不同软基处理方式下海堤拓宽工程变形特性分析

朱士东，孙宇杰

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）



不同软基处理方式下海堤拓宽工程变形特性分析

朱士东，孙宇杰

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

摘要：文章结合工程实际，利用有限元软件，对海堤拓宽工程中新老路基采用的不同软基处理方法进行模拟。结果表明，排水预压法工后沉降较小，但是在施工期间对老路的扰动较大，存在稳定性不足的情况；预应力管桩复合地基可以有效降低施工期间沉降以及工后沉降。

关键词：海堤拓宽；软土地基；差异沉降；排水预压法；预应力管桩

近年来随着我国沿海经济开发的快速发展，海域面积利用率越来越高，原有海堤已经满足不了日益增长的需要，海堤改扩建工程刻不容缓。由于海堤所处地理位置比较特殊，受风浪潮汐等多种因素的影响，施工难度大于普通高速公路加宽工程。而针对高速公路路基拓宽及软基处理方面的研究较多，针对海堤拓宽软基处理的研究相对较少，本文结合温州某跨海大堤，对海堤拓宽工程进行研究。

1　工程概况

温州某跨海大堤全长14.5 km，为目前国内最长的跨海大堤。海堤设计堤顶高程5.1~6.3 m，顶宽10.5 m，路堤采用抛石填筑，两侧设1~2级镇压平台，地表以下30 m范围内为滨海相沉积淤泥软土。路堤各土层物理力学性质指标见表1，典型工程地质横断面见图1。

表1　地基软土层物理学指标

图1　海堤横断面示意图

2　有限元分析

2.1模型建立

基本假定如下：海堤沿纵向足够长，纵向尺寸不变，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。

计算中，海堤软基处理方式主要采用排水固结法和预应力管桩复合地基法。排水固结法采用塑料排水板对软基进行处理，排水板间距1.4~1.5 m，正方形布置，处理深度为22 m。复合地基法采用预应力管桩处理方法，桩长30 m，桩径0.5 m，正方形布置，间距3 m。以上2种方案均在路堤填土底部设置1m碎石垫层，下面铺设一层土工格栅，上面铺设一层土工布。新老路加载历程见表2。

表2　老路和新路的填筑过程

有限元模型地基深度取40 m，宽度在路基左右两侧各延伸30 m。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。采用排水线单元模拟塑料排水板，默认排水板上超静孔隙水压力为0，为了便于划分网格，间距设为5 m。路基填料采用摩尔库伦模型，地基软土采用软土模型，预应力管桩采用线弹性模型，管桩模量Ep=3.6×104MPa，桩截面面积Ap=0.785 m2。

根据实际工程情况，本文选取了新老路基不同处理方式共9种工况进行分析，计算工况见表3，表中U表示地基无处理，D表示采用塑料排水板处理，P表示采用预应力管桩处理。图2为DD工况有限元计算模型。

表3　计算工况

图2　DD工况有限元计算模型

2.2计算模型简化

为了便于计算，本文将塑料排水板三维固结问题转化为平面应变问题来处理。塑料排水板有限元计算简化可分为两部：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，在计算时，将塑料排水板换算成相当直径的砂井，换算直径Dw按公式（1）计算。

式中：Dw为排水板等效砂井直径；b为塑料排水板的宽度；δ为塑料排水板厚度；α为换算系数，可由试验求得，一般取0.6~0.9。

高长胜等人［1］通过室内模型试验计算得出了一字形排水板的等效直径换算系数α=0.85~0.90较为合适。对标准型即宽b=100mm，δ=3~4 mm的塑料排水板，本文取α=0.90，可得Dw=60mm。

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。

式中：kxp、kyp为等效转换后砂墙地基水平向和竖直向渗透系数；kxa、kya为砂井地基水平向和竖直向渗透系数；Dx、Dy为水平向和竖直向渗透系数的调整系数。

水平向和竖直向调整系数计算公式为：

本工程地基处理中，塑料排水板采用正方形布置，间距1.2 m。在有限元计算中取砂墙间距为5m（即B=2.5 m），取土体泊松比v=0.25，s=1.2，sp=1.2，β=7.0，根据以上公式计算所得Dx=2.2053，Dy=0.83。

平面应变中对桩的弹性模量需要进行等效处理，目前普遍使用的方法是刚度等效法［3］，即假定等效计算前后轴向刚度相等。假设预应力管桩正方形分布，沿海堤方向分布的预应力管桩简化为连续分布的桩墙，取桩墙的厚度为预应力管桩直径，间距即为管桩间距，简化前单位桩间距长度的总刚度为：

式中：Ap为单桩截面面积；As为单倍桩距长度内土体面积；Ep为预应力管桩弹性模量；Es为桩间土的弹性模量；D为桩体直径；L为桩间距。

简化后单倍桩间距内桩墙的总刚度为S2=LDE，其中E为等效桩墙的弹性模量。根据等效刚度原则，由上述公式可得简化后桩墙的等效弹性模量为：

参数选取参考文献［11］：管桩模量Ep=3.6×104MPa，桩截面面积Ap=0.785 m2。为了简化计算，将各土层的压缩模量按厚度加权平均，得到桩间土的平均压缩模量Es=2.28 MPa，由公式计算转换后桩墙的等效模量E=9 421.7 MPa。

3　计算结果分析

3.1施工期间沉降变形

图3给出了各工况地基表面施工期间沉降曲线，图中L为距离模型起点的距离，S为沉降量。由图3可知，当新路基采用排水预压法处理时，施工期间新路地基表面沉降最大；当新路基采用预应力管桩复合地基法处理时，施工期间新路的沉降得到了明显的控制，最大沉降发生在L=91 m处，即拓宽路基中心处。新路不处理或排水固结法处理，拓宽过程中引起老路的沉降较大，老路采用预应力管桩复合地基法处理，施工过程中对老路的影响较小。

3.2新老路基工后沉降

图4给出了各工况地基表面工后沉降曲线，可以看出，新路基不处理时，工后沉降最大。新路基采用排水预压法处理，工后沉降则减小很多，而采用预应力管桩复合地基法处理工后沉降更小，填筑期间沉降也较小，有利于路基的稳定，效果更佳。老路基无处理，工后沉降最大值位于新路中心位置；老路基采用排水预压法处理，新路基无处理，工后沉降最大值位于新路右路肩位置；新路基采用排水预压法处理，工后沉降最大值位于新路中心位置；新路基采用预应力管桩复合地基法处理，工后沉降最大值位于老路右坡脚位置。老路基采用预应力管桩复合地基法处理，工后沉降最大值位于新路中心偏右侧位置。因此在实际工程中进行地基处理时，可根据不同处置方法，将沉降最大点作为工后沉降控制点。

图3　施工期间地基表面沉降

4　结论

本文采用Plaxis有限元分析软件，对比分析了不同软基处理方式时的海堤拓宽过程中新老路基变形特性，得出以下结论 ：

（1）当老路无处理或者采用排水预压法时，施工期间地表最大沉降位于新路中心靠右路肩位置，新路采用排水预压法时，施工期间地表沉降最大。当老路采用预应力管桩复合地基法处理时，工后地表最大沉降位于新路中心处，新路采取不同软基处理方式对老路沉降影响较小。

（2）当路基不处理时，在海域深厚软土地基条件下，土体孔隙水较难排出，固结非常缓慢，而工后沉降较大，不适用于海域深厚软土区域。排水预压法则能够加快土体固结速度，沉降大部分都集中在新路填筑期内，工后沉降较小。路基采取预应力管桩复合地基法，在路堤填筑期间以及工后沉降都很小。

图4　地基表面工后沉降

（3）老路不处理或者采用排水预压法处理时，新路采用排水预压法，在施工填筑期间对老路扰动较大，老路堤表面沉降较大，老路左路肩和右路肩差异沉降也较大。新路采用预应力管桩复合地基法处理能有效地减小施工期间对老路的影响以及老路左右两侧的差异沉降。老路采用预应力管桩复合地基法处理，新路无论采用何种处理方式，施工期间对老路堤表面沉降影响较小，左右路肩的差异沉降也明显减小，因此在海堤加宽工程中，新路软基处理方案应优先采用复合地基法。

参考文献

［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.

［3］Yang Z. Strength and deformation characteristic of reinforced sand［D］. Califoria：University of Califoria. 1972.

Deformation Behavior Analysis of Seawall Widening Engineering under Different Foundation Treatments

Zhu Shidong， Sun Yujie
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Abstract:Combing with the seawall widening project， the road foundation with different treatment methods is simulated by finite element software. The results show that the settlement occured mainly in the construction period when using the preloading method， but it has greater impact on the old road and lack of stability. The settlement during construction period and after construction can be reduced effectively by composite foundation.

Key words:seawall widening； soft ground treatment； differential settlement； preloading method； prestressed pipe pile

中图分类号：U416.1+6

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0017–04

收稿日期：（2015-08-17）

作者简介：朱士东（1983-），男，江苏宿迁人，工程师，主要从事软基处理、山区边坡设计方面的工作。