新淤土地基上閘堤連接段差異沉降分析與控制研究

朱廣安，張 婧

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海灘涂海岸工程技術研究中心， 上海 200061)

1 概述

圍海造陸所采取措施一般是先促淤，后吹填成海堤。由于工程排水等需要，需在圍堤處設置水閘等建筑物[1]。因這種新淤吹填土具有較高的土壤含水量、土壤孔隙比、可壓縮性及較低的土壤滲透性和強度，無法滿足閘基承載力的要求，需進行閘基處理。規范中對工后閘基沉降及差異沉降均有嚴格控制要求，而對水閘兩側坐落于新回填土上連接堤堤身沉降及差異沉降控制相對寬松。由于土體特性及附加應力不同，連接堤堤身工后固結時間長、沉降量較大，而閘首段因底板下打設較長的剛性樁沉降小，因故閘堤沉降控制需協調，以避免閘堤連接段因不均勻沉降而產生堤身塌陷、水閘傾斜，甚至導致工程損毀[2]。那么，如何經濟合理地進行閘堤差異沉降控制是當前亟待解決的工程問題。

因此，研究中通過持續監測無附加應力條件下的吹填土沉降特性及模型模擬施加附加應力條件下堆載試驗過程，系統分析閘堤連接段吹填土沉降變形規律。另外，通過數值模擬的方法對塑料排水板法、PHC樁法、堆載預壓法、三軸攪拌樁穿透軟土層法、三軸攪拌樁未穿透軟土層法等[3- 4]地基加固處理方法的效果進行對比分析，結合工程實際計算成果，明確不同地基處理方式下閘堤連接段土層產生差異沉降的效果及差異，給出適宜的地基土處理方法，以期為解決類似難點工程提供技術支持。

2 工程概況

橫沙東灘位于橫沙島東側的北港與北槽航道之間的淺灘水域，項目區呈現西高東低(上海吳淞高程1.6 ～3.0m)，南高北低(上海吳淞高程1.5～-1.0m)，地形變化平緩。地貌類型屬于河口，沙嘴，沙島地貌。橫沙東灘從2009年開始實施促淤，至2016年7月新淤泥層平均已達到5m左右。

本次研究選取橫沙東灘圈圍(八期)工程水閘及其連接海堤部位作為典型斷面進行研究，工程地質條件具有上海地區圈圍工程的廣泛代表性，場地選取5#、6#圍區，北側堤，堤頂高程為8.8～8.9m，吹填厚度達10.8m(分兩次吹填)，下部尚有最大厚度達8m的一層新近淤積層，此圍區勘探范圍內均為第四系松散堆積物。其地層按其成因時代，成因類型，巖性特征及其物理力學指標從上至下分為5個主要巖土層和9個亞層：①1灰黃色淤泥質粘土，①2灰黃色粉砂，②3-1灰色粉砂，②3-2灰色砂質粉土，②3t灰色淤泥質粉質黏土夾粉砂，③灰色淤泥質粉質黏土，④灰色淤泥質粘土，⑤1灰色黏土，⑤2灰色砂質粉土夾黏性土。

橫沙八期5#水閘的主體建筑物等級為Ⅰ級，采用百年一遇的防洪設計標準，總凈寬均為24m，設3孔，3孔凈寬均為8m，閘底板面高程0.00m，閘底板厚2.00m，中墩寬1.60m，邊墩頂寬為1.50m，邊墩根部寬2.0m。

3 模型的建立

3.1 計算模型

采用有限元軟件Plaxis對水閘進行整體有限元計算，根據初步設計方案以及地質勘察報告等相關資料，選取典型的設計斷面在Plaxis有限元分析軟件中建立了有限元模型。研究中通過設置有限元計算范圍(遠大于主體結構尺寸)，以消除邊界效應對計算結果的影響。本工程主要構件為空箱、底板、樁等組成，模型按照實際尺寸建立，采用三角形塊體單元模擬土體，板單元模擬閘底板，邊墩及空箱，采用Embedded beam row單元模擬樁[5]。根據設計資料可知，閘室寬度34.2m，兩側空箱寬度8.6m，所以選取模型長最大值為198m，最小值為-60m，高度最大值為85m，最小值為0。極端高水位5.34，平均高水位3.3m，閘底高程0m。胸墻、閘門、上部橋梁荷載、上部建筑荷載由于是簡支閘墩上，采用施加集中荷載和線荷載的型式進行模擬。其網格劃分及相互連接如圖1所示。

3.2 計算參數

根據上節吹填土的沉降性質，模型模擬計算時采用HS模型，土層物理力學參數見表1。

4 結果與分析

4.1 吹填土性質模擬分析

4.1.1無附加應力時吹填土沉降性質模擬

建立吹填土堆載模型，且在模型中依次選擇7個點進行沉降模擬，如圖2所示。

設置模型以每10d為一個周期進行沉降觀測，共觀測6次，前后歷時60d，為了直觀呈現吹填土在自重應力下的地基沉降變形特征，根據各點的沉降數據做各點沉降值隨時間的變化曲線匯總圖如圖3所示。

由圖3可得，各監測點位的位移總量隨著監測時間的增加呈現增加的趨勢，其沉降速率基本一致，為勻速沉降。各監測點位的沉降量均較小，主要是因為在自重應力作用下固結過程仍未完成，處于自平衡狀態。由圖3可得，吹填土體位移總量與監測時間呈現正相關關系。研究中吹填土體的沉降速率為5mm/d，沉降過程持續時間較長，因時間局限未得到自重作用下固結完成時間。因此，吹填土地基處于欠固結的狀態，沉降變形不能通過已有的規范或者研究成果推算。

圖2 沉降節點示意圖

圖3 無附加應力各沉降節點隨時間變化示意圖

4.1.2有附加應力條件下吹填土沉降性質模擬

在無荷載的吹填土堆載模型基礎上，增設均布荷載模擬附加應力條件下吹填土沉降性質，所加荷載分別為10、30、80 kN。所得各點沉降數據隨時間變化曲線如圖4所示。由于模型為對稱模型，故取A，B，E，G進行分析。

圖4 10 kN附加應力各沉降節點隨時間變化示意圖

因添加荷載10、30、 80 kN條件下，各監測點位移隨著監測時間的變化呈現類似的變化規律，故本文以10 kN荷載為例進行說明。由圖4可得，B、G和E監測點的位移無顯著性差異，顯著高于A點的位移。

在加載時間5d條件下，B、G和E監測點的初始沉降值為8.7mm，測點的瞬間沉降值與試驗期內的最終沉降值之比較大。各監測點的總位移量與監測時間呈現正相關關系，沉降速率為16mm/d。因監測時間有限，各監測點位移均為出現極值，故無法準確估計最終沉淀量，從而確定此場地中吹填土地基為高沉降速率吹填土地基[6]。

為了研究堆載荷載大小對吹填土沉降的影響，分別取堆載10、30、80 kN的G點的沉降平均值作對比分析，沉降曲線對比如圖5所示。

圖5 不同附加應力大小下吹填土沉降變化曲線

由圖5可得，G點的總位移量隨著靜載時間的增加而增加。荷載80kN/m2和30kN/m2條件下G點的位移總量較荷載10kN/m2條件下顯著增加。另外，G點的沉降速率隨著荷載的增加而增加。地表荷載增加到2倍左右，沉降速率增加了5倍左右?？傊?，吹填土地基沉降速率增大倍數遠大于附加荷載增大倍數，沉降速率對上部荷載大小較為敏感，與楊敏等研究成果一致[8]。

4.2 閘堤連接處不同吹填土地基處理措施模擬分析

根據上海地區橫沙島圈圍工程1—7期實際吹填土工程處理措施，設置5種地基處理方法進行模擬計算。5種地基處理方法分別為：塑料排水板法、堆載預壓法、三軸攪拌樁穿透軟土層、三軸攪拌樁未穿透軟土層和PHC樁法，分別記為工況一、工況二、工況三、工況四和工況五。

研究中基于Biot固結理論進行流固耦合過程模擬[9]。軟件模擬的時間為500d。模擬過程中迎水面的水閘結構物、海堤墻等部位均假設為不透水邊界，堤壩背水面假設為透水邊界條件。

由于真實情況下海堤及水閘施工過程為分級加載，所以模型模擬海堤和水閘時采用分步激活單元，實際堆載過程根據工程經驗確定，塑料排水板通過設置排水線實現，軟件通過提高地基土的強度參數及滲透系數來進行模擬。研究中各工況流固耦合沉降曲線如圖6所示。

圖6 各種工況流固耦合沉降曲線

由圖6可得，5種地基處理條件下，閘堤連接段吹填土在前60d沉降速率較快。除工況一以外，其他工況下100d后趨于穩定，主要是塑料排水板因具有巨大的真空吸力而使得粘粒較高的吹填土中細小顆粒被吸附至塑料排水板周圍，因形成泥膜阻礙其排水固結，導致其固結速度較慢，且最終沉降值偏大，地基加固效果一般。

由圖6可得，對比各工況的最終沉降值，工況三和工況五的沉降值較小，分別為18.8mm和20.8mm，表明采用樁基礎處理閘堤連接處吹填土為較為適宜的地基土處理方式，可較好地控制沉降，與肖文輝等研究結果一致[10]，主要是采用樁處理地基可使豎向應力梯度明顯減小。采用樁基礎處理地基時，樁傳遞了地基土以上建筑物的主要荷載，使得地基承受的附加應力大幅度減小。

而由圖6可得，選擇PHC樁效果和三軸攪拌樁穿透軟土層效果相似，PHC樁效果略微優于三軸攪拌樁，而從實際工程應用中，三軸攪拌樁造價遠遠低于PHC樁法，所以在實際工程中推薦使用三軸攪拌樁法處理閘堤連接處吹填土地基降低沉降。

4.3 階梯狀三軸攪拌樁法模擬分析

由上文可知，三軸攪拌樁法處理閘堤連接處吹填土地基可取得較好效果，參考文獻[3]提出的高層建筑長短樁組合樁基礎設計能有效減少建筑地基沉降，本文探究階梯狀三軸攪拌樁法對閘堤連接處地基處理效果[11- 12]。

選取左右空箱兩邊各30m，作為三軸攪拌樁范圍，取長樁長40m，短樁樁長20m，樁間距為1.0m。分5種工況進行計算分析，第一種為全長樁，第二種為全短樁，第三種到第五種長樁范圍分別為空箱兩邊10～30m，計算結果如圖7所示。

圖7 各種長短樁工況組合沉降曲線

由圖7可知，工況二(全短樁)條件下基礎整體沉降均較大，最大沉降可達25cm，不均勻沉降可達8cm，且500d(2a)內未能達到平衡狀態。另外，本研究中計算了長短樁基礎調節差異沉降的能力，結果顯示長短樁基礎調節差異沉降的能力強于全短樁基礎和全長樁基礎。基礎中長樁不僅可影響地基總體的沉降，還影響了沉降的分布規律，使基礎受力更趨于均一，可能是由于淤泥質粘土的存在導致沉降及差異沉降較大。

長短樁組合條件下長樁將部分荷載傳至深層土體，使得短樁基礎受力土層承受較小的荷載，故可將基礎沉降量控制在允許沉降量之下。而增加樁長如工況三、四、五，可得對沉降控制效果明顯增加，且可以看出2年內沉降趨于平衡，且長樁范圍越多對沉降及差異沉降控制效果越顯著[13]，可以說明基礎沉降主要由長樁控制，但當長樁范圍達到一定的量時，對整體沉降控制效果下降。階梯狀樁長控制閘堤連接處是較為優化的設計方案，既可達到減少沉降及差異沉降的總體效果，又可充分發揮長樁控制變形的能力及短樁控制持力層的承載能力，大大減少了長樁數量和工程造價，具有一定的推廣價值[14]。本次工程采用三級階梯狀三軸攪拌樁法處理閘堤連接段地基，靠近空箱處采用40m長樁，最遠離空箱處采用20m短樁，中間采取30m樁長，計算模擬可得最大沉降量18cm，差異沉降量為3.4cm，效果較好。

5 結論

以上海橫沙東灘圈圍(八期)工程為例，研究吹填土沉降性質及在此種地基上閘堤連接處沉降和差異沉降控制工程措施，得到以下結論：

(1)新近吹填土海堤自重應力下沉降速率較為均一，附加應力條件下沉降速率隨著荷載的增加而顯著增加。

(2)堆載預壓法、三軸攪拌樁穿透軟土層法、三軸攪拌樁未穿透軟土層法及PHC樁法的地基處理效果明顯優于優于塑料排水板法，研究中三軸攪拌樁穿透軟土層法是推薦的較為適宜的處理控制閘堤連接段沉降和差異沉降的方法。

(3)階梯狀三軸攪拌樁法能有效減少地基沉降及差異沉降，并且可以減低施工難度及工程造價，建議用于類似海堤工程中施工工藝改進。

需要說明的是，本文結論基于有限元模型計算，由于所依托工程尚在施工過程中，缺乏實測數據，有待基于監測數據對模型進行進一步驗證及研究。