小洋山深厚软基海堤监测成果和数值模拟

姜永兴，杨晓霞，褚高强

(1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.杭州市南排工程建设管理处，浙江 杭州 310020)

0 引 言

海堤工程主要兴建在软土地基上，基础土体含水率高、孔隙比大、渗透系数小、承载力与抗剪强度低，导致堤防沉降量大、达到沉降稳定的时间长.目前地基沉降理论计算方法较多，如分层总和法、弹性半空间模型法、切线模量法等，但受制于各种理论计算方法的局限性，实际沉降量往往和理论计算沉降量有较大的差别.这种差别往往引起工程结算纠纷[1]，沉降量预估较小时，造成工后预留沉降不足，从而加大竣工验收难度、降低工程防潮(洪)能力.本文将实测资料与设计理所采用的的分层总和法计算的沉降量进行对比，同时利用有限元软件，对海堤沉降进行数值模拟分析.

1 工程概况

小洋山围垦一期工程位于浙江省嵊泗县境内、小洋山岛至薄刀嘴之间的海域，地处上海国际航运中心洋山深水港区北侧，围垦总面积为13.11 km2，海堤全长3 539 m，设计防潮标准20年一遇，堤顶高程7.3 m，2012年5月开工，2015年5月完工.工程区域海底泥面呈现南高北低，西端相对高、东端较低的趋势，涂面高程一般为+2.0 m～-6.0 m，坡降约2.0‰.

2 地层岩性

堤基土层主要为第四纪全新世、晚更新世的松散堆积层，K0+420断面位置各地基土层的工程地质特征如下：

1-2层 灰黄色淤泥质粉质粘土(QR)：饱和，流塑状.ω=42.1%～68.6%，γ=15.7～18.6 kN/m3，e=1.041～1.688；顶板标高2.1 m，厚5.1 m.

2-1层 灰黄色粉质粘土(Q4)：饱和，流塑，局部软塑.ω=29.8%～37.7%，γ=18.4～19.2 kN/m3，e=0.718～1.047；顶板标高-3.0 m，厚2.2 m.

2-2层 灰色砂质粉土(Q4)：饱和，松散～稍密.ω=26.0%～32.8%，γ=18.7～19.7 kN/m3，e=0.718～0.918；顶板标高-5.2 m，厚3.3 m.

3-2层 灰黄～灰色淤泥质粉质粘土(Q4)：饱和，流塑.ω=34.3%～48.1%，γ=17.2～18.5 kN/m3，e=1.001～1.322；顶板标高-8.5 m，厚29.2 m.

4-2层 灰～灰绿色粘土(Q3)：局部灰黄色，饱和，软塑～可塑.ω=34.6%～43.1%，γ=17.5～18.5 kN/m3，e=1.012～1.342；顶板标高-37.7 m，未揭穿.

各土层物理力学性质指标建议值(见表1).

表1 各土层物理学指标建议值表

3 理论与实测沉降量对比

根据设计报告，本工程地基沉降采用分层总和法计算.软土地基在荷载作用下，地基总沉降量包括：瞬时沉降量(Sd)、主固结沉降(Sc)和次固结沉降(Ss).总沉降量(S∞)可按下式计算：

S∞=Sd+Sc+Ss

(1)

由于瞬时沉降和次固结沉降难以通过理论计算获得，设计考虑通过计算主固结沉降，再用沉降经验系数ms修正，将主固结沉降量计算结果用ms修正后作为最终总沉降量.设计根据类似工程经验，确定本工程软土沉降经验系数ms=1.3.

本工程共设置了4个主控观测断面，其中K0+420断面沉降观测数据比较全面，能够反映工程施工至完工的全过程沉降变化.此断面采用分层总和法计算后，主固结沉降量为1.57 m，修正后总沉降量(S∞)为2.04 m.

根据原位观测资料，2012年9月～2017年5月，K0+420断面监测点的累积沉降量为2.70 m.可见，分层总和法计算的总沉降量小于实测累计沉降量，根据实测资料利用双曲线法推测，最终沉降量为2.90 m，理论计算与实测误差为29.6%.根据实测数据推算，分层总和法的沉降经验系数ms=2.9/1.57=1.85，说明设计沉降经验系数取值偏小.

4 有限元模型构建

4.1 典型断面选取

为了便于分析，选择K0+420断面为研究对象.该断该断面涂面高程2.1 m，堤顶高程7.3 m，防浪墙顶高程8.5 m，堤顶宽20 m，迎水坡在3.0 m高程设置14 m宽平台，平台上、下边坡均为1 ∶2，坡脚设置21 m宽抛石镇压层.背水坡在5.0 m高程设置2.0 m宽平台，平台以上边坡1 ∶2，以下边坡1 ∶2.5,坡脚设充砂管袋.海堤的天然地基采用塑料排水板+土工布+碎石垫层+高强度土工织物进行加固处理，排水板间距1.1 m，正方形布置，底标高-30 m，堤防典型断面图(见图1).

图1 堤防典型断面图

4.2 排水板简化处理

排水板的设置，从宏观上讲，缩短了土体的排水距离，增加了土体的竖向渗透性，起到加固地基的作用.根据固结等效的原则，将塑料排水板看成匀质地基，即简化成与其渗透系数相同的天然层地基[2].运用Hansbo相关理论[3-7]进行简化计算，对多层地基，等效后的渗透系数调整系数为：

(2)

式中：De—单个的塑料排水板影响区直径；

L—为排水板的打设深度；

khn—多层地基下土体第n层的水平方向和竖直方向的渗透系数；

kvn—多层地基下土体第n层的水平方向和竖直方向的渗透系数.

μ的取值有三种情况：

(1)不考虑井阻和涂抹时

(2)涂抹和井阻都考虑时

(3)只考虑涂抹而不考虑井阻影响时

其中：n=De/dw；s=ds/dw；

dw—塑料排水板等效排水半径；

qw—塑料排水板的通水能力；

ks—涂抹区的水平方向的渗透系数；

ds—涂抹区直径，可取ds=3dm；

dm—芯棒断面的等效直径.

本工程K0+420断面塑料排水板插入深入为32.0 m，排水板宽100 mm，厚4.6 mm，插板机芯棒114 mm，根据现场试验结果，取kh/ks=13.根据Terzaghi[8]等的建议，不考虑井阻影响，仅考虑考虑涂抹区的影响.经等效处理后，各土层渗透系数转换表(见表3).

表3 软土渗透系数转换表 单位：cm/s

4.3 有限元模型建立

根据上述典型断面和排水板简化处理，建立有限元模型.模型深度方向取到排水板以下30 m，垂直于堤轴线方向两侧各取200 m作为模型计算边界.模型内外海侧施加垂直于堤轴线的水平约束，基础底面为固定边界.模型共11 472个单元，11 552个节点，有限元模型(见图2).地基土体和堤身土体其本构模型采用摩尔-库伦模型，固结计算采用流固耦合模型.模型参照实际加载过程，并将连续加载过程作为一个加载阶段进行模拟，简化后，模型加载分5级进行，施工加载过程(见表2).

图2 数值计算模型

表2 海堤施工加载情况表

4.4 计算结果与分析

图3为实测与数值模拟沉降曲线，前期两者沉降变形曲线十分接近，中后期曲线变化趋势基本一致，但数值模拟计算结果大于实测值.至2017年5月，沉降板所在位置的沉降量为2.87 m，与实测值2.70 m相差17 cm，误差为6.3%，说明数值模拟计算结果是比较可靠的.

图3 实测与数值模拟沉降曲线图

5 结 语

采用分层沉降法计算堤防总沉降量时，不能准确估算瞬间沉降和次固结沉降，沉降值往往小于实测值.用此方法作为海堤沉降控制依据时，应结合沉降观测数据，预留足够超高，以满足工后沉降的需要.数值模拟计算结果与实际情况较为接近，是一种比较可靠的计算方法，可以作为类似项目设计、施工、结算等的参考依据.

参考文献：

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