基于砂井地基等效法的軟基海堤工后沉降數值模擬

瞿晨瑤，陳漢邦，陳文亮，沙勇華，鄭念念

(1.臺州市水利工程質量與安全事務中心，浙江 臺州 318000；2.浙江省錢塘江管理局勘測設計院，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規劃設計研究院)，浙江 杭州 310020；4.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

海堤是防御風暴潮水侵襲，減輕其災害的重要水利設施，多建在沿岸軟土地基上。軟土含水率高、壓縮性大、固結時間長，基于此類軟弱地基修建的海堤工程極易產生較大的沉降，且工后沉降較大。若設計計算不合理，可能會造成海堤防潮、防洪高程不滿足要求，地基不均勻沉降過大影響海堤穩定等問題。因此，海堤工后沉降是影響海堤安全的主要因素之一[1- 5]，必須引起高度重視。

目前海堤沉降分析主要有理論分析、有限元數值模擬、監測資料分析等方法，相關研究眾多。嚴乾等[6]運用有限元法對已建海堤的應力和位移分布進行了仿真計算，分析了海堤的沉降；蔡珊珊等[7]開展考慮堤防工程堤基和堤身相互作用的有限元數值模擬，分析了堤防變形和位移等工作性態；姜永興等[8]使用將實測數據與數值模擬計算結果對比的方法，證明了采用有限元數值模擬計算海堤的變形、沉降的可靠性，指出為了滿足工后沉降，設計與施工時需要預留足夠超高；秦植海[9]等以海堤工后初期監測資料為基礎，運用分層總和法和太沙基一維固結理論反演了土層固結系數，提出采用改進變維分形預測模型對海堤工后可能發生的長期沉降進行預測。

在數值模擬中，為兼顧計算精度與計算效率，對模型進行適當簡化非常必要。本文以南洋涂圍墾海堤為背景，借助先進的巖土專用軟件Midas GTS對實際工程案例工后沉降進行數值模擬，在數值模擬過程采用等效法將排水板地基轉化為排水墻地基，簡化了建模和計算量，對類似工程具有一定參考價值。

1 工程概況

南洋涂圍墾工程位于臨海市杜橋鎮東南方向，地處椒江出海口北岸臺州電廠5、6號灰壩的外側灘涂上，圍區東西長約7.5km，南北寬約1.5km，圍區涂面高程為-1.60～2.3m。工程圍涂總面積10600畝，由海堤、排澇閘及圍區配套河道和隔堤(前期兼作施工道路)組成。設計工程等別為Ⅲ等，海堤、水閘等主要建筑物級別為3級。海堤擋潮標準為50年一遇高潮位與同頻率風浪組合，按允許部分越浪設計。

海堤總長7410m，包括西直堤(200m)、西順堤(2060m)和東順堤(5150m)，采用土石混合堤斷面結構，塑料排水插板基礎處理。地基土體主要為Ⅰ層淤泥夾粉土、Ⅱ層淤泥、Ⅲ層含泥粉細砂、Ⅳ層淤泥質粉質粘土夾砂組成。Ⅱ層淤泥厚達19～25m，均為壓縮性高，抗剪強度低，靈敏度高、排水固結緩慢的軟土，厚度較大，分布廣泛，為內堤沉降、變形和穩定的控制層。

2 等效地基方法

2.1 砂井地基等效成砂墻地基方法

利用排水板或砂井處理海堤軟土地基實際上是三維問題，但考慮到排水構件細長的外形特點，相比整個地基來說，尺寸很小。因此，在三維模型的構建過程中，劃分的網格數量就會很龐大，導致計算時間長，并且不易收斂。本次分析考慮將排水板地基轉化為排水墻地基，而排水墻地基可以用二維平面的有限元去模擬，從而將三維轉化為二維，大大減少了計算量。

將砂井地基等效成砂墻地基(如圖1所示)，需要在保持固結度或平均孔壓不變的條件下進行等效，根據等價方式的不同以及是否考慮井阻、涂抹效應可以推得不同的平面應變等效公式。根據Hansbo[10]單井固結理論推導得到平面應變情況下，整個砂井地基的平均徑向固結度的表達式如式(1)。

圖1 砂墻示意圖

(1)

其中：μp=2/3+2z(2l-z)khp/BQw。式中，B—砂墻間距一半，m；khp—砂墻地基水平向滲透系數，m/s；Qw—砂墻通水量，m3/s；l—砂墻打設深度，m；z—深度，m。

滲透系數按固結度等效后如式(2)所示：

(2)

2.2 參數取值及等效結果

在進行計算時要將塑料排水板等效成砂井，若以排水周長不變為準則，根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[11]，排水板轉化為砂井可以按照式(3):

(3)

式中，dw—砂井的等效直徑，mm；δ—排水板厚度，mm；ω—排水板寬度，mm；α—換算系數，可采用0.75。本工程采用C型塑料排水板，其尺寸為ω=100mm，δ=4.5mm，得出等效砂井直徑dw=50mm。

按照排水板的布置形式，等效排水直徑可由排水板間距來計算，若排水板按照正方形布置，則等效排水直徑為：

(4)

若排水板按照三角形布置，等效排水直徑為：

(5)

式中，L—排水板間距，m；de—等效排水直徑，m。

本工程采用C型塑料排水板，按正方形布置，間距1400mm，因此等效排水直徑de=1.58m。綜合前人對參數敏感性的研究結果，確定取值結果見表1：

3 模型建立

采用有限元軟件MIDAS GTS NX 2019對選定的海堤斷面地基沉降進行數值模擬與分析，求解流程如圖2所示。

圖2 MIDAS GTS NX求解流程

表1 砂井地基轉化砂墻地基參數取值表

3.1 計算斷面確定

本次分析選取東順堤1+350斷面，該斷面2020年3月實測堤頂高程為6.376～6.429m，2015年5月東順堤1+350無實測數據，用東順1+000和東順1+600斷面堤頂實測高程平均值代替，為7.295～7.365m，該斷面5年時間沉降量約91.90～93.60cm[12]。

計算分析對海堤斷面進行適當簡化，模型區域：外海側沿海堤鎮壓層坡腳向外延伸50m、圍區側沿子堤坡腳向內延伸50m，底部土體選取至-50.0m高程。東順堤1+350斷面簡化模型見

圖3所示，軟件建模如4所示。

3.2 土本構模型及計算參數確定

通過簡化處理，在數值模型中地基取4個土層，計算深度至-50.0m。針對地基土的沉降固結問題，選擇莫爾-庫倫本構模型進行模擬與分析。根據地質勘探報告以及壓縮試驗、常規三軸試驗得到莫爾-庫倫參數，模型參數的取值見表2。

圖3 東順堤1+350斷面簡化模型

圖4 東順堤1+350斷面建模

表2 模型取用參數

4 模擬結果分析

本次分析海堤完工后的自重沉降、自重沉降+行車、自重沉降+行車+圍區內吹填土+外海側沖刷3種工況，模擬分析結果云圖見圖5—7。

圖5 自重沉降工況分析結果云圖

圖6 自重沉降+行車工況分析結果云圖

圖7 自重沉降+行車+圍區內吹填土+外海側沖刷工況分析結果云圖

經過3種工況模擬結果分析可知，自重沉降工況海堤5年沉降60.83cm，自重沉降+行車工況海堤5年沉降75.20cm，自重沉降+行車+圍區內吹填土+外海側沖刷工況海堤5年沉降81.76cm，其中行車荷載引起的沉降為14.37cm，圍區內吹填土+外海側沖刷引起的沉降為6.56cm。由此可見，海堤完工5年時間內，自重沉降占74.40%，行車荷載沉降占17.58%，圍區內吹填土+外海側沖刷沉降占8.02%。

模擬結果顯示海堤完工五年后堤頂沉降81.76cm；東順1+350斷面自2015年完工至今沉降約91.90～93.60cm，模擬結果比實測數據小10.14～11.84cm。差值范圍在工程許可范圍內，滿足應用需求。

5 結語

(1)在軟基海堤沉降有限元數值模擬中，將砂井地基等效成砂墻地基極大地簡化了建模及計算工作量。

(2)海堤總沉降以自身沉降為主，行車荷載導致的海堤沉降在海堤完工5年內的總沉降量中占比近1/5，圍區內吹填土和外海側沖刷導致的沉降占比較小，堤頂通車加劇海堤沉降。

(3)通過有限元數值模擬預測軟基海堤工后沉降量，掌握各因素對工后沉降的影響規律，可以更精確地確定預留沉降量，對保證工程質量、控制工程造價具有重要意義。

(4)文章未開展沉降預測模型與有限元數值模擬預測結果比對分析，建議通過開展更多工程案例進行研究。