梅山水道南堤软土地基沉降规律及影响因素分析

李明，张伟，梅蕊，张晔

（1.山东齐鸿工程建设有限公司，山东 淄博 256300；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

海堤等建筑物的堆积荷载作用于软土上，容易产生崩裂、塌陷，甚至倒塌等安全隐患，对建筑物的正常运行造成影响，对于深厚软土地基，地基沉降计算和工后的沉降控制是该类地基处理的核心问题[1]。随着计算机技术的进步，沉降计算方法得到了充足的发展，数值分析方法可以解决许多以前无法采用理论求解的地基沉降变形问题，促进了软土地基沉降研究的发展。

庄妍、颜立明[2-5]等利用有限元分析软件结合实测数据和试验数据对软土地基的沉降特征进行研究，分析了塑料排水板结合真空预压方法对软土地基的固结效果。王茂丽[6]对软土地基沉降中一维非线性固结理论进行了分析，并根据工程实例结合有限元软件，考虑了荷载与地基土层分层厚度等影响因素，对于软土地基的一维非线性沉降进行了计算分析。葛栋林[7]、姜民[8]等针对海堤荷载下软土地基的沉降变形和稳定问题，结合实际工程建立数值分析模型，模拟防波堤的开挖和抛填施工及长期沉降过程，预测计算各典型断面的最终沉降、施工期沉降和竣工后沉降。从已有文献可以看出，目前对于实际工程结合有限元软件建立数值模型对地基沉降进行预测分析的研究已有不少，但是大部分研究采用有限元软件模拟软土地基沉降的本构模型为摩尔库伦（MC）模型，该模型是对岩土行为的一种“一阶”近似，不能考虑应力相关和刚度或各向同性刚度的应力路径，采用摩尔库伦模型作为土体分析的本构模型具有一定的局限性。

本文以宁波市北仑区梅山水道抗超强台风渔业避风锚地的南堤段作为研究对象，针对塑料板排水法在海堤工程中的应用进行研究，采用土体硬化（HS）模型作为软土地基上的海堤沉降模型中土体单元的本构模型，运用PLAXIS 2D 有限元分析软件建立海堤软土地基数值模型，分析塑料排水板法处理的软土地基上长时间的沉降变化规律，并与现场监测数据进行对比分析，验证该数值模型的准确性，对在浙江沿海类似的海堤工程提供沉降变形预测的经验。

1 工程简介

1.1 工程概况

北仑区梅山水道抗超强台风渔业避风锚地工程项目位于北仑区梅山岛与穿山半岛西南部之间的梅山水道，工程区南北向总长11.5 km，水面积9.63 km2，正常库容约5000 万m3。工程项目由海堤、水闸、船闸、泊船区、管理区等组成。工程将建设南北两条海堤，其中南堤位于春晓洋沙山与梅山七姓涂海塘之间的海域，北堤位于白峰镇黎明村与梅山钟家塘之间的海陆域。北堤长约800 m，堤顶路宽35 m，配套建设净宽56 m 水闸1 座；南堤长约1435 m，堤顶路宽16 m，配套建设净宽24 m 水闸1 座，以及500 T 一级船闸2 座。

1.2 工程地质

梅山水道南堤工程的地基土层细粒土与粗粒土相互混合，在地基分层上部区域大都是处于饱和状态的淤泥质粘土，工程地质条件较差，地基处理方案为在地基上筑较高堤坝分期加荷施工，同时采用铺设塑料排水板和抛石填筑方式加速地基排水固结，排水板间距1.3 m，正方形布置，塑料排水板打设深度为25 m。各土层分布及监测如图1 所示（以0+150 断面为例）。

图1 海堤0+150 断面土层分布及监测图

2 软土地基沉降规律分析

2.1 地表沉降规律分析

南堤0+150 断面主坝监测布置如图1 所示，两块地面沉降板分别放置于观测断面海堤地基的主坝（T2）与小坝（T1）内，地表沉降观测从2014 年4 月30 日开始加载时开始记录，到2020 年6 月17 日记录结束，断面加载填筑过程分为6 级。

将主坝T2 和小坝T1 的地基沉降量拟合成加载过程沉降曲线，如图2。两坝的加载过程沉降曲线均为盆形曲线，在海堤加载变化较大处出现拐点，主坝和小坝的海堤软土地基沉降规律也一致，地基沉降量整体上随海堤的分级加载呈现阶梯状增加，且上部荷载越大沉降量越大。

图2 0+150 断面测点地表沉降与加载过程线

分别将南堤0+150、0+400 断面的主坝（T2）和小坝（T1）的地基沉降量拟合成沉降速率曲线，如图3。从图3 可见，不同断面在第一级加载后的沉降速率不同，但在第一级加载后的沉降速率变化趋势相似，在第一级加载后地基沉降迅速发展并逐渐趋于稳定，断面沉降速率与时间的关系图呈现双曲线形状。

图3 第一级加载后海堤部分断面的沉降速率图

2.2 地基分层沉降规律分析

以南堤0+150 断面S1 和S2 测点的沉降数据为例，分析南堤地基分层的分层沉降规律。S1 和S2 测点的分层沉降过程线见图4。从图4可见，随着海堤的每级加载，软土地基各层的沉降量随之增加，且同样存在阶梯状发展过程。对于同一断面，每层的沉降量随着淤泥层深度的增加而逐渐减小，且分层越深其沉降拐点越不明显，分层沉降越易达到稳定状态，说明在软土地基的沉降里，上层的淤泥质粘土沉降占主要部分。随着加载高度的提高，每层达到收敛状态的效果越显著。

图4 0+150 断面S1 测点（左）、S2 测点（右）分层沉降过程线

3 数值计算与参数敏感性分析

3.1 模型介绍

基于梅山水道南堤段工程实例，选取标准断面南堤0+150 整个断面建立有限元模型，模型的水平方向的尺寸和竖直方向的尺寸分别为300 m 和70 m。采用土体硬化(HS)模型作为软土地基上的海堤沉降模型中土体单元的本构模型，摩尔库伦(MC)模型为海堤结构单元的本构模型。各土层参数如表1 所示，将土层物理力学指标转为土体硬化(HS)模型参数如表2 所示。模型的边界条件：对模型的侧面边界加法向约束，对于模型的底部边界加竖向约束，梅山水道南堤采用的是插打塑料排水板的方法加快土体固结，因此将模型的左右边界与底边界的水力边界条件设置为关闭，模型的顶边界设为打开，水流从上方排出，如图5 所示。

表1 各土层参数

表2 土体硬化(HS)模型参数

图5 塑料排水板海堤沉降有限元计算模型

3.2 模型验证

选取海堤地基表面沉降最大处点P，根据PLAXIS有限元计算结果，点P随时间变化的沉降曲线如图6所示。

图6 海堤模拟累计沉降与实际沉降对比图

由图6 可见，采用PLAXIS 2D 有限元模拟的海堤地基最终沉降与实际监测沉降在后期沉降量误差较小。当采用PLAXIS 2D 有限元软件计算塑料排水板处理软土地基上的海堤沉降时，在各级加载阶段计算得到的海堤沉降都比实际监测的海堤沉降值大，而且随着时间的推移，两者沉降量的差距先增大后减小。可能是因为在实际的海堤加载中，施工时间较长，水位在发生变化，孔隙水压力的变化大，而且塑料排水板在经过长时间的加载以及孔隙水流通之后，会发生破坏，排水性能可能会随时间衰减，PLAXIS 2D 有限元软件建模则一直保持的完整高效的排水性能，从而导致误差。

3.3 土体硬化(HS)模型参数敏感性分析

在实际的海堤加载工程中，土层的参数取值对于海堤的沉降计算有着重大的影响，不同地区土层的与的比值有很大的差别。分别将参数与的比值在±40%内的范围变化，计算海堤的最终沉降量的变化趋势。海堤地基最终沉降变化随参数、比值变化的曲线见图7。

图7 参数比值变化过程中海堤最终沉降量的变化

表3 参数的比值变化时海堤最终沉降量的变化

表3 参数的比值变化时海堤最终沉降量的变化

3.3.2 参数m 的影响

刚度应力水平相关幂指数m 代表了刚度依据某个幂率的应力相关性，土体硬化模型的屈服轨迹的形状依赖于刚度应力水平相关幂指数m，当m=1 时屈服轨迹的形状为直线，当m 为较小的值时，模型的屈服轨迹的形状会有稍微的弯曲，因此参数m 对于海堤的沉降有重要的影响。

参数m 的值在±40%的范围内变化过程中海堤最终沉降量的变化趋势见图8。如图8 所示，随着刚度应力水平相关幂指数m 的变化，海堤的最终沉降量会发生较大的改变，当参数m 增大时，海堤地基的最终沉降量减小，当参数m 减小时，海堤地基的最终沉降量增大，当参数m 的值缩小40%时，最终沉降量减小13.74%，

图8 参数m 变化过程中海堤最终沉降量的变化

产生较大的变化。因此，当采用土体硬化(HS)模型计算宁波地区软土地基上海堤沉降时，对于黏土m 的取值为0.8～0.9 时，计算的海堤沉降量与实际情况较为符合。

图9 参数c、参数变化过程中海堤最终沉降量的变化

3.3.4 参数卸载-重加载泊松比νur影响

在土体硬化模型中，参数卸载-重加载泊松比νur为纯弹性参数。参数卸载-重加载泊松比νur的值在±40%的范围内变动时计算海堤最终沉降量的变化率，如图10 所示。由图10 可见，当参数卸载-重加载泊松比νur的值从-40%增大到40%时，海堤的最终沉降量变化值几乎与原计算值一致，因此参数卸载-重加载泊松比νur的值对于计算海堤最终沉降量的值影响可以忽略不计。在采用土体硬化(HS)模型计算海堤沉降时，参数卸载-重加载泊松比νur可以直接采用缺省值0.2。

图10 参数νur 变化对海堤沉降的影响

4 结论

（1）采用PLAXIS 2D 有限元软件中的土体硬化(HS)模型能够有效模拟梅山水道南堤的沉降过程，取梅山水道南堤主坝断面建立模型，能够简捷有效的模拟南堤地基的沉降，且沉降曲线与实际沉降曲线相符。

（2）对土体硬化(HS)模型中影响软土地基海堤沉降的因素采用数值分析法进行模拟分析发现：参数的比值、参数m、内摩擦角对于软土地基海堤的计算结果有较大影响，而参数的比值、粘聚力c、卸载-重加载泊松比νur对软土地基海堤的沉降计算结果几乎无影响。根据研究结果，对于宁波地区的软土，当对土体硬化(HS) 模型无具体的地质勘察资料时，可取淤泥质土，取，，，对于粉质黏土，取，，，黏土的m 值取0.8～0.9，νur取为缺省值0.2 时，计算结果与实际沉降结果较为相符。