盧育芳，田利勇

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061）

深水軟土地基上一種直立式沉箱新型海堤結(jié)構(gòu)分析與探討

盧育芳，田利勇

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061）

經(jīng)有效的地基處理，直立式沉箱海堤是一種可適用于深水軟土地基的新型堤型，具有占地少、施工風(fēng)險(xiǎn)少等優(yōu)點(diǎn)，能有效緩解筑堤砂石資源緊缺問(wèn)題。從結(jié)構(gòu)型式、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分析、施工方法等方面進(jìn)行探討，并提出有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題，為直立式沉箱海堤在圍海工程中的應(yīng)用提供參考。

直立式沉箱海堤；地基處理；堤身穩(wěn)定結(jié)構(gòu)內(nèi)力施工方法

0　引言

隨著上海市促淤圈圍工程建設(shè)的迅速發(fā)展，經(jīng)過(guò)近五十年的圈圍，高灘資源已十分匱乏，圈圍工程已向深水低灘及島式區(qū)域發(fā)展，其水深、風(fēng)浪、潮流等建設(shè)條件更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的斜坡式土石堤筑堤技術(shù)將越來(lái)越不適應(yīng)圈圍工程建設(shè)快速發(fā)展形勢(shì)的新要求，劣勢(shì)也逐漸突顯出來(lái)。首先，傳統(tǒng)堤型水下部位受施工條件限制，施工難度大，施工質(zhì)量較難控制，且存在自身抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱，維修費(fèi)用較高等弊端；其次，傳統(tǒng)堤型斷面大，占地多，其經(jīng)濟(jì)性也隨著灘面的變深而逐漸弱化；最后，塊石和砂土作為一種不可再生資源，不可能被無(wú)限制地開(kāi)采，材料問(wèn)題將日益突出，一旦面臨無(wú)砂石料可開(kāi)采的危機(jī)，傳統(tǒng)斜坡土石堤將難以適應(yīng)圈圍工程建設(shè)需求。因此需進(jìn)行深水條件作業(yè)的新型海堤結(jié)構(gòu)和工藝研究，以解決筑堤難度及材料緊缺問(wèn)題。本文基于即將實(shí)施的本市某工程，提出直立式沉箱海堤新型海堤結(jié)構(gòu)，圍繞其關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，從堤身穩(wěn)定、地基處理、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析及施工方法等方面分析探討其在圈圍工程中應(yīng)用的可行性，為以后工程應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1　新型海堤結(jié)構(gòu)型式

本市某工程擬建海堤順堤部位灘地高程約-6.0 m，海堤最大高度達(dá)16.0 m，地基表層軟土厚度普遍達(dá)到10～15 m，為典型的深水軟土地基筑堤工程。由于軟土地基天然地基承載力較低，在天然地基上建設(shè)直立式海堤一般地基承載力和天然地基沉降量均難以滿足要求，必須進(jìn)行相應(yīng)的地基加固處理。

1.1沉箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沉箱采用鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，根據(jù)各設(shè)計(jì)工況條件下沉箱自身穩(wěn)定及整體變形控制將垂直堤身方向底板寬度初擬為18 m。沿堤線方向沉箱分段長(zhǎng)度取15.0 m。從便于施工和節(jié)省投資出發(fā)，依據(jù)工程區(qū)域的多年平均高潮位初擬沉箱頂高程為4.50 m。沉箱結(jié)構(gòu)底板厚度取700 m m，前、后趾寬均為1 000 m m。沉箱臨水側(cè)外壁厚500 m m，其余三側(cè)外壁厚取350 m m，中隔墻厚取250 m m。每個(gè)沉箱被分隔為12個(gè)艙格，沉箱間垂直縫寬50 m m，單個(gè)沉箱體重約1532 t。

1.2堤前護(hù)灘設(shè)計(jì)

為防止墻前灘地受波浪淘刷，在堤前采用拋石和混凝土聯(lián)鎖塊余排組合護(hù)灘，墻前15m范圍拋石厚2.5 m，15～25 m范圍拋石厚1.5 m，25～45 m范圍采用混凝土聯(lián)鎖塊余排防護(hù)。

1.3堤后拋石棱體和倒濾層設(shè)計(jì)

為減少堤后土壓力并降低堤后水位，在堤后設(shè)減壓拋石棱體，棱體頂高程為4.0 m，頂寬2.0 m，棱體表面設(shè)置倒濾層以防堤后土方流失，倒濾層結(jié)構(gòu)設(shè)置由里往外分別為二片石層、碎石層和一層無(wú)紡?fù)凉げ肌?/p>

1.4上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沉箱臨水側(cè)頂部設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土防浪墻。防浪墻底板厚1 500 m m，寬4 750 m m。防浪墻墻身迎水面為圓弧型，墻身厚度600～1 500 m m，墻頂高程為11.0 m。

堤頂寬10 m，布置7m寬防汛道路和1.5 m寬人行步道。堤頂后側(cè)采用約1:7緩坡放坡至圍內(nèi)場(chǎng)地標(biāo)高，確保海堤防滲路徑長(zhǎng)度滿足防滲穩(wěn)定要求。

1.5地基處理設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目堤身高度超過(guò)15 m，沉箱基底最大平均應(yīng)力接近300 kPa，遠(yuǎn)超過(guò)基底天然地基承載力，同時(shí)由于基底軟土層厚度大，天然地基沉降量也將遠(yuǎn)超規(guī)范允許值200～250 m m，故需進(jìn)行地基處理，以滿足地基承載力及變形位移控制要求。

從工程經(jīng)濟(jì)性和施工可行性角度出發(fā)，初擬采用PH C管樁地基處理方式。沉箱底板作用范圍采用17 m長(zhǎng)管樁，除最前側(cè)一排采用1 200 m m B型管樁，其余部位采用1 000 m m B型管樁，采用等邊三角形布置，樁間距為3 m。為減小與墻后吹填土間的不均勻沉降，堤后設(shè)置4排1 000 m m B型PH C管樁，其中最靠近沉箱的一排樁長(zhǎng)為17 m，其余3排為15 m，打入樁后15 m范圍再設(shè)置塑料排水板過(guò)渡段。

1.6基床及褥墊層設(shè)計(jì)

樁基與沉箱底板之間如何進(jìn)行受力傳遞是該堤型的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，由于樁基頂部均位于水下，采用樁基與底板進(jìn)行剛性連接方案實(shí)施難度大，并將增加工程投資，故研究考慮樁基與沉箱底板之間采用設(shè)置300 m m碎石褥墊層+1 000 m m厚拋石基床的過(guò)渡方式來(lái)解決兩者間的受力傳遞問(wèn)題。

直立式沉箱海堤設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。

2　穩(wěn)定性分析

2.1海堤穩(wěn)定性

直立式沉箱海堤主要承受波浪力、水壓力、土壓力等水平荷載，豎向有揚(yáng)壓力、自重及上部荷載等。抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算主要分別計(jì)算沿沉箱基底、沿基床底的抗滑穩(wěn)定性，抗滑穩(wěn)定可按照《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 167-2-2009）及相關(guān)地基設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)方法計(jì)算；海堤整體穩(wěn)定可按照《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBT51015-2014）相關(guān)要求計(jì)算，此處不再詳細(xì)敘述。對(duì)圖1所示海堤，經(jīng)計(jì)算，沉箱結(jié)構(gòu)在最不利設(shè)計(jì)工況下各種穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值及允許值見(jiàn)表1。從表1可知，海堤滿足穩(wěn)定要求。

表1　直立式沉箱海堤穩(wěn)定計(jì)算成果表

（2）堤身沉降

堤身沉降采用以M i ndl i n應(yīng)力計(jì)算公式為依據(jù)的單向壓縮分層總和法進(jìn)行基礎(chǔ)最終沉降量的計(jì)算。選取正常長(zhǎng)期運(yùn)行工況中較大的地基應(yīng)力，參照《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DGJ08-11-2010）7.4.2推薦的公式進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算得沉箱最大沉降量為233.4 m m，依據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 167-2-2009）第2.5.9條，沉箱碼頭沉降量不應(yīng)大于250 m m，故經(jīng)地基處理后的直立式沉箱海堤沉降控制可滿足要求。

圖1　直立式沉箱海堤斷面圖（單位：mm）

3　結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形有限元模擬分析

由于沉箱海堤結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且需要考慮水土作用，采用常規(guī)公式難以分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形，擬采用有限元軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形進(jìn)行分析。

Pl axi s有限元軟件考慮了土與結(jié)構(gòu)相互作用計(jì)算，具有廣泛的求解非線性問(wèn)題的能力（非線性問(wèn)題的時(shí)間步長(zhǎng)能自動(dòng)劃分）、高效率和高級(jí)輔助系統(tǒng)等，因此本次數(shù)值模擬采用大型巖土工程專業(yè)有限元軟件Pl axi s進(jìn)行分析。

3.1模型建立

3.1.1土體本構(gòu)模型選用

目前，巖土有限元分析常用的土體本構(gòu)模型有：非線性彈性Duncan-Chang模型，彈塑性的M ohr-Coul om b模型［1］、DrukerPrager模型及DrukerPrager+ Cap模型［2］、修正劍橋模型［3］，H S模型、H SS模型等。

H S模型（H ardeni ng Soi lM odel）最先由 Schanz和 Schanz等［4］在 Verm eer的雙硬化模型的基礎(chǔ)上提出。Benz將小應(yīng)變范圍內(nèi)土體剪切剛度與應(yīng)變的非線性關(guān)系考慮進(jìn) H S模型，提出了H ardeni ng soi l sm al l-st rai n m ode（l簡(jiǎn)稱為 H SS模型）。 H SS模型在描述土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應(yīng)變等方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，本次模擬分析選用H SS土體本構(gòu)模型。目前，H SS模型已經(jīng)內(nèi)嵌入巖土工程數(shù)值分析軟件 Pl axi s，研究采用Pl axi s 2D軟件選用H SS模型進(jìn)行分析。

3.1.2計(jì)算模型

計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。計(jì)算模型尺寸為60 m（豎直）×130 m（水平）。模型水平向?yàn)閄向，豎直向?yàn)閅向，且對(duì)X邊界施加X(jué)向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等邊三角形15節(jié)點(diǎn)單元模擬土體，采用板與樁單元分別模擬沉箱與樁基，沉箱與土之間采用界面單元。計(jì)算工況選取正常運(yùn)用條件平均低潮位工況（墻前潮位1.80 m，墻后地下水位3.50 m）。

圖2　計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分圖

3.2數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)分析

3.2.1總體位移變形

直立式沉箱海堤整體沉降變形云圖見(jiàn)圖3，堤后最大沉降約900 m m。由于沉箱后側(cè)設(shè)置了4排樁基，使得堤身和堤后沉降變形有形成一個(gè)漸變過(guò)渡區(qū)域。底板前址沉降量為198.3 m m，后踵沉降量為169.1 m m，不均勻沉降量為29.2 m m。底板總沉降量及不均勻沉降量均可滿足正常使用要求。

圖3　垂直位移云圖（單位：m）

3.2.2樁基變形及內(nèi)力分析

樁基位移變形見(jiàn)圖4，樁基水平位移基本呈頂部大，越往下部變形越小的趨勢(shì)，樁頂最大水平位移為73.3 m m，發(fā)生在底板下方靠后踵第二排樁。

圖4　樁基位移圖（單位：m）

樁基樁身彎矩內(nèi)力見(jiàn)圖5，第一排樁受墻前被動(dòng)土壓力作用最為顯著，樁身產(chǎn)生的負(fù)彎矩最大，為1 633.5 kNm，小于樁的抗裂彎矩1 668 kN·m，可滿足要求。最后一排樁受墻后吹填土擠壓影響最顯著，樁身產(chǎn)生的正彎矩最大，為708.9 kN·m，小于樁的抗裂彎矩1 003 kN·m，可滿足要求。其余樁基彎矩內(nèi)力最大出現(xiàn)在第三排樁，最大負(fù)彎矩為832.2 kN·m，故均可滿足要求。

4　施工方案

直立式沉箱海堤施工內(nèi)容主要包括基槽開(kāi)挖、樁基施工、基床鋪設(shè)、沉箱預(yù)制、沉箱上駁、沉箱運(yùn)輸、沉箱安裝、堤前堤后拋石、堤后吹填、上部結(jié)構(gòu)施工等。

圖5　樁基樁身彎矩圖（單位：kN·m）

實(shí)施步驟初步安排如下：施工準(zhǔn)備（樁基、沉箱預(yù)制等）→基槽開(kāi)挖→樁基及塑料排水板施工→基床拋石與整平→沉箱安裝→沉箱內(nèi)填土→堤前堤后拋石→堤后反濾層鋪設(shè)→圍內(nèi)吹填、堤頂防浪墻施工→堤身上部回填土。

基槽由抓斗式挖泥船或耙吸式挖泥船進(jìn)行開(kāi)挖。

PH C管樁由陸上預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，由預(yù)制場(chǎng)碼頭裝駁船運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，采用海上打樁船沉樁。

基床鋪設(shè)所用的石料由駁船運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，基床拋石與整平可由專業(yè)的基床拋石整平船作業(yè)（長(zhǎng)江口深水航道治理工程和港珠澳大橋島隧工程均采用了相關(guān)專業(yè)施工設(shè)備）。

沉箱結(jié)構(gòu)在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制，采用4 000 t級(jí)浮船塢（半潛駁）拖到施工區(qū)域進(jìn)行安裝就位。

5　與傳統(tǒng)斜坡式土石堤的比較

為對(duì)比分析直立式沉箱海堤與傳統(tǒng)斜坡式土石堤的優(yōu)缺點(diǎn)，擬從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、筑堤材料、施工工藝、維修養(yǎng)護(hù)及工程投資等角度進(jìn)行對(duì)比分析，詳見(jiàn)表2。

根據(jù)上述對(duì)比分析可知，直立式沉箱海堤在占地、運(yùn)行維護(hù)方面較傳統(tǒng)斜坡式土石堤有一定優(yōu)勢(shì)，且可有效緩解筑堤砂石料緊缺問(wèn)題，施工機(jī)械化、裝配化程度也相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)方面旗鼓相當(dāng)，具備一定的可行性。

6　結(jié)語(yǔ)

在深水低灘圈圍中，直立式沉箱海堤與傳統(tǒng)斜坡式土石堤結(jié)構(gòu)相比，主要優(yōu)點(diǎn)有：堤身占地少；砂石料用量少；沉箱、管樁可以實(shí)現(xiàn)“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”施工，施工風(fēng)險(xiǎn)小；外表面均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗波浪等沖刷能力強(qiáng)。經(jīng)濟(jì)上優(yōu)勢(shì)盡管不是很明顯，但特別適合于缺少筑堤砂石材料的深水軟土地區(qū)的圈圍工程中，在防波堤、碼頭及筑島工程中也有很好的應(yīng)用前景。

表2　直立式沉箱海堤與斜坡式土石堤對(duì)比分析表

直立式沉箱海堤作為在深水軟土地基圈圍中一種全新的圍堤結(jié)構(gòu)型式，主要還存在以下問(wèn)題：

（1）本文提出的對(duì)沉箱直立堤基礎(chǔ)采用復(fù)合樁基處理，目前尚未有類似工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，對(duì)復(fù)合樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用機(jī)理尚需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

（2）本文對(duì)深水軟土地基直立式沉箱海堤的研究還偏于理論方面，該新型海堤結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形控制能否達(dá)到預(yù)期效果還需要實(shí)際工程檢驗(yàn)，建議尋求小型碼頭或者防波堤工程進(jìn)行專門的試驗(yàn)，通過(guò)在施工及運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)理論研究的準(zhǔn)確性，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，使計(jì)算參數(shù)取值進(jìn)一步合理化，為推廣應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

（3）沉箱直立堤的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性與沉箱結(jié)構(gòu)預(yù)制場(chǎng)地的遠(yuǎn)近、規(guī)模及運(yùn)輸滿足程度密切相關(guān)。

［1］DUNCAN J M，CH ANG C Y.Nonl i near anal ysi s of st ress and st rai n i n soi l［J］.Journal of t he Soi l M echani cs and Foundat i on Di vi si on，1970，96（5）:1629－1653.

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1009-7716（2016）09-0166-04

2016-04-15

盧育芳（1968-），女，浙江東陽(yáng)人，副總工程師，高級(jí)工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)與咨詢工作。