吹填土沉降量計算方法比較研究

舒葉華

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061)

隨著濱海地區(qū)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的不斷發(fā)展，沿海城市的土地資源需求進(jìn)一步擴(kuò)大，圍海造地是沿海城市土地開發(fā)的主要形式。目前，水力吹填法因其可以充分利用河道或附近海域的沉積物作為施工材料，不但對河道、港口碼頭有一定的疏浚作用，而且可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低運輸成本、縮短工期，因此水力吹填法是填海造陸的主要方法。吹填完工后吹填土的沉降、固結(jié)等因素對于最終泥面標(biāo)高的影響較大，單純依靠經(jīng)驗很難準(zhǔn)確給出吹填施工完工時的預(yù)留超高量。預(yù)留過多，造成了成本上升和浪費；預(yù)留不足，難以滿足竣工驗收的灘面標(biāo)高要求，而通過二次填土?xí)斐伞俺杀緸?zāi)害”[1]。因此吹填標(biāo)高的確定是工程中亟待解決的問題，提出既方便高效又滿足精度要求的工程沉降計算方法，對吹填工程建設(shè)有著重要意義。

目前，吹填土的沉降量分析方法主要有分層總和法、曲線擬合法、有限元法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色系統(tǒng)法等。張云冬[2]通過研究吹填土的回彈率特性，提出了基于吹填土回彈率的改進(jìn)分層總和法，該法計算方法簡單，易于推廣應(yīng)用。曲線擬合法是通過對現(xiàn)場實測資料分析得到時間與沉降曲線的關(guān)系，該方不但有一定的理論基礎(chǔ)而且簡單易行[3]。俞帆，王鐵儒[4]在Duncan-Chang模型基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的非線性彈性模型；劉元雪，施建勇[5]探討了基于應(yīng)力空間變換的劍橋模型改進(jìn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過對實測數(shù)據(jù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)而獲得軟基沉降的預(yù)測模型[6]。雷學(xué)文等[7]提出了灰色預(yù)測模型GM(1，1)，模型是根據(jù)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析地基沉降的發(fā)展變化。

本文基于比奧固結(jié)理論采用有限單元法建立流固耦合數(shù)值分析模型對吹填土沉降量預(yù)估進(jìn)行研究，在數(shù)值計算過程中土體采用土體硬化模型(Hardening—soil)，該本構(gòu)模型能夠非常真實全面的反應(yīng)土體的屬性，不但可以解決模量依賴于應(yīng)力的情況而且考慮了土體的剪脹性。通過橫沙八期1#圍區(qū)吹填工程實例，將有限單元法的計算成果與分層總和法、沉降曲線擬合法及實際觀測的沉降結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證其合理性及準(zhǔn)確性。

1 吹填概況

橫沙東灘位于長江口北槽及北港之間的大型濱海沙洲上，橫沙東灘八期工程位于三期圈圍區(qū)以東，六期和七期圈圍區(qū)以北。橫沙八期工程1#、2#圍區(qū)于2016年3月實施疏浚土灘上裸吹施工，2016年8月30日停止裸吹，吹填面積分為7.67、6.82km2，竣工驗收日期為2020年12月。

八期工程圍內(nèi)成陸均采用航道疏浚土進(jìn)行吹填形成[8]，疏浚土質(zhì)以淤泥質(zhì)土、粉土和粉砂為主，結(jié)合疏浚土質(zhì)在吹泥站貯泥坑挖、拋卸工藝后的土質(zhì)變化，圍區(qū)吹填土質(zhì)為2級。場地地層主要為：淺表層主要為①2層粉砂，下部直接與②3層粉砂(砂質(zhì)粉土)相連，層厚較大，強(qiáng)度及變形控制條件較好，口門處軸線位置表層為①1層淤泥質(zhì)黏土，但厚度不大(揭示厚度最厚2.6m)，需進(jìn)行適當(dāng)處理。但需注意的是軸線北側(cè)口門沖刷坑沖刷深度較深，需進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡鼗幚?如換填、拋填砂袋等)。本文以吹填過程中代表性沉降觀測點C1—C4(2016年8月30日～2020年9月12日，歷時1474d)作為沉降量計算方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 吹填砂軟基沉降預(yù)估理論

2.1 規(guī)范法計算原理

本文基于規(guī)范法進(jìn)行吹填超高預(yù)估計算時，依據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》推薦的分層總和法，采用地基各土層的e-p曲線計算吹填區(qū)地基最終沉降量，公式如下：

(1)

式中，S∞—地基最終沉降量，m;hi—第i層土的厚度，m;e1i、e2i—分別為第i層土壓縮前的孔隙比與壓縮終止后的孔隙比;ms—經(jīng)驗修正系數(shù)。

地基沉降所對應(yīng)的同期固結(jié)度采用太沙基一維固結(jié)方程計算，公式如下：

(2)

(3)

式中，m—正奇整數(shù)(m=1，3，5……)；Tv—時間因子；Cv—豎向固結(jié)系數(shù)，cm2/s；H—不排水面至排水面的豎向距離，cm;t—團(tuán)結(jié)時間，s。

2.2 曲線擬合法計算原理

(4)

式中，St—地基t時刻的沉降量，m；S∞—地基最終沉降量，m；a1—取決于固結(jié)系數(shù)和土層邊界條件的常數(shù)。

星野法沉降預(yù)估計算公式：

(5)

式中，St—地基t時刻的沉降量，m；S0—地基假定的瞬時沉降量，m；A、K—待定參數(shù)。

2.3 比奧固結(jié)理論

本文通過有限元數(shù)值模型開展沉降預(yù)估分析中，采用能準(zhǔn)確反映孔隙壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的比奧固結(jié)理論。

因此對于平面變形問題，比奧固結(jié)方程可寫為:

(6)

3 吹填區(qū)沉降計算

3.1 分層總和法預(yù)估沉降計算結(jié)果

基于分層總和法及太沙基一維固結(jié)理論，分別對1#圍區(qū)天然地基與新吹填軟土的沉降量進(jìn)行分析。天然地基沉降量由分層總和法計算的最終沉降和對應(yīng)時期的固結(jié)度確定。對于新吹填軟土采用分層總和法計算，計算時粉土與淤泥質(zhì)黏土含量按3∶1取值，根據(jù)相鄰工程區(qū)地勘資料，在2017年12月時取粉土表層1～2m厚土體孔隙比為0.956，下層孔隙比取0.810，取淤泥質(zhì)黏土表層1～2m厚土體孔隙比為1.221，下層孔隙比取0.810；在2020年12月時取粉土表層1～2m厚土體孔隙比為0.824，下層孔隙比取0.749，取淤泥質(zhì)黏土表層1～2m厚土體孔隙比為1.030，下層孔隙比取0.891，天然地基沉降量計算成果見表1。吹填土固結(jié)沉降計算成果見表2。

表1 1#圍區(qū)地基沉降計算成果表

由表1和表2可以得到竣工驗收前的地基沉降量為0.13m，吹填土的平均固結(jié)沉降量為0.261m，竣工驗收時最終沉降量為0.391m，小于實測的平均沉降值0.439m，可見規(guī)范法預(yù)估沉降計算明顯偏小，分析原因可能是分層總和法單一的壓縮模量參數(shù)無法反映土體復(fù)雜的非線性特性。

表2 吹填土固結(jié)沉降計算成果表

3.2 沉降曲線擬合法計算結(jié)果

基于Asaoka法和星野法對本工程吹填砂沉降進(jìn)行研究分析時，首先采用橫沙八期前期沉降觀測數(shù)據(jù)，通過曲線模型對沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

基于橫沙八期前期的沉降觀測資料數(shù)據(jù)，采用上述沉降曲線模型進(jìn)行擬合，同時預(yù)測竣工時間2020年12月31日吹填區(qū)沉降量。可以得出至2020年12月工程區(qū)的兩種曲線預(yù)估沉降量平均值分別為366.7、421.2mm，與實測數(shù)據(jù)439mm相比存在一定偏差。在擬合時，如采用不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)時間間隔，可以得到不同的擬合結(jié)果，偏差較大。

3.3 基于有限單元法的沉降預(yù)估分析

為了研究吹填過程和吹填完成后由于吹填土自重引起的沉降，本文基于有限單元法通過PLAXIS建立數(shù)值分析模型，開展吹填土預(yù)估沉降分析。考慮到吹填圍區(qū)面積較大，不同區(qū)域吹填料來源有差異，形成的吹填土層有所差異，依據(jù)橫沙八期1#圍區(qū)現(xiàn)場鉆孔實測資料，其吹填土主要為砂質(zhì)粉土和粘質(zhì)粉土，因此選取了三個典型的吹填土剖面進(jìn)行平面應(yīng)變分析：斷面1吹填土僅為粘質(zhì)粉土，斷面2吹填土僅為砂質(zhì)粉土，斷面3吹填土上部為砂質(zhì)粉土、下部為粘質(zhì)粉土。

采用Plaxis模擬1#圍區(qū)在2016年3月至2020年12月期間的吹填土固結(jié)沉降量，根據(jù)實測的地質(zhì)勘探資料對數(shù)值模型進(jìn)行建模和材料分區(qū)，如圖1所示。計算時模型的所有邊界均為透水邊界，材料本構(gòu)模型采用土體硬化模型(Hardening—soil)。

圖1 典型斷面有限元數(shù)值分析模型

在有限元沉降計算中以驗收標(biāo)高3.09m進(jìn)行吹填沉降分析，為了準(zhǔn)確的模擬吹填過程中吹填土實際性態(tài)，在計算模擬中考慮了初始靜水壓力、初始地應(yīng)力和分層吹填施工。

斷面1—3吹填土最終沉降分布云圖如圖2—4所示，三個段面最終沉降量分別為0.441、0.422、0.434m，平均沉降量為0.432m，與實測的結(jié)果0.439m非常接近，說明數(shù)值模擬的合理性；與3.2節(jié)規(guī)范法和3.3節(jié)沉降曲線擬合法相比，有限單元法得到最終沉降量與實測值最為接近，進(jìn)一步說明了基于有限單元法對吹填土進(jìn)行沉降預(yù)估的準(zhǔn)確性。

圖2 斷面1最終沉降分布云圖

圖5給出了數(shù)值計算成果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)、曲線擬合法結(jié)果的對比，通過對比可以得到數(shù)值計算結(jié)果和實測結(jié)果變化規(guī)律基本一致，且吻合度很高，進(jìn)一步證明了數(shù)值計算的正確性和合理性。同時由圖5可知從2016年8月至2018年2月吹填土沉降的計算值和觀測值分別為369和409mm。從沉降曲線可以看出2018年2月以后，吹填土的沉降趨勢十分緩慢，可以認(rèn)為該吹填土在完工2年后完成了主固結(jié)沉降，之后為次固結(jié)沉降。

圖3 斷面2最終沉降分布云圖

圖4 斷面3最終沉降分布云圖

圖5 數(shù)值計算和觀測沉降時程對比

4 結(jié)論

吹填土的土層特性復(fù)雜，變異性比較大，沉降量預(yù)估難度大。本文以橫沙東灘八期工程1#圍區(qū)為依托對吹填土的預(yù)估沉降量進(jìn)行分析研究。通過對比分析傳統(tǒng)的分層總和法及曲線擬合法與有限單元法，得到主要結(jié)論如下：

(1)基于分層總和法得到1#圍區(qū)吹填土預(yù)估沉降量為391mm，與實際測量結(jié)果相差較大，分析原因可能是分層總和法單一的壓縮模量參數(shù)無法反映土體復(fù)雜的非線性特性；

(2)基于Asaoka法和星野法得到1#圍區(qū)吹填土預(yù)估沉降量分別為366.7mm和421.2mm，由于Asaoka曲線為一階沉降結(jié)果，較結(jié)果偏小，星野法考慮了土體的次固結(jié)沉降，但曲線呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，如擬合時間繼續(xù)延長，則擬合的最終沉降量會大于實測成果；

(3)基于有限單元法到1#圍區(qū)吹填土預(yù)估沉降量為432mm，通過計算成果的對比分析得到基于有限元單元法的吹填土沉降預(yù)估量與實測結(jié)果相差最小為7mm；

(4)通過理論計算得到吹填土的沉降規(guī)律為吹填土吹填完工2年后完成了主固結(jié)沉降，之后為次固結(jié)沉降與實際觀測的沉降規(guī)律一致。

綜上，基于有限單元法對吹填土沉降預(yù)估能夠得到較為準(zhǔn)確的沉降值，在吹填工程施工中，可采用本方法進(jìn)行吹填超高預(yù)估，保證吹填完工穩(wěn)定后符合設(shè)計高程，達(dá)到節(jié)約材料，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)資源合理利用發(fā)揮積極作用。