劉益鋒

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

軟土地基處理是海堤的主要技術(shù)難題，由于軟土地基承載力低、沉降量大、振動(dòng)液化性等不良工程性質(zhì)，常常不能滿足穩(wěn)定性和變形的要求[1]，若等待自然排水固結(jié)則工期不許可，絕大多數(shù)情況下，需對(duì)地基進(jìn)行處理[2]。

地基處理方案應(yīng)確保填筑過(guò)程中地基的穩(wěn)定及地基處理后的工后沉降和承載力要求[3]，對(duì)大型圈圍工程中的軟弱淤泥質(zhì)地基來(lái)說(shuō)，地基處理采用的方法通常為砂石樁置換法、堤身自重預(yù)壓法、鎮(zhèn)壓層法和加筋法[4]。浦東機(jī)場(chǎng)外側(cè)灘涂3#圍區(qū)圈圍工程由于地基淤泥厚，同時(shí)受工期影響，圍堤加載速度快，地基處理時(shí)間有限[5]，地基處理采用高強(qiáng)有紡?fù)凉げ技咏顗|層法。

加筋地基就是應(yīng)用不同的加筋材料與土體相間成層鋪設(shè)在建筑物下作為地基，以改造原有不良地基土的性質(zhì)[6]。加筋約束了地基土的側(cè)向位移，有利于提高地基承載力，減少沉降，尤其是不均勻沉降[7-8]。

高強(qiáng)有紡?fù)凉げ季哂懈吣Ａ?、低?yīng)變、韌性好等特點(diǎn)，對(duì)地基處理具有較強(qiáng)的加筋作用[9]；土工布與地基土的摩擦力作用使土體的拉應(yīng)力傳遞到筋體上，筋體承受拉力，而筋間土承受壓力和剪應(yīng)力，使加筋土中筋體和土體都能很好地發(fā)揮各自的潛能，其加筋性能優(yōu)異[10]。由于加筋土工布表面粗糙，與土層接觸面積大，因而其承受的拉力很大，采用加筋土工布作為筋件的加筋土結(jié)構(gòu)可能引起較大變形[11]，張杰等對(duì)外棱體進(jìn)行沉降觀測(cè)，認(rèn)為堤身加載過(guò)程中，加載速率大，沉降速率相應(yīng)變大[12]。

由此，結(jié)合浦東機(jī)場(chǎng)3#圈圍工程中500kN/m高強(qiáng)有紡?fù)凉げ技咏顗|層，運(yùn)用數(shù)值分析軟件，對(duì)高強(qiáng)有紡?fù)凉げ嫉淖冃渭笆芰﹂_(kāi)展分析，了解高強(qiáng)土工布作用的發(fā)揮情況。

1 工程概況

浦東機(jī)場(chǎng)外側(cè)灘涂促淤圈圍工程—3#圍區(qū)圈圍工程，位于浦東新區(qū)中部海塘岸段及上下游灘涂水域，工程范圍北起浦東機(jī)場(chǎng)江鎮(zhèn)河泵閘，南至浦東機(jī)場(chǎng)薛家泓泵閘，東至浦東機(jī)場(chǎng)外側(cè)-2～-3m高程灘地，圈圍面積1333.33hm2。本工程在已建促淤壩基礎(chǔ)上新建圍堤，圍區(qū)南北長(zhǎng)約11.0km，東西寬約0.4～2.6km，圍堤由順堤、南堤和北堤組成，圍堤總長(zhǎng)13.71km，圈圍面積1333.33hm2。

本工程堤線位于新近淤積土上，表層新近淤積土成糊狀，厚度較大，形成軟弱下臥層，需進(jìn)行地基處理。通過(guò)綜合考慮及比選分析，本工程地基處理方案采用高強(qiáng)有紡?fù)凉げ技咏顗|層法，土工布斷裂強(qiáng)度為500kN/m。為保證高強(qiáng)有紡?fù)凉げ寄軌虺浞职l(fā)揮其作用，先在灘面上鋪設(shè)通常砂被基墊層，然后將高強(qiáng)土工布鋪設(shè)在通長(zhǎng)砂被上，這樣既便于高強(qiáng)土工布鋪設(shè)施工，又能增強(qiáng)高強(qiáng)布與周?chē)橘|(zhì)的接觸面黏結(jié)力。

2 高強(qiáng)土工布加筋墊層數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型

Plaxis程序是由荷蘭人開(kāi)發(fā)的巖土工程有限元軟件，適合于變形和穩(wěn)定分析[13]，本次研究利用其開(kāi)展二維有限元數(shù)值計(jì)算，對(duì)施工過(guò)程中的土工布受力和變形進(jìn)行研究。

本次研究以順堤斷面為代表，研究本工程軟土地基在鋪設(shè)高強(qiáng)土工布時(shí)的穩(wěn)定性和沉降，并通過(guò)分級(jí)加載[14]的方式，得出土工布在施工過(guò)程中的變形和受力情況。

土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，對(duì)于土體是否破壞失穩(wěn)采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則進(jìn)行判別。土工布采用格柵單元進(jìn)行模擬，將格柵單元的本構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)化為線彈性，看成只能受拉，不能受壓，不具抗彎剛度，只能沿軸向變形的一維單元。

2.2 計(jì)算參數(shù)

摩爾-庫(kù)倫模型的主要參數(shù)包括彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力C、剪脹角等[15]，具體參數(shù)見(jiàn)表1。土工布采用格柵單元，EA取8300kN/m。計(jì)算中設(shè)定黏性土及淤泥質(zhì)土為不排水材料，砂性土為排水材料，土的強(qiáng)度指標(biāo)采用直剪快剪強(qiáng)度指標(biāo)。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圍堤斷面如圖1所示。

圖1 圍堤斷面(單位：mm)

計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 PLAXIS計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

堤身施工步驟模擬見(jiàn)表2。

表2 施工步驟

2.3 計(jì)算結(jié)果

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)在外棱體底部布設(shè)關(guān)鍵點(diǎn)A，坐標(biāo)為(74.7，2.8)監(jiān)測(cè)其沉降及水平位移，得出外棱體的沉降歷時(shí)曲線如圖3(a)所示(沉降以下沉為負(fù)，反之為正)，水平位移歷時(shí)曲線如圖3(b)所示(水平向位移以向庫(kù)內(nèi)為正，向庫(kù)外位移為負(fù))。

從圖3可以看出，外棱體的沉降隨著施工的進(jìn)行，逐步增大，外棱體最大沉降約為55cm；水平向外棱體主要產(chǎn)生向庫(kù)外的位移，累計(jì)位移量為19cm。

圖3 外棱體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移歷時(shí)曲線

圖4給出了土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平向應(yīng)變歷時(shí)曲線，圖5給出了施工完成后的土工布拉力分布。其中，B點(diǎn)為土工膜上離開(kāi)大堤軸線5m靠近外側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)為(81.8，3.3)，C點(diǎn)為土工膜上與大堤軸線相交處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)為(86.8，3.3)，D點(diǎn)為土工膜上離開(kāi)大堤軸線5m靠近內(nèi)側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)為(91.7，3.3)。

圖4 土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變歷時(shí)曲線

圖5 土工布拉力值分布

從圖4可以看出，在工序1～工序4施工期間，由于上部荷載逐漸加大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變逐漸增大，由于主要施工外棱體，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處應(yīng)變值增加最快；當(dāng)工序5(第68d起)停止吹填時(shí)，由于不受外部荷載的作用，土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值改變量較小，幾乎穩(wěn)定在某一數(shù)值；當(dāng)工序6繼續(xù)開(kāi)始吹填時(shí)，土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力繼續(xù)增大，由于大堤施工體量大，因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較快；當(dāng)工序9(第240d起)停止吹填時(shí)，土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變改變量較小，并最終穩(wěn)定在某一數(shù)值。

本工程在大堤軸線處及離開(kāi)大堤軸線兩側(cè)各5.0m處分別安裝傳感器，當(dāng)吹填高程達(dá)到8.62m時(shí)，土工布伸長(zhǎng)率從大堤外側(cè)至內(nèi)側(cè)分別為2.0%、5.1%、3.8%。內(nèi)側(cè)高強(qiáng)土工布的變形較外側(cè)稍大，大堤中軸線下高強(qiáng)土工布的變形量最大。數(shù)值分析結(jié)果顯示，土工布的最終應(yīng)變現(xiàn)為外側(cè)最小，內(nèi)部次之，中部最大，土工布的最終應(yīng)力表現(xiàn)為“盆型曲線”，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合浦東機(jī)場(chǎng)3#圈圍工程中500kN/m高強(qiáng)有紡?fù)凉げ技咏顗|層，運(yùn)用數(shù)值分析軟件，對(duì)高強(qiáng)有紡?fù)凉げ荚谑┕み^(guò)程中的變形及受力開(kāi)展數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：在施工過(guò)程中，隨著上部荷載的逐漸加大，土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變逐漸增大，且與上部加荷速率有關(guān)；當(dāng)施工速度較快時(shí)，土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)黾虞^快；當(dāng)吹填停止時(shí)，土工布監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變改變量很小;土工布的受力為“盆型曲線”，在圈圍大堤的軸線下，土工布應(yīng)力最大。