李明，張偉，梅蕊，張曄

（1.山東齊鴻工程建設(shè)有限公司，山東 淄博 256300；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

海堤等建筑物的堆積荷載作用于軟土上，容易產(chǎn)生崩裂、塌陷，甚至倒塌等安全隱患，對(duì)建筑物的正常運(yùn)行造成影響，對(duì)于深厚軟土地基，地基沉降計(jì)算和工后的沉降控制是該類地基處理的核心問(wèn)題[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，沉降計(jì)算方法得到了充足的發(fā)展，數(shù)值分析方法可以解決許多以前無(wú)法采用理論求解的地基沉降變形問(wèn)題，促進(jìn)了軟土地基沉降研究的發(fā)展。

莊妍、顏立明[2-5]等利用有限元分析軟件結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)軟土地基的沉降特征進(jìn)行研究，分析了塑料排水板結(jié)合真空預(yù)壓方法對(duì)軟土地基的固結(jié)效果。王茂麗[6]對(duì)軟土地基沉降中一維非線性固結(jié)理論進(jìn)行了分析，并根據(jù)工程實(shí)例結(jié)合有限元軟件，考慮了荷載與地基土層分層厚度等影響因素，對(duì)于軟土地基的一維非線性沉降進(jìn)行了計(jì)算分析。葛棟林[7]、姜民[8]等針對(duì)海堤荷載下軟土地基的沉降變形和穩(wěn)定問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際工程建立數(shù)值分析模型，模擬防波堤的開(kāi)挖和拋填施工及長(zhǎng)期沉降過(guò)程，預(yù)測(cè)計(jì)算各典型斷面的最終沉降、施工期沉降和竣工后沉降。從已有文獻(xiàn)可以看出，目前對(duì)于實(shí)際工程結(jié)合有限元軟件建立數(shù)值模型對(duì)地基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析的研究已有不少，但是大部分研究采用有限元軟件模擬軟土地基沉降的本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫（MC）模型，該模型是對(duì)巖土行為的一種“一階”近似，不能考慮應(yīng)力相關(guān)和剛度或各向同性剛度的應(yīng)力路徑，采用摩爾庫(kù)倫模型作為土體分析的本構(gòu)模型具有一定的局限性。

本文以寧波市北侖區(qū)梅山水道抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地的南堤段作為研究對(duì)象，針對(duì)塑料板排水法在海堤工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究，采用土體硬化（HS）模型作為軟土地基上的海堤沉降模型中土體單元的本構(gòu)模型，運(yùn)用PLAXIS 2D 有限元分析軟件建立海堤軟土地基數(shù)值模型，分析塑料排水板法處理的軟土地基上長(zhǎng)時(shí)間的沉降變化規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證該數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，對(duì)在浙江沿海類似的海堤工程提供沉降變形預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

北侖區(qū)梅山水道抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)漁業(yè)避風(fēng)錨地工程項(xiàng)目位于北侖區(qū)梅山島與穿山半島西南部之間的梅山水道，工程區(qū)南北向總長(zhǎng)11.5 km，水面積9.63 km2，正常庫(kù)容約5000 萬(wàn)m3。工程項(xiàng)目由海堤、水閘、船閘、泊船區(qū)、管理區(qū)等組成。工程將建設(shè)南北兩條海堤，其中南堤位于春曉洋沙山與梅山七姓涂海塘之間的海域，北堤位于白峰鎮(zhèn)黎明村與梅山鐘家塘之間的海陸域。北堤長(zhǎng)約800 m，堤頂路寬35 m，配套建設(shè)凈寬56 m 水閘1 座；南堤長(zhǎng)約1435 m，堤頂路寬16 m，配套建設(shè)凈寬24 m 水閘1 座，以及500 T 一級(jí)船閘2 座。

1.2 工程地質(zhì)

梅山水道南堤工程的地基土層細(xì)粒土與粗粒土相互混合，在地基分層上部區(qū)域大都是處于飽和狀態(tài)的淤泥質(zhì)粘土，工程地質(zhì)條件較差，地基處理方案為在地基上筑較高堤壩分期加荷施工，同時(shí)采用鋪設(shè)塑料排水板和拋石填筑方式加速地基排水固結(jié)，排水板間距1.3 m，正方形布置，塑料排水板打設(shè)深度為25 m。各土層分布及監(jiān)測(cè)如圖1 所示（以0+150 斷面為例）。

圖1 海堤0+150 斷面土層分布及監(jiān)測(cè)圖

2 軟土地基沉降規(guī)律分析

2.1 地表沉降規(guī)律分析

南堤0+150 斷面主壩監(jiān)測(cè)布置如圖1 所示，兩塊地面沉降板分別放置于觀測(cè)斷面海堤地基的主壩（T2）與小壩（T1）內(nèi)，地表沉降觀測(cè)從2014 年4 月30 日開(kāi)始加載時(shí)開(kāi)始記錄，到2020 年6 月17 日記錄結(jié)束，斷面加載填筑過(guò)程分為6 級(jí)。

將主壩T2 和小壩T1 的地基沉降量擬合成加載過(guò)程沉降曲線，如圖2。兩壩的加載過(guò)程沉降曲線均為盆形曲線，在海堤加載變化較大處出現(xiàn)拐點(diǎn)，主壩和小壩的海堤軟土地基沉降規(guī)律也一致，地基沉降量整體上隨海堤的分級(jí)加載呈現(xiàn)階梯狀增加，且上部荷載越大沉降量越大。

圖2 0+150 斷面測(cè)點(diǎn)地表沉降與加載過(guò)程線

分別將南堤0+150、0+400 斷面的主壩（T2）和小壩（T1）的地基沉降量擬合成沉降速率曲線，如圖3。從圖3 可見(jiàn)，不同斷面在第一級(jí)加載后的沉降速率不同，但在第一級(jí)加載后的沉降速率變化趨勢(shì)相似，在第一級(jí)加載后地基沉降迅速發(fā)展并逐漸趨于穩(wěn)定，斷面沉降速率與時(shí)間的關(guān)系圖呈現(xiàn)雙曲線形狀。

圖3 第一級(jí)加載后海堤部分?jǐn)嗝娴某两邓俾蕡D

2.2 地基分層沉降規(guī)律分析

以南堤0+150 斷面S1 和S2 測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)為例，分析南堤地基分層的分層沉降規(guī)律。S1 和S2 測(cè)點(diǎn)的分層沉降過(guò)程線見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)，隨著海堤的每級(jí)加載，軟土地基各層的沉降量隨之增加，且同樣存在階梯狀發(fā)展過(guò)程。對(duì)于同一斷面，每層的沉降量隨著淤泥層深度的增加而逐漸減小，且分層越深其沉降拐點(diǎn)越不明顯，分層沉降越易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明在軟土地基的沉降里，上層的淤泥質(zhì)粘土沉降占主要部分。隨著加載高度的提高，每層達(dá)到收斂狀態(tài)的效果越顯著。

圖4 0+150 斷面S1 測(cè)點(diǎn)（左）、S2 測(cè)點(diǎn)（右）分層沉降過(guò)程線

3 數(shù)值計(jì)算與參數(shù)敏感性分析

3.1 模型介紹

基于梅山水道南堤段工程實(shí)例，選取標(biāo)準(zhǔn)斷面南堤0+150 整個(gè)斷面建立有限元模型，模型的水平方向的尺寸和豎直方向的尺寸分別為300 m 和70 m。采用土體硬化(HS)模型作為軟土地基上的海堤沉降模型中土體單元的本構(gòu)模型，摩爾庫(kù)倫(MC)模型為海堤結(jié)構(gòu)單元的本構(gòu)模型。各土層參數(shù)如表1 所示，將土層物理力學(xué)指標(biāo)轉(zhuǎn)為土體硬化(HS)模型參數(shù)如表2 所示。模型的邊界條件：對(duì)模型的側(cè)面邊界加法向約束，對(duì)于模型的底部邊界加豎向約束，梅山水道南堤采用的是插打塑料排水板的方法加快土體固結(jié)，因此將模型的左右邊界與底邊界的水力邊界條件設(shè)置為關(guān)閉，模型的頂邊界設(shè)為打開(kāi)，水流從上方排出，如圖5 所示。

表1 各土層參數(shù)

表2 土體硬化(HS)模型參數(shù)

圖5 塑料排水板海堤沉降有限元計(jì)算模型

3.2 模型驗(yàn)證

選取海堤地基表面沉降最大處點(diǎn)P，根據(jù)PLAXIS有限元計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)P隨時(shí)間變化的沉降曲線如圖6所示。

圖6 海堤模擬累計(jì)沉降與實(shí)際沉降對(duì)比圖

由圖6 可見(jiàn)，采用PLAXIS 2D 有限元模擬的海堤地基最終沉降與實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降在后期沉降量誤差較小。當(dāng)采用PLAXIS 2D 有限元軟件計(jì)算塑料排水板處理軟土地基上的海堤沉降時(shí)，在各級(jí)加載階段計(jì)算得到的海堤沉降都比實(shí)際監(jiān)測(cè)的海堤沉降值大，而且隨著時(shí)間的推移，兩者沉降量的差距先增大后減小?？赡苁且?yàn)樵趯?shí)際的海堤加載中，施工時(shí)間較長(zhǎng)，水位在發(fā)生變化，孔隙水壓力的變化大，而且塑料排水板在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的加載以及孔隙水流通之后，會(huì)發(fā)生破壞，排水性能可能會(huì)隨時(shí)間衰減，PLAXIS 2D 有限元軟件建模則一直保持的完整高效的排水性能，從而導(dǎo)致誤差。

3.3 土體硬化(HS)模型參數(shù)敏感性分析

在實(shí)際的海堤加載工程中，土層的參數(shù)取值對(duì)于海堤的沉降計(jì)算有著重大的影響，不同地區(qū)土層的與的比值有很大的差別。分別將參數(shù)與的比值在±40%內(nèi)的范圍變化，計(jì)算海堤的最終沉降量的變化趨勢(shì)。海堤地基最終沉降變化隨參數(shù)、比值變化的曲線見(jiàn)圖7。

圖7 參數(shù)比值變化過(guò)程中海堤最終沉降量的變化

表3 參數(shù)的比值變化時(shí)海堤最終沉降量的變化

表3 參數(shù)的比值變化時(shí)海堤最終沉降量的變化

3.3.2 參數(shù)m 的影響

剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m 代表了剛度依據(jù)某個(gè)冪率的應(yīng)力相關(guān)性，土體硬化模型的屈服軌跡的形狀依賴于剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m，當(dāng)m=1 時(shí)屈服軌跡的形狀為直線，當(dāng)m 為較小的值時(shí)，模型的屈服軌跡的形狀會(huì)有稍微的彎曲，因此參數(shù)m 對(duì)于海堤的沉降有重要的影響。

參數(shù)m 的值在±40%的范圍內(nèi)變化過(guò)程中海堤最終沉降量的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。如圖8 所示，隨著剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m 的變化，海堤的最終沉降量會(huì)發(fā)生較大的改變，當(dāng)參數(shù)m 增大時(shí)，海堤地基的最終沉降量減小，當(dāng)參數(shù)m 減小時(shí)，海堤地基的最終沉降量增大，當(dāng)參數(shù)m 的值縮小40%時(shí)，最終沉降量減小13.74%，

圖8 參數(shù)m 變化過(guò)程中海堤最終沉降量的變化

產(chǎn)生較大的變化。因此，當(dāng)采用土體硬化(HS)模型計(jì)算寧波地區(qū)軟土地基上海堤沉降時(shí)，對(duì)于黏土m 的取值為0.8～0.9 時(shí)，計(jì)算的海堤沉降量與實(shí)際情況較為符合。

圖9 參數(shù)c、參數(shù)變化過(guò)程中海堤最終沉降量的變化

3.3.4 參數(shù)卸載-重加載泊松比νur影響

在土體硬化模型中，參數(shù)卸載-重加載泊松比νur為純彈性參數(shù)。參數(shù)卸載-重加載泊松比νur的值在±40%的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)計(jì)算海堤最終沉降量的變化率，如圖10 所示。由圖10 可見(jiàn)，當(dāng)參數(shù)卸載-重加載泊松比νur的值從-40%增大到40%時(shí)，海堤的最終沉降量變化值幾乎與原計(jì)算值一致，因此參數(shù)卸載-重加載泊松比νur的值對(duì)于計(jì)算海堤最終沉降量的值影響可以忽略不計(jì)。在采用土體硬化(HS)模型計(jì)算海堤沉降時(shí)，參數(shù)卸載-重加載泊松比νur可以直接采用缺省值0.2。

圖10 參數(shù)νur 變化對(duì)海堤沉降的影響

4 結(jié)論

（1）采用PLAXIS 2D 有限元軟件中的土體硬化(HS)模型能夠有效模擬梅山水道南堤的沉降過(guò)程，取梅山水道南堤主壩斷面建立模型，能夠簡(jiǎn)捷有效的模擬南堤地基的沉降，且沉降曲線與實(shí)際沉降曲線相符。

（2）對(duì)土體硬化(HS)模型中影響軟土地基海堤沉降的因素采用數(shù)值分析法進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)：參數(shù)的比值、參數(shù)m、內(nèi)摩擦角對(duì)于軟土地基海堤的計(jì)算結(jié)果有較大影響，而參數(shù)的比值、粘聚力c、卸載-重加載泊松比νur對(duì)軟土地基海堤的沉降計(jì)算結(jié)果幾乎無(wú)影響。根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)于寧波地區(qū)的軟土，當(dāng)對(duì)土體硬化(HS) 模型無(wú)具體的地質(zhì)勘察資料時(shí)，可取淤泥質(zhì)土，取，，，對(duì)于粉質(zhì)黏土，取，，，黏土的m 值取0.8～0.9，νur取為缺省值0.2 時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際沉降結(jié)果較為相符。