防波堤施工过程中地基变形及稳定性数值分析

周建锋 耿瑞岩 丁页岭

(1.无锡市地震局，江苏 无锡 214000； 2.连云港市地震数据处理中心，江苏 连云港 222002； 3.江苏省地震局，江苏 南京 210000)

防波堤施工过程中地基变形及稳定性数值分析

周建锋1耿瑞岩2丁页岭3

(1.无锡市地震局，江苏 无锡 214000； 2.连云港市地震数据处理中心，江苏 连云港 222002； 3.江苏省地震局，江苏 南京 210000)

以堤身填筑过程引起的地基沉降以及对边坡稳定影响为研究对象，使用有限元软件建立流固耦合数值分析模型，模拟了某防波堤工程堤身填筑过程，对沉降规律以及边坡稳定进行了计算分析，为现场施工提供参考。

防波堤，地基沉降，地基水平位移，边坡稳定性

1 研究背景

防波堤施工过程中会引起一系列的地基变形，同时，堤身稳定会在施工过程中发生变化，一些学者据此展开了一些研究。对于地基变形，通常分为在竖直方向上的沉降和水平方向的位移，例如刘锐等[1]通过研究监测地基沉降的沉降盘，对某防波堤工程进行动态的沉降监测，分析了各级加载阶段的沉降变化规律；郭少龙等[2]根据现场实测数据，通过对地基沉降的观测，分析了基于MIDAS/GTS软件建立的地基加固效果研究的数值模型的可靠性；对于防波堤稳定性计算，之前研究者们常采用极限平衡法和强度折减法等，例如路卫卫[3]采用有限元强度折减法进行防波堤稳定计算，分析了孔隙水压力及有效应力随时间的变化以及对防波堤稳定性的影响；宣庐峻[4]结合国外某软土地质条件下的防波堤工程案例,采用基于Biot固结理论的有限元法模拟整个防波堤建造过程的稳定与变形分析,并与常规计算方法的结果进行了比较。因此，建立有限元模型，对施工过程中地基变形和整体稳定性的计算，对保障施工安全有至关重要的作用。

2 有限元模型

2.1 模型建立

在荷载作用下，土体的超孔隙水压力逐渐消散，内部含水缓慢渗出，体积逐渐减小，有效应力在一定范围内逐渐增大，这种现象称为土的固结。工程实践中，软土的固结沉降主要发生在超孔隙水压力完全消散之前，但在固结完成(超静水压力完全消散)之后，软土仍产生一定量缓慢的沉降变形，这就是土的蠕变作用。因此，完整的土体沉降应该是软土固结沉降与软土蠕变共同作用的结果。固结基本方程基于比奥(Biot)理论，渗流问题采用达西(Darcy)定理，基于小应变理论，假设土体骨架弹性变形[5,6]。根据太沙基(Terzaghi)原理，土体中的应力分为有效应力和孔隙压力：

σ=σ′+m×(Psteady+Pexcess)

(1)

其中，σ=(σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σzx)T;m=(1,1,1,0,0,0)T,m包含单位正应力分量和零剪应力分量的矢量；σ为总应力矢量；σ′为有效应力；Pexcess为超孔隙水压力；固结过程最终的稳态解表示为Psteady。

2.2 三维简化

由于塑料排水板的形状比较特殊，在理论分析过程中存在一定困难，一般将塑料排水板换算为等周长的圆截面排水体——等效砂井[7]。

塑料排水板在平面上按等边三角形布置，其有效排水范围为正六边形，该有效范围内的水通过位于其中的排水体排出。在进行固结分析时，将每个排水体的影响范围转换为一个等面积的圆[8]，以方便计算。

砂井地基的工作状态是三维的。由于砂井布置比较密集，需划分的单元数目很多，导致模型计算量非常大，降低了计算效率，因此把三维砂井转换为二维来研究。转换的前提是保证前后固结度与平均孔压不变，首先增大砂井的间距，以减少单元数目，从而减少计算量；然后用沿着纵向连续分布的砂墙替换有一定间隔的砂井，即把原来的砂井地基转变成了砂墙地基[9]。根据Barron理论，考虑井阻和涂抹作用的影响，只要调整渗透系数即可保证砂井与砂墙等效。

经过两次简化后，三维的塑料排水板将用一排排二维的砂墙地基代替，这极大提高了运算效率。

2.3 数值模型

考虑到防波堤整体长度达5 km左右，各断面为典型的平面应变问题，因此在防波堤上取一典型断面进行平面应变建模分析。所建立的典型数值分析模型如图1所示。

根据施工进度安排，模拟了在设计低水位(-0.10 m)条件下研究断面的以下几个过程：施打塑料排水板、铺设土工格栅、铺设二片石、抛填堤心石至第一加载分界线，抛填堤心石和垫层石至第二加载分界线，抛填堤心石、垫层石和护面块体至堤顶。

3 结果分析

图2～图4为计算结果云图。按照施工过程，进行各个填筑阶段的总体竖直沉降、水平位移、超孔隙水压力计算，同时，对坡脚稳定性进行分析。经长期排水固结，达到最终沉降基本稳定时(最大超静孔压小于10 kPa)，累计沉降量约为1 040 mm，工后沉降184.3 mm。

3.1 第一阶段堤身填筑

在排水板施工完成并铺设土工格栅后，抛填0.5 m厚的二片石。二片石铺设后，维持稳定一段时间使地基土体排水固结沉降，共历时6 d，此间最大沉降为9.3 mm，沉降速率约为1.55 mm/d，最大超静孔压为5.28 kPa。

第一阶段堤身填筑至标高-5.9 m，本级填筑高度2.1 m，累计填筑高度2.6 m，填筑后维持稳定40 d，使土体排水固结。此间本级沉降量为117.9 mm，最大累计沉降量约为127.2 mm，本级沉降速率为2.87 mm/d，累计平均沉降速率为2.71 mm/d，刚填筑至指定标高时超静孔压约为23.2 kPa，堤身坡脚稳定安全系数为6.0，固结沉降后最大超静孔压降低为17.4 kPa，堤身填筑第一阶段累计水平位移分布如图2所示。

3.2 第二阶段堤身填筑

第二阶段堤身填筑至标高-2.26 m，本级填筑高度3.64 m，累计填筑高度6.24 m，填筑后维持稳定100 d，使土体排水固结。此间本级沉降量为316.2 mm，最大累计沉降量约为443.3 mm，本级沉降速率为3.13 mm/d，累计平均沉降速率为2.99 mm/d，刚填筑至指定标高时超静孔压约为51.8 kPa，堤身坡脚稳定安全系数为2.59，固结沉降后最大超静孔压降低为28.7 kPa，堤身填筑第二阶段累计水平位移分布如图3所示。

3.3 第三阶段堤身填筑

第三阶段堤身填筑至标高+5 m，本级填筑高度7.26 m，累计填筑高度13.5 m，填筑后维持稳定使土体排水固结。按30 d完成本级填筑，完成时本级沉降量为412.4 mm，最大累计沉降量约855.7 mm，本级沉降速率13.7 mm/d，累计平均沉降速率4.81 mm/d，

刚填筑至指定标高时超静孔压约为52.6 kPa，堤身坡脚稳定安全系数1.35。经一年排水固结沉降后，最大超静孔压降低为36.5 kPa，最大累计沉降为922.1 mm，一年工后沉降为66.4 mm。堤身填筑第三阶段累计水平位移分布如图4所示。

4 结语

建立有限元流固耦合模型，对某防波堤施工过程进行了数值模拟计算，选取典型断面进行了固结沉降、水平位移、超孔隙水压力和整体稳定的计算和分析，主要结论如下：

1)随着堤身的填筑，地基沉降逐渐增大，沉降速率也逐步增大，最大沉降速率出现在第三级填筑阶段，计算断面的最大沉降速率为1.37 cm/d，研究断面的最大沉降为1.04 m。

2)由于施打塑料排水板，防波堤在填筑施工完成时固结度在80%左右，在施工完成一年后固结度在86%左右，达到最终稳定(最大超静孔压小于10 kPa)约需要2 548 d。

3)随防波堤填筑高度的增大，堤身整体稳定性安全系数逐渐变小，在设计低水位时第三级填筑完成后堤身整体稳定安全系数最小，其值约为1.3，满足规范要求(1.3～1.5)，防波堤整体稳定基本满足要求，但在实际填筑过程中需密切关注堤身变形，控制填筑速度。

4)随防波堤填筑高度的增大，堤身整体稳定性安全系数逐渐变小，在第三级填筑完成后堤身整体稳定安全系数最小，约为1.3，满足规范要求。因此，防波堤整体稳定基本满足要求，但在实际填筑过程中需密切关注堤身变形，控制填筑速度。

[1] 刘 锐,徐振坤,张秀勇，等.东营港北防波堤工程沉降位移分析[J].港口科技,2016(8):9-14.

[2] 郭少龙,蒋学炼,鹿 群，等.防波堤工程软土地基排水固结处理的数值分析[J].土工基础,2012,26(6)：88-91.

[3] 路卫卫.PLAXIS在防波堤稳定计算中的应用[J].水运工程,2014(4):40-42,62.

[4] 宣庐峻.国外某软土地质防波堤工程的地基稳定分析[J].水运工程,2013(9):108-115.

[5] 赵 杰,程 翔,王桂萱.某大型填海造地工程人工岛护岸结构固结沉降及蠕变数值分析[J].水运工程,2013(5):150-156.

[6] 王桂萱,易 剑,赵 杰.某大型填海造地工程的一维固结沉降数值分析[J].中国港湾建设,2013(6):10-14.

[7] 翟聚云,卫国祥,马明江.土木工程专业岩土工程方向毕业设计选题研究[J].高等建筑教育,2014(3):107-109.

[8] 龙桂根,徐光辉,黄芝云,等.裸露山体困难立地绿化关键技术研究[J].江西林业科技,2011(3):27-32.

[9] 周冰峰,王培俊,苏薇国，等.岩体平面应变模型试验台设计与有限元分析[J].工程机械,2014(3):37-40,52.

Numerical analysis of foundation deformation and stability in breakwater construction

Zhou Jianfeng1Geng Ruiyan2Ding Yeling3

(1.WuxiSeismologicalBureau,Wuxi214000,China; 2.LianyungangSeismicDataProcessCenter,Lianyungang222002,China; 3.JiangsuSeismologicalBureau,Nanjing210000,China)

Taking the foundation settlement caused by embankment construction process and the influence to slope stability as the research object, this dissertation simulates one certain breakwater construction processes and numerically analyses the foundation deformation and slope stability by means of finite element numerical analysis model of fluid structure interaction, so as to provide reference for site construction.

breakwater, foundation settlement, foundation water level, slope stability

1009-6825(2017)20-0062-02

2017-04-19

周建锋(1978- )，男，工程师; 耿瑞岩(1978- )，男，助理工程师; 丁页岭(1981- )，女，工程师

TU441.6

A