■劉 政

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550000）

1 引言

隨著浙江省 “海洋強(qiáng)省”戰(zhàn)略的實(shí)施，公路建設(shè)越來越由內(nèi)陸向外海延伸， 概念實(shí)際已經(jīng)突破現(xiàn)行規(guī)范中 “濱海路基”的范疇，成為 “海域公路”。海域公路建設(shè)條件趨于惡劣，同時(shí)，我省沿海海堤眾多，堤路結(jié)合現(xiàn)象將愈加普遍， 對于海堤的利用與拓寬亦將成為海域公路建設(shè)的新課題。鑒于目前工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足，而且理論研究偏少， 有必要對此展開深入而系統(tǒng)的研究， 為沿海產(chǎn)業(yè)帶區(qū)域內(nèi)相近交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)奠定一定的理論基礎(chǔ)與積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 有限元建模

2.1 工程概況

本文以溫州某工程為背景， 該項(xiàng)目是目前國內(nèi)最長的跨海大堤， 全長14.5km。 海堤設(shè)計(jì)堤頂高程5.1~6.3m，頂寬10.5m，路堤采用拋石填筑，兩側(cè)設(shè)1~2 級(jí)鎮(zhèn)壓平臺(tái)，地表以下30m 范圍內(nèi)為濱海相沉積淤泥軟土(表1)，取其中具有較為典型地質(zhì)條件的斷面為計(jì)算模擬對象。

表1 地基軟土層物理學(xué)指標(biāo)

2.2 軟基處理

地基處理采用排水固結(jié)法、結(jié)合土工布加碎石墊層和高強(qiáng)度土工格柵的復(fù)合加固法， 排水板間距1.4~1.5m，正方形布置，處理深度為16~22m。海堤拓寬方式為：在現(xiàn)有路堤南側(cè)直接加寬24.5m，加寬部分堤頂高程為6.0m，采用拋石體填筑。 拓寬后地基的處理方式采用塑料排水板+堆載預(yù)壓法來加速土體排水固結(jié)，排水墊層采用碎石墊層，墊層頂面設(shè)置土工格柵，基面設(shè)有土工布隔離。排水板處理深度為21~30m，正方形布置，間距1.2m。

2.3 模型簡化計(jì)算

采用平面應(yīng)變問題來處理。塑料排水板有限元計(jì)算簡化為兩步：先把排水板等效為砂井；再把砂井等效為砂墻。塑料排水板作用原理和設(shè)計(jì)方法與普通砂井排水方法相同，計(jì)算時(shí)，將塑料排水板換算成相當(dāng)直徑的砂井[1]。 其次， 根據(jù)趙維炳[2]等效計(jì)算方法將沙井地基轉(zhuǎn)化為砂墻地基。趙維炳以巴隆理論為基礎(chǔ)，考慮了涂抹作用和地基的側(cè)向變形以及豎向滲流的影響，得到砂井地基平面應(yīng)變問題和軸對稱問題之間的等效方法。這種等效方法只需要調(diào)整水平向和豎直向滲透系數(shù)即可，對砂墻的間距可根據(jù)網(wǎng)格劃分的需要任意取值。

2.4 模型建立

基本假定：海堤縱向足夠長，尺寸不變，采用平面應(yīng)變問題考慮；海堤單側(cè)加寬，新老路堤結(jié)合部不會(huì)因?yàn)榉€(wěn)定性不足而出現(xiàn)滑移，接觸條件為完全連續(xù)；路基填料采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，地基軟土采用軟土模型；由于受潮水影響， 地下水位位于地表。 固結(jié)理論采用Biot 理論。

有限元模型地基深度取40m，寬度在路基左右兩側(cè)各延伸30m。左右邊界豎向自由，水平約束，不排水；下邊界水平和豎向均固定，不排水；上邊界豎向和水平向均自由，排水。利用Plaxis 有限元程序建立模型。

圖1 網(wǎng)格劃分

圖2 新路堤填筑完成預(yù)壓1 年后地基豎向位移云圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地基沉降變化

由圖2 看出，整個(gè)斷面豎向位移主要發(fā)生在新路堤處，且新路堤的靠近右路肩處豎向沉降最大，比較符合荷載傳遞規(guī)律，新路堤填筑近似為平行四邊形，加上反壓互道的影響，其荷載形心作用點(diǎn)位于新路堤中心偏右的位置，而老路堤越往左受到的影響越小。

圖3 地基表面豎向位移

由3 圖所示，新路堤填筑初期，沉降變化不大。隨新路堤填筑增加，老路堤中心開始沉降，在新路堤填筑完成預(yù)壓1 年后， 老路中心沉降515mm， 新路堤荷載引起的新路地基最大附加沉降為1210mm，老路附加沉降是新路堤的42.6%； 到新路堤填筑15 年后， 老路中心沉降562mm，新路堤地基最大沉降1290mm，老路附加沉降是新路堤的43.6%，可見新路堤的填筑對老路堤影響較大。

分別取新路中心以及右路肩堤底處兩點(diǎn)，繪制其沉降~時(shí)間曲線圖并與實(shí)測值比較，如圖4、5 所示。從數(shù)值上來看，新路堤中心有限元計(jì)算沉降量1079mm，實(shí)測值1067mm，計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合。右路肩有限元計(jì)算值1182mm， 實(shí)測值1138mm， 計(jì)算值比實(shí)測值偏大。

從兩者的沉降曲線來看，圖4 中有限元計(jì)算沉降曲線對荷載變化更為敏感，規(guī)律性比實(shí)測值更明顯。而圖5 中，有限元計(jì)算沉降曲線總體而言比實(shí)測曲線偏大，沉降趨勢基本一致。

圖4 路中沉降實(shí)測值與計(jì)算值對比圖

圖5 右路肩沉降實(shí)測值與計(jì)算值對比圖

3.2 水平位移分析

圖6 為預(yù)壓期結(jié)束后水平位移云圖， 圖7 為地基表面水平位移，水平位移向右為正，向左為負(fù)。圖中水平位移不包含新路堤填筑前老路堤引起的水平位移。

圖7 地基表面水平位移

圖8 新路坡腳水平位移對比圖

從圖中可以看出，新路堤填筑后，水平位移主要發(fā)生在新路堤以下軟土層，但老海堤以下仍有水平位移。從深度范圍來看，新老海堤水平位移的最大影響深度大約在35~40m 之間。 從老路堤左側(cè)坡腳開始， 在其右側(cè)， 水平位移為正， 方向向新路堤外側(cè)， 從分界線向右，水平位移迅速增大，在新路堤坡腳附近達(dá)到最大，之后逐漸減小，在新路堤反壓互道邊緣處有個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，水平位移減小速率逐漸變緩后又迅速增大。 在老路堤左側(cè)坡腳左側(cè)，水平位移隨著新路堤填筑高度的增加，向老路堤左側(cè)發(fā)展，該區(qū)域水平位移較小。填筑初期水平位移增長較快，隨著填筑高度的增加，水平位移逐漸增大， 預(yù)壓結(jié)束后最大水平位移為448mm， 位于新路堤坡腳處堤底表面， 在竣工15 年后水平位移達(dá)到482mm，工后水平位移較小，老路堤地基表面預(yù)壓結(jié)束后最大水平位移為32mm，竣工15 年后達(dá)到43mm，變化較小。

有限元計(jì)算新路預(yù)壓完成時(shí)新路坡腳處水平位移與實(shí)測值對比圖見圖8。從圖中可以看出，有限元模擬水平位移曲線趨勢與實(shí)測曲線大致吻合，最大水平位移為447m， 位于地下2m 附近， 大于實(shí)測值364mm。 實(shí)測值總體上小于有限元計(jì)算值。

4 結(jié)論

(1) 新路堤填筑時(shí)豎向沉降主要集中在新路下方，最大沉降發(fā)生在新路右路肩位置，預(yù)壓結(jié)束后，老路中心附加沉降是新路的42.6%，新路堤的填筑對老路堤影響較大。地基表面垂直沉降主要發(fā)生在施工期間，工后沉降較小。從老路左側(cè)坡腳往右，水平位移先增大后減小，在新路堤坡腳處最大；從老路左側(cè)坡腳往左，水平位移向左發(fā)展，預(yù)壓結(jié)束后，老路以下地基軟土水平位移較小。

(2)將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較時(shí)，路中沉降模擬結(jié)果與實(shí)測值較為接近，右路肩的數(shù)值比實(shí)測值偏大，曲線整體沉降趨勢與實(shí)際結(jié)果相似，但數(shù)值模擬結(jié)果的規(guī)律性更為明顯，水平位移模擬結(jié)果整體上都比實(shí)際結(jié)果偏大。

[1]高長勝，張凌.塑料排水板的等效直徑[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2002(4)：28-32.

[2]趙維炳，陳永輝，龔友平.平面應(yīng)變有限元分析中砂井的處理方法[J].水利學(xué)報(bào)，1998，6：53-57.