楊 逾,袁 杰,王樹達

(遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

在過去的幾十年里，潮汐所產生的效應一直受到相關領域的關注，關于潮汐產生能量的利用已取得了顯著的成果，例如潮汐發(fā)電站的應用遍布各地。專家學者們對地基受潮汐作用的影響及軟土地基加固處理技術這一問題的研究從未停步。潮汐對地基的影響主要表現在漲潮過程中海水水位不斷上升導致地基中土體孔隙率提升，孔隙水壓力增大，地基固結度增加，嚴重情況甚至威脅到地基的穩(wěn)定。自1856年達西(Darcy)經大量的試驗研究總結出滲透能量損失與滲流速度之間的關系定律以來，滲流力學在各個工程領域都取得了長足的發(fā)展，并在實際應用中取得顯著成效[1～6]。劉杰等[7]依據國內外巖土滲流參數反問題研究現狀，對參數辨識不適定性展開討論，并提出初淺看法；劉占芳、劉全虎等[8]依據混合物理論的兩相多孔介質理論，充分考慮固結過程中的水土耦合作用，通過建立數值模型，對飽和軟土的彈塑性固結沉降過程進行分析研究；趙瑜、李曉紅等[9]通過數值模擬，基于現代分形理論，分析了地下水在巖體內的運動規(guī)律；張冬梅、張印等[10]基于復變函數的映射變換，分析了不同滲流條件下孔隙水壓力分布及地層和隧道長期沉降發(fā)展規(guī)律；董建軍等[11]研究了隨河水水位上升，河水徑向滲流對河岸基坑及土體位移規(guī)律；楊天鴻等[12]總結了破碎巖體滲流突水的研究現狀，得出破碎巖石滲流規(guī)律。但就在海水漲潮過程中，滲流作用對經加固后地基的影響鮮有研究。

采用數值模擬對經加固后的地基進行反演預測可能會存在土性參數選取不夠精確，土層分布與實際情況存在差異等情況，但通過模擬，利用已有數據和相似模擬實驗等相關資料，建立合理的數值模擬模型，通過不斷修正與改進，對未來幾年甚至十幾年的情況進行預測，給實際施工方案提供依據和施工思路。本文以深圳市某填海區(qū)為例，針對軟土地基選取一種加固措施，通過室內試驗確定各土層土性參數，以FLAC3D軟件為平臺就地基在加固后受滲流作用的情況進行模擬，對地基豎向位移進行預測，分析了隨海水水位上升，滲流作用對地基豎向位移的影響規(guī)律，對實際工程的地基沉降問題提供有益的借鑒和研究依據。

1 工程概況

1.1 工程背景

深圳市后海灣填海區(qū)總計劃面積達4.2 km2，填海區(qū)原地質條件為海相沉積帶，場地淤泥面標高為-0.50～1.50 m，并沿滲流方向緩慢降低，海水平均深度2.7 m，最高潮位為1.8 m，平均高潮位0.3 m，最低潮位-2.23 m，平均低潮位為-1.06 m，大多數的淤泥面出現在低潮位，現場實測土性參數見表1。

軟土地基具有含水率高、滲透系數小、承載能力差等特點，沿岸土體表現更為明顯，導致軟土地基的加固難度大大提升。后海灣地區(qū)由于受潮汐對地下水位的影響，軟土在含水量高時極易發(fā)生壓縮變形，引起基礎較大沉降，從而影響地基的穩(wěn)定性。為提高地基承載力，施工中常常采用對地基進行加固的方法力求降低沉降對土體的影響。軟土地基加固方法主要是強致密實、化學加固換置墊層、排水固結、四大類措施。傳統(tǒng)夯實法施工，機器產生的噪音較大，引起的振動更有可能造成周圍居民的不適；化學加固法成本高，施工要求嚴格，不適宜大面積施工；換置墊層法對于荷載不大的建筑物地基更為有效。根據后海灣地區(qū)地形、地質、地貌情況，由于占地范圍廣、區(qū)域劃分多，需要大量填方材料，考慮到淤泥層和人工填土層，結合軟土地基加固方式及工程、水文地質條件，應采用真空聯(lián)合堆載預壓法對軟土地基進行加固[13-14]。真空聯(lián)合堆載預壓法是通過在軟土地基中打設豎向排水通道(PVD)，并在軟土地基土體通過真空泵施加負壓，將軟土地基內部水、氣排出，加速軟土地基的固結速率，達到提升地基承載力的目的。在荷載作用下，土體孔隙率減低，地基發(fā)生沉降，土體強度得以提高，地基承載力得到顯著提升。真空聯(lián)合堆載預壓法加固機理為：排水固結作用、軟土再固結作用、壓密作用。其中，施工期180天，真空聯(lián)合堆載預壓期180天，卸載期30天，驗收期30天。施工示意圖如圖1所示。

圖1 真空聯(lián)合堆載預壓施工示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined vacuum and surcharge preloading

土層名稱含水率/%重度/(kN·m-3)孔隙比內摩擦角/(°)壓縮模量/kPa滲透系數/(m·s-1)填土30.517.70.965204.697.83×10-7淤泥質砂53.916.21.617251.2579.34×10-7砂質黏土50.317.11.435302.843.17×10-19

1.2 室內試驗

以填海區(qū)某試驗段位置采取的土樣為原樣，加工試件規(guī)格Φ×H(直徑×高度)為50 mm×100 mm，試樣分3組，每組制備場區(qū)不同土層試件5個，共計15個試件，為盡可能真實的還原填海區(qū)地質情況，將試樣分別在不同的圍壓下固結穩(wěn)定，施加不同的圍壓目的在于針對不同的深度。

試驗得出地基經加固后各土層土性參數見表2。

表2 加固后土性參數Table 2 Physical and mechanical parameters of the strengthened soil

2 滲流作用下數值模擬

2.1 模型建立假定

潮汐對地基的作用為非穩(wěn)定滲流，即在滲透過程中，水頭和流速均隨時間發(fā)生變化。數值模型建立時，為簡化計算，便于研究工程實際問題，作出如下五個假定：

(1)地基中各土層沿其長度方向是等厚度的；

(2)地基中各土層均為各向同性的均質體；

(3)各土層中的滲流均符合達西(Darcy)定律；

(4)考慮到地基中相鄰土層之間的水量交換不大，可忽略不計；

(5)不考慮土和水的壓縮性。

2.2 滲流理論

1856年，達西(Darcy)在裝滿砂的圓桶中進行試驗，得出：

(1)

式中：V——斷面平均流速(cm2)；

Q——流量(cm3·m-1)；

A——垂直于水流方向的過流斷面面積；

K——滲透系數；

J——水力梯度(cm·m-1)。

1950年，雅各布(Jacob)提出土和水均為彈性體可壓縮，并經推導得出：

式中：α——土體壓縮系數;

β——水壓縮系數。

(3)

式中:μs——貯水系數。

2.3 模型建立

取填海區(qū)試驗段某位置建立三維可視化模型，模型的長、寬、高分別設置為140 m、140 m、18 m。按場區(qū)條件整個模型分：第四系上更新統(tǒng)沖洪積層、第四系全新統(tǒng)海相沉積層、人工填土層共取3個層位。模型豎向施加自重應力，頂面為應力邊界，底面施加約束，模型兩側面設置為自由邊界。除施加自重產生的側壓以外，還施加了具有一定梯度的水平應力，將室內試驗得出的土性參數進行折減[15]，調整為適用于模擬的力學參數，模型初始平衡采用Mohr-Coulomp模型進行計算，非穩(wěn)定滲流模擬過程中，建立Drucker-Prager彈塑型模型，采用顯示滲流算法，并通過編輯fish語言模擬潮汐的漲潮過程，以每天2∶00和14∶00為漲潮時間，編譯流體時間(fluid flow time)、流體時間步(fluid flow timesteo)及不平衡流體變化率(current unbanlanced fluid flow ratio)控制時間參數，忽略土和水本身的壓縮性，滲流模擬流程見圖2。

圖2 滲流模擬流程圖Fig.2 Flowchart of seepage simulation

2.4 數值模擬結果

設置孔壓邊界條件，模擬在初始水位和水位上升的0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m共七種情況下，滲流力對地基的影響。

(1)孔隙水壓力

在漲潮時，隨水位上升孔隙水壓力的變化過程如圖3所示。從圖3中可以看出，在初始水位時，地基保持穩(wěn)定狀態(tài)；當水位上升0.3 m時，孔壓值有聚增現象，在隨后的水位上升過程中，孔隙水壓力逐漸趨于平穩(wěn)。最大孔隙水壓力出現在地基臨水面下部距地表5 m以下的范圍內，水位突然上升時，地基內外水頭差增大?？紫端畨毫﹄S地基深度的增加而增大。

圖3 土體孔隙水壓力云圖Fig.3 Contour of pore pressure of soil

(2)土體沉降

在漲潮時，隨水位上升地基豎向位移變化如圖4所示。從圖4中可以看出，初始水位時，地基保持穩(wěn)定狀態(tài)，最大豎向位移出現在地基臨水面坡頂處，并沿滲流方向呈階梯式遞減；水位上升過程中，豎向位移逐漸增大直至趨于平穩(wěn)。

圖4 土體豎向位移云圖Fig.4 Contour of vertical displacement of soil

3 地基豎向位移分析

3.1 土體應力

土體應力的變化能夠反映地基的穩(wěn)定狀態(tài)，土體應力隨水位上升的變化規(guī)律如圖5所示。圖5(a)顯示了土體最大剪應力隨水位上升的變化規(guī)律。在水位上升0.3 m至0.9 m過程中，滲流作用對剪應力影響顯著，剪應力增量與初始水位相比變化較大；在水位上升0.9 m至1.8 m的過程中，雖然剪應力繼續(xù)增大，但增量逐漸減小直至趨于平穩(wěn)。

圖5(b)顯示了地基最大水平應力隨水位上升的變化規(guī)律。在地基斜坡坡頂，會出現明顯的應力集中現象。相對于初始水位，水位上升0.3 m時，最大水平應力增加最為明顯; 在水位上升0.3 m至1.8 m的過程中，最大水平應力基本呈線性增加。

圖5 土體應力曲線Fig.5 Stress curve of soil

3.2 土體沉降

地基沉降超過一定范圍時，基礎因受到影響會發(fā)生失穩(wěn)，因此，應著重考慮沉降對土體的影響。地基沉降與水位高度密切相關，在漲潮過程中，水位不斷升高，滲流力逐漸加大，地表沉降相對顯著，初時曲線斜率大，而之后的曲線斜率逐漸減小至趨于平緩。

圖6顯示了漲潮時水位不斷上升直至最高潮位1.8 m時土體最大豎向位移變化規(guī)律。初始水位時土體的沉降量趨于穩(wěn)定；由初始水位上升至0.6 m過程中，豎向位移變化較大；在水位由0.6 m上升至1.8 m的過程中，豎向位移呈緩慢增加趨勢。

圖6 土體最大豎向位移Fig.6 Maximum vertical displacement of soil

本文收集了填海區(qū)某試驗段地基處理工程中隨水位上升實測沉降量的變化曲線，并與模擬值對比，從圖7中可以看出數值模擬的地基沉降速率與實測中的地基沉降速率較為接近且沉降量相差無幾。

圖7 數值模擬與實測的對比沉降Fig.7 Displacement of numerical simulation and the measured displacement

3.3 土體固結系數

地基經加固后，土體由超固結狀態(tài)(OCR>1)轉變?yōu)樾遁d回彈及之后的次固結沉降，通過確定固結系數對次固結沉降量進行估算[16]。在滲流作用下，土體空隙中的自由水由于流動，致使土體孔隙體積發(fā)生變化；隨著固結壓力增大，超靜孔隙水壓力增大，促進孔隙水的滲透；當土體固結到一定程度后，滲透系數趨于一定值，致使其固結系數不再發(fā)生變化。

(4)

式中:Cv——土的固結系數(cm2/s);

k——滲透系數;

γw——水的重度，一般近似值等于10.0 kN/m3;

e——天然孔隙比;

a——壓縮系數。

圖8 固結系數Fig.8 Coefficient of consolidation

不同水位條件下的土體固結系數如圖8所示。從圖8中可以看出，在初始水位上升至0.3 m過程中，固結系數明顯增加，滲流作用對地基影響最大；在水位上升0.3 m至1.8 m的過程中，固結系數趨于一定值。

結合實測資料，根據對地基豎向位移變形的規(guī)律及特點分析，總結出地基豎向位移變化基本上會經歷三個過程：在初始水位時，地基處于平衡狀態(tài)，豎向位移保持在一定水平，僅發(fā)生微小波動；隨漲潮時間的增加，海水水位不斷上升，孔隙水壓力增大，土體的豎向位移隨時間的推移而持續(xù)增加，沉降速率趨于平穩(wěn)，土體固結系數逐漸增大至一定值；當水位最高值時，沉降達到極限狀態(tài)，此時地基豎向位移為地基最大豎向位移。因此，可認為地基在沉降變化過程中會經歷“平衡—發(fā)展—極限”三個階段。

4 結論

(1)地基有多種加固方式，應因地制宜，根據具體情況具體分析。本文針對填海區(qū)地基的實際水文地質情況，對強致密實、化學加固換置墊層、排水固結、四大類措施進行比較，選擇了真空聯(lián)合堆載預壓法對地基加固，并對該方法的作用機理和施工方法進行了研究。

(2)在水位上升過程中，通過數值模擬得出孔隙水壓力沿滲流方向呈階梯式遞減，不同水位峰值均出現在地基臨水面坡頂處，土體應力初期變化顯著，后期趨于平穩(wěn)。

(3)通過FLAC3D數值模擬，得出不同時間段地基沉降量，并與實際監(jiān)測結果對比，得出模擬值與實際監(jiān)測值基本一致，在規(guī)定允許變形范圍內，可以認為數值模擬能夠較為準確的預測地基的豎向位移。

(4)地基在沉降變化過程中會經歷“平衡—發(fā)展—極限”三個階段。且本次地基處理方案的選取及對其加固后受海水水位上升作用影響的分析處于科學、合理和可控狀態(tài)。