海堤拼宽变形有限元数值分析

■刘 政

（贵州省公路工程集团有限公司，贵阳 550000）

1 引言

随着浙江省 “海洋强省”战略的实施，公路建设越来越由内陆向外海延伸， 概念实际已经突破现行规范中 “滨海路基”的范畴，成为 “海域公路”。海域公路建设条件趋于恶劣，同时，我省沿海海堤众多，堤路结合现象将愈加普遍， 对于海堤的利用与拓宽亦将成为海域公路建设的新课题。鉴于目前工程建设经验不足，而且理论研究偏少， 有必要对此展开深入而系统的研究， 为沿海产业带区域内相近交通基础设施建设奠定一定的理论基础与积累工程实践经验。

2 有限元建模

2.1 工程概况

本文以温州某工程为背景， 该项目是目前国内最长的跨海大堤， 全长14.5km。 海堤设计堤顶高程5.1~6.3m，顶宽10.5m，路堤采用抛石填筑，两侧设1~2 级镇压平台，地表以下30m 范围内为滨海相沉积淤泥软土(表1)，取其中具有较为典型地质条件的断面为计算模拟对象。

表1 地基软土层物理学指标

2.2 软基处理

地基处理采用排水固结法、结合土工布加碎石垫层和高强度土工格栅的复合加固法， 排水板间距1.4~1.5m，正方形布置，处理深度为16~22m。海堤拓宽方式为：在现有路堤南侧直接加宽24.5m，加宽部分堤顶高程为6.0m，采用抛石体填筑。 拓宽后地基的处理方式采用塑料排水板+堆载预压法来加速土体排水固结，排水垫层采用碎石垫层，垫层顶面设置土工格栅，基面设有土工布隔离。排水板处理深度为21~30m，正方形布置，间距1.2m。

2.3 模型简化计算

采用平面应变问题来处理。塑料排水板有限元计算简化为两步：先把排水板等效为砂井；再把砂井等效为砂墙。塑料排水板作用原理和设计方法与普通砂井排水方法相同，计算时，将塑料排水板换算成相当直径的砂井[1]。 其次， 根据赵维炳[2]等效计算方法将沙井地基转化为砂墙地基。赵维炳以巴隆理论为基础，考虑了涂抹作用和地基的侧向变形以及竖向渗流的影响，得到砂井地基平面应变问题和轴对称问题之间的等效方法。这种等效方法只需要调整水平向和竖直向渗透系数即可，对砂墙的间距可根据网格划分的需要任意取值。

2.4 模型建立

基本假定：海堤纵向足够长，尺寸不变，采用平面应变问题考虑；海堤单侧加宽，新老路堤结合部不会因为稳定性不足而出现滑移，接触条件为完全连续；路基填料采用摩尔库伦本构模型，地基软土采用软土模型；由于受潮水影响， 地下水位位于地表。 固结理论采用Biot 理论。

有限元模型地基深度取40m，宽度在路基左右两侧各延伸30m。左右边界竖向自由，水平约束，不排水；下边界水平和竖向均固定，不排水；上边界竖向和水平向均自由，排水。利用Plaxis 有限元程序建立模型。

图1 网格划分

图2 新路堤填筑完成预压1 年后地基竖向位移云图

3 计算结果分析

3.1 地基沉降变化

由图2 看出，整个断面竖向位移主要发生在新路堤处，且新路堤的靠近右路肩处竖向沉降最大，比较符合荷载传递规律，新路堤填筑近似为平行四边形，加上反压互道的影响，其荷载形心作用点位于新路堤中心偏右的位置，而老路堤越往左受到的影响越小。

图3 地基表面竖向位移

由3 图所示，新路堤填筑初期，沉降变化不大。随新路堤填筑增加，老路堤中心开始沉降，在新路堤填筑完成预压1 年后， 老路中心沉降515mm， 新路堤荷载引起的新路地基最大附加沉降为1210mm，老路附加沉降是新路堤的42.6%； 到新路堤填筑15 年后， 老路中心沉降562mm，新路堤地基最大沉降1290mm，老路附加沉降是新路堤的43.6%，可见新路堤的填筑对老路堤影响较大。

分别取新路中心以及右路肩堤底处两点，绘制其沉降~时间曲线图并与实测值比较，如图4、5 所示。从数值上来看，新路堤中心有限元计算沉降量1079mm，实测值1067mm，计算值与实测值基本吻合。右路肩有限元计算值1182mm， 实测值1138mm， 计算值比实测值偏大。

从两者的沉降曲线来看，图4 中有限元计算沉降曲线对荷载变化更为敏感，规律性比实测值更明显。而图5 中，有限元计算沉降曲线总体而言比实测曲线偏大，沉降趋势基本一致。

图4 路中沉降实测值与计算值对比图

图5 右路肩沉降实测值与计算值对比图

3.2 水平位移分析

图6 为预压期结束后水平位移云图， 图7 为地基表面水平位移，水平位移向右为正，向左为负。图中水平位移不包含新路堤填筑前老路堤引起的水平位移。

图7 地基表面水平位移

图8 新路坡脚水平位移对比图

从图中可以看出，新路堤填筑后，水平位移主要发生在新路堤以下软土层，但老海堤以下仍有水平位移。从深度范围来看，新老海堤水平位移的最大影响深度大约在35~40m 之间。 从老路堤左侧坡脚开始， 在其右侧， 水平位移为正， 方向向新路堤外侧， 从分界线向右，水平位移迅速增大，在新路堤坡脚附近达到最大，之后逐渐减小，在新路堤反压互道边缘处有个转折点，水平位移减小速率逐渐变缓后又迅速增大。 在老路堤左侧坡脚左侧，水平位移随着新路堤填筑高度的增加，向老路堤左侧发展，该区域水平位移较小。填筑初期水平位移增长较快，随着填筑高度的增加，水平位移逐渐增大， 预压结束后最大水平位移为448mm， 位于新路堤坡脚处堤底表面， 在竣工15 年后水平位移达到482mm，工后水平位移较小，老路堤地基表面预压结束后最大水平位移为32mm，竣工15 年后达到43mm，变化较小。

有限元计算新路预压完成时新路坡脚处水平位移与实测值对比图见图8。从图中可以看出，有限元模拟水平位移曲线趋势与实测曲线大致吻合，最大水平位移为447m， 位于地下2m 附近， 大于实测值364mm。 实测值总体上小于有限元计算值。

4 结论

(1) 新路堤填筑时竖向沉降主要集中在新路下方，最大沉降发生在新路右路肩位置，预压结束后，老路中心附加沉降是新路的42.6%，新路堤的填筑对老路堤影响较大。地基表面垂直沉降主要发生在施工期间，工后沉降较小。从老路左侧坡脚往右，水平位移先增大后减小，在新路堤坡脚处最大；从老路左侧坡脚往左，水平位移向左发展，预压结束后，老路以下地基软土水平位移较小。

(2)将有限元计算结果与实际结果比较时，路中沉降模拟结果与实测值较为接近，右路肩的数值比实测值偏大，曲线整体沉降趋势与实际结果相似，但数值模拟结果的规律性更为明显，水平位移模拟结果整体上都比实际结果偏大。

[1]高长胜，张凌.塑料排水板的等效直径[J].水利水运工程学报，2002(4)：28-32.

[2]赵维炳，陈永辉，龚友平.平面应变有限元分析中砂井的处理方法[J].水利学报，1998，6：53-57.