朱士東，孫宇杰

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

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不同軟基處理方式下海堤拓寬工程變形特性分析

朱士東，孫宇杰

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

摘要：文章結合工程實際，利用有限元軟件，對海堤拓寬工程中新老路基采用的不同軟基處理方法進行模擬。結果表明，排水預壓法工后沉降較小，但是在施工期間對老路的擾動較大，存在穩(wěn)定性不足的情況；預應力管樁復合地基可以有效降低施工期間沉降以及工后沉降。

關鍵詞：海堤拓寬；軟土地基；差異沉降；排水預壓法；預應力管樁

近年來隨著我國沿海經(jīng)濟開發(fā)的快速發(fā)展，海域面積利用率越來越高，原有海堤已經(jīng)滿足不了日益增長的需要，海堤改擴建工程刻不容緩。由于海堤所處地理位置比較特殊，受風浪潮汐等多種因素的影響，施工難度大于普通高速公路加寬工程。而針對高速公路路基拓寬及軟基處理方面的研究較多，針對海堤拓寬軟基處理的研究相對較少，本文結合溫州某跨海大堤，對海堤拓寬工程進行研究。

1　工程概況

溫州某跨海大堤全長14.5 km，為目前國內最長的跨海大堤。海堤設計堤頂高程5.1~6.3 m，頂寬10.5 m，路堤采用拋石填筑，兩側設1~2級鎮(zhèn)壓平臺，地表以下30 m范圍內為濱海相沉積淤泥軟土。路堤各土層物理力學性質指標見表1，典型工程地質橫斷面見圖1。

表1　地基軟土層物理學指標

圖1　海堤橫斷面示意圖

2　有限元分析

2.1模型建立

基本假定如下：海堤沿縱向足夠長，縱向尺寸不變，采用平面應變問題考慮；海堤單側加寬，新老路堤結合部不會因為穩(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；固結理論采用Biot理論。

計算中，海堤軟基處理方式主要采用排水固結法和預應力管樁復合地基法。排水固結法采用塑料排水板對軟基進行處理，排水板間距1.4~1.5 m，正方形布置，處理深度為22 m。復合地基法采用預應力管樁處理方法，樁長30 m，樁徑0.5 m，正方形布置，間距3 m。以上2種方案均在路堤填土底部設置1m碎石墊層，下面鋪設一層土工格柵，上面鋪設一層土工布。新老路加載歷程見表2。

表2　老路和新路的填筑過程

有限元模型地基深度取40 m，寬度在路基左右兩側各延伸30 m。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。采用排水線單元模擬塑料排水板，默認排水板上超靜孔隙水壓力為0，為了便于劃分網(wǎng)格，間距設為5 m。路基填料采用摩爾庫倫模型，地基軟土采用軟土模型，預應力管樁采用線彈性模型，管樁模量Ep=3.6×104MPa，樁截面面積Ap=0.785 m2。

根據(jù)實際工程情況，本文選取了新老路基不同處理方式共9種工況進行分析，計算工況見表3，表中U表示地基無處理，D表示采用塑料排水板處理，P表示采用預應力管樁處理。圖2為DD工況有限元計算模型。

表3　計算工況

圖2　DD工況有限元計算模型

2.2計算模型簡化

為了便于計算，本文將塑料排水板三維固結問題轉化為平面應變問題來處理。塑料排水板有限元計算簡化可分為兩部：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計方法與普通砂井排水方法相同，在計算時，將塑料排水板換算成相當直徑的砂井，換算直徑Dw按公式（1）計算。

式中：Dw為排水板等效砂井直徑；b為塑料排水板的寬度；δ為塑料排水板厚度；α為換算系數(shù)，可由試驗求得，一般取0.6~0.9。

高長勝等人［1］通過室內模型試驗計算得出了一字形排水板的等效直徑換算系數(shù)α=0.85~0.90較為合適。對標準型即寬b=100mm，δ=3~4 mm的塑料排水板，本文取α=0.90，可得Dw=60mm。

根據(jù)趙維炳［2］等效計算方法將沙井地基轉化為砂墻地基。趙維炳以巴隆理論為基礎，考慮了涂抹作用和地基的側向變形以及豎向滲流的影響，得到砂井地基平面應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。

式中：kxp、kyp為等效轉換后砂墻地基水平向和豎直向滲透系數(shù)；kxa、kya為砂井地基水平向和豎直向滲透系數(shù)；Dx、Dy為水平向和豎直向滲透系數(shù)的調整系數(shù)。

水平向和豎直向調整系數(shù)計算公式為：

本工程地基處理中，塑料排水板采用正方形布置，間距1.2 m。在有限元計算中取砂墻間距為5m（即B=2.5 m），取土體泊松比v=0.25，s=1.2，sp=1.2，β=7.0，根據(jù)以上公式計算所得Dx=2.2053，Dy=0.83。

平面應變中對樁的彈性模量需要進行等效處理，目前普遍使用的方法是剛度等效法［3］，即假定等效計算前后軸向剛度相等。假設預應力管樁正方形分布，沿海堤方向分布的預應力管樁簡化為連續(xù)分布的樁墻，取樁墻的厚度為預應力管樁直徑，間距即為管樁間距，簡化前單位樁間距長度的總剛度為：

式中：Ap為單樁截面面積；As為單倍樁距長度內土體面積；Ep為預應力管樁彈性模量；Es為樁間土的彈性模量；D為樁體直徑；L為樁間距。

簡化后單倍樁間距內樁墻的總剛度為S2=LDE，其中E為等效樁墻的彈性模量。根據(jù)等效剛度原則，由上述公式可得簡化后樁墻的等效彈性模量為：

參數(shù)選取參考文獻［11］：管樁模量Ep=3.6×104MPa，樁截面面積Ap=0.785 m2。為了簡化計算，將各土層的壓縮模量按厚度加權平均，得到樁間土的平均壓縮模量Es=2.28 MPa，由公式計算轉換后樁墻的等效模量E=9 421.7 MPa。

3　計算結果分析

3.1施工期間沉降變形

圖3給出了各工況地基表面施工期間沉降曲線，圖中L為距離模型起點的距離，S為沉降量。由圖3可知，當新路基采用排水預壓法處理時，施工期間新路地基表面沉降最大；當新路基采用預應力管樁復合地基法處理時，施工期間新路的沉降得到了明顯的控制，最大沉降發(fā)生在L=91 m處，即拓寬路基中心處。新路不處理或排水固結法處理，拓寬過程中引起老路的沉降較大，老路采用預應力管樁復合地基法處理，施工過程中對老路的影響較小。

3.2新老路基工后沉降

圖4給出了各工況地基表面工后沉降曲線，可以看出，新路基不處理時，工后沉降最大。新路基采用排水預壓法處理，工后沉降則減小很多，而采用預應力管樁復合地基法處理工后沉降更小，填筑期間沉降也較小，有利于路基的穩(wěn)定，效果更佳。老路基無處理，工后沉降最大值位于新路中心位置；老路基采用排水預壓法處理，新路基無處理，工后沉降最大值位于新路右路肩位置；新路基采用排水預壓法處理，工后沉降最大值位于新路中心位置；新路基采用預應力管樁復合地基法處理，工后沉降最大值位于老路右坡腳位置。老路基采用預應力管樁復合地基法處理，工后沉降最大值位于新路中心偏右側位置。因此在實際工程中進行地基處理時，可根據(jù)不同處置方法，將沉降最大點作為工后沉降控制點。

圖3　施工期間地基表面沉降

4　結論

本文采用Plaxis有限元分析軟件，對比分析了不同軟基處理方式時的海堤拓寬過程中新老路基變形特性，得出以下結論 ：

（1）當老路無處理或者采用排水預壓法時，施工期間地表最大沉降位于新路中心靠右路肩位置，新路采用排水預壓法時，施工期間地表沉降最大。當老路采用預應力管樁復合地基法處理時，工后地表最大沉降位于新路中心處，新路采取不同軟基處理方式對老路沉降影響較小。

（2）當路基不處理時，在海域深厚軟土地基條件下，土體孔隙水較難排出，固結非常緩慢，而工后沉降較大，不適用于海域深厚軟土區(qū)域。排水預壓法則能夠加快土體固結速度，沉降大部分都集中在新路填筑期內，工后沉降較小。路基采取預應力管樁復合地基法，在路堤填筑期間以及工后沉降都很小。

圖4　地基表面工后沉降

（3）老路不處理或者采用排水預壓法處理時，新路采用排水預壓法，在施工填筑期間對老路擾動較大，老路堤表面沉降較大，老路左路肩和右路肩差異沉降也較大。新路采用預應力管樁復合地基法處理能有效地減小施工期間對老路的影響以及老路左右兩側的差異沉降。老路采用預應力管樁復合地基法處理，新路無論采用何種處理方式，施工期間對老路堤表面沉降影響較小，左右路肩的差異沉降也明顯減小，因此在海堤加寬工程中，新路軟基處理方案應優(yōu)先采用復合地基法。

參考文獻

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

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

［3］Yang Z. Strength and deformation characteristic of reinforced sand［D］. Califoria：University of Califoria. 1972.

Deformation Behavior Analysis of Seawall Widening Engineering under Different Foundation Treatments

Zhu Shidong， Sun Yujie
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Abstract:Combing with the seawall widening project， the road foundation with different treatment methods is simulated by finite element software. The results show that the settlement occured mainly in the construction period when using the preloading method， but it has greater impact on the old road and lack of stability. The settlement during construction period and after construction can be reduced effectively by composite foundation.

Key words:seawall widening； soft ground treatment； differential settlement； preloading method； prestressed pipe pile

中圖分類號：U416.1+6

文獻標識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–0017–04

收稿日期：（2015-08-17）

作者簡介：朱士東（1983-），男，江蘇宿遷人，工程師，主要從事軟基處理、山區(qū)邊坡設計方面的工作。