软土堤基固结沉降预测的数值仿真分析

陈伟

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

青草沙水库位于长江口南北港分流口附近，水库围堤基础为软土堤基，土体具有孔隙率大、压缩性大、含水量大、渗透系数小、水分不易排出、沉陷大等特点，水库围堤的固结沉降需要持续多年才能完成，因此，预测准确水库围堤的固结沉降对水库的稳定运行显得尤为重要。

1 计算理论与方法

1.1 计算理论

利用多孔介质模型来模拟孔隙水压力不断消散，堤基不断固结沉降，其主要微分控制方程[1]如下：

总（Cauchy）应力微分控制方程：

其中：Pf为孔隙水压力；Ciejkl为第四阶弹性张量；为弹性应变张量；δ为Kronecker增量。ij

微可压缩流体的连续性条件，其流量必须满足：

其中：k为多孔介质的渗透矩阵；εii为多孔介质的骨架的体积应变；n为土体的孔隙率；Kf流体体积模量。

1.2 计算方法

水库东堤的土方加载在计算过程中是采用单元生死来控制堤身填筑速度，在整个土方加载期假定堤身填筑均匀上升，整个有限元仿真的计算周期为50年，土方加载期的计算步长为1 d。在土方加载期结束之后，在堤身自重的长期作用下，由于堤基的沉降速度不断减缓，为了有效利用计算资源，采用逐步加大步长的方式来控制。

堤基在长期重力作用下，沉降基本已经达到稳定，因此堤基必须先进行地应力平衡的计算，消除堤基初始沉降的影响，然后再进行土方加载期堤身均匀填筑上升及孔隙水压力不断消散的计算，堤基表面设定为排水边界，堤基两侧及底边设置不排水边界，通过不断迭代计算直到堤基沉降完毕。

2 有限元计算模型及参数

2.1 有限元计算模型

水库围堤地基的取值范围为上、下游各100 m，堤基深度为60 m，坐标原点位于堤顶的左侧，有限元模型共分5个单元组，3 578个单元，3 711个单元节点。

2.2 计算参数

水库堤基通过打设塑料排水板来加固软基，其布置塑料排水板[2]长20 m，间距1.4 m，塑料排水板主要是用来缩短土体排水距离，以达到加速排水固结的目的；若增加土体的渗透系数，同样可以达到加速土体排水固结。因此，根据固结度等效[3]的原则，得出与有塑料排水板等效的竖向渗透系数，将用塑料排水板加固的地基简化成渗透系数较大的天然层状地基进行数值仿真计算。

东堤堤基各土层、堤身土体的物理力学性能参数见表1。

表1 东堤各土层、堤身物理力学参数汇总表

3 堤基固结沉降仿真计算成果分析

3.1 堤基固结沉降

东堤的堤身土方加载期为18个月，在18个月的均匀填筑上升的过程中，水库围堤建基面与堤顶中心线的交界处为下述典型点位置，选择堤身填筑施工完毕工后50年的固结沉降云图见图1。

图1 工后50年堤基固结沉降位移云图

图2 堤基典型点固结沉降位移历时曲线图（工后前10年）

选择土方加载期[4]结束时，工后1年、2年、3年、5年、10年、50年的水库围堤堤基典型点的固结沉降值汇总于表2。

表2 各个典型时间点堤基典型点沉降值汇总表

根据图2、表2可以看出，堤基沉降最大值发生在建基面与堤顶中心线的交界处，堤基沉降速度先快后慢，堤身两侧变形相对中间部位逐渐减小，典型点在土方加载期结束后的残余变形为0.144 m，占总沉降值的8%，工后10年堤基沉降达到100%，在此时间段内完成固结排水及沉降，堤基达到稳定。

3.2 堤基固结沉降对比分析

根据现场实测堤基固结沉降的监测数据与有限元仿真计算的固结沉降数据，绘制两条沉降历时对比曲线见图3。

图3 堤基仿真计算与监测固结沉降位移曲线历时曲线对比图（工后前10年）

采用多孔介质本构模型有限元仿真计算的堤基固结沉降值，与现场监测数据的基本规律一致，固结沉降过程中数值基本相当，吻合性较好。因此，可以利用有限元仿真计算的数值结果来预测水库堤基的固结沉降。

4 结语

上文基于多孔介质本构模型,精细地建立了水库围堤及堤基相互作用的有限模型，充分考虑孔隙水压力与土体变形之间的关系，模拟软土堤基中孔隙水压力不断消散，孔隙水不断通过塑料排水带排出，需持续多年的软土堤基固结沉降不断进行[5]；将数值仿真计算与堤防中埋设的监测仪器测得固结沉降数据进行对比分析，水库围堤堤基的固结沉降仿真计算成果可对水库堤基固结沉降做较为准确的预测，研究分析成果可供同类水库围堤工程的设计、施工及运行管理作科学地参考。

［参 考 文 献］

［1］Britto,A.M.and Gunn,M.J.,Critical state soil mechanics via finite elements［J］,Ellis Horwood Limited,1987.

［2］许俊超，童小东，潘卫东.基于固结度等效的软土地基沉降预测方法探讨［J］.路基工程，2006（05）：78—79.

［3］瞿路佳，郭素明，王鹏.双层套管塑料排水板在洋山深水港四期东围堤工程中的应用［J］.水运工程，2015（12）：166—168.

［4］杨永强，徐超，杨阳.吹填软基固结沉降数值分析及参数反演［J］.中山大学学报（自然科学版），2015（09）：155—158.

［5］赵蕾，陈筠，邬忠虎，刘磊磊.基于ABAQUS的红黏土地基排水固结沉降分析［J］.长江科学院院报，2015（02）：103—106.