海滨围垦造地工程软基沉降分析

胡群革

(浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

某海滨围垦造地工程位于瓯江口南侧的东海岸，海滨围垦工程围涂面积657.33 ha，工程概算总投资18 146万元，由海堤(2 841 m主堤、1 955 m北堤、501 m南堤)和水闸(1座排水闸，2座进水闸)组成，2011年12月实现龙口合拢，2013年7月工程基本完工.在造地工程实施期间，有施工单位提出招标土方工程量与实际回填的工程量有较大差距，经监理单位现场统计和浙江省测绘大队实地测量，耕地田面及道路高程均达不到原设计高程，给工程的验收及结算造成一定的影响.除了工程原始地貌养殖塘较多，存在一定厚度的流泥、浮泥层导致测量误差外，最根本的原因是在设计时未充分考虑滩涂的地质情况(在原设计时未作地质勘探工作)，土方回填后以及排水固结造成沉降量估计不足〔1〕，而且，软基变形特性也要求严格控制施工进度和防止过大变形发生〔2〕.为此，有必要在围垦工程地质勘探基础上，对土方回填后及排水固结引起的沉降量进行分析计算.

1 地质条件分析与评价

1.1 地质勘探和指标分析

围垦工程地质勘探分布在工程南部和北部，共布设了15个钻孔，其中1#～10#钻孔与第一次地质勘查钻孔分布基本一致，位于工程区的南区，11#～15#钻孔位于工程区北区，具体位置(见图1).通过勘探获取了工程区的软基分布、地下水位以及土层物理力学性质.工程南区根据1#～10#钻孔揭露的地质资料，可将南区场地地基土划分为4个工程地质层(其中②层细分为3个亚层)，地基土自上而下依次为：①淤泥质粘土、②1淤泥、②2含砂淤泥、②3淤泥、③1粘土、④1粉质粘土.从地基土物理力学性质指标试验结果可知除底层粉质粘土外，其上各土层的压缩系数在0.7～1.5之间，根据规范，压缩系数大于0.5的土层即为高压缩性土.根据以往软基工程经验，此类土层在工程施工以及后期运行过程中均会出现较大的沉降量，需要格外加以注意.

图1 围垦工程和地质勘探孔布置图

1.2 三维地质模型构建

图2 钻孔柱状图空间模型分布

图3 工程区域三维地质模型

图4 土层1(①-1稀泥♂))空间分布

2 沉降计算分析

2.1 软基固结沉降计算基本理论

在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之减少，地基发生固结变形，同时随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长.根据有效应力原理，总应力增量为，有效应力增量为，孔隙水压力增量为，三者之间满足以下关系：

Δσ′=Δσ-Δu

Δσ因此软土地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关系.软黏土层越厚，固结所需要的时间越长.如果淤泥质土层厚度大于10～20 m，要达到较大固结度U>80%，所需要的时间要几年甚至几十年之久.准确预测软土路基施工期和运行期的沉降并采取相应工程措施将沉降量控制在合理的范围是关系到软基工程建设成败的关键技术之一.

有限元方法由于采用能准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的Biot固结理论，因此在软基工程沉降量计算分析中得到了推广.它通过将连续体离散为有限个单元，并对这些单元的相关参数进行分片差值，可以获得连续体内各点的应力、位移和应变，从而对整个土体的稳定性、变形进行评价.有限元法不仅可以提供受荷土体的应力场和位移场，而且能在计算中考虑土体的非均质和非线性、土的材料特性随时间的变化、施工程序及荷载的变化等，因而计算成果可以更真实地反映和模拟从施工开始到运行期土体形态变化的全过程，为软土地基工程的处理设计和施工提供相应的参考〔3-5〕.

2.2 计算模型及计算条件

(1)计算模型

根据工程地质勘探的结果，建立如图5所示的工程区南部典型计算剖面，典型计算断面的位置分布示意(见图1).模型中主要考虑的土层上而下包括四个工程地质层，六个亚层，分别为①淤泥质粘土、②1淤泥、②2含砂淤泥、②3淤泥、③1粘土、④1粉质粘土.

图5 工程区南部典型计算剖面

(2)计算工况及计算条件

计算工况：主要对工程区南部、北部海堤及堤内一定范围(200.0 m)的典型断面在填筑过程以及运行期的应力、变形进行计算分析，分别计算堤防填筑、围垦填土以及1年、4年运行期后软基础沉降量.

主要计算工况如下：

①工况1：填筑期，堤防分层填筑至顶部高程6.0 m；

②工况2：填土期，围垦造地填土至标高3.0 m；

③工况3：运行期，主要考虑地基排水条件，计算1年后基础的沉降量；

④工况4：运行期，主要考虑地基排水条件，计算4年后基础的沉降量.

计算条件：计算剖面的左、右边界考虑为不透水边界以及位移边界，剖面的底面考虑为不透水地基以及固定位移边界.

2.3 计算成果分析

本次分析采用加拿大GEO-SLOPE公司的岩土工程计算分析软件包系列中的SIGMA/W软件〔6〕，通过计算，工程区南部堤防典型剖面在工况1～工况4条件下的沉降分布图(见图6～图9).不同时期的沉降量统计(见表1).

图6 工况1条件下工程区南部堤防典型剖面沉降量分布

图7 工况2条件下工程区南部堤防典型剖面沉降量分布

图8 工况3条件下工程区南部堤防典型剖面沉降量分布

图9 工况4条件下工程区南部堤防典型剖面沉降量分布

序号工况最大沉降量/mm堤防下软基础堤外填土区1填筑完成0.722堤内地基填土加高至标高3.00 m0.250.263堤防、堤内填土工程完成后1 a0.450.444工程竣工后4年内的软基础沉降0.250.30

3 结论与建议

(1)基于局部地质勘探成果，通过建立工程区南部三维地质模型，可以较好的反映整个区域的地质情况，更好为典型计算断面的选取提供发现依据.

(2)SIGMA/W软件可以执行诸如堆载和开挖等工况分析及软土固结分析，计算成果能反映软土基础沉降过程和总量，以此为依据核算施工单位的填土工程量，科学的解决了工程量补差的问题.

(3)根据本工程的地质条件以及地质模型分析、数值模拟的结果，工程在后续施工过程中还需严格控制堤防填筑速度和施工质量，在施工及以后的运行期都应加强监测，确保堤防在施工期不出现滑坡和裂缝.软基上土体沉降持续的时间长，最终沉降量大，宜预留足够的超高.

参考文献：

[1] 胡 川,陈道信,方子杰.对围涂工程海堤沉降量计量与支付问题的探讨[J].水利规划与设计，2010(3):54-56.

[2] 李海深.围海造地地区基础工程的实践和探讨[J].土工基础，1997,11(4):48-51,53.

[3] 杨 坪，杨 军，许德鲜，等.基于ADINA的软土坝基沉降分析[J].工程地质学报，2008,16(4):533-538.

[4] 蒋 鑫,凌建明,邱延俊.软土地区加筋土路基大变形固结有限元分析[J].地下空间与工程学报，2008,4(1):66-72.

[5] 孙 锋,潘 蓉,张顶立,等.秦山一期海堤软土地基沉降规律的耦合分析[J].核安全，2011(4):18-22.

[6] 陈振民.SLOPE/W软件总应力法和有效应力法的应用[J].水运工程，2009(7):107-111.