海堤公路拓宽工程中新建路堤对老海堤沉降的影响

程　潇，蔡　锐，李秉宜(．河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京　0098;．南通沿海开发集团城镇建设有限公司，江苏南通　6006)



海堤公路拓宽工程中新建路堤对老海堤沉降的影响

程潇1，蔡锐2，李秉宜1
(1．河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098;2．南通沿海开发集团城镇建设有限公司，江苏南通226006)

摘要:通过在海域中海堤公路拓宽工程的典型断面埋设沉降监测仪器，研究新建路堤在建设过程中对老海堤公路的影响。实测结果表明:老海堤公路左、右两侧路肩在新建路堤建设过程中会产生较大的沉降，且左、右路肩的沉降差异较大，易产生裂缝。用Plaxis有限元软件模拟分析表明，模拟结果与实测值有较高的一致性，新、老海堤公路下均产生了水平位移，老海堤公路最大位移量0.5m，新建路堤最大位移量达0.8m，两者位移方向相反。拓宽海域海堤公路设计时应对这些位置的差异沉降采取适当修正措施。

关键词:海堤公路;拓宽工程;差异沉降;Plaxis有限元

海域上的海堤常常兼具公路的功能。随着经济的发展，一些老海堤公路由于路面道路狭窄，不能满足日益增长的交通流量需求，因此需要进行拓宽。目前，针对公路拓宽工程已经有了较为深入的研究。国外的改扩建公路主要有日本的名神高速公路、美国Indiana高速公路、荷兰Rotterdam-Antwerp高速公路等［1］。国内沪宁高速公路的拼宽采用了“两侧拼宽为主、局部分离”的方法，针对不同软基采取了多样化的软基处理方式［2-4］。Hjortnaes-Pedersen等［5］对实际拼宽工程进行研究，认为土工织物能够减小大变形的发生，软土中孔隙水的排出和路旁的护坡道均能提升路基的稳定性。Brinkgreve等［6］、Allersma等［7］、van Meurs等［8］将现场试验、离心模型试验和有限元模拟三者结合起来，全面分析了拼宽工程路基施工过程中软土地基的力学性能表现和固结特性。Forshman等［9］研究了采用土工材料结合粉喷桩以减小拼宽路堤水平位移的方法，同时进行有限元论证。汪浩［10］通过离心模型试验，认为拼宽工程中新路基作为附加荷载对老路基有较大影响，两者会产生较大的差异沉降，道路横坡比也会发生改变。蒋鑫等［11］采用三维弹塑性分析方法对拼宽公路进行了有限元模拟，着重分析了新老路基的不均匀沉降和应力分布规律，认为老路基下的位移和应力有向新建路基转移的趋势。章定文等［12-13］采用有限元分析方法，将软土和填料均选为摩尔库伦本构模型，探讨不同的软土层厚度、拼宽宽度、新老海堤刚度比等多种情况下，拼宽路堤对老海堤沉降固结的影响。邢良［14］分析了土工织物在拼宽路基中的作用原理，并运用大型有限元分析软件Ansys分析了土工织物在减少新老路基不均匀沉降方面的效果，同时分析了不同工况下软土路基的固结沉降规律。

综上所述，目前的研究成果主要集中在高速公路的拓宽方面，对于海堤拓宽工程，目前国内外的工程实例和研究尚少。本文依托浙江省77省道延伸线的海堤拓宽工程，通过现场试验和有限元分析来研究新建路堤对老海堤的沉降影响。

1工程概况

浙江省77省道延伸线龙湾至洞头疏港公路工程位于温州市，该公路连接温州陆域与洞头县东海海域。公路设计为双向四车道，设计时速80 km/h。该项目的三、四标段为海域段。该海域段原有一双向两车道海堤公路，现需要在其一侧拓宽为双向四车道，拓宽后，原海堤公路不再使用。

该工程地质条件差，路线方向为敞口海域段，软基深厚，最大软土深度达到60m。根据地质资料显示，该工程不良地质区域主要为海积层，厚度达56～71.4m，局部夹粉砂，呈软塑或流塑状，现状为滩涂，直接受潮汐影响，表面流泥厚度0.5～2.0m。在勘察深度范围上部以淤泥与粉砂互层、淤泥、淤泥质黏土为主，地基承载力35～50kPa，层厚30～45m;下部为黏土、粉质黏土，含少量粉细砂、炭化物碎屑，工程地质性质一般，层厚约21m。主要软土物理力学性质指标如表1所示。

表1　海域段主要软土物理力学性质指标Tab le 1M ain physical and m echanical performance indexes of soft soil in study area

从表1可以看出，该工程地质条件差，地基承载力低，在荷载作用下会产生相当大的沉降。而老海堤已经固结了约6a，固结已基本完成，所以新建路堤在建设时会与老海堤间产生相互影响。

2仪器布置

为了实时监测施工过程中路基的沉降速率，控制路堤填筑速率、施工进度，掌握地基固结的效果以及新老路堤间的沉降情况，在典型断面处埋设相关监测仪器，动态监测海堤公路的填筑过程，并通过观测数据的分析来指导施工。在典型主控断面K15+600位置埋设的仪器有:路基表面沉降板、孔隙水压力计、测斜管、分层沉降环等。典型主控断面仪器布置如图1所示。图中，ET1、ET2表示老海堤公路左路肩和右路肩位置处的沉降标识点，ET3、ET4为新建公路路基路中心、右路肩处的沉降板，用来测量整个填筑过程的沉降量。测量频率为3～7d，并根据现场填土情况及测试结果进行动态调整。进入预压期后，观测周期逐渐变长。

3试验结果分析

在新建路堤开工建设后，同时对老海堤左、右路肩和新建路堤路中、右路肩位置进行沉降监测分析。根据2011年2月23日至2014年3月20日间的测量结果绘制荷载－时间－沉降曲线，如图2所示。

由于老海堤已经建成并使用了6a，堤下软土已基本固结完成，因此，在拓宽路堤施工时，老海堤的沉降量相对新建路堤要小得多。由图2可以看出，老海堤在新建路堤加载期间同样发生了较大的沉降，且老海堤左、右路肩之间的沉降差异较大。截至2014年3月，老海堤左路肩沉降411mm，右路肩沉降802mm，差异沉降量达391mm。因此，在类似海堤公路的拓宽建设时，一定要充分考虑差异沉降，在设计时提出相应的保护措施，防止老海堤开裂甚至失稳。

图2　老海堤、新建路堤荷载－时间－沉降速率曲线Fig．2Load-time-sedimentation rate curves for old seawall and new embankment

从图2可以看出，初始加载时，土体沉降曲线平稳，沉降速率较低。当加载30 kPa后，沉降突然增加，沉降速率增加较大。在随后的1a内，由于未填土，沉降曲线随着时间的延长逐步趋于平缓，沉降速率逐渐减小，说明土体在此期间慢慢固结，趋于稳定。当2012年9月再次加载后，沉降速率又有所增加，但增加幅度不及首次加载时明显。随着分层加载的逐步进行，土体沉降量逐步变大。在2013年5月该断面进入预压期后，沉降曲线再次趋于平缓。截至2014年3月，路中位置最大沉降量达1332mm，右路肩处达1881mm。造成路中位置沉降量远小于右路肩沉降量的原因是由于路中位置位于老海堤的一级平台上，地基已有数年的固结。新建路堤路中位置和右路肩位置的沉降差异是由于老海堤的存在造成的。

4Plaxis有限元分析

4.1土体本构关系的选择

在建模的过程中，对地基软土采用软土模型，即剑桥模型，对路堤填料采用摩尔库伦本构模型，这样更符合现场的实际情况，提高模拟的准确性。

摩尔库伦本构模型主要有7个参数:土的密度ρ、水平和竖向渗透系数k、土体的弹性模量E、泊松比ν、土的黏聚力c、摩擦角φ和剪胀角ψ。剑桥模型主要有5个参数:修正的压缩指标λ*、修正的膨胀指标κ*、土的黏聚力c、摩擦角φ和剪胀角ψ。其中λ*和κ*无法从室内试验获得，可以用压缩指数Cc和回弹指数Ce替代计算。

4.2塑料排水板简化计算

现场采用塑料排水板处理软基的方式。在有限元计算中，塑料排水板是三维固结问题，而本文通过二维平面问题来进行计算，因此需要将塑料排水板的三维固结问题转化为平面问题，即将塑料排水板等效为二维的砂墙地基。塑料排水板的等效计算方面目前已经有了较成熟的理论。本文采用赵维炳等［15］的等效计算方法，只需调整砂墙间土体的渗透系数即可使塑料排水板与砂墙等效，而砂墙的间距可根据有限元网格划分的需要自行取值。

将塑料排水板等效为最基本的砂井地基，等效方法为

其中

式中:Dx、Dy——水平向和竖向渗透系数的调整系数;rsp——砂墙地基涂抹区宽度的一半;rwp——砂墙宽度的一半，即为等效砂井的半径rw;B——砂墙间距的一半;re——等效砂井的影响半径，即de/2;de——等效砂井的影响直径;kxa——砂井地基间土体的水平向渗透系数;ks——涂抹区渗透系数;n——井径比;rs——涂抹半径;dw——排水板等效砂井直径。

自此，所有的参数均可通过计算获得。本文计算时，取土体泊松比ν=0.3，s=1.2，sp=1.2，β=7.0。设B=2m，代入数据，计算得:μa=3.4553，Dx=1.806，Dy=0.9。

B=2m时，需将砂墙间土体的水平向渗透系数乘以1.806，竖向渗透系数乘以0.9，这样现场的塑料排水板即可等效为有限元中平面问题的砂墙，这样可以简化计算过程，同时又提高了计算结果的准确性。

4.3建模尺寸及参数

本文研究的路堤沿纵向足够长，且路堤尺寸沿纵向保持不变，可作为平面应变问题分析。根据该海域路段地基软土深度达60m，地基深度取60m，宽度取120m，左、右边界在路基两侧各向外延伸60m，软土表面可自由变形，模型左、右、下边界均受到约束，不发生位移。左、右两边界均为不透水边界，下层边界为可排水边界。将材料属性(表1)给各个土层赋值后，软件采用fine级别精度对模型自动划分网格，如图3所示。

图3　软件自动划分的网格Fig．3Grids obtained by automatic division w ith software

之后，设置初始条件，包括水位、边界条件等。在模型计算中，应尽量控制与实际填筑间隔相一致的时间。此外，由于现场填土高度不具有规律性，很难恰好为整数，而在有限元计算中，由于网格划分的需要，模型最小的划分刻度为1m，即最小填土高度需为1m。因此，在模型计算中，最小填土高度为1m，分布填筑的时间尽量与现场一致，以减小误差。

4.4计算结果分析

4.4.1沉降分析

通过对新建路堤过程的模拟，软件输出竖向位移云图如图4所示。从图4可以看出，新建路堤右路肩沉降量最大，路中处次之。老海堤左路肩沉降量较小，右路肩沉降量偏大。各点的沉降量如下:老海堤左路肩沉降471mm，右路肩沉降884mm;新建路堤路中沉降1439mm，右路肩沉降1620mm。老海堤现场实测沉降量为左路肩411mm，右路肩802mm，与软件输出值差异不大，略小于计算值。

图4　断面竖向位移云图Fig．4Vertical disp lacement nephogram of section

新建路堤路中及右路肩处的沉降数据导出并与实测数据进行对比，绘制荷载-时间-沉降对比图，如图5所示。

从图5可以看出，路中位置有限元计算沉降量1504mm，实测值为1332mm，计算值比实测值偏大;右路肩位置有限元计算沉降量1672mm，实测值为1881mm，计算值比实测值偏小。从两者的整体沉降趋势来看，沉降曲线基本吻合，笔者认为造成计算值偏差的原因是有限元模拟难以绝对地模拟出现场环境，模拟与现场仍存在一些偏差。

从老海堤左、右路肩的沉降来看，由于新填的路堤产生了新的荷载，而新荷载距老海堤右路肩较近，所以老海堤右路肩沉降量必然要大于左路肩。从模拟计算的结果来看，老海堤右路肩沉降量比左路肩大40 cm左右。

4.4.2水平位移分析

整个模型断面的水平位移云图如图6所示。计算时已将新建路堤填筑前所有位移归零，所以图中的所有位移均是在新建路堤填筑后发生的，不包含老海堤填筑和固结过程中的位移量。位移量以向右为正方向。

从图6可以看出，新建路堤填筑后，新老海堤下也会产生水平位移。从深度范围来看，新、老海堤水平位移的最大影响深度分别为32m和33.5m，两者基本相等。从数值上看，新建路堤下方的水平位移向右，即向坡脚外侧。在新建路堤一级平台坡脚处，水平位移最大值达到0.8m，发生的深度在2.5～7.5m之间。其后，随着深度的增加，水平位移值逐渐减小。虽然现场试验中由于测斜管破坏，未能完整测量整个填筑过程水平位移数值，但是，现场试验所得数据与有限元计算数据在趋势上是一致的，即最大水平位移发生的深度均在2.5～7.5m之间，之后，都是随着深度的增加水平位移逐渐减小。在老海堤下方，水平位移值为负，即方向向左。最大的位移值为0.5m，发生的深度在13～22m之间。在0～13m范围内水平位移值逐渐增加，在22～32m范围内，水平位移值逐渐减小。老海堤下方的最大水平位移发生深度比新建路堤下方深得多。

图5　新建路堤路中及右路肩沉降量实测值与计算值对比Fig．5Comparison ofmeasured and calculated settlements in m iddle of new embankment and at its right road shoulder

图6　新建路堤填筑后水平位移云图Fig．6Horizontal displacement nephogram of section after filling of new embankment

5结　语

a．通过海堤拓宽工程现场试验结果可知，新、老海堤的沉降规律为:老海堤远离新建路堤一侧沉降量最小，靠近新建路堤一侧沉降量较大;越靠近老海堤的新建路堤沉降量越小;老海堤左、右路肩差异沉降较大，右路肩沉降量接近左路肩沉降量的2倍。新建路堤路中位置和右路肩位置也有较大的差异沉降，在设计时应对这些差异沉降采取适当的修正措施。

b．采用Plaxis有限元软件能够较好地模拟现场状况。计算时，地基软土采用剑桥模型，填料采用摩尔库伦本构模型，塑料排水板等效为连续砂墙。模拟结果与现场实测值有较高的一致性。Plaxis有限元计算结果所反映沉降规律与实测值相一致。在具体数值上计算值与实测值略有偏差。

c．新建路堤建设后，新老海堤下均产生水平位移。老海堤水平位移方向向左，新建路堤水平位移方向向右。新建路堤最大水平位移发生在7.5m深处，最大位移量0.8m。老海堤最大水平位移发生在15m深度左右，最大位移量0.5m。

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·简讯·

“世界水日”和“中国水周”

为唤起公众的水意识，加强水资源保护，1993年1月18日第四十七届联合国大会根据联合国环境与发展大会制定的《21世纪行动议程》中提出的建议，通过了第193号决议，确定自1993年起，将每年的3月22日定为“世界水日”。中国水利部确定每年的3月22—28日为“中国水周”，从1991年起，我国还将每年5月的第二周作为城市节约用水宣传周。

2016年3月22日是第二十四届“世界水日”，3月22—28日是第二十九届“中国水周”。联合国确定2016年“世界水日”的宣传主题是“水与就业”(Water and Jobs)。经研究确定，我国纪念2016年“世界水日”和“中国水周”活动的宣传主题为“落实五大发展理念，推进最严格水资源管理”。

(本刊编辑部供稿)

Im pact of new embankment on settlement of old seawall in road w idening project

CHENG Xiao1，CAIRui2，LIBingyi1
(1．Geotechnical Research institute，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2．City and Town Construction Co．，Ltd．，Nantong Coastal Development Group，Nantong 226006，China)

Abstract:By embedding settlementmonitoring instruments in a typical section of a seawall road widening project in a sea area，the impact of the new embankment during its construction on the settlement of the old seawall was studied．Measured results indicate that the construction of the new embankment has caused significant settlement of the old seawall，with a large difference between the amounts of settlementat its leftand right road shoulders，which leads to cracking．Simulation analysis using Plaxis finite element software shows that the horizontal displacements in opposite directions，with maximum values of 0.5m and 0.8m，occur under the old seawall and new embankment，respectively，and that the simulated results agree with the measured data．Thus，appropriate corrective measures should be taken in response to differential settlements during the design of the seawall road widening project．

Key words:seawall road;widening project;differential settlement;Plaxis finite element

作者简介:程潇(1992—)，女，安徽阜南人，硕士研究生，主要从事软土地基处理研究。E-mail:798630792@qq．com

基金项目:浙江省交通运输厅科技计划(2012H01)

收稿日期:2015-09-03

DOI:10．3876/j．issn．1000-1980．2016．02．012

中图分类号:TU4 47

文献标志码:A

文章编号:10 00-19 80(20 16)02-016 6-06