數隨時間變化曲線圖

由上圖可知，在第一級加載后靜置固結的180 d內，灰堤穩定安全系數逐漸增大；在加載完成后的60 d內，安全系數的增加較快，其后安全系數的增加速度趨于平緩。

3.2.3 邊坡穩定與滲透系數

PVD的設置是為了加速軟土中孔隙水的排出，相當于提高了軟土的滲透系數；圖8為設置PVD與不設置PVD且軟土為不同滲透系數時灰堤穩定安全系數隨時間變化曲線圖。

圖8 安全系數隨軟土滲透系數變化曲線圖

由上圖可知，隨著軟土滲透系數的提高，灰堤施工期穩定的安全系數也隨之增大，這是由于滲透系數提高時，超孔隙水壓力消散速度加快，在一定時間內有效應力的增長更為顯著。本工程中當軟土滲透系數為k=2.76e-4 m/d時，第二、三級加載時的安全系數小于1，灰堤內坡已發生失穩破壞；設置PVD時，各級加載的穩定安全系數均大于1.15，滿足穩定要求。

4 結論

1)通過多計算方法對比分析，表明Geostudio進行考慮固結作用的施工期穩定計算是合理可行的；應避免直接利用plaxis的穩定計算結果。

2)在灰堤堆載時，超孔隙水壓力增大，隨后靜置時，超孔隙水壓力逐漸減小；在最后一次加載靜置后，超孔隙水壓力最終減小為0，符合堆載預壓超孔隙水壓力的消散規律。

3)灰堤穩定安全系數受固結時間的影響，在一定時間段內，固結時間越長，安全系數越大。

4)當軟土滲透系數提高時，灰堤穩定的安全系數也隨之增大，設置PVD提高了區域內軟土的滲透系數，增大了灰堤穩定的安全系數。