吳雄偉,曾熙敏,黃康華,羅林峰

(1.浙江水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.臺州港臨海港區(qū)建設管理委員會,浙江 臨海 317015;3.浙江東洲建設監(jiān)理咨詢有限公司,浙江 杭州 310002)

0 引 言

目前海堤設計過程中,計算地基總沉降量,主要采用基于一維固結沉降理論下的分層總和法,先計算出地基主固結沉降,再乘以相應的沉降修正系數(shù),然后求得在設計荷載下的地基最終沉降量,計算精度很大程度上取決于沉降修正系數(shù),其數(shù)值大小的選取往往關系到工程投資數(shù)額,精確的沉降修正系數(shù)對節(jié)省工程投資、保證工程質量意義重大.但由于各地方的地基地質條件不同,單一的取相同的沉降修正系數(shù)顯然不符合實際工程的需要.本文依據(jù)某圍墾工程原位監(jiān)測數(shù)據(jù),利用目前常用的基于實測資料的曲線擬合法,其中一種計算較為簡潔的指數(shù)曲線配合法,對某圍墾工程海堤外海側鎮(zhèn)壓平臺及堤軸線附近的沉降觀測點數(shù)據(jù)進行了分析計算,得到了主堤下地基的主固結沉降量及最終沉降量,并推算了沉降修正系數(shù);同時利用分層總和法,計算了地基的主固結沉降量,驗證了本方法的合理性.為今后在該地區(qū)海堤設計過程中,選取合適的沉降修正系數(shù)提供參考和借鑒,同時也為各地區(qū)海堤沉降修正系數(shù)的選取,提供一種合理的計算方法.

1 模型基本公式

(1)利用實測沉降數(shù)據(jù)推算沉降修正系數(shù)

指數(shù)曲線配合法[2]把地基的總沉降量分為初始沉降和非初始沉降,其中初始沉降為瞬時沉降,非初始沉降為主固結沉降和次固結沉降,這里不考慮次固結沉降,其數(shù)學表達式為:

式中:St—地基在荷載作用下t時刻的沉降量;

Sd—地基在荷載作用下t初始沉降量,即瞬時沉降量;

S∞—地基在荷載作用下的最終沉降量;

β—待定參數(shù);

t0—初始時間;

由上式得 St=S∞-(S∞-Sd)[1-e-β(t-t0)]

由Sc=S∞-Sd,對上式兩邊取對數(shù)[1],得:

假定一個S∞,繪制ln(S∞-St)-(t-t0)關系曲線,并進行一次線性擬合,求出 lnSc、β值.

再反復進行上述計算,最后選定一組使目標函數(shù)J極小的S∞、lnSc、β值,最終求得S∞、Sc值.

(2)利用e-p曲線計算地基主固結沉降量

分層總和法計算地基主固結沉降量,其數(shù)學表達式[3]為:

考慮瞬時沉降和次固結沉降,其總沉降量計算公式為:

式中:S—最終沉降量,mm;

n—壓縮層范圍土層數(shù);

e1i—第i土層在平均自重固結應力作用下的孔隙比;

e2i—第i土層在平均自重和平均附加固結應力作用下的孔隙比;

Hi—第土層厚度,mm;

m—沉降修正系數(shù),一般堤基的m=1.0,對海堤軟土地基可采用1.3～1.6,對于堤身較高、堤基土較軟弱時取較大值,否則取較小值.

2 實例應用分析

2.1 工程概況

某海塘圍墾工程位于浙江省東海岸,屬Ⅱ級海塘工程,圍堤為3級建筑物,設計標準為50年一遇高潮位與20年一遇風浪組合(不允許越浪),50年一遇高潮位與50年一遇風浪組合(允許越浪)進行校核.海堤采用土石混合壩型,復式斷面結構,外側采用石壩擋潮,內側采用海涂泥閉氣;堤頂高程7.0 m,擋浪墻頂高程7.8 m,堤頂寬度5.8 m,壩底總寬度為101.7 m.海堤的典型結構斷面,見圖1.

圖1 海堤典型結構斷面圖

2.2 沉降修正系數(shù)推算

(1)利用實測沉降數(shù)據(jù)及指數(shù)曲線模型推算主固結沉降及沉降修正系數(shù)

由于本工程的實測數(shù)據(jù)較多,限于篇幅,這里就不再一一列舉.利用指數(shù)曲線模型計算得到的主固結沉降量、最終沉降量,及推求的沉降修正系數(shù),見表1.

(2)利用e-p曲線計算地基主固結沉降量

本次計算采用典型斷面的地質資料,其 e-p曲線值,見圖2,土層計算厚度,見表2,土層計算厚度的選取主要根據(jù)實測分層沉降數(shù)據(jù)確定.

利用基于固結沉降理論的分層總和法,對堤軸線下、及外海側鎮(zhèn)壓平臺下的地基沉降量計算結果,見表3.本次計算中考慮附加應力時,采用典型斷面尺寸荷載進行計算,堆石的容重取18.5kN/m3,閉氣海涂泥的容重取16.5 kN/m3.

(3)利用分層總和法計算結果對指數(shù)曲線模型計算主固結沉降量進行驗證

由表4可知,依據(jù)該工程地表實測沉降推算的沉降修正系數(shù),堤軸線位置處為1.66,外海側鎮(zhèn)壓平臺處為1.64,平均值為1.65;同時利用分層總和法計算主固結沉降量和利用實測沉降及指數(shù)曲線配合法推算的主固結沉降量數(shù)值基本接近,預測的最終沉降量目前仍大于竣工1年后的實測沉降量,說明本次利用指數(shù)曲線模型推算的沉降修正系數(shù)符合當?shù)氐膶嶋H情況.目前《海堤工程設計規(guī)程(SL435-2008)》中規(guī)定,沉降修正系數(shù)取1.3～1.6之間,當海堤堤身較高、堤基土較軟弱時取較大值[3],在本次計算中,沉降修正系數(shù)大于規(guī)范取值的上限.因此,建議在該工程所在地區(qū)的地質條件下,沉降修正系數(shù)可依照實測沉降資料進行推算.

表1 沉降修正系數(shù)推算表

表2 計算地基土層厚度及e-p值

表3 分層總和法計算的主固結沉降量

表4 兩種方法計算的主固結沉降對比表

圖2 計算地基土層e-p曲線值

3 結論和建議

通過本文的計算分析,可得到以下結論:

(1)對于不同地質條件,利用規(guī)范法計算海堤地基的總沉降量,不能單一地選取相同的沉降修正系數(shù),應結合工程實際考慮.

(2)利用指數(shù)曲線模型結合實測沉降數(shù)據(jù),能夠較好地推算沉降修正系數(shù),為今后同類工程的設計提供建議值.

(3)由于指數(shù)曲線模型是擬合實測沉降曲線的模型之一,因此往往會出現(xiàn)不符合指數(shù)曲線模型的實測沉降曲線,因此在實際計算過程中,需選取多個斷面的實測沉降曲線,來推算沉降修正系數(shù),取算術平均值這樣才能提供精確的參考值.

[1]吳雄偉,徐 斌.分級加載下的全過程沉降預測方法[J].浙江水利科技,2007(3):33-34.

[2]杜海偉,張建軍,李新生,等.地基沉降計算指數(shù)曲線配合法及其應用[J].土工基礎,2005,19(1):54-56.

[3]中華人民共和國水利部.SL435-2008海堤工程設計規(guī)程[S].北京:中國水利水電出版社,2008:31-32.