吹填土沉降量计算方法比较研究

2021-10-22舒叶华

水利技术监督 2021年9期

舒叶华

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

随着滨海地区经济和城市建设的不断发展，沿海城市的土地资源需求进一步扩大，围海造地是沿海城市土地开发的主要形式。目前，水力吹填法因其可以充分利用河道或附近海域的沉积物作为施工材料，不但对河道、港口码头有一定的疏浚作用，而且可以保护生态环境、降低运输成本、缩短工期，因此水力吹填法是填海造陆的主要方法。吹填完工后吹填土的沉降、固结等因素对于最终泥面标高的影响较大，单纯依靠经验很难准确给出吹填施工完工时的预留超高量。预留过多，造成了成本上升和浪费；预留不足，难以满足竣工验收的滩面标高要求，而通过二次填土会造成“成本灾害”[1]。因此吹填标高的确定是工程中亟待解决的问题，提出既方便高效又满足精度要求的工程沉降计算方法，对吹填工程建设有着重要意义。

目前，吹填土的沉降量分析方法主要有分层总和法、曲线拟合法、有限元法、人工神经网络法、灰色系统法等。张云冬[2]通过研究吹填土的回弹率特性，提出了基于吹填土回弹率的改进分层总和法，该法计算方法简单，易于推广应用。曲线拟合法是通过对现场实测资料分析得到时间与沉降曲线的关系，该方不但有一定的理论基础而且简单易行[3]。俞帆，王铁儒[4]在Duncan-Chang模型基础上，提出了改进的非线性弹性模型；刘元雪，施建勇[5]探讨了基于应力空间变换的剑桥模型改进。人工神经网络法通过对实测数据的自适应学习而获得软基沉降的预测模型[6]。雷学文等[7]提出了灰色预测模型GM(1，1)，模型是根据已有的监测数据来分析地基沉降的发展变化。

本文基于比奥固结理论采用有限单元法建立流固耦合数值分析模型对吹填土沉降量预估进行研究，在数值计算过程中土体采用土体硬化模型(Hardening—soil)，该本构模型能够非常真实全面的反应土体的属性，不但可以解决模量依赖于应力的情况而且考虑了土体的剪胀性。通过横沙八期1#围区吹填工程实例，将有限单元法的计算成果与分层总和法、沉降曲线拟合法及实际观测的沉降结果进行对比分析，验证其合理性及准确性。

1 吹填概况

横沙东滩位于长江口北槽及北港之间的大型滨海沙洲上，横沙东滩八期工程位于三期圈围区以东，六期和七期圈围区以北。横沙八期工程1#、2#围区于2016年3月实施疏浚土滩上裸吹施工，2016年8月30日停止裸吹，吹填面积分为7.67、6.82km2，竣工验收日期为2020年12月。

八期工程围内成陆均采用航道疏浚土进行吹填形成[8]，疏浚土质以淤泥质土、粉土和粉砂为主，结合疏浚土质在吹泥站贮泥坑挖、抛卸工艺后的土质变化，围区吹填土质为2级。场地地层主要为：浅表层主要为①2层粉砂，下部直接与②3层粉砂(砂质粉土)相连，层厚较大，强度及变形控制条件较好，口门处轴线位置表层为①1层淤泥质黏土，但厚度不大(揭示厚度最厚2.6m)，需进行适当处理。但需注意的是轴线北侧口门冲刷坑冲刷深度较深，需进行适当的地基处理(如换填、抛填砂袋等)。本文以吹填过程中代表性沉降观测点C1—C4(2016年8月30日～2020年9月12日，历时1474d)作为沉降量计算方法的基础数据。

2 吹填砂软基沉降预估理论

2.1 规范法计算原理

本文基于规范法进行吹填超高预估计算时，依据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》推荐的分层总和法，采用地基各土层的e-p曲线计算吹填区地基最终沉降量，公式如下：

(1)

式中，S∞—地基最终沉降量，m;hi—第i层土的厚度，m;e1i、e2i—分别为第i层土压缩前的孔隙比与压缩终止后的孔隙比;ms—经验修正系数。

地基沉降所对应的同期固结度采用太沙基一维固结方程计算，公式如下：

(2)

(3)

式中，m—正奇整数(m=1，3，5……)；Tv—时间因子；Cv—竖向固结系数，cm2/s；H—不排水面至排水面的竖向距离，cm;t—团结时间，s。

2.2 曲线拟合法计算原理

(4)

式中，St—地基t时刻的沉降量，m；S∞—地基最终沉降量，m；a1—取决于固结系数和土层边界条件的常数。

星野法沉降预估计算公式：

(5)

式中，St—地基t时刻的沉降量，m；S0—地基假定的瞬时沉降量，m；A、K—待定参数。

2.3 比奥固结理论

本文通过有限元数值模型开展沉降预估分析中，采用能准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的比奥固结理论。

因此对于平面变形问题，比奥固结方程可写为:

(6)

3 吹填区沉降计算

3.1 分层总和法预估沉降计算结果

基于分层总和法及太沙基一维固结理论，分别对1#围区天然地基与新吹填软土的沉降量进行分析。天然地基沉降量由分层总和法计算的最终沉降和对应时期的固结度确定。对于新吹填软土采用分层总和法计算，计算时粉土与淤泥质黏土含量按3∶1取值，根据相邻工程区地勘资料，在2017年12月时取粉土表层1～2m厚土体孔隙比为0.956，下层孔隙比取0.810，取淤泥质黏土表层1～2m厚土体孔隙比为1.221，下层孔隙比取0.810；在2020年12月时取粉土表层1～2m厚土体孔隙比为0.824，下层孔隙比取0.749，取淤泥质黏土表层1～2m厚土体孔隙比为1.030，下层孔隙比取0.891，天然地基沉降量计算成果见表1。吹填土固结沉降计算成果见表2。

表1 1#围区地基沉降计算成果表

由表1和表2可以得到竣工验收前的地基沉降量为0.13m，吹填土的平均固结沉降量为0.261m，竣工验收时最终沉降量为0.391m，小于实测的平均沉降值0.439m，可见规范法预估沉降计算明显偏小，分析原因可能是分层总和法单一的压缩模量参数无法反映土体复杂的非线性特性。

表2 吹填土固结沉降计算成果表

3.2 沉降曲线拟合法计算结果

基于Asaoka法和星野法对本工程吹填砂沉降进行研究分析时，首先采用横沙八期前期沉降观测数据，通过曲线模型对沉降观测数据进行拟合。

基于横沙八期前期的沉降观测资料数据，采用上述沉降曲线模型进行拟合，同时预测竣工时间2020年12月31日吹填区沉降量。可以得出至2020年12月工程区的两种曲线预估沉降量平均值分别为366.7、421.2mm，与实测数据439mm相比存在一定偏差。在拟合时，如采用不同的监测数据时间间隔，可以得到不同的拟合结果，偏差较大。

3.3 基于有限单元法的沉降预估分析

为了研究吹填过程和吹填完成后由于吹填土自重引起的沉降，本文基于有限单元法通过PLAXIS建立数值分析模型，开展吹填土预估沉降分析。考虑到吹填围区面积较大，不同区域吹填料来源有差异，形成的吹填土层有所差异，依据横沙八期1#围区现场钻孔实测资料，其吹填土主要为砂质粉土和粘质粉土，因此选取了三个典型的吹填土剖面进行平面应变分析：断面1吹填土仅为粘质粉土，断面2吹填土仅为砂质粉土，断面3吹填土上部为砂质粉土、下部为粘质粉土。

采用Plaxis模拟1#围区在2016年3月至2020年12月期间的吹填土固结沉降量，根据实测的地质勘探资料对数值模型进行建模和材料分区，如图1所示。计算时模型的所有边界均为透水边界，材料本构模型采用土体硬化模型(Hardening—soil)。

图1 典型断面有限元数值分析模型

在有限元沉降计算中以验收标高3.09m进行吹填沉降分析，为了准确的模拟吹填过程中吹填土实际性态，在计算模拟中考虑了初始静水压力、初始地应力和分层吹填施工。

断面1—3吹填土最终沉降分布云图如图2—4所示，三个段面最终沉降量分别为0.441、0.422、0.434m，平均沉降量为0.432m，与实测的结果0.439m非常接近，说明数值模拟的合理性；与3.2节规范法和3.3节沉降曲线拟合法相比，有限单元法得到最终沉降量与实测值最为接近，进一步说明了基于有限单元法对吹填土进行沉降预估的准确性。

图2 断面1最终沉降分布云图

图5给出了数值计算成果与实际监测数据、曲线拟合法结果的对比，通过对比可以得到数值计算结果和实测结果变化规律基本一致，且吻合度很高，进一步证明了数值计算的正确性和合理性。同时由图5可知从2016年8月至2018年2月吹填土沉降的计算值和观测值分别为369和409mm。从沉降曲线可以看出2018年2月以后，吹填土的沉降趋势十分缓慢，可以认为该吹填土在完工2年后完成了主固结沉降，之后为次固结沉降。