近海軟土地基臨海側(cè)拋石壓載沉降計(jì)算

栗 佳

(遼寧省清河水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112003)

1 概 述

某海堤屬于圍墾項(xiàng)目，始建于2004年。原工程級(jí)別為3級(jí)，防潮標(biāo)準(zhǔn)50a一遇。后來墾區(qū)海堤防護(hù)對象調(diào)整為特大型規(guī)模工業(yè)園區(qū)，根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，防潮標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為200a一遇，工程級(jí)別調(diào)整為1級(jí)。

為保證海堤臨海側(cè)邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在海堤臨海側(cè)現(xiàn)狀拋石上增加拋石進(jìn)行壓載，并對臨海側(cè)拋石進(jìn)行沉降計(jì)算，提供施工預(yù)留超高。

2 計(jì)算采用的基本資料

2.1 堤基和堤身物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)地質(zhì)勘察，對海堤橫斷面的堤基分別分區(qū)為臨海側(cè)拋石下淤泥、堤后路外側(cè)淤泥、堤身下淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、臨海側(cè)及背海側(cè)現(xiàn)狀淤泥。斷面分區(qū)見示意圖1，筑堤材料參數(shù)見表1、堤基土參數(shù)見表2。

表1 筑堤材料物理力學(xué)指標(biāo)表

2.2 依據(jù)規(guī)范及計(jì)算軟件

海堤依據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T51015—2014)進(jìn)行沉降計(jì)算。計(jì)算采用《理正巖土工程分析軟件》(6.5PB2版)進(jìn)行計(jì)算。

3 沉降計(jì)算

3.1 沉降計(jì)算

3.1.1 沉降公式

沉降計(jì)算方法選擇經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，主固結(jié)沉降用壓縮模量Es計(jì)算的分層總和法計(jì)算。

地基的總沉降S按經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

S=m×Sc

(1)

(2)

式中：S為地基總沉降，m；Sc為主固結(jié)沉降，m；m為沉降系數(shù)，與地基條件、荷載強(qiáng)度、加荷速率等因素有關(guān)，其范圍值為1.3-1.6。根據(jù)工程地質(zhì)勘察，并結(jié)合目前工程實(shí)際施工的現(xiàn)場沉降情況，臨海側(cè)拋石取1.5；Esi為壓縮模量，kPa；ΔPi為地基中各分層中點(diǎn)的附加應(yīng)力增量，kPa；Δhi為地基沉降計(jì)算中，分層時(shí)第i層的分層厚度(m)，取0.5m，在計(jì)算分層范圍內(nèi)，當(dāng)遇到天然地層界限時(shí)，作為分層面。

適用以上計(jì)算公式的基本假定條件為：①基底壓力呈線性分布；②附加應(yīng)力增量采用基礎(chǔ)中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力，并用彈性理論計(jì)算；③地基只發(fā)生單向沉降，地基土處于側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)；④地基土的瞬時(shí)沉降和次固結(jié)沉降通過mc經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正體現(xiàn)。

任意時(shí)刻的堤基工后沉降量采用以下公式計(jì)算：

(3)

式中：St為任意時(shí)刻的地基沉降，m；Ut為堤基土的平均固結(jié)度。采用理正軟件提供的微分方程數(shù)值解法計(jì)算，計(jì)算原理為：

(4)

(5)

式中：u為地基中任意點(diǎn)的超靜孔隙水壓力，kPa；t為時(shí)間，s；Z為地基中任意點(diǎn)到天然地面的高度，m；k為地基土的滲透系數(shù)，m/s；e1為滲透固結(jié)前土的孔隙比；a為土的壓縮系數(shù)(1/kPa)；γw為水的重度，kN/m3，本次復(fù)核計(jì)算γw取10kN/m3；Cv為土的固結(jié)系數(shù)，m2/s。

根據(jù)差分法求解上述微分方程，其邊界條件為：

u|t=0=u0
u|Z=0=0

(6)

(7)

求解該方程，即可得出任意時(shí)刻的超靜孔隙水壓力ut，則該點(diǎn)土的固結(jié)度為：

(8)

式中：u0為地基中任意點(diǎn)初設(shè)超靜孔隙水壓力，kPa；ut為地基中任意點(diǎn)在任意時(shí)刻的超靜孔隙水壓力，kPa。

如果堤基采取豎向打塑料排水板處理，則采用豎向排水板處理范圍地基土的平均固結(jié)度(不考慮井阻和涂抹作用)采用以下公式計(jì)算：

(9)

式中：Ch為土的水平向排水固結(jié)系數(shù)，cm2/s；Cv為土的豎向排水固結(jié)系數(shù)，cm2/s；H為采用塑料排水板處理的土層厚度，cm；de為塑料排水板的等效影響直徑，cm；dw為塑料排水板的當(dāng)量半徑，cm；地基壓縮土層為淤泥或淤泥質(zhì)黏土，計(jì)算厚度采用實(shí)際厚度，由于地勘鉆孔未穿透粉質(zhì)黏土層或殘積土層，計(jì)算厚度統(tǒng)一取30m[1]。

3.1.2 原堤基排水板布置

該海堤工程均為軟土地基堤防，為適應(yīng)軟土復(fù)雜地基條件，原堤基布置1m厚砂墊層，并在一定范圍設(shè)有梅花型排水板及鋪設(shè)高強(qiáng)機(jī)織土工布等處理措施。

原堤基排水板布置見表1。

表1 原堤基排水板統(tǒng)計(jì)表

3.1.3 堤基各土層固結(jié)系數(shù)

考慮淤泥及淤泥質(zhì)土取樣過程擾動(dòng)影響，且不同堤身部位下部基礎(chǔ)承受的荷載作用不同，本次復(fù)核計(jì)算時(shí)，海堤臨、背海側(cè)淤泥按尚未固結(jié)狀態(tài)取值，固結(jié)系數(shù)Cv=1.5×10-3cm2/s；堤身下部淤泥質(zhì)土按基本固結(jié)狀態(tài)取值，固結(jié)系數(shù)取Cv=5×10-4cm2/s。堤基各巖土層固結(jié)系數(shù)取值匯總見表2。

3.1.4 施工期附加荷載

海堤培厚加高加固施工基本采取汽車運(yùn)輸為主，施工期機(jī)械設(shè)備附加荷載取值按汽車-20級(jí)計(jì)算，單列車隊(duì)荷載值取22.231kPa，雙列車隊(duì)荷載值取19.481kPa。

表2 堤基各巖土層土的固結(jié)系數(shù)計(jì)算取值匯總表

3.1.5 計(jì)算方法

該工程是提級(jí)加固項(xiàng)目，是利用原有的海堤進(jìn)行加高培厚改造，包括堤身加固培厚、堤身臨水側(cè)拋石壓載、堤身背水側(cè)吹填砂培厚壓載等。原有的海堤已建成近10年，建堤初期對基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加應(yīng)力而引起的沉降變形已基本趨于穩(wěn)定，因此，本次復(fù)核計(jì)算主要考慮因堤防培厚加固結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加應(yīng)力而引起的沉降變形量，不計(jì)算原海堤累計(jì)的沉降變形，分施工期和最終沉降分別計(jì)算，施工期6個(gè)月。

海堤提級(jí)加固是利用原有堤防結(jié)構(gòu)進(jìn)行培厚加高，因此，施工期由培厚加固結(jié)構(gòu)體引起的沉降量按照加固結(jié)構(gòu)體施工期內(nèi)平均分期逐級(jí)加載計(jì)算；最終沉降量以加固后的海堤斷面恒定加載變形計(jì)算。

計(jì)算施工期由培厚加固結(jié)構(gòu)體引起的沉降變形量時(shí)，分別取加固前海堤斷面和加固后(完建期)海堤斷面作為目標(biāo)斷面，分別計(jì)算兩種斷面在設(shè)計(jì)施工期(6個(gè)月)內(nèi)平均分期逐級(jí)加載產(chǎn)生的累計(jì)沉降量，然后將以加固后海堤斷面作為目標(biāo)斷面的計(jì)算結(jié)果減去加固前海堤斷面作為目標(biāo)斷面的計(jì)算結(jié)果，即得施工期由培厚加固引起的沉降量。

計(jì)算由培厚加固結(jié)構(gòu)體引起的最終沉降變形量時(shí)，分別取加固前海堤斷面和加固后(沉降穩(wěn)定期)海堤斷面作為目標(biāo)斷面，分別計(jì)算兩種斷面工后最終沉降量，然后將以加固后海堤斷面作為目標(biāo)斷面的計(jì)算結(jié)果減去加固前海堤斷面作為目標(biāo)斷面的計(jì)算結(jié)果，即得培厚加固結(jié)構(gòu)體引起的最終沉降量[2]。

3.1.6 計(jì)算斷面

本次復(fù)核計(jì)算，加固前斷面采用海堤現(xiàn)場剖面，對應(yīng)加固后目標(biāo)斷面采用提級(jí)加固施工圖成果。

3.1.7 沉降計(jì)算成果

根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T51015—2014)要求，應(yīng)確定海堤各結(jié)構(gòu)部位工后沉降量以進(jìn)行堤身施工預(yù)留加高，海堤的工后沉降量為最終沉降量與施工過程已發(fā)生沉降量的差值。

海堤各堤段典型斷面沉降計(jì)算成果分項(xiàng)列入表3。

表3 各堤段典型斷面沉降計(jì)算成果表 m

4 結(jié) 語

通過計(jì)算得出的各典型斷面工后沉降，可給出海堤施工的預(yù)留超高，保證了工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足要求，工程正常運(yùn)用，堤防發(fā)揮應(yīng)有的防護(hù)作用。