梅山水道南堤軟土地基沉降規律及影響因素分析

李明，張偉，梅蕊，張曄

（1.山東齊鴻工程建設有限公司，山東 淄博 256300；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

海堤等建筑物的堆積荷載作用于軟土上，容易產生崩裂、塌陷，甚至倒塌等安全隱患，對建筑物的正常運行造成影響，對于深厚軟土地基，地基沉降計算和工后的沉降控制是該類地基處理的核心問題[1]。隨著計算機技術的進步，沉降計算方法得到了充足的發展，數值分析方法可以解決許多以前無法采用理論求解的地基沉降變形問題，促進了軟土地基沉降研究的發展。

莊妍、顏立明[2-5]等利用有限元分析軟件結合實測數據和試驗數據對軟土地基的沉降特征進行研究，分析了塑料排水板結合真空預壓方法對軟土地基的固結效果。王茂麗[6]對軟土地基沉降中一維非線性固結理論進行了分析，并根據工程實例結合有限元軟件，考慮了荷載與地基土層分層厚度等影響因素，對于軟土地基的一維非線性沉降進行了計算分析。葛棟林[7]、姜民[8]等針對海堤荷載下軟土地基的沉降變形和穩定問題，結合實際工程建立數值分析模型，模擬防波堤的開挖和拋填施工及長期沉降過程，預測計算各典型斷面的最終沉降、施工期沉降和竣工后沉降。從已有文獻可以看出，目前對于實際工程結合有限元軟件建立數值模型對地基沉降進行預測分析的研究已有不少，但是大部分研究采用有限元軟件模擬軟土地基沉降的本構模型為摩爾庫倫（MC）模型，該模型是對巖土行為的一種“一階”近似，不能考慮應力相關和剛度或各向同性剛度的應力路徑，采用摩爾庫倫模型作為土體分析的本構模型具有一定的局限性。

本文以寧波市北侖區梅山水道抗超強臺風漁業避風錨地的南堤段作為研究對象，針對塑料板排水法在海堤工程中的應用進行研究，采用土體硬化（HS）模型作為軟土地基上的海堤沉降模型中土體單元的本構模型，運用PLAXIS 2D 有限元分析軟件建立海堤軟土地基數值模型，分析塑料排水板法處理的軟土地基上長時間的沉降變化規律，并與現場監測數據進行對比分析，驗證該數值模型的準確性，對在浙江沿海類似的海堤工程提供沉降變形預測的經驗。

1 工程簡介

1.1 工程概況

北侖區梅山水道抗超強臺風漁業避風錨地工程項目位于北侖區梅山島與穿山半島西南部之間的梅山水道，工程區南北向總長11.5 km，水面積9.63 km2，正常庫容約5000 萬m3。工程項目由海堤、水閘、船閘、泊船區、管理區等組成。工程將建設南北兩條海堤，其中南堤位于春曉洋沙山與梅山七姓涂海塘之間的海域，北堤位于白峰鎮黎明村與梅山鐘家塘之間的海陸域。北堤長約800 m，堤頂路寬35 m，配套建設凈寬56 m 水閘1 座；南堤長約1435 m，堤頂路寬16 m，配套建設凈寬24 m 水閘1 座，以及500 T 一級船閘2 座。

1.2 工程地質

梅山水道南堤工程的地基土層細粒土與粗粒土相互混合，在地基分層上部區域大都是處于飽和狀態的淤泥質粘土，工程地質條件較差，地基處理方案為在地基上筑較高堤壩分期加荷施工，同時采用鋪設塑料排水板和拋石填筑方式加速地基排水固結，排水板間距1.3 m，正方形布置，塑料排水板打設深度為25 m。各土層分布及監測如圖1 所示（以0+150 斷面為例）。

圖1 海堤0+150 斷面土層分布及監測圖

2 軟土地基沉降規律分析

2.1 地表沉降規律分析

南堤0+150 斷面主壩監測布置如圖1 所示，兩塊地面沉降板分別放置于觀測斷面海堤地基的主壩（T2）與小壩（T1）內，地表沉降觀測從2014 年4 月30 日開始加載時開始記錄，到2020 年6 月17 日記錄結束，斷面加載填筑過程分為6 級。

將主壩T2 和小壩T1 的地基沉降量擬合成加載過程沉降曲線，如圖2。兩壩的加載過程沉降曲線均為盆形曲線，在海堤加載變化較大處出現拐點，主壩和小壩的海堤軟土地基沉降規律也一致，地基沉降量整體上隨海堤的分級加載呈現階梯狀增加，且上部荷載越大沉降量越大。

圖2 0+150 斷面測點地表沉降與加載過程線

分別將南堤0+150、0+400 斷面的主壩（T2）和小壩（T1）的地基沉降量擬合成沉降速率曲線，如圖3。從圖3 可見，不同斷面在第一級加載后的沉降速率不同，但在第一級加載后的沉降速率變化趨勢相似，在第一級加載后地基沉降迅速發展并逐漸趨于穩定，斷面沉降速率與時間的關系圖呈現雙曲線形狀。

圖3 第一級加載后海堤部分斷面的沉降速率圖

2.2 地基分層沉降規律分析

以南堤0+150 斷面S1 和S2 測點的沉降數據為例，分析南堤地基分層的分層沉降規律。S1 和S2 測點的分層沉降過程線見圖4。從圖4可見，隨著海堤的每級加載，軟土地基各層的沉降量隨之增加，且同樣存在階梯狀發展過程。對于同一斷面，每層的沉降量隨著淤泥層深度的增加而逐漸減小，且分層越深其沉降拐點越不明顯，分層沉降越易達到穩定狀態，說明在軟土地基的沉降里，上層的淤泥質粘土沉降占主要部分。隨著加載高度的提高，每層達到收斂狀態的效果越顯著。

圖4 0+150 斷面S1 測點（左）、S2 測點（右）分層沉降過程線

3 數值計算與參數敏感性分析

3.1 模型介紹

基于梅山水道南堤段工程實例，選取標準斷面南堤0+150 整個斷面建立有限元模型，模型的水平方向的尺寸和豎直方向的尺寸分別為300 m 和70 m。采用土體硬化(HS)模型作為軟土地基上的海堤沉降模型中土體單元的本構模型，摩爾庫倫(MC)模型為海堤結構單元的本構模型。各土層參數如表1 所示，將土層物理力學指標轉為土體硬化(HS)模型參數如表2 所示。模型的邊界條件：對模型的側面邊界加法向約束，對于模型的底部邊界加豎向約束，梅山水道南堤采用的是插打塑料排水板的方法加快土體固結，因此將模型的左右邊界與底邊界的水力邊界條件設置為關閉，模型的頂邊界設為打開，水流從上方排出，如圖5 所示。

表1 各土層參數

表2 土體硬化(HS)模型參數

圖5 塑料排水板海堤沉降有限元計算模型

3.2 模型驗證

選取海堤地基表面沉降最大處點P，根據PLAXIS有限元計算結果，點P隨時間變化的沉降曲線如圖6所示。

圖6 海堤模擬累計沉降與實際沉降對比圖

由圖6 可見，采用PLAXIS 2D 有限元模擬的海堤地基最終沉降與實際監測沉降在后期沉降量誤差較小。當采用PLAXIS 2D 有限元軟件計算塑料排水板處理軟土地基上的海堤沉降時，在各級加載階段計算得到的海堤沉降都比實際監測的海堤沉降值大，而且隨著時間的推移，兩者沉降量的差距先增大后減小。可能是因為在實際的海堤加載中，施工時間較長，水位在發生變化，孔隙水壓力的變化大，而且塑料排水板在經過長時間的加載以及孔隙水流通之后，會發生破壞，排水性能可能會隨時間衰減，PLAXIS 2D 有限元軟件建模則一直保持的完整高效的排水性能，從而導致誤差。

3.3 土體硬化(HS)模型參數敏感性分析

在實際的海堤加載工程中，土層的參數取值對于海堤的沉降計算有著重大的影響，不同地區土層的與的比值有很大的差別。分別將參數與的比值在±40%內的范圍變化，計算海堤的最終沉降量的變化趨勢。海堤地基最終沉降變化隨參數、比值變化的曲線見圖7。

圖7 參數比值變化過程中海堤最終沉降量的變化

表3 參數的比值變化時海堤最終沉降量的變化

表3 參數的比值變化時海堤最終沉降量的變化

3.3.2 參數m 的影響

剛度應力水平相關冪指數m 代表了剛度依據某個冪率的應力相關性，土體硬化模型的屈服軌跡的形狀依賴于剛度應力水平相關冪指數m，當m=1 時屈服軌跡的形狀為直線，當m 為較小的值時，模型的屈服軌跡的形狀會有稍微的彎曲，因此參數m 對于海堤的沉降有重要的影響。

參數m 的值在±40%的范圍內變化過程中海堤最終沉降量的變化趨勢見圖8。如圖8 所示，隨著剛度應力水平相關冪指數m 的變化，海堤的最終沉降量會發生較大的改變，當參數m 增大時，海堤地基的最終沉降量減小，當參數m 減小時，海堤地基的最終沉降量增大，當參數m 的值縮小40%時，最終沉降量減小13.74%，

圖8 參數m 變化過程中海堤最終沉降量的變化

產生較大的變化。因此，當采用土體硬化(HS)模型計算寧波地區軟土地基上海堤沉降時，對于黏土m 的取值為0.8～0.9 時，計算的海堤沉降量與實際情況較為符合。

圖9 參數c、參數變化過程中海堤最終沉降量的變化

3.3.4 參數卸載-重加載泊松比νur影響

在土體硬化模型中，參數卸載-重加載泊松比νur為純彈性參數。參數卸載-重加載泊松比νur的值在±40%的范圍內變動時計算海堤最終沉降量的變化率，如圖10 所示。由圖10 可見，當參數卸載-重加載泊松比νur的值從-40%增大到40%時，海堤的最終沉降量變化值幾乎與原計算值一致，因此參數卸載-重加載泊松比νur的值對于計算海堤最終沉降量的值影響可以忽略不計。在采用土體硬化(HS)模型計算海堤沉降時，參數卸載-重加載泊松比νur可以直接采用缺省值0.2。

圖10 參數νur 變化對海堤沉降的影響

4 結論

（1）采用PLAXIS 2D 有限元軟件中的土體硬化(HS)模型能夠有效模擬梅山水道南堤的沉降過程，取梅山水道南堤主壩斷面建立模型，能夠簡捷有效的模擬南堤地基的沉降，且沉降曲線與實際沉降曲線相符。

（2）對土體硬化(HS)模型中影響軟土地基海堤沉降的因素采用數值分析法進行模擬分析發現：參數的比值、參數m、內摩擦角對于軟土地基海堤的計算結果有較大影響，而參數的比值、粘聚力c、卸載-重加載泊松比νur對軟土地基海堤的沉降計算結果幾乎無影響。根據研究結果，對于寧波地區的軟土，當對土體硬化(HS) 模型無具體的地質勘察資料時，可取淤泥質土，取，，，對于粉質黏土，取，，，黏土的m 值取0.8～0.9，νur取為缺省值0.2 時，計算結果與實際沉降結果較為相符。