施工加載過程中軟土地基灰堤的沉降分析

汪 彪，饒俊勇，趙靜伊

(中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

軟土由于其高壓縮性、低強度和低透水性，在工程應(yīng)用中，需要先對其進行處理，方可作為地基持力層[1]。隨著“一帶一路”建設(shè)的推進，國內(nèi)企業(yè)在東南亞沿海國家的電力工程項目逐漸增多。淤泥質(zhì)軟土在沿海國家是比較常見的地質(zhì)條件，在軟土地基上修建堤壩時，由于其強度低，往往采用基于排水固結(jié)法的分級加載方式進行施工[2]。軟土的壓縮性大，導(dǎo)致其總沉降較大，在進入運行期后，若工后沉降較大，可能會影響到堤壩護面的完整性或者導(dǎo)致灰堤標高無法滿足設(shè)計標準[3]。通過對東南亞某工程軟土地基上考慮施工過程時灰堤的沉降分析，探討軟土地基上灰堤沉降的變化規(guī)律，有助于進一步加深對工后沉降的認識，減少工后沉降對灰堤可能的損害。

在目前的沉降計算中，相關(guān)規(guī)范推薦采用分層總和法[4]。當(dāng)考慮分級加載施工過程時，附加應(yīng)力隨著加載進行在變化，分層總和法已不再適用。與傳統(tǒng)計算方法相比，通過應(yīng)力與孔隙水的耦合分析來模擬軟土地基上應(yīng)力的施加和孔隙水壓力的消散，然后建立分級加載數(shù)值模型，可用來計算加載施工過程時各階段發(fā)生的沉降。本文依托某軟土地基上分級加載的灘涂灰場工程，采用巖石工程和巖土環(huán)境仿真軟件Geo-studio 對軟土地基上灰堤的施工過程進行耦合數(shù)值模擬，探討軟土地基上考慮施工過程時基底沉降的變化規(guī)律，可對以后的類似工程及在軟土地基上建設(shè)其他類型的堤壩提供一定參考。

1 依托工程概況

東南亞某國2×660 MW 燃煤電站二期工程，灰場位于濱海地帶軟土地基上，占地面積約20 hm2，為二級灘涂灰場，總庫容約136 萬m3，可供電廠貯灰4 a。該灰場一面臨海，臨海側(cè)灰堤為碾壓堆石堤，非臨海側(cè)為粘土堤。

1.1 地質(zhì)條件

1.2 設(shè)計方案

圖1 灰堤典型斷面及地層條件圖

圖2 分級加載時程圖

2 數(shù)值模型的建立和參數(shù)選取

使用Geo-stuido 中的SIGMA/W 模塊在進行軟土地基計算時，可選用專門用于模擬軟土的修正劍橋模型(modified cam clay model)，該模型采用有效應(yīng)力參數(shù)，能反映應(yīng)力—應(yīng)變硬化及土體在常體積下的變形，可模擬應(yīng)力的施加、孔隙水壓力的消散以及土體性質(zhì)改善的過程。

建立數(shù)值模型時，考慮施工時沉降可能的影響范圍，模型范圍取灰堤外100 m，灰堤庫區(qū)內(nèi)150 m，模型兩側(cè)設(shè)置為約束X向位移，模型底設(shè)置為約束X、Y雙向位移，有限元分析模型如圖3 所示。根據(jù)勘測資料，各土層力學(xué)參數(shù)如表1 所示。②層淤泥質(zhì)土數(shù)值模擬時采用修正劍橋模型，壓縮指數(shù)Cc=0.318，回彈指數(shù)Cs=0.092。堆石堤的分級加載的時長及速率與圖2 中實際的加載時程一致，均速施加。水泥土攪拌樁垂直防滲墻采用線彈性模型模擬，作為一個相對剛性不透水體，在模型中建立了單獨的區(qū)域，賦予了壓縮模量。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)表

圖3 有限元分析模型

3 灰堤沉降計算分析

3.1 沉降計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，灰堤基底監(jiān)測點處沉降變化曲線如圖4 所示。

圖4 灰堤基底處沉降變化曲線

由圖4 可知，對于灰堤處的沉降，每次加載時，會在基底產(chǎn)生較大的沉降；在靜置時，沉降逐漸增大，曲線逐漸趨緩，直到下次加載的進行。施工期完成后靜置180 d 后，隨著軟土中超孔隙水壓力的消散，沉降逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定，最大沉降為-1.106 m。

3.2 施工影響范圍

以天然地面處為研究對象，分析天然地面處沉降與灰堤位置的相互關(guān)系，以確定施工影響的范圍。不同時間段灰堤及周圍地面沉降隨位置變化曲線圖，如圖5 所示。

圖5 不同時間段地面沉降隨位置變化曲線圖

由圖5 可知，由于灰堤主體部分靠近內(nèi)側(cè)，且前中部設(shè)置了水泥土攪拌樁垂直防滲墻，地面主要的沉降發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)，其最大值為-1.106 m；由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，地面在灰堤前中部的沉降明顯減小；灰堤的施工，導(dǎo)致其前后的地面處均產(chǎn)生了隆起，在灰堤內(nèi)側(cè)約15 m 區(qū)域內(nèi)影響較大；隨著加載高度增加，隆起逐漸增大，地面最大隆起值為0.316 m，位于灰堤內(nèi)側(cè)；灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，影響范圍明顯較小。

對于地面水平位移與位置的相互關(guān)系，不同時間段灰堤及周圍地面水平位移隨位置變化曲線圖，如圖6 所示。

由圖6 可知，最大的水平位移發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)；由于水泥土攪拌樁和緩坡的影響，灰堤外側(cè)的水平位移明顯較少，水泥土攪拌樁對水平位移的減小作用較顯著；隨著加載高度增加，灰堤附近地表處水平位移逐漸增大，最大值為0.588 m；灰堤的施工在前后地表處均產(chǎn)生了水平位移，在灰堤內(nèi)側(cè)約15 m 范圍內(nèi)影響較大，灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，影響范圍明顯較小。

圖6 不同時間段地表水平位移隨位置變化曲線圖

綜上可知，本工程灰堤施工時，對周圍地面主要的影響發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)，影響范圍約為15 m；灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁和緩坡的作用，影響范圍明顯較小，且水平位移、沉降也較內(nèi)側(cè)小，水泥土攪拌樁對豎向位移的減小作用較為顯著。

3.3 塑料排水板的影響

本工程采用塑料排水板作為豎向排水通道的排水固結(jié)地基處理法，塑料排水板增加了軟土中孔隙水的排出路徑，客觀上提高了軟土的滲透系數(shù)[5]。一般而言，壓縮是土體內(nèi)孔隙體積逐漸變小的過程，滲透系數(shù)會影響其發(fā)生速率，但不會影響土體顆粒的密度。總的來說，軟土滲透系數(shù)增大時，會加快孔隙水的排出，加速土體的固結(jié)，全土體的壓縮得以較快完成。本節(jié)通過滲透系數(shù)k的變化來模擬塑料排水板的作用，對此進行驗證。滲透系數(shù)不同時灰堤基底處沉降變化曲線，如圖7 所示。

圖7 不同滲透系數(shù)時基底沉降變化曲線

由圖7 可知，當(dāng)采用塑料排水板滲透系數(shù)增大時，各級加載時基底的沉降增大；施工期完成后，不同滲透系數(shù)條件下的總沉降基本一致。軟土滲透系數(shù)增大時，灰堤基底處的沉降能夠較快完成，并較早達到其最終沉降，可以起到降低灰堤工后沉降的作用，數(shù)值模擬計算的結(jié)果與分析結(jié)果一致。

庫內(nèi)堆灰時，初期壩已經(jīng)進行了長時間的靜置，壩基軟土固結(jié)已基本完成。庫內(nèi)堆灰是一個緩慢、逐漸施加的過程，周期長，與灰堤施工期的短時間加載不同，庫內(nèi)堆灰反壓對初期壩的影響較小。初步分析表明，庫內(nèi)堆灰會使壩基處產(chǎn)生很小的逆向水平位移，豎直方向上受庫內(nèi)沉降的影響，也會有較小沉降。本文旨在分析灰堤施工加載過程中的沉降，故運行期分析內(nèi)容未納入本文。

4 結(jié)論

通過前面的探討，本文分析了軟土地基上考慮施工加載過程時灰堤沉降的變化規(guī)律；本文通過應(yīng)力與孔隙水的耦合分析，考慮了應(yīng)力的施加和孔隙水壓力的消散，實現(xiàn)了軟土地基上灰堤施工加載過程的精確模擬，最終計算得到了該軟土地基上灰堤的總沉降；通過分析，得到了灰堤施工期的影響范圍以及塑料排水板對灰堤基底沉降的影響，得出以下主要結(jié)論：

1)通過應(yīng)力與孔隙水的耦合分析，本工程軟土地基上灰堤的總沉降為-1.106m，采用Geo-studio 軟件對軟土地基上灰堤的施工過程進行數(shù)值模擬是可行的；

2)本工程灰堤施工時，對周圍地面主要的影響發(fā)生在灰堤內(nèi)側(cè)，地面最大隆起為0.316 m，最大水平位移為0.588 m，影響范圍約為15 m；灰堤外側(cè)由于水泥土攪拌樁垂直防滲墻和緩坡的作用，影響范圍明顯較小，水泥土攪拌樁對豎向位移的減小作用較為顯著；

3)當(dāng)插設(shè)塑料排水板，軟土滲透系數(shù)增大時，各級加載時基底的沉降增大；施工期完成后，不同滲透系數(shù)條件下的總沉降基本一致。軟土滲透系數(shù)增大時，灰堤基底處的沉降能夠較快完成，并較早達到其最終沉降。