梅山水道南堤軟土地基沉降規(guī)律及影響因素分析

李明，張偉，梅蕊，張曄

（1.山東齊鴻工程建設(shè)有限公司，山東 淄博 256300；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

海堤等建筑物的堆積荷載作用于軟土上，容易產(chǎn)生崩裂、塌陷，甚至倒塌等安全隱患，對建筑物的正常運行造成影響，對于深厚軟土地基，地基沉降計算和工后的沉降控制是該類地基處理的核心問題[1]。隨著計算機技術(shù)的進步，沉降計算方法得到了充足的發(fā)展，數(shù)值分析方法可以解決許多以前無法采用理論求解的地基沉降變形問題，促進了軟土地基沉降研究的發(fā)展。

莊妍、顏立明[2-5]等利用有限元分析軟件結(jié)合實測數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對軟土地基的沉降特征進行研究，分析了塑料排水板結(jié)合真空預(yù)壓方法對軟土地基的固結(jié)效果。王茂麗[6]對軟土地基沉降中一維非線性固結(jié)理論進行了分析，并根據(jù)工程實例結(jié)合有限元軟件，考慮了荷載與地基土層分層厚度等影響因素，對于軟土地基的一維非線性沉降進行了計算分析。葛棟林[7]、姜民[8]等針對海堤荷載下軟土地基的沉降變形和穩(wěn)定問題，結(jié)合實際工程建立數(shù)值分析模型，模擬防波堤的開挖和拋填施工及長期沉降過程，預(yù)測計算各典型斷面的最終沉降、施工期沉降和竣工后沉降。從已有文獻可以看出，目前對于實際工程結(jié)合有限元軟件建立數(shù)值模型對地基沉降進行預(yù)測分析的研究已有不少，但是大部分研究采用有限元軟件模擬軟土地基沉降的本構(gòu)模型為摩爾庫倫（MC）模型，該模型是對巖土行為的一種“一階”近似，不能考慮應(yīng)力相關(guān)和剛度或各向同性剛度的應(yīng)力路徑，采用摩爾庫倫模型作為土體分析的本構(gòu)模型具有一定的局限性。

本文以寧波市北侖區(qū)梅山水道抗超強臺風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地的南堤段作為研究對象，針對塑料板排水法在海堤工程中的應(yīng)用進行研究，采用土體硬化（HS）模型作為軟土地基上的海堤沉降模型中土體單元的本構(gòu)模型，運用PLAXIS 2D 有限元分析軟件建立海堤軟土地基數(shù)值模型，分析塑料排水板法處理的軟土地基上長時間的沉降變化規(guī)律，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證該數(shù)值模型的準確性，對在浙江沿海類似的海堤工程提供沉降變形預(yù)測的經(jīng)驗。

1 工程簡介

1.1 工程概況

北侖區(qū)梅山水道抗超強臺風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地工程項目位于北侖區(qū)梅山島與穿山半島西南部之間的梅山水道，工程區(qū)南北向總長11.5 km，水面積9.63 km2，正常庫容約5000 萬m3。工程項目由海堤、水閘、船閘、泊船區(qū)、管理區(qū)等組成。工程將建設(shè)南北兩條海堤，其中南堤位于春曉洋沙山與梅山七姓涂海塘之間的海域，北堤位于白峰鎮(zhèn)黎明村與梅山鐘家塘之間的海陸域。北堤長約800 m，堤頂路寬35 m，配套建設(shè)凈寬56 m 水閘1 座；南堤長約1435 m，堤頂路寬16 m，配套建設(shè)凈寬24 m 水閘1 座，以及500 T 一級船閘2 座。

1.2 工程地質(zhì)

梅山水道南堤工程的地基土層細粒土與粗粒土相互混合，在地基分層上部區(qū)域大都是處于飽和狀態(tài)的淤泥質(zhì)粘土，工程地質(zhì)條件較差，地基處理方案為在地基上筑較高堤壩分期加荷施工，同時采用鋪設(shè)塑料排水板和拋石填筑方式加速地基排水固結(jié)，排水板間距1.3 m，正方形布置，塑料排水板打設(shè)深度為25 m。各土層分布及監(jiān)測如圖1 所示（以0+150 斷面為例）。

圖1 海堤0+150 斷面土層分布及監(jiān)測圖

2 軟土地基沉降規(guī)律分析

2.1 地表沉降規(guī)律分析

南堤0+150 斷面主壩監(jiān)測布置如圖1 所示，兩塊地面沉降板分別放置于觀測斷面海堤地基的主壩（T2）與小壩（T1）內(nèi)，地表沉降觀測從2014 年4 月30 日開始加載時開始記錄，到2020 年6 月17 日記錄結(jié)束，斷面加載填筑過程分為6 級。

將主壩T2 和小壩T1 的地基沉降量擬合成加載過程沉降曲線，如圖2。兩壩的加載過程沉降曲線均為盆形曲線，在海堤加載變化較大處出現(xiàn)拐點，主壩和小壩的海堤軟土地基沉降規(guī)律也一致，地基沉降量整體上隨海堤的分級加載呈現(xiàn)階梯狀增加，且上部荷載越大沉降量越大。

圖2 0+150 斷面測點地表沉降與加載過程線

分別將南堤0+150、0+400 斷面的主壩（T2）和小壩（T1）的地基沉降量擬合成沉降速率曲線，如圖3。從圖3 可見，不同斷面在第一級加載后的沉降速率不同，但在第一級加載后的沉降速率變化趨勢相似，在第一級加載后地基沉降迅速發(fā)展并逐漸趨于穩(wěn)定，斷面沉降速率與時間的關(guān)系圖呈現(xiàn)雙曲線形狀。

圖3 第一級加載后海堤部分斷面的沉降速率圖

2.2 地基分層沉降規(guī)律分析

以南堤0+150 斷面S1 和S2 測點的沉降數(shù)據(jù)為例，分析南堤地基分層的分層沉降規(guī)律。S1 和S2 測點的分層沉降過程線見圖4。從圖4可見，隨著海堤的每級加載，軟土地基各層的沉降量隨之增加，且同樣存在階梯狀發(fā)展過程。對于同一斷面，每層的沉降量隨著淤泥層深度的增加而逐漸減小，且分層越深其沉降拐點越不明顯，分層沉降越易達到穩(wěn)定狀態(tài)，說明在軟土地基的沉降里，上層的淤泥質(zhì)粘土沉降占主要部分。隨著加載高度的提高，每層達到收斂狀態(tài)的效果越顯著。

圖4 0+150 斷面S1 測點（左）、S2 測點（右）分層沉降過程線

3 數(shù)值計算與參數(shù)敏感性分析

3.1 模型介紹

基于梅山水道南堤段工程實例，選取標準斷面南堤0+150 整個斷面建立有限元模型，模型的水平方向的尺寸和豎直方向的尺寸分別為300 m 和70 m。采用土體硬化(HS)模型作為軟土地基上的海堤沉降模型中土體單元的本構(gòu)模型，摩爾庫倫(MC)模型為海堤結(jié)構(gòu)單元的本構(gòu)模型。各土層參數(shù)如表1 所示，將土層物理力學(xué)指標轉(zhuǎn)為土體硬化(HS)模型參數(shù)如表2 所示。模型的邊界條件：對模型的側(cè)面邊界加法向約束，對于模型的底部邊界加豎向約束，梅山水道南堤采用的是插打塑料排水板的方法加快土體固結(jié)，因此將模型的左右邊界與底邊界的水力邊界條件設(shè)置為關(guān)閉，模型的頂邊界設(shè)為打開，水流從上方排出，如圖5 所示。

表1 各土層參數(shù)

表2 土體硬化(HS)模型參數(shù)

圖5 塑料排水板海堤沉降有限元計算模型

3.2 模型驗證

選取海堤地基表面沉降最大處點P，根據(jù)PLAXIS有限元計算結(jié)果，點P隨時間變化的沉降曲線如圖6所示。

圖6 海堤模擬累計沉降與實際沉降對比圖

由圖6 可見，采用PLAXIS 2D 有限元模擬的海堤地基最終沉降與實際監(jiān)測沉降在后期沉降量誤差較小。當(dāng)采用PLAXIS 2D 有限元軟件計算塑料排水板處理軟土地基上的海堤沉降時，在各級加載階段計算得到的海堤沉降都比實際監(jiān)測的海堤沉降值大，而且隨著時間的推移，兩者沉降量的差距先增大后減小。可能是因為在實際的海堤加載中，施工時間較長，水位在發(fā)生變化，孔隙水壓力的變化大，而且塑料排水板在經(jīng)過長時間的加載以及孔隙水流通之后，會發(fā)生破壞，排水性能可能會隨時間衰減，PLAXIS 2D 有限元軟件建模則一直保持的完整高效的排水性能，從而導(dǎo)致誤差。

3.3 土體硬化(HS)模型參數(shù)敏感性分析

在實際的海堤加載工程中，土層的參數(shù)取值對于海堤的沉降計算有著重大的影響，不同地區(qū)土層的與的比值有很大的差別。分別將參數(shù)與的比值在±40%內(nèi)的范圍變化，計算海堤的最終沉降量的變化趨勢。海堤地基最終沉降變化隨參數(shù)、比值變化的曲線見圖7。

圖7 參數(shù)比值變化過程中海堤最終沉降量的變化

表3 參數(shù)的比值變化時海堤最終沉降量的變化

表3 參數(shù)的比值變化時海堤最終沉降量的變化

3.3.2 參數(shù)m 的影響

剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m 代表了剛度依據(jù)某個冪率的應(yīng)力相關(guān)性，土體硬化模型的屈服軌跡的形狀依賴于剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m，當(dāng)m=1 時屈服軌跡的形狀為直線，當(dāng)m 為較小的值時，模型的屈服軌跡的形狀會有稍微的彎曲，因此參數(shù)m 對于海堤的沉降有重要的影響。

參數(shù)m 的值在±40%的范圍內(nèi)變化過程中海堤最終沉降量的變化趨勢見圖8。如圖8 所示，隨著剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m 的變化，海堤的最終沉降量會發(fā)生較大的改變，當(dāng)參數(shù)m 增大時，海堤地基的最終沉降量減小，當(dāng)參數(shù)m 減小時，海堤地基的最終沉降量增大，當(dāng)參數(shù)m 的值縮小40%時，最終沉降量減小13.74%，

圖8 參數(shù)m 變化過程中海堤最終沉降量的變化

產(chǎn)生較大的變化。因此，當(dāng)采用土體硬化(HS)模型計算寧波地區(qū)軟土地基上海堤沉降時，對于黏土m 的取值為0.8～0.9 時，計算的海堤沉降量與實際情況較為符合。

圖9 參數(shù)c、參數(shù)變化過程中海堤最終沉降量的變化

3.3.4 參數(shù)卸載-重加載泊松比νur影響

在土體硬化模型中，參數(shù)卸載-重加載泊松比νur為純彈性參數(shù)。參數(shù)卸載-重加載泊松比νur的值在±40%的范圍內(nèi)變動時計算海堤最終沉降量的變化率，如圖10 所示。由圖10 可見，當(dāng)參數(shù)卸載-重加載泊松比νur的值從-40%增大到40%時，海堤的最終沉降量變化值幾乎與原計算值一致，因此參數(shù)卸載-重加載泊松比νur的值對于計算海堤最終沉降量的值影響可以忽略不計。在采用土體硬化(HS)模型計算海堤沉降時，參數(shù)卸載-重加載泊松比νur可以直接采用缺省值0.2。

圖10 參數(shù)νur 變化對海堤沉降的影響

4 結(jié)論

（1）采用PLAXIS 2D 有限元軟件中的土體硬化(HS)模型能夠有效模擬梅山水道南堤的沉降過程，取梅山水道南堤主壩斷面建立模型，能夠簡捷有效的模擬南堤地基的沉降，且沉降曲線與實際沉降曲線相符。

（2）對土體硬化(HS)模型中影響軟土地基海堤沉降的因素采用數(shù)值分析法進行模擬分析發(fā)現(xiàn)：參數(shù)的比值、參數(shù)m、內(nèi)摩擦角對于軟土地基海堤的計算結(jié)果有較大影響，而參數(shù)的比值、粘聚力c、卸載-重加載泊松比νur對軟土地基海堤的沉降計算結(jié)果幾乎無影響。根據(jù)研究結(jié)果，對于寧波地區(qū)的軟土，當(dāng)對土體硬化(HS) 模型無具體的地質(zhì)勘察資料時，可取淤泥質(zhì)土，取，，，對于粉質(zhì)黏土，取，，，黏土的m 值取0.8～0.9，νur取為缺省值0.2 時，計算結(jié)果與實際沉降結(jié)果較為相符。