考慮固結(jié)作用的軟土地基上灰堤的穩(wěn)定性分析

汪 彪，饒俊勇

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

軟土主要產(chǎn)生于濱海、湖泊、河灘及沼澤地，特點(diǎn)是強(qiáng)度低、壓縮性大、含水量高和透水性差。在我國(guó)及東南亞國(guó)家沿海區(qū)域廣泛分布著深厚軟土層，在這些區(qū)域新建電廠時(shí)，需對(duì)區(qū)域內(nèi)軟土地基做出合適的處理方案[1]。軟土地基未做處理時(shí)，在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，容易失穩(wěn)造成破壞。其壓縮性高且滲透性差，地基會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的工后沉降或沉降差，且沉降過程延續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，影響建(構(gòu))筑物的正常使用[2]。

與其他建(構(gòu))筑物相比，灰場(chǎng)能較好地適應(yīng)工后沉降，這使得排水固結(jié)法作為軟土上灰堤的地基處理方案成為可能[3-4]。排水固結(jié)地基處理施工時(shí)，灰堤本體材料可作為堆載體，由于軟土強(qiáng)度低，很難承受灰堤一次全部加載時(shí)的重量。因此，堆載時(shí)灰堤可采用分級(jí)碾壓的方式施工，每次加載之間有一定的間隔。土體中孔隙水在荷載作用下，可通過PVD或砂井等排水通道排出。當(dāng)施工期軟土地基土體強(qiáng)度不足時(shí)，灰堤會(huì)出現(xiàn)穿過軟土層的深層滑動(dòng)破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到碾壓機(jī)械及操作人員的施工安全。因此，對(duì)灰堤分級(jí)加載施工時(shí)的灰堤穩(wěn)定應(yīng)當(dāng)給予關(guān)注。目前，對(duì)于考慮施工期的灰堤穩(wěn)定的研究還比較少，本文針對(duì)一濱海地區(qū)軟土地基上分級(jí)加載的灘涂灰場(chǎng)，采用有限元軟件Geo-studio對(duì)軟土地基上的灰堤分級(jí)加載進(jìn)行計(jì)算，以分析灰堤施工時(shí)，灰堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律。

1 考慮固結(jié)的穩(wěn)定性分析

影響邊坡穩(wěn)定的因素有很多，但邊坡失穩(wěn)的根本原因?yàn)檫吰峦馏w內(nèi)部某滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力達(dá)到了土體自身的抗剪強(qiáng)度，其穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞[5]。而考慮固結(jié)的關(guān)鍵在于是否考慮了軟土中有效應(yīng)力增加后引起的抗剪強(qiáng)度的增加，公路系統(tǒng)中使用平均固結(jié)度作為參數(shù)來考慮土體強(qiáng)度增加的經(jīng)驗(yàn)公式即有效固結(jié)應(yīng)力法[6-7]，并不完全適用于電廠灰堤的設(shè)計(jì)。有限元軟件Geo-studio通過應(yīng)力與孔隙水壓力的耦合，來實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土固結(jié)過程的模擬，將應(yīng)力模塊的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入穩(wěn)定模塊后，即可得到施工期考慮固結(jié)后各階段的安全系數(shù)。

土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的恰當(dāng)選取是影響邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果的重要因素[8]，對(duì)于考慮排水固結(jié)的堆載預(yù)壓地基處理，針對(duì)不同時(shí)刻孔隙水壓力的計(jì)算是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所以在本次數(shù)值模擬中采用有效應(yīng)力參數(shù)是必要的。

2 工程簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

東南亞某國(guó)2×660 MW燃煤電站二期工程，位于濱海地帶，為二級(jí)灘涂灰場(chǎng)。灰場(chǎng)占地面積約為20 ha，總庫容約為136萬m3，能滿足電廠貯灰4 a的要求，臨海側(cè)灰堤為碾壓堆石堤，其他側(cè)為粘土堤，堆石(粘土)堤采用三次分級(jí)堆載的方式施工，灰堤分級(jí)堆載曲線如圖1所示。

圖1 灰堤分級(jí)堆載曲線

2.2 地質(zhì)條件

灰場(chǎng)地段廣泛分布著②層淤泥、淤泥質(zhì)土，顏色呈灰黑色、褐灰色，多呈流塑狀態(tài)，屬高壓縮性土。該層土的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1，屬于軟土，厚度約10.75～22 m不等。該層軟土中發(fā)育近水平微薄層理，由于頻繁的海侵、海退和潮汐的局部作用，形成了一系列不完全的沉積韻律和極其發(fā)育的微層理。②層淤泥層下為③層粉細(xì)砂層，滲透系數(shù)大，堆載預(yù)壓處理時(shí)，可作為下層排水通道。為了改善淤泥層排水條件，在灰堤區(qū)域內(nèi)設(shè)置PVD，PVD打穿②層淤泥，伸入③層粉細(xì)砂層。臨海側(cè)②層淤泥層最厚，地質(zhì)條件最差，故以臨海側(cè)灰堤為典型計(jì)算斷面。灰堤典型斷面及地層條件如圖2所示。灰堤區(qū)域內(nèi)的PVD按間隔1 m×1 m正方形布置，規(guī)格為W×B=100×4.5，C型排水板，縱向透水率不小于40 cm3/s。

圖2 灰堤典型斷面及地層條件圖

3 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 模型輸入

本節(jié)利用Geo-studio建立模型，以分析灰堤施工期的邊坡穩(wěn)定。模型范圍取灰堤前100 m，堆灰頂后100 m，模型兩側(cè)約束X向位移，模型底約束X、Y雙向位移。有限元分析中對(duì)塑料排水板的模擬，采用等效滲透系數(shù)法，見Jin-Chun Chai[9]的相關(guān)研究。Geo-studio穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧法。

對(duì)于②層淤泥質(zhì)土強(qiáng)度指標(biāo)的選取，使用三軸固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)的有效應(yīng)力指標(biāo)，各層土的參數(shù)如表1所示。

表1 各土層參數(shù)表

②層淤泥質(zhì)土數(shù)值模擬時(shí)采用國(guó)際通用的適用于軟土模擬的修正劍橋模型，壓縮指數(shù)Cc=0.318，回彈指數(shù)Cs=0.092，有限元固結(jié)計(jì)算分析模型如圖3所示。

圖3 Geo-studio固結(jié)計(jì)算最終加載模型

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，灰堤基底下某點(diǎn)處超孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 灰堤基底處超孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線圖

由圖可知，在灰堤堆載時(shí)，超孔隙水壓力增大，隨后靜置時(shí)，超孔隙水壓力逐漸減小；第二次加載時(shí)，超孔隙水壓力又開始增大，隨后超孔隙水壓力逐漸減小；在最后一次加載后，超孔隙水壓力最終減小為0，符合堆載預(yù)壓超孔隙水壓力消散規(guī)律。

Geo-studio某一級(jí)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 第一級(jí)加載時(shí)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

灰堤內(nèi)坡坡度陡于外坡坡度，且外坡中部下設(shè)置了CDM樁，起到了抗滑的作用。因此，施工期各級(jí)穩(wěn)定計(jì)算的邊坡失穩(wěn)滑弧均出現(xiàn)在灰堤內(nèi)坡。

3.2.1 邊坡穩(wěn)定與計(jì)算方法

本節(jié)利用有限元軟件和巖土軟件分別建立分析模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。該有限元軟件穩(wěn)定計(jì)算采用強(qiáng)度折減法；巖土軟件采用基于極限平衡圓弧滑動(dòng)的有效固結(jié)應(yīng)力法，其強(qiáng)度采用快剪和固結(jié)快剪指標(biāo)，快剪指標(biāo)c=7 kPa，Φ=4°， 固 結(jié) 快 剪 指 標(biāo)c=12 kPa，Φ=13°。二者模型范圍及邊界條件均與Geo-studio軟件一致，考慮固結(jié)作用各計(jì)算方法灰堤施工期的邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同計(jì)算方法的安全系數(shù)隨時(shí)間曲線圖

由圖可知，由于計(jì)算理論的關(guān)系，有限元軟件安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果明顯偏大，Geo-studio與巖土軟件的計(jì)算安全系數(shù)相差不大；Geostudio與巖土軟件計(jì)算原理均為基于極限平衡的圓弧滑動(dòng)方法，與Plaxis的強(qiáng)度折減法有本質(zhì)區(qū)別。由于固結(jié)計(jì)算理論的不同，Geo-studio與巖土軟件的主要差異在于靜置后的安全系數(shù)，靜置前(堆載完成時(shí))的安全系數(shù)基本一致，而靜置前的安全系數(shù)最小，是施工期穩(wěn)定的控制因素。

基于有效固結(jié)應(yīng)力法的理正巖土應(yīng)用于路堤加載穩(wěn)定的分析已較為成熟，根據(jù)其與Geostudio計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，表明采用Geo-studio進(jìn)行考慮固結(jié)的施工期穩(wěn)定的數(shù)值模擬是合理可行的。強(qiáng)度折減法未在規(guī)范中明確可以采用，且其穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果與基于極限平衡的計(jì)算結(jié)果差異較大，因此建議避免直接利用該有限元軟件的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。

3.2.2 邊坡穩(wěn)定與固結(jié)時(shí)間

三級(jí)加載中，隨著堆載的高度增大，每級(jí)加載的安全系數(shù)逐漸變小。在加載完成靜置固結(jié)一段時(shí)間后，安全系數(shù)會(huì)有一定的提高；這是由于靜置時(shí)，軟土中超孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力增加引起抗剪強(qiáng)度增加，增大了土體條塊的抗滑力；為了驗(yàn)證此變化規(guī)律，選取第一級(jí)加載后的靜置期(第15～195 d)進(jìn)行分時(shí)間段計(jì)算，各時(shí)間段的安全系數(shù)如圖7所示。

圖7 第15～195 d安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖

由上圖可知，在第一級(jí)加載后靜置固結(jié)的180 d內(nèi)，灰堤穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大；在加載完成后的60 d內(nèi)，安全系數(shù)的增加較快，其后安全系數(shù)的增加速度趨于平緩。

3.2.3 邊坡穩(wěn)定與滲透系數(shù)

PVD的設(shè)置是為了加速軟土中孔隙水的排出，相當(dāng)于提高了軟土的滲透系數(shù)；圖8為設(shè)置PVD與不設(shè)置PVD且軟土為不同滲透系數(shù)時(shí)灰堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖。

圖8 安全系數(shù)隨軟土滲透系數(shù)變化曲線圖

由上圖可知，隨著軟土滲透系數(shù)的提高，灰堤施工期穩(wěn)定的安全系數(shù)也隨之增大，這是由于滲透系數(shù)提高時(shí)，超孔隙水壓力消散速度加快，在一定時(shí)間內(nèi)有效應(yīng)力的增長(zhǎng)更為顯著。本工程中當(dāng)軟土滲透系數(shù)為k=2.76e-4 m/d時(shí)，第二、三級(jí)加載時(shí)的安全系數(shù)小于1，灰堤內(nèi)坡已發(fā)生失穩(wěn)破壞；設(shè)置PVD時(shí)，各級(jí)加載的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.15，滿足穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論

1)通過多計(jì)算方法對(duì)比分析，表明Geostudio進(jìn)行考慮固結(jié)作用的施工期穩(wěn)定計(jì)算是合理可行的；應(yīng)避免直接利用plaxis的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。

2)在灰堤堆載時(shí)，超孔隙水壓力增大，隨后靜置時(shí)，超孔隙水壓力逐漸減小；在最后一次加載靜置后，超孔隙水壓力最終減小為0，符合堆載預(yù)壓超孔隙水壓力的消散規(guī)律。

3)灰堤穩(wěn)定安全系數(shù)受固結(jié)時(shí)間的影響，在一定時(shí)間段內(nèi)，固結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，安全系數(shù)越大。

4)當(dāng)軟土滲透系數(shù)提高時(shí)，灰堤穩(wěn)定的安全系數(shù)也隨之增大，設(shè)置PVD提高了區(qū)域內(nèi)軟土的滲透系數(shù)，增大了灰堤穩(wěn)定的安全系數(shù)。