倉基俊,關云飛,陳海軍,劉加才

(1.鹽城市水利科學研究所,江蘇鹽城 224002;2.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029;3.南京工業(yè)大學交通學院,江蘇南京 210009)

軟土地區(qū)淤泥質土堆山工程的地基沉降與土體穩(wěn)定性數值分析

倉基俊1,關云飛2,陳海軍2,劉加才3

(1.鹽城市水利科學研究所,江蘇鹽城 224002;2.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029;3.南京工業(yè)大學交通學院,江蘇南京 210009)

在軟土地區(qū)利用淤泥質土進行人工堆山,地基處理方案和堆土方案的設計非常重要。以某擬建堆山工程為例,通過理論分析和三維有限元數值計算,論證了地基處理和堆土填筑的技術方案。地基處理設計以地層強度的增長為主要目標,綜合地基土層的性質、工程造價和建設周期等因素,根據不同區(qū)域的堆土高度選擇不同的地基處理形式。為確保山體填筑過程的穩(wěn)定,通過三維有限元數值分析方法,計算山體穩(wěn)定性和地基沉降,驗證和調整設計參數,預測最終沉降,達到設計方案最優(yōu)化的目的。

人工堆山;地基沉降;山體穩(wěn)定性;數值分析

隨著社會、經濟的快速發(fā)展,很多平原地區(qū)陸續(xù)規(guī)劃、建設人造山體。天津奧林匹克公園、太倉鄭和公園等都是以人工堆山為基礎建造的特色景觀區(qū),發(fā)揮了良好的社會效益和經濟效益[1]。在軟土分布地區(qū)進行人工堆山,地基加固設計方案和設計參數的確定直接決定工程的成敗,另外由于該類地區(qū)砂石缺乏,山體填筑材料大多采用就近開挖的淤泥質土,因此淤泥質土堆山方案的設計也是關系到工程造價和建設周期的重要因素[2]。

本文以某人工堆山工程為研究對象,詳細分析了在軟土地區(qū)進行人工堆山工程的地基處理設計方法,以及以淤泥質土作為堆山材料的山體填筑方案,為類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

某市在實施市區(qū)新飲用水源工程建設過程中,需開挖土方約600×104m3,為解決開挖土方的出路問題,在人工湖周邊規(guī)劃生態(tài)景觀區(qū),形成地標性的高品質、多樣性的山水景區(qū)。挖湖堆山可改善民生,開發(fā)旅游資源,同時節(jié)約大量棄土轉運資金,一舉兩得。

1.2 工程地質概況

根據工程勘察資料分析,場地內各土層工程性質變化較大。各主要土層的物理性質指標見表1。其中3層淤泥質粉質粘土,流塑,高含水量,高壓縮性,抗剪強度低,承載力低,工程地質條件差,為地基土中的不良工程地質層,孔隙比大于1,天然含水率大于液限,液性指數大于1,壓縮系數大于 0.5 MPa-1。根據土體物理力學指標,可選擇第5B層粉砂層作為地基處理的承壓層,該層工程性質較好,中等壓縮性,在5B層缺失區(qū)域,以6層粉砂層代替。

表1 主要土層的物理性質指標平均值[3]

本工程堆山用土為開挖人工湖挖出,開挖土體以4 m以內第2、3層土為主,粉質粘土、淤泥質粉質粘土經開挖擾動后工程性質顯著下降,工程性質較差,若直接將其作為堆山材料,容易導致邊坡失穩(wěn)等問題。

1.3 軟土地區(qū)淤泥質土堆山的技術難點

初步設計新建山體最大堆土高度達50 m,原有地基存在較厚的軟土層,承載力較低,堆山用土方為挖湖形成的淤泥質粘土,在軟土地基上填筑如此高的人工山體,在全國范圍內鮮有類似的工程經驗可以借鑒。

本工程成敗的關鍵是如何使地基承載力滿足填筑山體的需要并且保證山體在填筑和運營階段的穩(wěn)定性,包括以下幾個方面:

(1)根據地基土層分布和堆土高度,在不同區(qū)域選擇合適的地基加固措施,以提高地基承載力,同時確保地基的整體性和穩(wěn)定性;

(2)根據山體形狀和堆土性質,合理安排山體填筑和坡面排水方案,保證山體的穩(wěn)定;

(3)提出適合本工程的施工流程、質量控制措施和施工監(jiān)測方案。

2 軟土地區(qū)淤泥質土堆山方案設計

2.1 地基處理方案設計

本工程地基處理設計主要采用強度控制原則,即主要以地層強度的增長為主要目標,采用適當地基處理措施提高地基承載力,保證堆山邊坡和地基的整體穩(wěn)定[4-5]。

人工堆筑的山體往往體積大高度高,荷載面積大,對地基的承載力要求極高,因此在山體填筑之前必須對地基進行加固處理,尤其在軟土分布地區(qū)修建類似工程,地基處理的費用在工程總造價中占很大的比例,設計方案的選擇事關整個工程的成敗。

地基處理方案的選擇與工程造價和建設周期密切聯系。在保證工程質量和安全的前提下,以工程造價為控制目標,應盡量選擇打設排水板或砂井,利用填土荷載堆載預壓,每一級荷載施加后預壓一段時間,待地基承載力滿足要求后再施加下一級荷載。對于以建設周期為控制目標的工程,應選擇鉆孔灌注樁或高強度樁復合地基作為地基加固的主要形式。

由于擬建工程以地基承載力為設計控制指標,為實現地基處理方案和工程造價的最優(yōu)化,根據擬建山體的高度即荷載大小,將場區(qū)分為A、B、C、D四個區(qū),見圖1。A區(qū)堆高:0～15 m;B區(qū)堆高:15 m～20 m;C區(qū)堆高:20 m～30 m;D區(qū)堆高:30 m～50 m。對于山體荷載較小的A區(qū)和B區(qū)采用排水固結法加固地基,山體荷載較大的C區(qū)采用半剛性樁復合地基法,荷載最大的D區(qū)采用樁基礎。

圖1 地基處理分區(qū)及山體外形圖

具體加固方案為:

(1)A區(qū)采用塑料排水板進行堆載預壓。排水板采用SPB100-C型,深度為 12 m,間距1.5 m,等邊三角形布置。

(2)B區(qū)采用擠密砂石樁聯合堆載預壓法。砂石樁直徑取400 mm,樁間距1.5 m,按等邊三角形布置,打設深度18 m。

(3)C區(qū)采用混凝土芯砂樁復合地基加固法。該項技術綜合了排水固結法對軟土本身加固效果顯著和預制混凝土樁強度高、質量容易控制兩者優(yōu)勢,綜合了排水固結法和復合地基法對地基的加固作用。預制芯樁統(tǒng)一采用邊長200 mm的預制方樁,整個混凝土芯砂樁樁體直徑500 mm,間距取2.5 m,等邊三角形布置,且芯樁與外部砂殼的打設深度保持一致。

(4)D區(qū)采用鉆孔灌注樁及承臺對地基進行加固處理,打設深度16 m,樁徑1 000 mm,間距5.0 m。

為保證充分發(fā)揮地基土的承載力,同時孔隙水沿豎向排水體滲入地表后能順利排到場地外,在堆土之前鋪設一層砂墊層或碎石墊層。由于在靠近中心荷載較大的部位可能產生3 m以上的沉降,為保證砂墊層在水平方向有效排水,因此填砂墊層時,需要預填土形成人字坡,保證堆載沉降后不形成鍋底。

2.2 人工堆山方案設計

堆載進度控制應以土坡穩(wěn)定計算結果控制為準,由于填筑山體的土方是開挖人工湖而來的淤泥質土,含水率較大,不宜直接填筑。因此在取土前可對開挖場地進行輕型井點降水,必要時進行晾曬碾壓,碾壓法施工時應根據壓實機械的壓實能量,控制碾壓土的含水率符合最優(yōu)百分比,對于一般粘性土,通常采用8 t～10 t的平碾或12 t發(fā)熱羊足碾,每層鋪土厚度30 cm左右,碾壓8～12遍。后期堆土的含水率控制在最優(yōu)含水率wy±2,壓實系數 λc≥0.90,其中 λc為土的控制干密度ρd和最大干密度ρdmax的比值;最大干密度宜采用擊實試驗確定。

逐步堆載設計方案按照地基極限承載力除以安全系數的方法得到地基極限堆載高度。地基極限承載力則根據土體的抗剪強度進行計算,土體抗剪強度的增長量依據附加應力及其固結度進行計算。

2.3 討論

目前對于大面積堆載問題的設計計算,大多采用規(guī)范方法,但由于堆山工程的山體形狀不規(guī)整,采用建立在條形基礎上的規(guī)范公式進行設計計算不可避免的會產生誤差,對于該類問題,應建立三維有限元計算模型,采用數值方法進行穩(wěn)定性和沉降計算,分析設計參數,選擇優(yōu)化設計方案[6]。

對于D區(qū),山體填筑高度較高,荷載較大,一般地基處理方法很難滿足要求。該處采用復合樁基,考慮到填筑高度的不同采用了不同樁長進行處理,做到區(qū)別對待,理論上是可行的,而且是較優(yōu)的一種方案。山體填筑過程中,地基的強度主要表現為承載力和土坡穩(wěn)定兩個方面,最終應以土坡穩(wěn)定控制為主。在允許地基土發(fā)生較大變形的前提下,復合樁基承載力得以大大提高。由于承臺與承臺之間是相互斷開的,抵抗水平力較差,可通過在承臺上方布置土工格柵形成樁-網復合結構,增強山體的整體穩(wěn)定性。

3 軟土地區(qū)淤泥質土堆山地基沉降與山體穩(wěn)定性數值分析

3.1 計算模型

由于山體填筑所用土方為淤泥質粘土,且原有地基存在較厚的軟土層,在淤泥質地基上填筑如此高的人工山體,需進行全面的分析論證。在初步設計的基礎上進行三維有限元數值計算,分析山體穩(wěn)定性和地基沉降,驗證和調整設計參數。從圖1可知,擬建山體的形狀較復雜,需對其中多個斷面進行計算,本文以30 m高程山峰為例,利用大型三維有限元分析軟件ABAQUS分析山體的穩(wěn)定和地基沉降。

取30 m高程山峰坡度最大處山體的一半建立計算模型,在模擬山體時,將山體按等高線分成若干薄片,計算模型如圖2所示。填土采用Mohr-Coulomb模型,地基土采用修正劍橋模型[7],模型參數列于表2中。

圖2 三維有限元計算模型

表2 有限元計算參數

3.2 穩(wěn)定分析

3.2.1 計算工況

山體填筑方案設計時,應使加載進度與軟土地基強度增長的速度相適應,如果加載過快,則大部分附加應力由孔隙水所承擔,地基土強度不能相應提高,而且土的結構有可能被破壞,導致強度衰減,造成局部或整體的剪切破壞。因此,控制適當的加載進度是極為重要的。對于堆土總高度30 m的山峰,初步設計按9級加載,具體進度如圖3所示。

圖3 擬定加載進度

3.2.2 計算原理

采用基于重度增加法的有限元計算方法,重度增加法適用于在飽和沉積土上進行堆載的穩(wěn)定分析,計算原理為保持巖土體的抗剪強度指標c,φ為常數,通過逐步增加重力加速度g的方式,反復進行有限元分析,直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài),此時采用的重力加速度glimit與實際重力加速度g0之比即為該邊坡的安全系數,即

采用坡面位移點突變作為失穩(wěn)的判據,以迭代求解的不收斂性、廣義剪應變貫通作為參考和補充判斷邊坡是否失穩(wěn)破壞。

3.2.3 計算步驟

在有限元分析軟件中的具體計算操作過程如下:

(1)建立有限元分析模型,用實際的土體強度參數進行計算,若計算結果收斂或坡腳位移沒有發(fā)生突變,表明此時坡體穩(wěn)定,可進行下一步計算;若計算結果不收斂或坡腳位移突變,表明此時坡體不穩(wěn)定,對應的安全系數小于1。

(2)增大Fs調整重力加速度,將加載的重力水平增大,增大的幅度視具體情況而定,將調整后的重力賦予計算模型,記錄計算收斂后的坡腳位移。

(3)重復第(2)步,不斷增大Fs值,直至計算模型的坡腳位移發(fā)生突變或不收斂,則認為邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞,計算發(fā)散前一步的Fs值即為安全系數。

3.2.4 計算結果分析

施加第一級荷載,加載期為1個月,以重度增加系數0.7作為起點,逐漸增加重力加速度,逐一進行有限元分析,得到坡腳位移增量△u1與重度增加系數增量△Fs之比△u1/△Fs與重度增加系數Fs的關系,如圖4所示,從圖中可以看出,在重度增加系數達到1.9時坡腳位移產生突變,表明該級堆載作用下山體保持穩(wěn)定。同理得出施加每一級荷載時的坡腳位移增量與重度增加系數增量之比(△u1/△Fs)與重度增加系數Fs的關系,計算得再載安全系數分別1.3～1.9,因此,初步設計的分級堆載方案是可行的。

圖4 第1級荷載△u1/△Fs～Fs關系曲線

3.3 地基最大沉降量計算結果

根據有限元計算結果,該處山峰地基中心點沉降最大,達2.109 m,四周逐漸減小,形成鍋狀,圖5為最終的沉降云圖,可按沉降計算結果設置預堆砂墊層的厚度,即將砂墊層鋪設成反扣的鍋底形,使得山體沉降后砂墊層不出現明顯低洼,保證孔隙水的排出。

圖5 沉降計算結果示意圖

根據有限元計算結果,可確定不同區(qū)域預鋪砂墊層的厚度和山體填筑過程中因沉降所需補充的土方量。

4 結 語

軟土地區(qū)人工堆山工程的設計,需要解決的主要技術難題是選擇合適的地基加固方案和山體填筑方案,本文結合擬建工程的地質條件、造價和建設周期要求等,從相關工程經驗、數值分析等角度系統(tǒng)闡述了軟土地區(qū)淤泥質土堆山工程的設計方法。

(1)地基處理設計主要采用強度控制原則,即主要以地層強度的增長為主要目標。為在工程造價和建設周期之間找到平衡點,可按最高堆山高度將擬建場地劃分為若干區(qū)域,在堆土較高的區(qū)域采用鉆孔灌注樁或高強度樁復合地基,在堆土相對較低的區(qū)域盡量采用排水固結法,充分發(fā)揮地基土的承載里。

(2)為確保填筑過程中的山體穩(wěn)定,先提出擬定加載進度,再通過數值方法進行驗證。

(3)為了保證工程質量,快速安全的填筑山體,需對施工和運行期的地基和山體進行嚴格的監(jiān)控,檢驗施工方案的合理性,并對工程狀態(tài)作出符合實際的評價以及獲取可靠的設計分析參數,因此現場監(jiān)測及原位測試也是堆山工程的一個重要環(huán)節(jié)。

[1]雷華陽,李鴻琦,劉祥君,等.建筑垃圾堆山工程中軟土地基穩(wěn)定性評價探討[J].巖土力學,2004,25(Z2):589-593.

[2]何大為.奧林匹克森林公園堆山工程沉降變形觀測及其分析[D].西安:西安建筑科技大學,2007.

[3]鹽城市勘察測繪局.鹽龍山山體工程工程地質勘察報告[R].2010.

[4]龔曉南.地基處理手冊(第三版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[5]盛崇文.地基加固方案優(yōu)選和地基設計新途徑[J].水利水運科學研究,1991,(2):171-178.

[6]劉祥君,李鴻琦,雷華陽,等.大型有限元軟件ANSYS在堆山工程中的應用[J].巖土力學,2004,25(Z2):357-360.

[7]王金昌,陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應用[M].杭州:浙江大學出版社,2006.

Mumerical Analysis for Foundation Treatment and Stability of Muddy Soil during Artificially Piling Mountain in Soft Soil Areas

CANG Ji-jun1,GUAN Yun-fei2,CHEN Hai-jun2,LIU Jia-cai3
(1.Yancheng Hydraulic Research Institute,Yancheng,Jiangsu224002,China;2.Geotechnical Engineering Branch Institute,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu210029,China;3.College of Communications,Nanjing Polytechnical University,Nanjing,Jiangsu210009,China)

When artificially piling mountain with muddy in soft soil areas,the design for foundation treating and earth piling scheme is very important.Here,taking a mountain piling engineering for example,the technical scheme for foundation treatment and bulldozing filling is analyzed and demonstrated through theoretical analysis and 3-D finite element calculation.In the design for foundation treatment,the increasing of formation strength should be taken as a main aim,some factors as the nature of foundation soil,project cost,construction period and so on should be taken into account comprehensively,then the appropriate forms of foundation trentment are selected according to the bulldozing height of different regions.In order to assure the stability in hill filling progress,the 3-D finite element analysis method is used to calculate the mountain stability and foundation settlement,verify and adjust the design parameters,and predict the final settlement,at last,the design optimization is achieved.

artificial piled mountain;foundation settlement;stability of mountain;numerical analysis

TU473

A

1672—1144(2012)01—0031—05

2011-10-23

2011-12-14

倉基俊(1965—),男(漢族),高級工程師,主要從事水利科技咨詢及水利工程建設管理。