堆载深厚软土边坡沉降与稳定性数值模拟

张飞　陈豆豆　沈广军

摘 要：市政工程中，软土堆载边坡的土层往往为弃土或已有河道里的淤泥与淤泥质土，施工工期长、土体沉降量大、沉降与边坡稳定性分析困难。该文针对某深厚淤泥质粉质黏土的边坡堆筑过程，分析其地基处理与土坡体堆筑方案，采用大型岩土有限元软件PLAXIS建立数值模型，分析土坡分层填筑沉降量以及沉降与时间的发展关系，并采用强度折减法分析填筑各阶段的稳定性与滑移面位置。计算结果表明：岩土有限元PLAXIS可以较好地模拟深厚软土边坡填筑过程中各深度土体的沉降变化、沉降随时间的发展变化规律以及各土层填筑时的边坡滑移面位置与变化模式，计算的沉降量与边坡稳定性符合实际的监测与工程经验。该文分析可以为类似工程的设计、施工与监测提供参考。

关键词：软土 堆载边坡 地基处理 沉降 稳定性分析

中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0060-06

随着城市建设与市政工程及环境改造等行业[1-2]的不断发展，大量的高层建筑地下室与地铁工程开挖[3]将产生弃土与相关堆土工程，一些城市公园景区人工挖湖与堆山营造大面积绿化工程等，均涉及到软土堆载边坡工程问题。此类边坡工程的堆积土方往往为新挖的饱和软土甚至是已有河道里的淤泥与淤泥质土等，含水量高、压缩性高、孔隙比大、强度低与渗透性低，堆土过程中需进行地基处理，经历工期长、土体沉降量大、沉降与边坡稳定性分析困难，成为了工程难点，引起工程界与许多学者[4-6]的关注。对于堆载软土边坡沉降与稳定性问题，常用的地基处理与土体沉降理论较难建立符合实际的计算模型进行分析，施工具有一定的盲目性，稍有不慎将引起土体长期变形与边坡失稳破坏，造成严重的工程事故。该文针对某深厚淤泥质粉质黏土堆土边坡问题，分析其地基处理与土坡体堆筑方案，采用岩土PLAXIS有限元软件建立数值模型，分析土坡的分层分步填筑沉降量以及沉降与时间的发展关系，并采用分步强度折减法分析土坡填筑各阶段的稳定性与滑移面位置，为相关工程提供参考。

1 工程概况

1.1 边坡周围环境

拟建龙脊山位于盐城滨海地区润盐大道北、盐仓大道南、串场河东、人民路西；西侧为拟开挖龙湖800亩大型水面（湖底开挖最深处-3.00 m）、东侧紧邻串场河，占地约260亩，其中主峰高14 m（黄海高程，下同）、北部侧峰高11 m、南部侧峰高9 m。主峰和南侧峰之间建设盘龙塔，山体周边建设展览馆、博物馆、名人馆。

1.2 地质情况

该工程深厚软土主要为自然地面以下1.6～1.8 m，黄海高程0.6～0.75 m以下11.9～14.1 m的淤泥质粉质黏土层。场地土层分布如下：（1）灰色素填土，湿，主要成份为粉质黏土，夹大量植物根茎，明河底部见厚约30 cm黑淤，富含有机质，土质松散，不均匀。（2）黄褐色饱和粉质黏土，可塑，局部夹黏质粉土薄层，明河部位该层土缺失，土质较均匀。（3）灰黄色～灰色饱和淤泥质粉质黏土，流塑，土质不均匀。（4）灰色砂质粉土，很湿，稍中密，夹少量粉砂团块及淤泥质黏性土条带，层面埋深及层厚变化极大，土质欠均匀。（5）灰色黏质粉土，很湿，稍密，夹较多淤泥质黏性土薄层（单层厚5.0～20.0 mm）及少量中密状粉砂团块（局部富集），具层理但层面埋深及层厚变化较大，土质欠均匀。（6）灰褐～灰黄色黏土，饱和，可塑，土质较均匀。（7）灰黄色砂质粉土，中密，局部密实、稍密，土质欠均匀。（8）灰黄色黏质粉土，很湿，稍密，夹较多软塑状黏性土薄层（单层厚2.0～20.0 mm），层理清晰，土质欠均匀。

1.3 建模分析思路

建模分析过程中，取龙奚山主峰位置的截面分析填土边坡的堆载沉降及其相应土坡的稳定性与抗滑移安全系数。分析模型的建立考虑了主峰高度最高为14.0 m，取其坡度最大位置为稳定性最不利截面，进行分析土坡沉降与稳定性，对整个边坡堆载预压沉降计算起控制作用。截面位置选取如图1所示。

2 地基处理及山体堆土方案

2.1 龙脊山地基处理方案

该工程地基处理以强度控制[7-8]为设计原则，主体思路是以地基强度的增长结合地基处理措施提高地基承载力，保证山体和地基的稳定性。龙脊山占地260亩，主峰高14.0 m，侧峰高11.0 m和9.0 m，山体西侧为龙湖，湖底最深处标高为-3.0 m。拟建山体地基软土厚度达14.0 m，为主要的不良地质体。鉴于山体堆筑对地基的承载力要求较高，在天然地基上堆筑已无法满足要求（极限高度5～6 m），必须对地基进行加固处理。

依据总体工期要求，该项目可选择塑料板或沙井，充分利用填土荷载预压，分级堆筑，当前一级荷载施加并预压一段时间后，依据监测结果和地基土强度的增长情况决定施加下一级荷载。经测算比较此次方案采用塑料排水板进行堆土预压，排水板拟采用SPB100-C型，深度28.0 m，间距1.5 m，露头50 cm，梅花形布置，共47 756根。为确保孔隙水沿竖向排水体渗入地表后顺利排出场外，充分发挥地基土的承载力，在堆载之前铺设600 mm厚砂垫层。考虑到山峰中心荷载较大的部位沉降会很大（不少于2.0 m），建议填筑砂垫层时，至堆填标高5.0 m起逐渐增高至中心部位砂垫层厚度分别不小于2.2 m（主峰）、1.9 m（北侧峰）、1.6 m（南侧峰），以便于留沉降空间，保证水平方向的有效排水。

2.2 山体堆筑方案

堆山土源采用龙湖开挖时自然地面下1.6 m以上粉质黏土或黏质粉土，采用碾压法施工。碾压土的含水率应符合最优百分比，并控制在最优含水率±2的范围之内，碾压时采用8 t～10 t平碾，每层铺土厚度不超过40 cm，碾压10～12遍，压实系数应不少于0.90。地下水位以下土源碾压前根据现场情况确定是否需要进行晾晒。堆载进度控制以土坡稳定计算结果为准，地基极限承载力依据堆载预压后土体抗剪强度的增长予以估算。

经初步测算，地基处理结束并铺设砂垫层后即可进行堆填，3个月内经分层碾压堆筑至标高5.0 m，随着沉降减缓，强度增长，第7个月开始后续堆筑，分层碾压并堆至标高7.0 m，依据地基土强度的增长情况，第12个月继续堆筑，南侧峰堆至峰顶，主峰及北侧峰堆至9.0 m，第16个月北侧峰堆至峰顶，主峰堆至11.0 m，第21个月开始主峰堆筑，直至峰顶。两年后依据沉降情况和监测结果进行补充堆筑并覆盖耕植土，并做好坡面排水工作。填土堆筑顺序先四周后中间，再由外至内均匀铺填。为确保山体的整体性和稳定性，应分层设计土工格栅，铺设标高5 m、7 m、9 m、11 m，土工格栅采用双向塑料格栅和钢塑土工格栅。5m标高处格栅纵横向极限拉应力应不小于20 kN/m，采用TGSG20-20土工格栅，面积约66 500 ㎡；7 m、9 m、11 m标高处格栅纵横向极限拉应力应不小于50 kN/m，采用GSZ60-60型土工格栅，面积约54 580m2。每层土工格栅铺设完毕后，应予碾压（一遍）。该计算的龙奚山主峰堆载过程图，如图2所示。

3 计算模型与参数

利用岩土有限元PLAXIS程序建立平面应变模型[9]，分析该工程的边坡堆载施工过程的土体沉降及边坡抗滑稳定性。土体采用高精度的15结点三角形单元来模拟，并采用弹塑性土体模型。土体强度基本参数采用不固结不排水试验指标，c为黏聚力，φ为内摩擦角，v为土体泊松比。数值计算参数如表1所示。

依据前面图1的建模截面截取办法，该工程可建立如图3所示的边坡堆载平面应变模型进行分析。几何模型从堆土高度为14.0的主峰中间开始考虑，主峰为8 m宽、11.5 m高，倾斜坡面的水平距离为67 m，整体模型取100 m宽，45 m高。生成的模型网格如图3所示。

4 填土沉降与稳定性计算结果

该实例计算中，填土过程简化地分为5步，第一步为60天填土2.5 m，固结90天；第二、三、四步分别均为60天填土2.0 m，固结90天；第五步为60天填土3 m，固结90天，总工期750天左右。分层填筑过程中，应分层40.0 cm填筑预压，如按实际填土计算步骤太多，计算时间过于分散，分析过于复杂并且对计算结果影响不大，故该分析只采用如上步骤填土进行分析。

4.1 分层填筑过程的土体沉降

图4为分步填土过程土体的沉降分布图。

从图4中可以看出，随着填土高度的增加，地基土竖向变形加大，且填土荷载对地基土的影响深度增加；竖向变形随着深度的增加而降低，而不像侧向位移，在地下一定深度产生最大水平位移。

主峰中间部位，原有地基土层③层中的某点沉降随时间的变化如图5所示，从图5中可以看出，随着堆载填筑土体时间的增加，土体的沉降值越来越大，当填筑到标高14.0 m，即时间为750天左右时，原有地基内土体最终沉降约为2.0 m左右。

土体沉降的大小随深度分布的曲线如图6所示。从图6中可以看出，随着深度的增加，堆载过程的土体沉降逐渐减小，而堆载预压的坡顶沉降约为3.2 m左右，施工过程中应加强土体沉降的预测与监测工作，应在深层土体中埋设沉降仪，监测相应沉降发展规律并控制土体的固结度。

各土层的沉降随时间的变化规律如图7所示。从图7中可以看出，随着边坡堆载时间的增加，各深度处的沉降均增大，并且标高较浅处的沉降大于较深处沉降，数值分析符合工程监测[2-4]与经验数值的变化规律。

4.2 堆载过程的土坡稳定性及滑移面分布

该工程堆载填土过程中，计算土体边坡的稳定性及滑移面位置分布。如图8所示为堆载高度5～14 m以后的各土坡滑移面分布图。

从图8中可以看出，随着填土高度的增加，土坡滑移面的范围增大，在滑动面内的滑动土体体积变大，表明随着填土高度的增加，土体滑动将造成更大体积的土体破坏；但是，堆载到第三级边坡以后，填土高度及荷载对地基土滑移面深度及坡前位置的影响不明显，7～14 m的3个填土高度时，边坡的滑移面深度方向均在③层软土层的底面，且滑移面在坡脚的位置基本相似，表明该工程填土存在一个位置较固定的软弱滑移面，建议工程施工过程中应引起足够的重视，加强土体竖向位移、水平位移及深层位移的监测工作，保证施工过程中土坡的变形与稳定性达到要求。

此外，利用强度折减法的计算，此3步施工过程中相对应的边坡稳定性安全系数分别为3.8、3.1、2.8、2.4和2.1左右，可以保证边坡填筑过程的抗滑移稳定性。

5 结语

随着堆土填筑过程的逐步进行，深厚软土堆载边坡的沉降逐渐增加，并且从原始地基的方向向上呈逐渐增大的趋势，随着时间的积累，施工沉降与工后沉降均有一定的增大的趋势；软土边坡的填筑过程中，滑移面范围逐渐扩大，稳定性系数逐步减小，但最危险滑面的深度位置变化较小。大型岩土有限元程序PLAXIS可以较好地模拟深厚软土边坡填筑过程中的土体沉降随填土高度与时间的变化规律，分析的滑移面可以较好地揭示各土层填筑时的边坡滑移面位置与变化模式，计算的边坡稳定性也符合实际的监测与工程经验，可以为类似工程的设计、施工与监测提供参考。

参考文献

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