深水防波堤软土地基数值模拟

葛栋林，徐宾宾，解林博，潘良鹄

(1.海军研究院，北京 100070；2. 中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222)

地基的数值模拟是研究地基稳定性和地基沉降的重要方法，但由于获得现场数据极其困难，数值模型难以得到直接的验证，模拟结果往往不能放心采用。某深水防波堤工程自然水深18～30 m，软土层厚度超过30 m，防波堤结构采用部分开挖换填的斜坡堤形式，保留了10余米厚的软土层且不进行软基处理，因此完工后会有较大的沉降。施工中须预留堤顶沉降量，以满足堤顶高程设计要求，这就需要准确预计地基的竣工后沉降。采用数值方法模拟防波堤地基的变形和稳定性，利用施工期地基监测的实测数据对数值模型进行验证，能够准确预计地基的沉降变形情况，同时复核防波堤的地基稳定性。

1 工程概况

防波堤土层从上至下依次为①1淤泥质粉质黏土、①3淤泥、①4粉细砂、①5淤泥质黏土、②1粉质黏土等，其中①5淤泥质黏土以上为软土层。各土层的主要物理力学指标见表1。防波堤为斜坡堤结构，基础采用部分开挖换填方式。防波堤典型断面见图1，图中基槽底面高程-41 m，开挖深度21 m，保留12 m厚的软土层，开挖底面以下包含淤泥和淤泥质黏土层。软基开挖后底面铺设2 m厚中粗砂垫层、1 m厚碎石垫层。

图1 防波堤断面(高程：m；尺寸：mm)

表1 各土层的主要物理力学指标

2 计算模型

2.1 模型建立

深水条件下的海积软土是在近代海水环境中缓慢沉积并经长期生物化学作用形成的。沉积颗粒以黏粒为主，孔隙比及含水率大，有机质含量高。海积软土具有高压缩性、低强度、低渗透性等特征，受荷载作用会产生很大的沉降变形，但固结发展很慢。这些特征使得防波堤达到沉降稳定所需时间也较长，同时预测软土地基变形沉降有很大难度。

数值模拟采用PLAXIS 3D有限元分析软件。它拥有全面丰富的专业岩土本构模型，因其计算内核稳定高效，计算结果可靠性高而在国际岩土工程界受到广泛的认可，功能包括弹塑性分析、渗流计算、固结、大变形、动力分析以及土与结构共同作用[1]。

计算模型如图2所示。各土层从上至下依次为淤泥质粉质黏土、淤泥、粉细砂、淤泥质黏土、粉质黏土等，模型左右两侧及底部为不透水边界。淤泥质粉质黏土、淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土采用修正剑桥模型作为本构模型，计算参数如表2所示，其中回弹指数通过多组一维回弹再压缩试验得到，压缩指数采用地勘资料中的压缩系数确定，临界状态线斜率则通过多组三轴固结不排水试验得到。堤心石及粉细砂等砂性土选取摩尔库仑模型为本构模型，计算参数如表1所示，扭王字块按线弹性处理。

图2 计算模型

表2 修正剑桥模型参数

2.2 计算方案

数值计算中，首先进行地基应力平衡，确定初始应力分布。在PLAXIS 3D中，初始应力可以通过K0过程生成，通常假定正常固结土的K0与摩擦角有关，根据Jaky经验公式计算，即：

K0=1-sinφ

(1)

式中：K0为初始水平土压力系数，φ为摩擦角 。再假定原泥面软土一次性开挖至底高程，计算过程中记录底面高程处的回弹变形情况，随后在回弹基槽的基础上，开始逐层抛填计算，并记录该过程中防波堤底部的沉降变形。

3 模型检验

3.1 水下地基监测

采用具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法[2]，包括监测传感器、自动采集系统、水下无线传输系统、数据处理系统4个部分，具有与施工相互干扰少、节省费用、安全有保障、不受网络信号及恶劣天气影响、能实时或定时采集等优点，可以保证数据采集的连续性、准确性和可靠性[3]。

为满足该深水防波堤建设中软土地基稳定和变形的监控需求，采用该套技术对防波堤开挖面以下的地基进行实时监测[4-5]，全堤共布置了3个监测断面，其中监测断面2-2、22-22位于防波堤端部，监测断面10-10位于中部。地基监测从防波堤抛填施工起，至工程完工后1 a，历时34个月，获得了防波堤地基沉降、孔隙水压力和水平位移的宝贵实测资料。首次成功应用于40 m水下软土地基的监测，在验证建设方案和在防波堤施工中控制块石抛填，确保软土地基稳定发挥关键作用。

3.2 检验过程及结论

主要介绍10-10断面监测结果对数值模型的检验情况。图3为监测断面布置，图4为断面抛填过程中的加载情况，平均加载速率基本上维持在0.5～1 kPad。

图3 断面测点布置(单位：m)

图4 断面抛填加载过程

对施工过程中的地基沉降进行数值计算，表3列出1号测点位置施工期地基沉降实测值与数值计算结果。从表3可见，二者存在明显差异。抛填前地基沉降的实测值为0，而数值计算值为-135 mm，其实是二者起算点不同造成的。数值计算中，地基沉降的初始面是开挖底部；而地基沉降传感器是在基槽开挖已经完成、即将抛填堤心石之前埋设的，此时由于开挖基槽下的地基回弹，基槽底面已经高出原开挖底面，而沉降监测的起算面是以此时的基槽底面为基准的。即，地基沉降观测到的沉降不能反映地基的回弹。

为了对地基沉降的数值计算和实际监测结果进行比较，将数值计算的基准面统一到实测基准面，即将计算值都加上回弹值135 mm。计算值修正后与实测值的比较见表3。可以看出计算值与实测值一致。

表3 1#测点位置地基沉降实测与计算沉降值比较 mm

图5为断面中部(1#测点位置)沉降的实测与数值计算曲线。可以看到，数值计算沉降修正值与实测沉降值吻合良好。实测值中存在因抛填堤心石造成的沉降突变，即瞬时变形，该现象在计算沉降曲线中也较为明显，表明PLAXIS 3D不仅可以模拟长期的固结沉降，还可以重现短时间加荷过程中的初始沉降。

图5 断面防波堤地基中部沉降比较

基槽开挖过程中基槽底部的回弹变形较为明显，对抛填施工阶段的地基沉降有较大影响，为此进一步计算地基回弹的横向分布，见表4。由表4可知，基槽中心回弹值最大，向侧边逐渐减小，与工程经验较为吻合。

表4 断面沿堤底方向的计算回弹值

按照同样的方法修正2#～5#测点处地基沉降数值计算值，并与地基实测沉降值进行比较，见图6。可以看到，2#和3#测点处数值计算和实测沉降值相差较小；4#测点由于传感器中途受到机械损坏，仅有前3层数据，但计算得到的沉降值与实测值仍较为接近；5#测点两者相差较大，可能是由于实际工程中基槽放坡处淤泥回淤量较大，引起了较大的实测沉降。从地基沉降的数值计算与现场监测结果的比较来看，数值计算与实测结果基本一致。

图6 各测点计算与实测沉降值

对2-2和22-22监测断面位置的地基沉降实测值与数值计算值进行比较，同样基本一致。2-2断面监测数据中断前的沉降为711 mm，数值计算结果为750 mm；22-22断面第4层抛填结束时监测的沉降为520 mm，数值计算结果为480 mm。

10-10断面水平位移的计算与实测结果表明，二者有共同的变化趋势，最大水平位移值符合较好。抛填第1、3、17层、抛填结束1 a后最大水平位移实测值分别为16.5、47、593、661 mm，相应的计算值分别为17、53、710、690 mm。

地基变形数值计算与地基监测结果的比较说明，数值计算能较好地模拟施工过程中防波堤软土地基的变形，可以用于实际工程。

4 计算结果分析

4.1 地基沉降

3个断面地基沉降实测结果证明数值计算结果的可靠性。在此基础上，计算各断面的地基沉降，重点在防波堤竣工后的长期沉降。

图7给出10-10断面、2-2断面和22-22断面中部地基长期沉降变形曲线，表5为各断面不同阶段的沉降值。由图7和表5可知，10-10断面填筑结束60 a后地基沉降速率基本为0，可认为超孔隙水压力基本消散，固结变形接近完成，此时最终沉降值约为2 894 mm，由此可知填筑结束时地基的固结度约为65%；2-2断面填筑结束50 a后地基沉降速率基本为0，可认为固结变形接近完成，此时最终沉降值约为2 924 mm；22-22断面填筑结束30 a后地基沉降速率基本为0，最终沉降值约3 948 mm。

图7 各断面防波堤中部地基长期沉降

表5 各断面不同阶段的计算沉降值

4.2 地基稳定性

为了评价防波堤在抛填过程中以及抛填结束后一定时间段内的稳定性，对防波堤各个抛填阶段进行安全性分析。PLAXIS 3D中安全性计算用于计算整体抗力分项系数，计算采用强度折减法，即土的强度参数tanφ和c逐步减小，直到土体发生破坏。安全性分析中某个计算阶段的土的强度参数值通过总乘子∑Msf定义，即强度折减系数的倒数定义为：

(2)

式中：tanφinput、cinput是指在材料组中输入的强度参数值；tanφreduced、creduced是指在分析中采用的强度参数折减值。安全性计算开始时，所有的材料强度参数取其输入值，即∑Msf为1.0。通过绘制1强度折减系数与位移的关系曲线查看整个计算过程中折减系数的发展，通过这种方式可以检查随着变形的发展折减系数是否达到了一个常量，即破坏机制是否已完全发展。

1)施工期。第14层抛填后抗力分项系数为1.26，经过一段时间固结后抗力分项系数增大为1.28；第17层抛填后抗力分项系数约为1.15，固结后增大为1.18。简而言之，随着抛填高度的增加，防波堤整体抗力分项系数逐渐降低，经过一段时间的固结沉降，整体抗力分项系数较抛填后有所增加。另外，根据防波堤离心模型试验[6]，抗力分项系数约为1.19，与计算值十分接近。

对2-2断面、22-22断面防波堤施工期间的整体抗力分项系数进行计算，得出同样的变化规律：2-2断面竣工时的抗力分项系数1.20，22-22断面竣工时抗力分项系数1.09。

2)竣工后。竣工后防波堤整体抗力分项系数最终稳定在1.23左右，较抛填结束1 a后的1.18抗力分项系数有所增大，说明随着防波堤的固结变形，地基不断沉降，防波堤整体稳定性逐渐提高。同样，2-2断面最终抗力分项系数1.26，22-22断面最终抗力分项系数1.17。

5 结语

1)现场地基实测资料证明：数值计算对深水防波堤软土地基的模拟是可信的。10-10断面施工期和竣工后1 a的地基沉降过程计算结果与实测沉降结果吻合良好，2-2断面和22-22断面的误差在可接受的范围之内。

2)数值计算能模拟软土地基在防波堤施工过程中的复杂变化。实测沉降值中，抛填过程中由于堤心石的冲击作用，监测沉降值中存在沉降突变，即初始沉降；该现象在计算沉降曲线中也较为明显，表明PLAXIS 3D不仅可以模拟长期的固结沉降变形，还可以重现短时间加荷过程中的瞬时变形。数值计算还对基槽开挖后的地基回弹进行了准确模拟。

3)通过数值计算得到各典型断面最终沉降、施工期沉降和竣工后沉降。

4)对防波堤各个抛填阶段进行的安全性分析结果表明：随着地基的固结沉降，竣工后整体抗力分项系数较抛填后有所增加，防波堤在施工期和竣工后都是稳定的。