新淤土地基上闸堤连接段差异沉降分析与控制研究

朱广安，张 婧

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海滩涂海岸工程技术研究中心， 上海 200061)

1 概述

围海造陆所采取措施一般是先促淤，后吹填成海堤。由于工程排水等需要，需在围堤处设置水闸等建筑物[1]。因这种新淤吹填土具有较高的土壤含水量、土壤孔隙比、可压缩性及较低的土壤渗透性和强度，无法满足闸基承载力的要求，需进行闸基处理。规范中对工后闸基沉降及差异沉降均有严格控制要求，而对水闸两侧坐落于新回填土上连接堤堤身沉降及差异沉降控制相对宽松。由于土体特性及附加应力不同，连接堤堤身工后固结时间长、沉降量较大，而闸首段因底板下打设较长的刚性桩沉降小，因故闸堤沉降控制需协调，以避免闸堤连接段因不均匀沉降而产生堤身塌陷、水闸倾斜，甚至导致工程损毁[2]。那么，如何经济合理地进行闸堤差异沉降控制是当前亟待解决的工程问题。

因此，研究中通过持续监测无附加应力条件下的吹填土沉降特性及模型模拟施加附加应力条件下堆载试验过程，系统分析闸堤连接段吹填土沉降变形规律。另外，通过数值模拟的方法对塑料排水板法、PHC桩法、堆载预压法、三轴搅拌桩穿透软土层法、三轴搅拌桩未穿透软土层法等[3- 4]地基加固处理方法的效果进行对比分析，结合工程实际计算成果，明确不同地基处理方式下闸堤连接段土层产生差异沉降的效果及差异，给出适宜的地基土处理方法，以期为解决类似难点工程提供技术支持。

2 工程概况

横沙东滩位于横沙岛东侧的北港与北槽航道之间的浅滩水域，项目区呈现西高东低(上海吴淞高程1.6 ～3.0m)，南高北低(上海吴淞高程1.5～-1.0m)，地形变化平缓。地貌类型属于河口，沙嘴，沙岛地貌。横沙东滩从2009年开始实施促淤，至2016年7月新淤泥层平均已达到5m左右。

本次研究选取横沙东滩圈围(八期)工程水闸及其连接海堤部位作为典型断面进行研究，工程地质条件具有上海地区圈围工程的广泛代表性，场地选取5#、6#围区，北侧堤，堤顶高程为8.8～8.9m，吹填厚度达10.8m(分两次吹填)，下部尚有最大厚度达8m的一层新近淤积层，此围区勘探范围内均为第四系松散堆积物。其地层按其成因时代，成因类型，岩性特征及其物理力学指标从上至下分为5个主要岩土层和9个亚层：①1灰黄色淤泥质粘土，①2灰黄色粉砂，②3-1灰色粉砂，②3-2灰色砂质粉土，②3t灰色淤泥质粉质黏土夹粉砂，③灰色淤泥质粉质黏土，④灰色淤泥质粘土，⑤1灰色黏土，⑤2灰色砂质粉土夹黏性土。

横沙八期5#水闸的主体建筑物等级为Ⅰ级，采用百年一遇的防洪设计标准，总净宽均为24m，设3孔，3孔净宽均为8m，闸底板面高程0.00m，闸底板厚2.00m，中墩宽1.60m，边墩顶宽为1.50m，边墩根部宽2.0m。

3 模型的建立

3.1 计算模型

采用有限元软件Plaxis对水闸进行整体有限元计算，根据初步设计方案以及地质勘察报告等相关资料，选取典型的设计断面在Plaxis有限元分析软件中建立了有限元模型。研究中通过设置有限元计算范围(远大于主体结构尺寸)，以消除边界效应对计算结果的影响。本工程主要构件为空箱、底板、桩等组成，模型按照实际尺寸建立，采用三角形块体单元模拟土体，板单元模拟闸底板，边墩及空箱，采用Embedded beam row单元模拟桩[5]。根据设计资料可知，闸室宽度34.2m，两侧空箱宽度8.6m，所以选取模型长最大值为198m，最小值为-60m，高度最大值为85m，最小值为0。极端高水位5.34，平均高水位3.3m，闸底高程0m。胸墙、闸门、上部桥梁荷载、上部建筑荷载由于是简支闸墩上，采用施加集中荷载和线荷载的型式进行模拟。其网格划分及相互连接如图1所示。

3.2 计算参数

根据上节吹填土的沉降性质，模型模拟计算时采用HS模型，土层物理力学参数见表1。

4 结果与分析

4.1 吹填土性质模拟分析

4.1.1无附加应力时吹填土沉降性质模拟

建立吹填土堆载模型，且在模型中依次选择7个点进行沉降模拟，如图2所示。

设置模型以每10d为一个周期进行沉降观测，共观测6次，前后历时60d，为了直观呈现吹填土在自重应力下的地基沉降变形特征，根据各点的沉降数据做各点沉降值随时间的变化曲线汇总图如图3所示。

由图3可得，各监测点位的位移总量随着监测时间的增加呈现增加的趋势，其沉降速率基本一致，为匀速沉降。各监测点位的沉降量均较小，主要是因为在自重应力作用下固结过程仍未完成，处于自平衡状态。由图3可得，吹填土体位移总量与监测时间呈现正相关关系。研究中吹填土体的沉降速率为5mm/d，沉降过程持续时间较长，因时间局限未得到自重作用下固结完成时间。因此，吹填土地基处于欠固结的状态，沉降变形不能通过已有的规范或者研究成果推算。

图2 沉降节点示意图

图3 无附加应力各沉降节点随时间变化示意图

4.1.2有附加应力条件下吹填土沉降性质模拟

在无荷载的吹填土堆载模型基础上，增设均布荷载模拟附加应力条件下吹填土沉降性质，所加荷载分别为10、30、80 kN。所得各点沉降数据随时间变化曲线如图4所示。由于模型为对称模型，故取A，B，E，G进行分析。

图4 10 kN附加应力各沉降节点随时间变化示意图

因添加荷载10、30、 80 kN条件下，各监测点位移随着监测时间的变化呈现类似的变化规律，故本文以10 kN荷载为例进行说明。由图4可得，B、G和E监测点的位移无显著性差异，显著高于A点的位移。

在加载时间5d条件下，B、G和E监测点的初始沉降值为8.7mm，测点的瞬间沉降值与试验期内的最终沉降值之比较大。各监测点的总位移量与监测时间呈现正相关关系，沉降速率为16mm/d。因监测时间有限，各监测点位移均为出现极值，故无法准确估计最终沉淀量，从而确定此场地中吹填土地基为高沉降速率吹填土地基[6]。

为了研究堆载荷载大小对吹填土沉降的影响，分别取堆载10、30、80 kN的G点的沉降平均值作对比分析，沉降曲线对比如图5所示。

图5 不同附加应力大小下吹填土沉降变化曲线

由图5可得，G点的总位移量随着静载时间的增加而增加。荷载80kN/m2和30kN/m2条件下G点的位移总量较荷载10kN/m2条件下显著增加。另外，G点的沉降速率随着荷载的增加而增加。地表荷载增加到2倍左右，沉降速率增加了5倍左右。总之，吹填土地基沉降速率增大倍数远大于附加荷载增大倍数，沉降速率对上部荷载大小较为敏感，与杨敏等研究成果一致[8]。

4.2 闸堤连接处不同吹填土地基处理措施模拟分析

根据上海地区横沙岛圈围工程1—7期实际吹填土工程处理措施，设置5种地基处理方法进行模拟计算。5种地基处理方法分别为：塑料排水板法、堆载预压法、三轴搅拌桩穿透软土层、三轴搅拌桩未穿透软土层和PHC桩法，分别记为工况一、工况二、工况三、工况四和工况五。

研究中基于Biot固结理论进行流固耦合过程模拟[9]。软件模拟的时间为500d。模拟过程中迎水面的水闸结构物、海堤墙等部位均假设为不透水边界，堤坝背水面假设为透水边界条件。

由于真实情况下海堤及水闸施工过程为分级加载，所以模型模拟海堤和水闸时采用分步激活单元，实际堆载过程根据工程经验确定，塑料排水板通过设置排水线实现，软件通过提高地基土的强度参数及渗透系数来进行模拟。研究中各工况流固耦合沉降曲线如图6所示。

图6 各种工况流固耦合沉降曲线

由图6可得，5种地基处理条件下，闸堤连接段吹填土在前60d沉降速率较快。除工况一以外，其他工况下100d后趋于稳定，主要是塑料排水板因具有巨大的真空吸力而使得粘粒较高的吹填土中细小颗粒被吸附至塑料排水板周围，因形成泥膜阻碍其排水固结，导致其固结速度较慢，且最终沉降值偏大，地基加固效果一般。

由图6可得，对比各工况的最终沉降值，工况三和工况五的沉降值较小，分别为18.8mm和20.8mm，表明采用桩基础处理闸堤连接处吹填土为较为适宜的地基土处理方式，可较好地控制沉降，与肖文辉等研究结果一致[10]，主要是采用桩处理地基可使竖向应力梯度明显减小。采用桩基础处理地基时，桩传递了地基土以上建筑物的主要荷载，使得地基承受的附加应力大幅度减小。

而由图6可得，选择PHC桩效果和三轴搅拌桩穿透软土层效果相似，PHC桩效果略微优于三轴搅拌桩，而从实际工程应用中，三轴搅拌桩造价远远低于PHC桩法，所以在实际工程中推荐使用三轴搅拌桩法处理闸堤连接处吹填土地基降低沉降。

4.3 阶梯状三轴搅拌桩法模拟分析

由上文可知，三轴搅拌桩法处理闸堤连接处吹填土地基可取得较好效果，参考文献[3]提出的高层建筑长短桩组合桩基础设计能有效减少建筑地基沉降，本文探究阶梯状三轴搅拌桩法对闸堤连接处地基处理效果[11- 12]。

选取左右空箱两边各30m，作为三轴搅拌桩范围，取长桩长40m，短桩桩长20m，桩间距为1.0m。分5种工况进行计算分析，第一种为全长桩，第二种为全短桩，第三种到第五种长桩范围分别为空箱两边10～30m，计算结果如图7所示。

图7 各种长短桩工况组合沉降曲线

由图7可知，工况二(全短桩)条件下基础整体沉降均较大，最大沉降可达25cm，不均匀沉降可达8cm，且500d(2a)内未能达到平衡状态。另外，本研究中计算了长短桩基础调节差异沉降的能力，结果显示长短桩基础调节差异沉降的能力强于全短桩基础和全长桩基础。基础中长桩不仅可影响地基总体的沉降，还影响了沉降的分布规律，使基础受力更趋于均一，可能是由于淤泥质粘土的存在导致沉降及差异沉降较大。

长短桩组合条件下长桩将部分荷载传至深层土体，使得短桩基础受力土层承受较小的荷载，故可将基础沉降量控制在允许沉降量之下。而增加桩长如工况三、四、五，可得对沉降控制效果明显增加，且可以看出2年内沉降趋于平衡，且长桩范围越多对沉降及差异沉降控制效果越显著[13]，可以说明基础沉降主要由长桩控制，但当长桩范围达到一定的量时，对整体沉降控制效果下降。阶梯状桩长控制闸堤连接处是较为优化的设计方案，既可达到减少沉降及差异沉降的总体效果，又可充分发挥长桩控制变形的能力及短桩控制持力层的承载能力，大大减少了长桩数量和工程造价，具有一定的推广价值[14]。本次工程采用三级阶梯状三轴搅拌桩法处理闸堤连接段地基，靠近空箱处采用40m长桩，最远离空箱处采用20m短桩，中间采取30m桩长，计算模拟可得最大沉降量18cm，差异沉降量为3.4cm，效果较好。

5 结论

以上海横沙东滩圈围(八期)工程为例，研究吹填土沉降性质及在此种地基上闸堤连接处沉降和差异沉降控制工程措施，得到以下结论：

(1)新近吹填土海堤自重应力下沉降速率较为均一，附加应力条件下沉降速率随着荷载的增加而显著增加。

(2)堆载预压法、三轴搅拌桩穿透软土层法、三轴搅拌桩未穿透软土层法及PHC桩法的地基处理效果明显优于优于塑料排水板法，研究中三轴搅拌桩穿透软土层法是推荐的较为适宜的处理控制闸堤连接段沉降和差异沉降的方法。

(3)阶梯状三轴搅拌桩法能有效减少地基沉降及差异沉降，并且可以减低施工难度及工程造价，建议用于类似海堤工程中施工工艺改进。

需要说明的是，本文结论基于有限元模型计算，由于所依托工程尚在施工过程中，缺乏实测数据，有待基于监测数据对模型进行进一步验证及研究。