堆載深厚軟土邊坡沉降與穩定性數值模擬

張飛　陳豆豆　沈廣軍

摘 要：市政工程中，軟土堆載邊坡的土層往往為棄土或已有河道里的淤泥與淤泥質土，施工工期長、土體沉降量大、沉降與邊坡穩定性分析困難。該文針對某深厚淤泥質粉質黏土的邊坡堆筑過程，分析其地基處理與土坡體堆筑方案，采用大型巖土有限元軟件PLAXIS建立數值模型，分析土坡分層填筑沉降量以及沉降與時間的發展關系，并采用強度折減法分析填筑各階段的穩定性與滑移面位置。計算結果表明：巖土有限元PLAXIS可以較好地模擬深厚軟土邊坡填筑過程中各深度土體的沉降變化、沉降隨時間的發展變化規律以及各土層填筑時的邊坡滑移面位置與變化模式，計算的沉降量與邊坡穩定性符合實際的監測與工程經驗。該文分析可以為類似工程的設計、施工與監測提供參考。

關鍵詞：軟土 堆載邊坡 地基處理 沉降 穩定性分析

中圖分類號：U41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0060-06

隨著城市建設與市政工程及環境改造等行業[1-2]的不斷發展，大量的高層建筑地下室與地鐵工程開挖[3]將產生棄土與相關堆土工程，一些城市公園景區人工挖湖與堆山營造大面積綠化工程等，均涉及到軟土堆載邊坡工程問題。此類邊坡工程的堆積土方往往為新挖的飽和軟土甚至是已有河道里的淤泥與淤泥質土等，含水量高、壓縮性高、孔隙比大、強度低與滲透性低，堆土過程中需進行地基處理，經歷工期長、土體沉降量大、沉降與邊坡穩定性分析困難，成為了工程難點，引起工程界與許多學者[4-6]的關注。對于堆載軟土邊坡沉降與穩定性問題，常用的地基處理與土體沉降理論較難建立符合實際的計算模型進行分析，施工具有一定的盲目性，稍有不慎將引起土體長期變形與邊坡失穩破壞，造成嚴重的工程事故。該文針對某深厚淤泥質粉質黏土堆土邊坡問題，分析其地基處理與土坡體堆筑方案，采用巖土PLAXIS有限元軟件建立數值模型，分析土坡的分層分步填筑沉降量以及沉降與時間的發展關系，并采用分步強度折減法分析土坡填筑各階段的穩定性與滑移面位置，為相關工程提供參考。

1 工程概況

1.1 邊坡周圍環境

擬建龍脊山位于鹽城濱海地區潤鹽大道北、鹽倉大道南、串場河東、人民路西；西側為擬開挖龍湖800畝大型水面（湖底開挖最深處-3.00 m）、東側緊鄰串場河，占地約260畝，其中主峰高14 m（黃海高程，下同）、北部側峰高11 m、南部側峰高9 m。主峰和南側峰之間建設盤龍塔，山體周邊建設展覽館、博物館、名人館。

1.2 地質情況

該工程深厚軟土主要為自然地面以下1.6～1.8 m，黃海高程0.6～0.75 m以下11.9～14.1 m的淤泥質粉質黏土層。場地土層分布如下：（1）灰色素填土，濕，主要成份為粉質黏土，夾大量植物根莖，明河底部見厚約30 cm黑淤，富含有機質，土質松散，不均勻。（2）黃褐色飽和粉質黏土，可塑，局部夾黏質粉土薄層，明河部位該層土缺失，土質較均勻。（3）灰黃色～灰色飽和淤泥質粉質黏土，流塑，土質不均勻。（4）灰色砂質粉土，很濕，稍中密，夾少量粉砂團塊及淤泥質黏性土條帶，層面埋深及層厚變化極大，土質欠均勻。（5）灰色黏質粉土，很濕，稍密，夾較多淤泥質黏性土薄層（單層厚5.0～20.0 mm）及少量中密狀粉砂團塊（局部富集），具層理但層面埋深及層厚變化較大，土質欠均勻。（6）灰褐～灰黃色黏土，飽和，可塑，土質較均勻。（7）灰黃色砂質粉土，中密，局部密實、稍密，土質欠均勻。（8）灰黃色黏質粉土，很濕，稍密，夾較多軟塑狀黏性土薄層（單層厚2.0～20.0 mm），層理清晰，土質欠均勻。

1.3 建模分析思路

建模分析過程中，取龍奚山主峰位置的截面分析填土邊坡的堆載沉降及其相應土坡的穩定性與抗滑移安全系數。分析模型的建立考慮了主峰高度最高為14.0 m，取其坡度最大位置為穩定性最不利截面，進行分析土坡沉降與穩定性，對整個邊坡堆載預壓沉降計算起控制作用。截面位置選取如圖1所示。

2 地基處理及山體堆土方案

2.1 龍脊山地基處理方案

該工程地基處理以強度控制[7-8]為設計原則，主體思路是以地基強度的增長結合地基處理措施提高地基承載力，保證山體和地基的穩定性。龍脊山占地260畝，主峰高14.0 m，側峰高11.0 m和9.0 m，山體西側為龍湖，湖底最深處標高為-3.0 m。擬建山體地基軟土厚度達14.0 m，為主要的不良地質體。鑒于山體堆筑對地基的承載力要求較高，在天然地基上堆筑已無法滿足要求（極限高度5～6 m），必須對地基進行加固處理。

依據總體工期要求，該項目可選擇塑料板或沙井，充分利用填土荷載預壓，分級堆筑，當前一級荷載施加并預壓一段時間后，依據監測結果和地基土強度的增長情況決定施加下一級荷載。經測算比較此次方案采用塑料排水板進行堆土預壓，排水板擬采用SPB100-C型，深度28.0 m，間距1.5 m，露頭50 cm，梅花形布置，共47 756根。為確保孔隙水沿豎向排水體滲入地表后順利排出場外，充分發揮地基土的承載力，在堆載之前鋪設600 mm厚砂墊層。考慮到山峰中心荷載較大的部位沉降會很大（不少于2.0 m），建議填筑砂墊層時，至堆填標高5.0 m起逐漸增高至中心部位砂墊層厚度分別不小于2.2 m（主峰）、1.9 m（北側峰）、1.6 m（南側峰），以便于留沉降空間，保證水平方向的有效排水。

2.2 山體堆筑方案

堆山土源采用龍湖開挖時自然地面下1.6 m以上粉質黏土或黏質粉土，采用碾壓法施工。碾壓土的含水率應符合最優百分比，并控制在最優含水率±2的范圍之內，碾壓時采用8 t～10 t平碾，每層鋪土厚度不超過40 cm，碾壓10～12遍，壓實系數應不少于0.90。地下水位以下土源碾壓前根據現場情況確定是否需要進行晾曬。堆載進度控制以土坡穩定計算結果為準，地基極限承載力依據堆載預壓后土體抗剪強度的增長予以估算。

經初步測算，地基處理結束并鋪設砂墊層后即可進行堆填，3個月內經分層碾壓堆筑至標高5.0 m，隨著沉降減緩，強度增長，第7個月開始后續堆筑，分層碾壓并堆至標高7.0 m，依據地基土強度的增長情況，第12個月繼續堆筑，南側峰堆至峰頂，主峰及北側峰堆至9.0 m，第16個月北側峰堆至峰頂，主峰堆至11.0 m，第21個月開始主峰堆筑，直至峰頂。兩年后依據沉降情況和監測結果進行補充堆筑并覆蓋耕植土，并做好坡面排水工作。填土堆筑順序先四周后中間，再由外至內均勻鋪填。為確保山體的整體性和穩定性，應分層設計土工格柵，鋪設標高5 m、7 m、9 m、11 m，土工格柵采用雙向塑料格柵和鋼塑土工格柵。5m標高處格柵縱橫向極限拉應力應不小于20 kN/m，采用TGSG20-20土工格柵，面積約66 500 ㎡；7 m、9 m、11 m標高處格柵縱橫向極限拉應力應不小于50 kN/m，采用GSZ60-60型土工格柵，面積約54 580m2。每層土工格柵鋪設完畢后，應予碾壓（一遍）。該計算的龍奚山主峰堆載過程圖，如圖2所示。

3 計算模型與參數

利用巖土有限元PLAXIS程序建立平面應變模型[9]，分析該工程的邊坡堆載施工過程的土體沉降及邊坡抗滑穩定性。土體采用高精度的15結點三角形單元來模擬，并采用彈塑性土體模型。土體強度基本參數采用不固結不排水試驗指標，c為黏聚力，φ為內摩擦角，v為土體泊松比。數值計算參數如表1所示。

依據前面圖1的建模截面截取辦法，該工程可建立如圖3所示的邊坡堆載平面應變模型進行分析。幾何模型從堆土高度為14.0的主峰中間開始考慮，主峰為8 m寬、11.5 m高，傾斜坡面的水平距離為67 m，整體模型取100 m寬，45 m高。生成的模型網格如圖3所示。

4 填土沉降與穩定性計算結果

該實例計算中，填土過程簡化地分為5步，第一步為60天填土2.5 m，固結90天；第二、三、四步分別均為60天填土2.0 m，固結90天；第五步為60天填土3 m，固結90天，總工期750天左右。分層填筑過程中，應分層40.0 cm填筑預壓，如按實際填土計算步驟太多，計算時間過于分散，分析過于復雜并且對計算結果影響不大，故該分析只采用如上步驟填土進行分析。

4.1 分層填筑過程的土體沉降

圖4為分步填土過程土體的沉降分布圖。

從圖4中可以看出，隨著填土高度的增加，地基土豎向變形加大，且填土荷載對地基土的影響深度增加；豎向變形隨著深度的增加而降低，而不像側向位移，在地下一定深度產生最大水平位移。

主峰中間部位，原有地基土層③層中的某點沉降隨時間的變化如圖5所示，從圖5中可以看出，隨著堆載填筑土體時間的增加，土體的沉降值越來越大，當填筑到標高14.0 m，即時間為750天左右時，原有地基內土體最終沉降約為2.0 m左右。

土體沉降的大小隨深度分布的曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著深度的增加，堆載過程的土體沉降逐漸減小，而堆載預壓的坡頂沉降約為3.2 m左右，施工過程中應加強土體沉降的預測與監測工作，應在深層土體中埋設沉降儀，監測相應沉降發展規律并控制土體的固結度。

各土層的沉降隨時間的變化規律如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著邊坡堆載時間的增加，各深度處的沉降均增大，并且標高較淺處的沉降大于較深處沉降，數值分析符合工程監測[2-4]與經驗數值的變化規律。

4.2 堆載過程的土坡穩定性及滑移面分布

該工程堆載填土過程中，計算土體邊坡的穩定性及滑移面位置分布。如圖8所示為堆載高度5～14 m以后的各土坡滑移面分布圖。

從圖8中可以看出，隨著填土高度的增加，土坡滑移面的范圍增大，在滑動面內的滑動土體體積變大，表明隨著填土高度的增加，土體滑動將造成更大體積的土體破壞；但是，堆載到第三級邊坡以后，填土高度及荷載對地基土滑移面深度及坡前位置的影響不明顯，7～14 m的3個填土高度時，邊坡的滑移面深度方向均在③層軟土層的底面，且滑移面在坡腳的位置基本相似，表明該工程填土存在一個位置較固定的軟弱滑移面，建議工程施工過程中應引起足夠的重視，加強土體豎向位移、水平位移及深層位移的監測工作，保證施工過程中土坡的變形與穩定性達到要求。

此外，利用強度折減法的計算，此3步施工過程中相對應的邊坡穩定性安全系數分別為3.8、3.1、2.8、2.4和2.1左右，可以保證邊坡填筑過程的抗滑移穩定性。

5 結語

隨著堆土填筑過程的逐步進行，深厚軟土堆載邊坡的沉降逐漸增加，并且從原始地基的方向向上呈逐漸增大的趨勢，隨著時間的積累，施工沉降與工后沉降均有一定的增大的趨勢；軟土邊坡的填筑過程中，滑移面范圍逐漸擴大，穩定性系數逐步減小，但最危險滑面的深度位置變化較小。大型巖土有限元程序PLAXIS可以較好地模擬深厚軟土邊坡填筑過程中的土體沉降隨填土高度與時間的變化規律，分析的滑移面可以較好地揭示各土層填筑時的邊坡滑移面位置與變化模式，計算的邊坡穩定性也符合實際的監測與工程經驗，可以為類似工程的設計、施工與監測提供參考。

參考文獻

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