胡群革

(浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

某海濱圍墾造地工程位于甌江口南側(cè)的東海岸，海濱圍墾工程圍涂面積657.33 ha，工程概算總投資18 146萬元，由海堤(2 841 m主堤、1 955 m北堤、501 m南堤)和水閘(1座排水閘，2座進水閘)組成，2011年12月實現(xiàn)龍口合攏，2013年7月工程基本完工.在造地工程實施期間，有施工單位提出招標土方工程量與實際回填的工程量有較大差距，經(jīng)監(jiān)理單位現(xiàn)場統(tǒng)計和浙江省測繪大隊實地測量，耕地田面及道路高程均達不到原設(shè)計高程，給工程的驗收及結(jié)算造成一定的影響.除了工程原始地貌養(yǎng)殖塘較多，存在一定厚度的流泥、浮泥層導致測量誤差外，最根本的原因是在設(shè)計時未充分考慮灘涂的地質(zhì)情況(在原設(shè)計時未作地質(zhì)勘探工作)，土方回填后以及排水固結(jié)造成沉降量估計不足〔1〕，而且，軟基變形特性也要求嚴格控制施工進度和防止過大變形發(fā)生〔2〕.為此，有必要在圍墾工程地質(zhì)勘探基礎(chǔ)上，對土方回填后及排水固結(jié)引起的沉降量進行分析計算.

1 地質(zhì)條件分析與評價

1.1 地質(zhì)勘探和指標分析

圍墾工程地質(zhì)勘探分布在工程南部和北部，共布設(shè)了15個鉆孔，其中1#～10#鉆孔與第一次地質(zhì)勘查鉆孔分布基本一致，位于工程區(qū)的南區(qū)，11#～15#鉆孔位于工程區(qū)北區(qū)，具體位置(見圖1).通過勘探獲取了工程區(qū)的軟基分布、地下水位以及土層物理力學性質(zhì).工程南區(qū)根據(jù)1#～10#鉆孔揭露的地質(zhì)資料，可將南區(qū)場地地基土劃分為4個工程地質(zhì)層(其中②層細分為3個亞層)，地基土自上而下依次為：①淤泥質(zhì)粘土、②1淤泥、②2含砂淤泥、②3淤泥、③1粘土、④1粉質(zhì)粘土.從地基土物理力學性質(zhì)指標試驗結(jié)果可知除底層粉質(zhì)粘土外，其上各土層的壓縮系數(shù)在0.7～1.5之間，根據(jù)規(guī)范，壓縮系數(shù)大于0.5的土層即為高壓縮性土.根據(jù)以往軟基工程經(jīng)驗，此類土層在工程施工以及后期運行過程中均會出現(xiàn)較大的沉降量，需要格外加以注意.

圖1 圍墾工程和地質(zhì)勘探孔布置圖

1.2 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

圖2 鉆孔柱狀圖空間模型分布

圖3 工程區(qū)域三維地質(zhì)模型

圖4 土層1(①-1稀泥♂))空間分布

2 沉降計算分析

2.1 軟基固結(jié)沉降計算基本理論

在飽和軟土地基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之減少，地基發(fā)生固結(jié)變形，同時隨著超靜水壓力逐漸消散，有效應力逐漸提高，地基土強度就逐漸增長.根據(jù)有效應力原理，總應力增量為，有效應力增量為，孔隙水壓力增量為，三者之間滿足以下關(guān)系：

Δσ′=Δσ-Δu

Δσ因此軟土地基土層的排水固結(jié)效果與它的排水邊界有關(guān)系.軟黏土層越厚，固結(jié)所需要的時間越長.如果淤泥質(zhì)土層厚度大于10～20 m，要達到較大固結(jié)度U>80%，所需要的時間要幾年甚至幾十年之久.準確預測軟土路基施工期和運行期的沉降并采取相應工程措施將沉降量控制在合理的范圍是關(guān)系到軟基工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一.

有限元方法由于采用能準確反映孔隙壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的Biot固結(jié)理論，因此在軟基工程沉降量計算分析中得到了推廣.它通過將連續(xù)體離散為有限個單元，并對這些單元的相關(guān)參數(shù)進行分片差值，可以獲得連續(xù)體內(nèi)各點的應力、位移和應變，從而對整個土體的穩(wěn)定性、變形進行評價.有限元法不僅可以提供受荷土體的應力場和位移場，而且能在計算中考慮土體的非均質(zhì)和非線性、土的材料特性隨時間的變化、施工程序及荷載的變化等，因而計算成果可以更真實地反映和模擬從施工開始到運行期土體形態(tài)變化的全過程，為軟土地基工程的處理設(shè)計和施工提供相應的參考〔3-5〕.

2.2 計算模型及計算條件

(1)計算模型

根據(jù)工程地質(zhì)勘探的結(jié)果，建立如圖5所示的工程區(qū)南部典型計算剖面，典型計算斷面的位置分布示意(見圖1).模型中主要考慮的土層上而下包括四個工程地質(zhì)層，六個亞層，分別為①淤泥質(zhì)粘土、②1淤泥、②2含砂淤泥、②3淤泥、③1粘土、④1粉質(zhì)粘土.

圖5 工程區(qū)南部典型計算剖面

(2)計算工況及計算條件

計算工況：主要對工程區(qū)南部、北部海堤及堤內(nèi)一定范圍(200.0 m)的典型斷面在填筑過程以及運行期的應力、變形進行計算分析，分別計算堤防填筑、圍墾填土以及1年、4年運行期后軟基礎(chǔ)沉降量.

主要計算工況如下：

①工況1：填筑期，堤防分層填筑至頂部高程6.0 m；

②工況2：填土期，圍墾造地填土至標高3.0 m；

③工況3：運行期，主要考慮地基排水條件，計算1年后基礎(chǔ)的沉降量；

④工況4：運行期，主要考慮地基排水條件，計算4年后基礎(chǔ)的沉降量.

計算條件：計算剖面的左、右邊界考慮為不透水邊界以及位移邊界，剖面的底面考慮為不透水地基以及固定位移邊界.

2.3 計算成果分析

本次分析采用加拿大GEO-SLOPE公司的巖土工程計算分析軟件包系列中的SIGMA/W軟件〔6〕，通過計算，工程區(qū)南部堤防典型剖面在工況1～工況4條件下的沉降分布圖(見圖6～圖9).不同時期的沉降量統(tǒng)計(見表1).

圖6 工況1條件下工程區(qū)南部堤防典型剖面沉降量分布

圖7 工況2條件下工程區(qū)南部堤防典型剖面沉降量分布

圖8 工況3條件下工程區(qū)南部堤防典型剖面沉降量分布

圖9 工況4條件下工程區(qū)南部堤防典型剖面沉降量分布

序號工況最大沉降量/mm堤防下軟基礎(chǔ)堤外填土區(qū)1填筑完成0.722堤內(nèi)地基填土加高至標高3.00 m0.250.263堤防、堤內(nèi)填土工程完成后1 a0.450.444工程竣工后4年內(nèi)的軟基礎(chǔ)沉降0.250.30

3 結(jié)論與建議

(1)基于局部地質(zhì)勘探成果，通過建立工程區(qū)南部三維地質(zhì)模型，可以較好的反映整個區(qū)域的地質(zhì)情況，更好為典型計算斷面的選取提供發(fā)現(xiàn)依據(jù).

(2)SIGMA/W軟件可以執(zhí)行諸如堆載和開挖等工況分析及軟土固結(jié)分析，計算成果能反映軟土基礎(chǔ)沉降過程和總量，以此為依據(jù)核算施工單位的填土工程量，科學的解決了工程量補差的問題.

(3)根據(jù)本工程的地質(zhì)條件以及地質(zhì)模型分析、數(shù)值模擬的結(jié)果，工程在后續(xù)施工過程中還需嚴格控制堤防填筑速度和施工質(zhì)量，在施工及以后的運行期都應加強監(jiān)測，確保堤防在施工期不出現(xiàn)滑坡和裂縫.軟基上土體沉降持續(xù)的時間長，最終沉降量大，宜預留足夠的超高.

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