海上围堤堆载预压地基沉降特性

2011-06-06寇晓强刘爱民陈运涛钟小春刘洪亮

中国港湾建设 2011年4期

寇晓强，刘爱民，陈运涛，钟小春，刘洪亮

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.河海大学交通与土木工程学院岩土工程研究所，江苏南京 210098）

0 引言

采用的充砂袋堤心结合外部抛石护面是现今海上围堤（埝）所采用的较普遍的结构形式（如图1），这种结构施工工艺简单，便于海上施工，并可以就地取材。大型充砂袋配合地基打设排水板在围堤成形的过程中实际上起到对地基堆载预压的效果，在不断充填砂袋（加载）的过程中，地基经过排水固结而提高了不排水强度，强度增大的地基同时为承受更大一级荷载的施加提供了强度条件（如图2所示）。因此在施工过程中须严格控制加载速率，保证地基强度达到能承受该级荷载后再行继续加载。在实际海上围堤施工过程中，受天气、潮位、材料等多方外界因素影响，施工中很难采取有针对性的满足一定安全系数的加载速率，尤其在围堤充填袋施工接近尾声时，此时地基上部荷载接近最大程度，一旦出现加载速率过快，下部土体固结排水不及时，不排水强度未达到能够承受该级荷载程度，则会出现地基承载力不足而引起的剪切破坏。

针对所遇到的问题，实际工程建设过程中往往对现场施工分别就地基沉降、位移、应力等方面结合施工进度进行现场监测，一旦出现数据异常则进行报警，但在进行实际现场监测工作的过程中受施工及现场条件等限制，监测所得到的数据往往仅能反映工程局部问题，无法解释地基沉降过程中变形及固结机理。而对于如何了解并对待施工过程中地基沉降变形特性，如何有预见性地区分正常变形沉降与过大的破坏性沉降，如何结合监测数据判断地基稳定与否，是现今工程界经常面临的问题。

本文以天津海滨旅游区临海新城围海造陆项目三区南围堤为依托工程，根据实际围堤工程施工工况，建立有限差分数值分析模型，并结合现场实测数据，全面分析海上围堤堆载预压地基沉降变形发生发展特性。依托工程位于永定新河河口北侧，与在建造陆一期工程相邻，工程围堤施工总长为1 145 m，主要结构形式为斜坡堤，堤心为大型充砂袋，块石护面，地基处理采用抛设砂垫层和打设塑料排水板的处理方式。

1 采用FLAC3D模拟堆载预压施工的实现

采用连续介质快速拉格朗日差分法（FLAC3D）作为主要分析方法，拉格朗日方法遵循连续介质的假设，按时步积分求解，随着构形的变化不断更新坐标，允许介质有大变形，能够反应几何大变形问题。

采用有限元数值模拟分析岩土工程中的破坏、失稳等问题时，经常把材料看成不连续介质的离散元。若当作连续介质进行分析往往会出现数学求解上的不稳定，而采用动态运动方程分析物体的平衡状态来分析连续介质的静力学问题可以避免上述现象。动态运动方程应用于连续介质的基本原理是计算荷载平衡方程被表示运动的动量平衡方程代替，动量平衡方程所对应的解即为系统的静力解。

摩尔-库仑破坏准则反应岩土材料的剪切破坏特性与实际破坏情况较为符合。本文计算中材料的破坏屈服采用摩尔-库仑剪切破坏准则。

1.1 软土固结模拟——流固耦合分析法

在软黏土地基受荷载引起附加应力时，附加应力的一部分将由孔隙水分担，从而产生超孔隙水应力，而超孔隙水应力随时间逐渐消散并转换为土的有效应力的过程，就是土体所常见的固结现象。

实际上，本文所涉及的主要问题是软土地基在具备一定排水条件的情况下，其受荷变形固结的问题。在分析问题过程中，不但要考虑解决土骨架的受力变形问题，同时需要考虑软土地基中超孔隙水压力的产生并在土体内部发生渗透过程的问题，显然两者之间是相互影响的过程，也即渗流场与力学场相互影响问题。FLAC3D可以模拟多孔介质中的流体流动，比如本文讨论的地下水在土体中的渗流及土体的固结问题。FLAC3D既可以进行单独的流体计算，只考虑渗流作用，也可以将流体计算与力学计算进行耦合，也就是常说的流固耦合计算，而土体的固结就是一种典型的流固耦合现象。本文采用流固耦合分析地基固结的主要思路如图2所示。

1.2 典型施工断面加载模型建立

为与现场实测结果相结合，本文选取了依托工程人的典型围堤施工断面（地层分层情况如表1所示）进行模拟，模型网格如图3所示。围堤在纵向上可以视为相对无限长，是典型的平面应变问题，这里采用三维单元进行二维平面应变分析，即在分析过程中，采用三维有限差分单元建立网格模型，并约束整个模型的纵向位移。实际加载过程中将上部围堤结构的充砂袋简化为施加于地基的荷载。整个模型数值模拟过程如下：

1）建立与实际地层分层情况相似的平面应变网格，模型横向长160 m，基础竖向深度30 m；

2）根据实际地层勘察资料赋予各地层参数（表1），施加地层初始地应力及上部静水荷载，计算系统初始平衡；

3）按照实际排水板1 m间距及14 m打设深度，对地基中的排水板部位进行排水处理，增强地基排水性能；

4）根据现场施工进度，施加各级充砂袋荷载，计算地基在各级荷载下的变形及固结特性。

表1 各土层物理力学性质指标

关于模拟计算的几点说明：

1）海上围堤在施工前期，多是在水面以下进行充砂袋填充，这里近似取静水面高3 m；

2）充砂袋本身具有一定结构性并应与地层变形相协调，这里出于问题的主要方面考虑，在模拟计算过程中将充砂袋的填充简化为对地基所施加的荷载；

3）该算例采用Bio固结理论进行土体固结计算，水在土中的渗透遵循各向同性原则。

2 堆载预压地基沉降变形特性分析

2.1 施工期地基沉降特性实测对比分析

图4为堤轴线0点处计算沉降量与实测沉降量对比，可见，计算所得沉降规律与实测的沉降曲线比较接近，在现场监测过程中由于条件限制，无法在加载后立即测量地基不排水变形量，故监测曲线基本无法明确区分不排水瞬时变形沉降和固结沉降，但总体沉降趋势与计算所得沉降特点比较吻合。由此可见，应用本模型以及模型所采用的分析参数，可以相对准确地模拟围堤堆载预压地基的变形沉降特性。需要说明的是，在荷载施加直至最大的过程前后，实测的固结沉降量要稍大于计算所得，这可能是由于在实际施工过程中，该监测断面受相邻断面加载施工影响所致。

从沉降曲线上不难发现，在施工加载的过程中，地基的沉降以不排水变形为主，同时伴随固结变形，此种排水板间距及深度基本可以满足在该施工断面上加载间隔时间内的排水固结需求，但需要考虑的是施工过程中此种竖向排水板实际打设质量与排水效率的问题，以排水板作为地基的竖向排水通道，其排水效果是否能够相当于在地基中打设一个没有厚度的畅通无阻的排水通道，在地基发生变形后，其随地基协调变形后的排水效果又如何，这些均有待不断探索研究。

2.2 沉降特性

图5为最后一级加荷完毕并固结8 d时地基竖向变形云图，可以明显发现地基的沉降呈中心下沉，两端向上隆起的盆状，这与先前许多关于围堤沉降监测所得的特性相符。

土体的竖向沉降分布如图6所示，土体在多级荷载作用下发生沉降的过程中，主要沉降的范围大多为-12 m以上的软土层，主要为淤泥及淤泥质粉质粘土，是整个地基发生沉降的主要因素。而加载后地基浅层软土将出现较大的不排水瞬时沉降，而随后固结沉降将首先发生在-14 m以上的排水板区域，随着时间的增加，土层深部也将出现明显的固结沉降。

图7为最后一级荷载施加后，固结前及固结15 d后地表沉降变化对比，沉降槽中心随着土体排水固结越来越深，而两侧的隆起也有所回落，这也是由于地基在排水固结的过程中土体体积减小，出现沉降槽加深的现象。

2.3 侧向位移特性

在施工加载过程中，土体沿深度方向会产生一定的侧向位移（见图8），由于应力集中及土层刚度不同，沿深度会产生不均匀的侧向位移。在施加荷载的初期，即荷载较小时，其竖向上的不均匀侧向位移并不明显，随着荷载的连续施加，其侧向不均匀变形逐渐凸显出来。由浅至深逐渐增大，到达一定深度后达到最大，进而随着深度增加出现减小，直至不出现明显的侧向不均匀变形。

通过图8可以明显看出，引发土体侧向变形的主要原因是由于土体受荷载后产生不排水瞬时变形，而土体固结因素没有增加土体的侧向变形且在一定程度上降低了土体的侧向变形，但其对土体的侧向不均匀变形的影响不大。由此可以得出，土体固结沉降并不会加剧深层土体的侧向位移，反而在一定程度上是削弱的，朱向荣、李振[3]通过现场原位监测也得出过相似结论。

2.4 超静孔隙水压力消散特性

在软土地基上部受荷产生附加应力时，其中一部分附加应力要转化成超静孔隙水应力，进而这部分超静孔隙水应力随时间消散并转化为有效应力而引发固结现象。如图9所示，在堆载预压地基受第1级荷载时，其超静孔隙水应力多集中在加荷正下部的排水板所在区域内，随着荷载的不断施加，并伴随着一定的超静孔压消散，至第8级（最后一级）荷载施加时（如图10所示），其超净孔隙水压力更多的则集中在地基受荷下部的一横向区域内，该区域分布着渗透系数比较小的淤泥质黏土层。再看8级荷载施加固结15 d后和80 d后的情形（图11、图12），可以明显发现，在经过固结排水15 d后排水板上部区域内的超静孔隙水压力相对消散较快，而至80 d后排水板下部的淤泥质黏土层中仍存在较多的超孔隙水压力。

由此可知，在堆载预压土体固结的过程中，如果在地层中分布有渗透系数相对较小的淤泥质软土层，则其固结特性在很大程度上将受该地层影响。固结过程中，排水板的打设对固结的加速作用明显，打设排水板区域固结速率明显要快于其下部未打设排水板的黏土区，而固结后期的固结沉降速率则主要取决于排水板区域下部的渗透系数较小的淤泥质黏土层。