吹填围垦堆载对临港道路及桥梁地基变形影响研究

2022-12-19笪中明

水利建设与管理 2022年11期

笪中明

(江西省德兴市水利局，江西德兴 334200)

随着港口建设对土地资源需求的日益迫切，围海造陆逐渐成为解决沿海地区港区基础建设用地的主要途径，吹填围垦则是围海造地的主要方式[1-5]。港区吹填围垦地基为软土层，虽然经过了压实处理，但在自身载荷和交通载荷等作用下会发生沉降，对地基软土层上覆交通设施和建筑物等产生不良影响。若后期因建设需求，需在既有交通设施和建筑物附近进行吹填围垦，围垦堆载作用会对既有结构基础下部土体产生附加应力，可能会引起土体或地基的再次变形，使既有结构地基发生不均匀沉降[6-8]。当土体或地基的变形过大时，会影响既有结构的正常使用[9-10]。因此，研究港区吹填围垦堆载作用对邻近结构地基的变形沉降影响具有重要意义。本文基于温州港灵昆作业区滩涂围垦陆域建设工程，采用数值模拟方法，分析围垦堆载对既有省道路基和水闸大桥桩基的变形影响，为工程安全建设提供保障。

1 工程概况

1.1 工程介绍

工程地处浙东南沿海岛屿滩涂，由内向外依次为浅滩围垦区、省道和海堤，省道中部为水闸。如图1所示，拟在海堤外侧海域吹填围垦，设计高程5m；以水闸为界分为西围垦区和东围垦区，其形态均近似矩形，且东围垦区临近大桥区域拟建油库。西围垦区长1455m，宽370～452m，围垦成陆面积0.51km2；东围垦区长2460m，宽436m，成陆面积1.11km2。采用吹填土料+地基处理的方式，利用绞吸式挖泥船直接将临海进港航道维护工程疏浚土吹填至本范围，再进行地基处理。

图1 温州港灵昆作业区工程堆载区域示意图

既有海堤和省道均坐落于软土地基上，由于本工程建设需要在省道路基边缘左侧10～550m范围内堆载5m高的吹填土，堆载作用会对省道基础下部土体产生附加应力，可能会引起土体或地基的变形，使省道发生不均匀沉降，影响省道的正常使用。此外，也可能对工程区附近的水闸大桥桩基造成影响。因此，有必要开展围垦陆域形成工程建设对省道及水闸大桥桩基的影响研究。

1.2 地质条件

根据地质勘探资料，该工程地基土层从上至下分别为含砂淤泥、淤泥夹砂、淤泥1、淤泥2、灰色淤泥质黏土、灰色黏土、含砂粉质黏土、粉砂、圆砾1和圆砾2等10种土层。由于1～7层为软土层，8～10层为砂砾层，各层性质差异较小。此外，海堤和省道底部地基已经过一定加固，其刚度明显大于围垦区地基。考虑到计算过程中地基10种土层的复杂性，再结合各层特点，将该区域地基参数进行一定的简化，即分为围垦区地基、加固地基和砂砾层；地基上部结构分别为堆载土层、吹填堤、海堤、省道和反压土体，见图2。基于土层实测参数，再根据地基的实测沉降数据对土体参数进行反算，得到了上述简化岩土体参数，见表1。

图2 工程地基岩土层分布

表1 工程岩土体参数

2 数值模型的建立

采用MIDAS/GTS NX软件模拟分析东、西围垦区堆载对临近省道及水闸大桥桩基变形的影响。由于水闸大桥桩基受两个围垦区共同作用，建立了包含东、西围垦区，省道，水闸大桥桩基的有限元模型，见图3。

图3 数值计算模型

2.1 网格划分及材料参数

实体单元网格划分采用八节点六面体单元(将2D网格扩展成3D网格)，2D四边形单元网格尺寸控制在5～10m，3D六面体单元网格尺寸控制长宽比小于4。实体单元材料的本构模型采用莫尔-库仑模型。由于桥梁已建成，桥板结构自重对桩基产生的变形可以不考虑，仅需要考虑围垦区堆载对桥梁变形、内力的影响。建模时仅建立桩基结构，采用梁单元进行模拟，通过建立桩界面单元来分析桩土相互作用。桩界面单元类似于植入式梁单元形式。桩基采用各向同性线弹性材料参数，弹性模量取21GPa，泊松比取0.2，重度取25kN/m3。桩界面参数：剪切刚度模量10526kN/m3，法向刚度模量115789kN/m3。

所建立的三维有限元模型节点数为376706，单元数为356601。三维建模采用整体坐标系，存在X(横路向)、Y(顺路向)、Z(竖向)三个方向。

2.2 边界条件与计算步骤

数值计算模型的边界条件为：底部约束X、Y、Z方向的位移，左右两侧约束X方向位移，前后两侧约束Y方向位移。模拟具体分布步骤如下。第一步：地应力平衡。进行自重条件下初始地应力分析，此阶段需将位移清零，应力保留。第二步：海堤和桥梁桩基施工。激活海堤、省道和水闸大桥桩基单元，每根桩桩顶施加集中力Q，且所有集中力之和为桥板及运行期荷载之和，取Q=600kN。此阶段需将位移清零，应力保留。第三步：省道和反压土体施工。激活省道和反压土体单元，省道路面考虑10.5kPa的车辆均布荷载。此阶段的位移、应力均不清零。第四步：围垦区堆载。东、西区围垦堆载前，先施工油库，然后进行东、西区围垦施工，具体施工步骤为：吹填隔堤施工→吹填第一层堆载2m→吹填第二层堆载至5m。最后提交计算。

3 围垦区堆载对省道及大桥桩基的影响分析

3.1 围垦区堆载对省道的影响

3.1.1 沉降变形规律

图4是典型施工步时省道的沉降变形分布情况。以西区临近省道的中部测点为例，省道填筑产生的最终沉降量最大，为66cm左右，而西区堆载第一层和第二层后，沉降量有所减小，分别为65.6cm和62.8cm，说明西区堆载对省道的沉降变形存在抑制作用，但影响量很小，在3cm左右。随着东区堆载结束，西区附近省道的沉降变形并未显著变化，仍保持为62.8cm。同理，以东区临近省道的中部测点为例，省道填筑产生的最终沉降量最大，为66cm左右，西区堆载第一层和第二层后，沉降量仍保持不变，说明西区堆载对东区临近省道不存在显著影响，而随着东区堆载第一层和第二层后，该测点沉降分别为65.6cm、62.8cm，和西区中心测点的大小基本类似。

图4 典型施工步时省道的沉降变形分布云图

综上，西、东区堆载会对省道引起向上的竖向变形，大小在3cm左右，而省道填筑引起的地基最终沉降值为66cm左右，远远大于前者。可认为围垦区堆载对省道的沉降变形影响很小，省道目前的变形量主要来源于其自身填筑后引起的地基固结变形。

3.1.2 横路向和顺路向水平变形规律

图5为典型施工步时省道顺路向的变形分布。以西区临近省道的中部测点为例，省道填筑引起的横路向水平位移为-4.2cm，西区堆载第一层和第二层后，水平位移分别为-2.15cm、3.20cm，根据差值计算，堆载引起的水平变形量为7.3cm。以东区临近省道的中部测点为例，省道填筑引起的横路向水平位移为-0.005cm，西区堆载对其影响很小，而东区堆载第一层和第二层后，其水平位移分别为-1.29cm、6.32cm，根据差值计算，堆载引起的水平变形量为6.4cm。此外，从省道顺路向水平变形分布云图可知，堆载对省道的顺路向水平变形不大，可以忽略不计。

3.1.3 省道不同桩号沉降变形

上述研究发现，西区、东区的沉降规律基本一致，省道主要受临近围垦区堆载作用的影响。图6给出了西区典型横断面沉降变形分布规律，发现堆载对沉降变形影响较小。为便于观察，给出省道不同桩号的沉降变形规律，见图7。图中差值为堆载引起的变形量，不论是靠海侧、中心线还是靠陆侧监测点，堆载引起的变形量均小于4cm，与省道填筑引起的沉降变形量相比，堆载引起的变形量很小。

图6 典型横断面沉降变形云图

图7 不同桩号沉降变形量

3.1.4 省道最终变形分析

表2给出了省道施工、围垦区堆载后以及围垦区堆载单独引起的变形结果。对于横路向变形，道路两侧变形差值为1.6cm；对于顺路向变形，道路两侧变形差值为0.3cm。综上说明，堆载对道路的变形影响很小，并不存在显著的挤压作用。对于竖向变形，靠海侧主要为沉降变形，靠陆侧主要为隆起变形，但道路两侧变形差值为7.3cm。由于省道路基平均横坡坡度2%(向路面横断面右侧倾斜)，道路宽度24.5m，该倾斜程度可忽略不计，不会影响行车安全和排水。对于整体沉降变形而言，堆载对省道的整体沉降变形有一定抑制作用，但影响量远不如省道引起的地基沉降量。综上，围垦区堆载对省道变形影响较小。

表2 不同载荷作用下省道的变形量

3.2 围垦区堆载对水闸大桥桩基的影响

3.2.1 桥台变形分析

围垦区堆载对水闸大桥桩基的影响主要体现于X和Z向的变形，根据提取的各桩变形量，获得了左、右桥台变形量以及桥台的差值变形量。对于桥梁而言，主要关注桥台变位情况，从表3可知，在堆载作用下，左右桥台水平变形为0.16cm，竖向变形为0.017cm，说明左右桥台不存在较大变位趋势。对于桩基沉降变形，根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)与《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTD D63—2007)规定：对于静定结构的桥梁基础，墩台均匀沉降量允许值为40mm，桥梁纵向相邻墩台均匀沉降量之差允许值为20mm。因此，该大桥桩基的变形满足要求。