深水防波堤軟土地基數值模擬

葛棟林，徐賓賓，解林博，潘良鵠

(1.海軍研究院，北京 100070；2. 中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222)

地基的數值模擬是研究地基穩定性和地基沉降的重要方法，但由于獲得現場數據極其困難，數值模型難以得到直接的驗證，模擬結果往往不能放心采用。某深水防波堤工程自然水深18～30 m，軟土層厚度超過30 m，防波堤結構采用部分開挖換填的斜坡堤形式，保留了10余米厚的軟土層且不進行軟基處理，因此完工后會有較大的沉降。施工中須預留堤頂沉降量，以滿足堤頂高程設計要求，這就需要準確預計地基的竣工后沉降。采用數值方法模擬防波堤地基的變形和穩定性，利用施工期地基監測的實測數據對數值模型進行驗證，能夠準確預計地基的沉降變形情況，同時復核防波堤的地基穩定性。

1 工程概況

防波堤土層從上至下依次為①1淤泥質粉質黏土、①3淤泥、①4粉細砂、①5淤泥質黏土、②1粉質黏土等，其中①5淤泥質黏土以上為軟土層。各土層的主要物理力學指標見表1。防波堤為斜坡堤結構，基礎采用部分開挖換填方式。防波堤典型斷面見圖1，圖中基槽底面高程-41 m，開挖深度21 m，保留12 m厚的軟土層，開挖底面以下包含淤泥和淤泥質黏土層。軟基開挖后底面鋪設2 m厚中粗砂墊層、1 m厚碎石墊層。

圖1 防波堤斷面(高程：m；尺寸：mm)

表1 各土層的主要物理力學指標

2 計算模型

2.1 模型建立

深水條件下的海積軟土是在近代海水環境中緩慢沉積并經長期生物化學作用形成的。沉積顆粒以黏粒為主，孔隙比及含水率大，有機質含量高。海積軟土具有高壓縮性、低強度、低滲透性等特征，受荷載作用會產生很大的沉降變形，但固結發展很慢。這些特征使得防波堤達到沉降穩定所需時間也較長，同時預測軟土地基變形沉降有很大難度。

數值模擬采用PLAXIS 3D有限元分析軟件。它擁有全面豐富的專業巖土本構模型，因其計算內核穩定高效，計算結果可靠性高而在國際巖土工程界受到廣泛的認可，功能包括彈塑性分析、滲流計算、固結、大變形、動力分析以及土與結構共同作用[1]。

計算模型如圖2所示。各土層從上至下依次為淤泥質粉質黏土、淤泥、粉細砂、淤泥質黏土、粉質黏土等，模型左右兩側及底部為不透水邊界。淤泥質粉質黏土、淤泥、淤泥質黏土、粉質黏土采用修正劍橋模型作為本構模型，計算參數如表2所示，其中回彈指數通過多組一維回彈再壓縮試驗得到，壓縮指數采用地勘資料中的壓縮系數確定，臨界狀態線斜率則通過多組三軸固結不排水試驗得到。堤心石及粉細砂等砂性土選取摩爾庫侖模型為本構模型，計算參數如表1所示，扭王字塊按線彈性處理。

圖2 計算模型

表2 修正劍橋模型參數

2.2 計算方案

數值計算中，首先進行地基應力平衡，確定初始應力分布。在PLAXIS 3D中，初始應力可以通過K0過程生成，通常假定正常固結土的K0與摩擦角有關，根據Jaky經驗公式計算，即：

K0=1-sinφ

(1)

式中：K0為初始水平土壓力系數，φ為摩擦角 。再假定原泥面軟土一次性開挖至底高程，計算過程中記錄底面高程處的回彈變形情況，隨后在回彈基槽的基礎上，開始逐層拋填計算，并記錄該過程中防波堤底部的沉降變形。

3 模型檢驗

3.1 水下地基監測

采用具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法[2]，包括監測傳感器、自動采集系統、水下無線傳輸系統、數據處理系統4個部分，具有與施工相互干擾少、節省費用、安全有保障、不受網絡信號及惡劣天氣影響、能實時或定時采集等優點，可以保證數據采集的連續性、準確性和可靠性[3]。

為滿足該深水防波堤建設中軟土地基穩定和變形的監控需求，采用該套技術對防波堤開挖面以下的地基進行實時監測[4-5]，全堤共布置了3個監測斷面，其中監測斷面2-2、22-22位于防波堤端部，監測斷面10-10位于中部。地基監測從防波堤拋填施工起，至工程完工后1 a，歷時34個月，獲得了防波堤地基沉降、孔隙水壓力和水平位移的寶貴實測資料。首次成功應用于40 m水下軟土地基的監測，在驗證建設方案和在防波堤施工中控制塊石拋填，確保軟土地基穩定發揮關鍵作用。

3.2 檢驗過程及結論

主要介紹10-10斷面監測結果對數值模型的檢驗情況。圖3為監測斷面布置，圖4為斷面拋填過程中的加載情況，平均加載速率基本上維持在0.5～1 kPad。

圖3 斷面測點布置(單位：m)

圖4 斷面拋填加載過程

對施工過程中的地基沉降進行數值計算，表3列出1號測點位置施工期地基沉降實測值與數值計算結果。從表3可見，二者存在明顯差異。拋填前地基沉降的實測值為0，而數值計算值為-135 mm，其實是二者起算點不同造成的。數值計算中，地基沉降的初始面是開挖底部；而地基沉降傳感器是在基槽開挖已經完成、即將拋填堤心石之前埋設的，此時由于開挖基槽下的地基回彈，基槽底面已經高出原開挖底面，而沉降監測的起算面是以此時的基槽底面為基準的。即，地基沉降觀測到的沉降不能反映地基的回彈。

為了對地基沉降的數值計算和實際監測結果進行比較，將數值計算的基準面統一到實測基準面，即將計算值都加上回彈值135 mm。計算值修正后與實測值的比較見表3。可以看出計算值與實測值一致。

表3 1#測點位置地基沉降實測與計算沉降值比較 mm

圖5為斷面中部(1#測點位置)沉降的實測與數值計算曲線?？梢钥吹?，數值計算沉降修正值與實測沉降值吻合良好。實測值中存在因拋填堤心石造成的沉降突變，即瞬時變形，該現象在計算沉降曲線中也較為明顯，表明PLAXIS 3D不僅可以模擬長期的固結沉降，還可以重現短時間加荷過程中的初始沉降。

圖5 斷面防波堤地基中部沉降比較

基槽開挖過程中基槽底部的回彈變形較為明顯，對拋填施工階段的地基沉降有較大影響，為此進一步計算地基回彈的橫向分布，見表4。由表4可知，基槽中心回彈值最大，向側邊逐漸減小，與工程經驗較為吻合。

表4 斷面沿堤底方向的計算回彈值

按照同樣的方法修正2#～5#測點處地基沉降數值計算值，并與地基實測沉降值進行比較，見圖6。可以看到，2#和3#測點處數值計算和實測沉降值相差較小；4#測點由于傳感器中途受到機械損壞，僅有前3層數據，但計算得到的沉降值與實測值仍較為接近；5#測點兩者相差較大，可能是由于實際工程中基槽放坡處淤泥回淤量較大，引起了較大的實測沉降。從地基沉降的數值計算與現場監測結果的比較來看，數值計算與實測結果基本一致。

圖6 各測點計算與實測沉降值

對2-2和22-22監測斷面位置的地基沉降實測值與數值計算值進行比較，同樣基本一致。2-2斷面監測數據中斷前的沉降為711 mm，數值計算結果為750 mm；22-22斷面第4層拋填結束時監測的沉降為520 mm，數值計算結果為480 mm。

10-10斷面水平位移的計算與實測結果表明，二者有共同的變化趨勢，最大水平位移值符合較好。拋填第1、3、17層、拋填結束1 a后最大水平位移實測值分別為16.5、47、593、661 mm，相應的計算值分別為17、53、710、690 mm。

地基變形數值計算與地基監測結果的比較說明，數值計算能較好地模擬施工過程中防波堤軟土地基的變形，可以用于實際工程。

4 計算結果分析

4.1 地基沉降

3個斷面地基沉降實測結果證明數值計算結果的可靠性。在此基礎上，計算各斷面的地基沉降，重點在防波堤竣工后的長期沉降。

圖7給出10-10斷面、2-2斷面和22-22斷面中部地基長期沉降變形曲線，表5為各斷面不同階段的沉降值。由圖7和表5可知，10-10斷面填筑結束60 a后地基沉降速率基本為0，可認為超孔隙水壓力基本消散，固結變形接近完成，此時最終沉降值約為2 894 mm，由此可知填筑結束時地基的固結度約為65%；2-2斷面填筑結束50 a后地基沉降速率基本為0，可認為固結變形接近完成，此時最終沉降值約為2 924 mm；22-22斷面填筑結束30 a后地基沉降速率基本為0，最終沉降值約3 948 mm。

圖7 各斷面防波堤中部地基長期沉降

表5 各斷面不同階段的計算沉降值

4.2 地基穩定性

為了評價防波堤在拋填過程中以及拋填結束后一定時間段內的穩定性，對防波堤各個拋填階段進行安全性分析。PLAXIS 3D中安全性計算用于計算整體抗力分項系數，計算采用強度折減法，即土的強度參數tanφ和c逐步減小，直到土體發生破壞。安全性分析中某個計算階段的土的強度參數值通過總乘子∑Msf定義，即強度折減系數的倒數定義為：

(2)

式中：tanφinput、cinput是指在材料組中輸入的強度參數值；tanφreduced、creduced是指在分析中采用的強度參數折減值。安全性計算開始時，所有的材料強度參數取其輸入值，即∑Msf為1.0。通過繪制1強度折減系數與位移的關系曲線查看整個計算過程中折減系數的發展，通過這種方式可以檢查隨著變形的發展折減系數是否達到了一個常量，即破壞機制是否已完全發展。

1)施工期。第14層拋填后抗力分項系數為1.26，經過一段時間固結后抗力分項系數增大為1.28；第17層拋填后抗力分項系數約為1.15，固結后增大為1.18。簡而言之，隨著拋填高度的增加，防波堤整體抗力分項系數逐漸降低，經過一段時間的固結沉降，整體抗力分項系數較拋填后有所增加。另外，根據防波堤離心模型試驗[6]，抗力分項系數約為1.19，與計算值十分接近。

對2-2斷面、22-22斷面防波堤施工期間的整體抗力分項系數進行計算，得出同樣的變化規律：2-2斷面竣工時的抗力分項系數1.20，22-22斷面竣工時抗力分項系數1.09。

2)竣工后?？⒐ず蠓啦ǖ陶w抗力分項系數最終穩定在1.23左右，較拋填結束1 a后的1.18抗力分項系數有所增大，說明隨著防波堤的固結變形，地基不斷沉降，防波堤整體穩定性逐漸提高。同樣，2-2斷面最終抗力分項系數1.26，22-22斷面最終抗力分項系數1.17。

5 結語

1)現場地基實測資料證明：數值計算對深水防波堤軟土地基的模擬是可信的。10-10斷面施工期和竣工后1 a的地基沉降過程計算結果與實測沉降結果吻合良好，2-2斷面和22-22斷面的誤差在可接受的范圍之內。

2)數值計算能模擬軟土地基在防波堤施工過程中的復雜變化。實測沉降值中，拋填過程中由于堤心石的沖擊作用，監測沉降值中存在沉降突變，即初始沉降；該現象在計算沉降曲線中也較為明顯，表明PLAXIS 3D不僅可以模擬長期的固結沉降變形，還可以重現短時間加荷過程中的瞬時變形。數值計算還對基槽開挖后的地基回彈進行了準確模擬。

3)通過數值計算得到各典型斷面最終沉降、施工期沉降和竣工后沉降。

4)對防波堤各個拋填階段進行的安全性分析結果表明：隨著地基的固結沉降，竣工后整體抗力分項系數較拋填后有所增加，防波堤在施工期和竣工后都是穩定的。