防波堤施工過程中地基變形及穩(wěn)定性數(shù)值分析

周建鋒 耿瑞巖 丁頁嶺

(1.無錫市地震局，江蘇 無錫 214000； 2.連云港市地震數(shù)據(jù)處理中心，江蘇 連云港 222002； 3.江蘇省地震局，江蘇 南京 210000)

防波堤施工過程中地基變形及穩(wěn)定性數(shù)值分析

周建鋒1耿瑞巖2丁頁嶺3

(1.無錫市地震局，江蘇 無錫 214000； 2.連云港市地震數(shù)據(jù)處理中心，江蘇 連云港 222002； 3.江蘇省地震局，江蘇 南京 210000)

以堤身填筑過程引起的地基沉降以及對邊坡穩(wěn)定影響為研究對象，使用有限元軟件建立流固耦合數(shù)值分析模型，模擬了某防波堤工程堤身填筑過程，對沉降規(guī)律以及邊坡穩(wěn)定進行了計算分析，為現(xiàn)場施工提供參考。

防波堤，地基沉降，地基水平位移，邊坡穩(wěn)定性

1 研究背景

防波堤施工過程中會引起一系列的地基變形，同時，堤身穩(wěn)定會在施工過程中發(fā)生變化，一些學者據(jù)此展開了一些研究。對于地基變形，通常分為在豎直方向上的沉降和水平方向的位移，例如劉銳等[1]通過研究監(jiān)測地基沉降的沉降盤，對某防波堤工程進行動態(tài)的沉降監(jiān)測，分析了各級加載階段的沉降變化規(guī)律；郭少龍等[2]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過對地基沉降的觀測，分析了基于MIDAS/GTS軟件建立的地基加固效果研究的數(shù)值模型的可靠性；對于防波堤穩(wěn)定性計算，之前研究者們常采用極限平衡法和強度折減法等，例如路衛(wèi)衛(wèi)[3]采用有限元強度折減法進行防波堤穩(wěn)定計算，分析了孔隙水壓力及有效應(yīng)力隨時間的變化以及對防波堤穩(wěn)定性的影響；宣廬峻[4]結(jié)合國外某軟土地質(zhì)條件下的防波堤工程案例,采用基于Biot固結(jié)理論的有限元法模擬整個防波堤建造過程的穩(wěn)定與變形分析,并與常規(guī)計算方法的結(jié)果進行了比較。因此，建立有限元模型，對施工過程中地基變形和整體穩(wěn)定性的計算，對保障施工安全有至關(guān)重要的作用。

2 有限元模型

2.1 模型建立

在荷載作用下，土體的超孔隙水壓力逐漸消散，內(nèi)部含水緩慢滲出，體積逐漸減小，有效應(yīng)力在一定范圍內(nèi)逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為土的固結(jié)。工程實踐中，軟土的固結(jié)沉降主要發(fā)生在超孔隙水壓力完全消散之前，但在固結(jié)完成(超靜水壓力完全消散)之后，軟土仍產(chǎn)生一定量緩慢的沉降變形，這就是土的蠕變作用。因此，完整的土體沉降應(yīng)該是軟土固結(jié)沉降與軟土蠕變共同作用的結(jié)果。固結(jié)基本方程基于比奧(Biot)理論，滲流問題采用達西(Darcy)定理，基于小應(yīng)變理論，假設(shè)土體骨架彈性變形[5,6]。根據(jù)太沙基(Terzaghi)原理，土體中的應(yīng)力分為有效應(yīng)力和孔隙壓力：

σ=σ′+m×(Psteady+Pexcess)

(1)

其中，σ=(σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σzx)T;m=(1,1,1,0,0,0)T,m包含單位正應(yīng)力分量和零剪應(yīng)力分量的矢量；σ為總應(yīng)力矢量；σ′為有效應(yīng)力；Pexcess為超孔隙水壓力；固結(jié)過程最終的穩(wěn)態(tài)解表示為Psteady。

2.2 三維簡化

由于塑料排水板的形狀比較特殊，在理論分析過程中存在一定困難，一般將塑料排水板換算為等周長的圓截面排水體——等效砂井[7]。

塑料排水板在平面上按等邊三角形布置，其有效排水范圍為正六邊形，該有效范圍內(nèi)的水通過位于其中的排水體排出。在進行固結(jié)分析時，將每個排水體的影響范圍轉(zhuǎn)換為一個等面積的圓[8]，以方便計算。

砂井地基的工作狀態(tài)是三維的。由于砂井布置比較密集，需劃分的單元數(shù)目很多，導(dǎo)致模型計算量非常大，降低了計算效率，因此把三維砂井轉(zhuǎn)換為二維來研究。轉(zhuǎn)換的前提是保證前后固結(jié)度與平均孔壓不變，首先增大砂井的間距，以減少單元數(shù)目，從而減少計算量；然后用沿著縱向連續(xù)分布的砂墻替換有一定間隔的砂井，即把原來的砂井地基轉(zhuǎn)變成了砂墻地基[9]。根據(jù)Barron理論，考慮井阻和涂抹作用的影響，只要調(diào)整滲透系數(shù)即可保證砂井與砂墻等效。

經(jīng)過兩次簡化后，三維的塑料排水板將用一排排二維的砂墻地基代替，這極大提高了運算效率。

2.3 數(shù)值模型

考慮到防波堤整體長度達5 km左右，各斷面為典型的平面應(yīng)變問題，因此在防波堤上取一典型斷面進行平面應(yīng)變建模分析。所建立的典型數(shù)值分析模型如圖1所示。

根據(jù)施工進度安排，模擬了在設(shè)計低水位(-0.10 m)條件下研究斷面的以下幾個過程：施打塑料排水板、鋪設(shè)土工格柵、鋪設(shè)二片石、拋填堤心石至第一加載分界線，拋填堤心石和墊層石至第二加載分界線，拋填堤心石、墊層石和護面塊體至堤頂。

3 結(jié)果分析

圖2～圖4為計算結(jié)果云圖。按照施工過程，進行各個填筑階段的總體豎直沉降、水平位移、超孔隙水壓力計算，同時，對坡腳穩(wěn)定性進行分析。經(jīng)長期排水固結(jié)，達到最終沉降基本穩(wěn)定時(最大超靜孔壓小于10 kPa)，累計沉降量約為1 040 mm，工后沉降184.3 mm。

3.1 第一階段堤身填筑

在排水板施工完成并鋪設(shè)土工格柵后，拋填0.5 m厚的二片石。二片石鋪設(shè)后，維持穩(wěn)定一段時間使地基土體排水固結(jié)沉降，共歷時6 d，此間最大沉降為9.3 mm，沉降速率約為1.55 mm/d，最大超靜孔壓為5.28 kPa。

第一階段堤身填筑至標高-5.9 m，本級填筑高度2.1 m，累計填筑高度2.6 m，填筑后維持穩(wěn)定40 d，使土體排水固結(jié)。此間本級沉降量為117.9 mm，最大累計沉降量約為127.2 mm，本級沉降速率為2.87 mm/d，累計平均沉降速率為2.71 mm/d，剛填筑至指定標高時超靜孔壓約為23.2 kPa，堤身坡腳穩(wěn)定安全系數(shù)為6.0，固結(jié)沉降后最大超靜孔壓降低為17.4 kPa，堤身填筑第一階段累計水平位移分布如圖2所示。

3.2 第二階段堤身填筑

第二階段堤身填筑至標高-2.26 m，本級填筑高度3.64 m，累計填筑高度6.24 m，填筑后維持穩(wěn)定100 d，使土體排水固結(jié)。此間本級沉降量為316.2 mm，最大累計沉降量約為443.3 mm，本級沉降速率為3.13 mm/d，累計平均沉降速率為2.99 mm/d，剛填筑至指定標高時超靜孔壓約為51.8 kPa，堤身坡腳穩(wěn)定安全系數(shù)為2.59，固結(jié)沉降后最大超靜孔壓降低為28.7 kPa，堤身填筑第二階段累計水平位移分布如圖3所示。

3.3 第三階段堤身填筑

第三階段堤身填筑至標高+5 m，本級填筑高度7.26 m，累計填筑高度13.5 m，填筑后維持穩(wěn)定使土體排水固結(jié)。按30 d完成本級填筑，完成時本級沉降量為412.4 mm，最大累計沉降量約855.7 mm，本級沉降速率13.7 mm/d，累計平均沉降速率4.81 mm/d，

剛填筑至指定標高時超靜孔壓約為52.6 kPa，堤身坡腳穩(wěn)定安全系數(shù)1.35。經(jīng)一年排水固結(jié)沉降后，最大超靜孔壓降低為36.5 kPa，最大累計沉降為922.1 mm，一年工后沉降為66.4 mm。堤身填筑第三階段累計水平位移分布如圖4所示。

4 結(jié)語

建立有限元流固耦合模型，對某防波堤施工過程進行了數(shù)值模擬計算，選取典型斷面進行了固結(jié)沉降、水平位移、超孔隙水壓力和整體穩(wěn)定的計算和分析，主要結(jié)論如下：

1)隨著堤身的填筑，地基沉降逐漸增大，沉降速率也逐步增大，最大沉降速率出現(xiàn)在第三級填筑階段，計算斷面的最大沉降速率為1.37 cm/d，研究斷面的最大沉降為1.04 m。

2)由于施打塑料排水板，防波堤在填筑施工完成時固結(jié)度在80%左右，在施工完成一年后固結(jié)度在86%左右，達到最終穩(wěn)定(最大超靜孔壓小于10 kPa)約需要2 548 d。

3)隨防波堤填筑高度的增大，堤身整體穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變小，在設(shè)計低水位時第三級填筑完成后堤身整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，其值約為1.3，滿足規(guī)范要求(1.3～1.5)，防波堤整體穩(wěn)定基本滿足要求，但在實際填筑過程中需密切關(guān)注堤身變形，控制填筑速度。

4)隨防波堤填筑高度的增大，堤身整體穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸變小，在第三級填筑完成后堤身整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，約為1.3，滿足規(guī)范要求。因此，防波堤整體穩(wěn)定基本滿足要求，但在實際填筑過程中需密切關(guān)注堤身變形，控制填筑速度。

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[2] 郭少龍,蔣學煉,鹿 群，等.防波堤工程軟土地基排水固結(jié)處理的數(shù)值分析[J].土工基礎(chǔ),2012,26(6)：88-91.

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Numerical analysis of foundation deformation and stability in breakwater construction

Zhou Jianfeng1Geng Ruiyan2Ding Yeling3

(1.WuxiSeismologicalBureau,Wuxi214000,China; 2.LianyungangSeismicDataProcessCenter,Lianyungang222002,China; 3.JiangsuSeismologicalBureau,Nanjing210000,China)

Taking the foundation settlement caused by embankment construction process and the influence to slope stability as the research object, this dissertation simulates one certain breakwater construction processes and numerically analyses the foundation deformation and slope stability by means of finite element numerical analysis model of fluid structure interaction, so as to provide reference for site construction.

breakwater, foundation settlement, foundation water level, slope stability

1009-6825(2017)20-0062-02

2017-04-19

周建鋒(1978- )，男，工程師; 耿瑞巖(1978- )，男，助理工程師; 丁頁嶺(1981- )，女，工程師

TU441.6

A