吹填圍墾堆載對(duì)臨港道路及橋梁地基變形影響研究

笪中明

(江西省德興市水利局，江西 德興 334200)

隨著港口建設(shè)對(duì)土地資源需求的日益迫切，圍海造陸逐漸成為解決沿海地區(qū)港區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)用地的主要途徑，吹填圍墾則是圍海造地的主要方式[1-5]。港區(qū)吹填圍墾地基為軟土層，雖然經(jīng)過了壓實(shí)處理，但在自身載荷和交通載荷等作用下會(huì)發(fā)生沉降，對(duì)地基軟土層上覆交通設(shè)施和建筑物等產(chǎn)生不良影響。若后期因建設(shè)需求，需在既有交通設(shè)施和建筑物附近進(jìn)行吹填圍墾，圍墾堆載作用會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下部土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，可能會(huì)引起土體或地基的再次變形，使既有結(jié)構(gòu)地基發(fā)生不均勻沉降[6-8]。當(dāng)土體或地基的變形過大時(shí)，會(huì)影響既有結(jié)構(gòu)的正常使用[9-10]。因此，研究港區(qū)吹填圍墾堆載作用對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)地基的變形沉降影響具有重要意義。本文基于溫州港靈昆作業(yè)區(qū)灘涂圍墾陸域建設(shè)工程，采用數(shù)值模擬方法，分析圍墾堆載對(duì)既有省道路基和水閘大橋樁基的變形影響，為工程安全建設(shè)提供保障。

1 工程概況

1.1 工程介紹

工程地處浙東南沿海島嶼灘涂，由內(nèi)向外依次為淺灘圍墾區(qū)、省道和海堤，省道中部為水閘。如圖1所示，擬在海堤外側(cè)海域吹填圍墾，設(shè)計(jì)高程5m；以水閘為界分為西圍墾區(qū)和東圍墾區(qū)，其形態(tài)均近似矩形，且東圍墾區(qū)臨近大橋區(qū)域擬建油庫。西圍墾區(qū)長1455m，寬370～452m，圍墾成陸面積0.51km2；東圍墾區(qū)長2460m，寬436m，成陸面積1.11km2。采用吹填土料+地基處理的方式，利用絞吸式挖泥船直接將臨海進(jìn)港航道維護(hù)工程疏浚土吹填至本范圍，再進(jìn)行地基處理。

圖1 溫州港靈昆作業(yè)區(qū)工程堆載區(qū)域示意圖

既有海堤和省道均坐落于軟土地基上，由于本工程建設(shè)需要在省道路基邊緣左側(cè)10～550m范圍內(nèi)堆載5m高的吹填土，堆載作用會(huì)對(duì)省道基礎(chǔ)下部土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，可能會(huì)引起土體或地基的變形，使省道發(fā)生不均勻沉降，影響省道的正常使用。此外，也可能對(duì)工程區(qū)附近的水閘大橋樁基造成影響。因此，有必要開展圍墾陸域形成工程建設(shè)對(duì)省道及水閘大橋樁基的影響研究。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，該工程地基土層從上至下分別為含砂淤泥、淤泥夾砂、淤泥1、淤泥2、灰色淤泥質(zhì)黏土、灰色黏土、含砂粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫1和圓礫2等10種土層。由于1～7層為軟土層，8～10層為砂礫層，各層性質(zhì)差異較小。此外，海堤和省道底部地基已經(jīng)過一定加固，其剛度明顯大于圍墾區(qū)地基。考慮到計(jì)算過程中地基10種土層的復(fù)雜性，再結(jié)合各層特點(diǎn)，將該區(qū)域地基參數(shù)進(jìn)行一定的簡化，即分為圍墾區(qū)地基、加固地基和砂礫層；地基上部結(jié)構(gòu)分別為堆載土層、吹填堤、海堤、省道和反壓土體，見圖2。基于土層實(shí)測參數(shù)，再根據(jù)地基的實(shí)測沉降數(shù)據(jù)對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行反算，得到了上述簡化巖土體參數(shù)，見表1。

圖2 工程地基巖土層分布

表1 工程巖土體參數(shù)

2 數(shù)值模型的建立

采用MIDAS/GTS NX軟件模擬分析東、西圍墾區(qū)堆載對(duì)臨近省道及水閘大橋樁基變形的影響。由于水閘大橋樁基受兩個(gè)圍墾區(qū)共同作用，建立了包含東、西圍墾區(qū)，省道，水閘大橋樁基的有限元模型，見圖3。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 網(wǎng)格劃分及材料參數(shù)

實(shí)體單元網(wǎng)格劃分采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元(將2D網(wǎng)格擴(kuò)展成3D網(wǎng)格)，2D四邊形單元網(wǎng)格尺寸控制在5～10m，3D六面體單元網(wǎng)格尺寸控制長寬比小于4。實(shí)體單元材料的本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖模型。由于橋梁已建成，橋板結(jié)構(gòu)自重對(duì)樁基產(chǎn)生的變形可以不考慮，僅需要考慮圍墾區(qū)堆載對(duì)橋梁變形、內(nèi)力的影響。建模時(shí)僅建立樁基結(jié)構(gòu)，采用梁單元進(jìn)行模擬，通過建立樁界面單元來分析樁土相互作用。樁界面單元類似于植入式梁單元形式。樁基采用各向同性線彈性材料參數(shù)，彈性模量取21GPa，泊松比取0.2，重度取25kN/m3。樁界面參數(shù)：剪切剛度模量10526kN/m3，法向剛度模量115789kN/m3。

所建立的三維有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為376706，單元數(shù)為356601。三維建模采用整體坐標(biāo)系，存在X(橫路向)、Y(順路向)、Z(豎向)三個(gè)方向。

2.2 邊界條件與計(jì)算步驟

數(shù)值計(jì)算模型的邊界條件為：底部約束X、Y、Z方向的位移，左右兩側(cè)約束X方向位移，前后兩側(cè)約束Y方向位移。模擬具體分布步驟如下。第一步：地應(yīng)力平衡。進(jìn)行自重條件下初始地應(yīng)力分析，此階段需將位移清零，應(yīng)力保留。第二步：海堤和橋梁樁基施工。激活海堤、省道和水閘大橋樁基單元，每根樁樁頂施加集中力Q，且所有集中力之和為橋板及運(yùn)行期荷載之和，取Q=600kN。此階段需將位移清零，應(yīng)力保留。第三步：省道和反壓土體施工。激活省道和反壓土體單元，省道路面考慮10.5kPa的車輛均布荷載。此階段的位移、應(yīng)力均不清零。第四步：圍墾區(qū)堆載。東、西區(qū)圍墾堆載前，先施工油庫，然后進(jìn)行東、西區(qū)圍墾施工，具體施工步驟為：吹填隔堤施工→吹填第一層堆載2m→吹填第二層堆載至5m。最后提交計(jì)算。

3 圍墾區(qū)堆載對(duì)省道及大橋樁基的影響分析

3.1 圍墾區(qū)堆載對(duì)省道的影響

3.1.1 沉降變形規(guī)律

圖4是典型施工步時(shí)省道的沉降變形分布情況。以西區(qū)臨近省道的中部測點(diǎn)為例，省道填筑產(chǎn)生的最終沉降量最大，為66cm左右，而西區(qū)堆載第一層和第二層后，沉降量有所減小，分別為65.6cm和62.8cm，說明西區(qū)堆載對(duì)省道的沉降變形存在抑制作用，但影響量很小，在3cm左右。隨著東區(qū)堆載結(jié)束，西區(qū)附近省道的沉降變形并未顯著變化，仍保持為62.8cm。同理，以東區(qū)臨近省道的中部測點(diǎn)為例，省道填筑產(chǎn)生的最終沉降量最大，為66cm左右，西區(qū)堆載第一層和第二層后，沉降量仍保持不變，說明西區(qū)堆載對(duì)東區(qū)臨近省道不存在顯著影響，而隨著東區(qū)堆載第一層和第二層后，該測點(diǎn)沉降分別為65.6cm、62.8cm，和西區(qū)中心測點(diǎn)的大小基本類似。

圖4 典型施工步時(shí)省道的沉降變形分布云圖

綜上，西、東區(qū)堆載會(huì)對(duì)省道引起向上的豎向變形，大小在3cm左右，而省道填筑引起的地基最終沉降值為66cm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者?？烧J(rèn)為圍墾區(qū)堆載對(duì)省道的沉降變形影響很小，省道目前的變形量主要來源于其自身填筑后引起的地基固結(jié)變形。

3.1.2 橫路向和順路向水平變形規(guī)律

圖5為典型施工步時(shí)省道順路向的變形分布。以西區(qū)臨近省道的中部測點(diǎn)為例，省道填筑引起的橫路向水平位移為-4.2cm，西區(qū)堆載第一層和第二層后，水平位移分別為-2.15cm、3.20cm，根據(jù)差值計(jì)算，堆載引起的水平變形量為7.3cm。以東區(qū)臨近省道的中部測點(diǎn)為例，省道填筑引起的橫路向水平位移為-0.005cm，西區(qū)堆載對(duì)其影響很小，而東區(qū)堆載第一層和第二層后，其水平位移分別為-1.29cm、6.32cm，根據(jù)差值計(jì)算，堆載引起的水平變形量為6.4cm。此外，從省道順路向水平變形分布云圖可知，堆載對(duì)省道的順路向水平變形不大，可以忽略不計(jì)。

3.1.3 省道不同樁號(hào)沉降變形

上述研究發(fā)現(xiàn)，西區(qū)、東區(qū)的沉降規(guī)律基本一致，省道主要受臨近圍墾區(qū)堆載作用的影響。圖6給出了西區(qū)典型橫斷面沉降變形分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)堆載對(duì)沉降變形影響較小。為便于觀察，給出省道不同樁號(hào)的沉降變形規(guī)律，見圖7。圖中差值為堆載引起的變形量，不論是靠海側(cè)、中心線還是靠陸側(cè)監(jiān)測點(diǎn)，堆載引起的變形量均小于4cm，與省道填筑引起的沉降變形量相比，堆載引起的變形量很小。

圖6 典型橫斷面沉降變形云圖

圖7 不同樁號(hào)沉降變形量

3.1.4 省道最終變形分析

表2給出了省道施工、圍墾區(qū)堆載后以及圍墾區(qū)堆載單獨(dú)引起的變形結(jié)果。對(duì)于橫路向變形，道路兩側(cè)變形差值為1.6cm；對(duì)于順路向變形，道路兩側(cè)變形差值為0.3cm。綜上說明，堆載對(duì)道路的變形影響很小，并不存在顯著的擠壓作用。對(duì)于豎向變形，靠海側(cè)主要為沉降變形，靠陸側(cè)主要為隆起變形，但道路兩側(cè)變形差值為7.3cm。由于省道路基平均橫坡坡度2%(向路面橫斷面右側(cè)傾斜)，道路寬度24.5m，該傾斜程度可忽略不計(jì)，不會(huì)影響行車安全和排水。對(duì)于整體沉降變形而言，堆載對(duì)省道的整體沉降變形有一定抑制作用，但影響量遠(yuǎn)不如省道引起的地基沉降量。綜上，圍墾區(qū)堆載對(duì)省道變形影響較小。

表2 不同載荷作用下省道的變形量

3.2 圍墾區(qū)堆載對(duì)水閘大橋樁基的影響

3.2.1 橋臺(tái)變形分析

圍墾區(qū)堆載對(duì)水閘大橋樁基的影響主要體現(xiàn)于X和Z向的變形，根據(jù)提取的各樁變形量，獲得了左、右橋臺(tái)變形量以及橋臺(tái)的差值變形量。對(duì)于橋梁而言，主要關(guān)注橋臺(tái)變位情況，從表3可知，在堆載作用下，左右橋臺(tái)水平變形為0.16cm，豎向變形為0.017cm，說明左右橋臺(tái)不存在較大變位趨勢(shì)。對(duì)于樁基沉降變形，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)與《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTD D63—2007)規(guī)定：對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)的橋梁基礎(chǔ)，墩臺(tái)均勻沉降量允許值為40mm，橋梁縱向相鄰墩臺(tái)均勻沉降量之差允許值為20mm。因此，該大橋樁基的變形滿足要求。

表3 橋臺(tái)變形量 單位：cm

3.2.2 樁基應(yīng)力分析

堆載引起的樁身應(yīng)力如圖8所示。從中可知，圍墾區(qū)堆載對(duì)應(yīng)力的改變量較小，最大拉應(yīng)力約為0.4MPa，最大壓應(yīng)力約為0.3MPa，對(duì)橋梁樁基影響較小。

圖8 典型樁基主應(yīng)力與高程的變化曲線(拉正壓負(fù))

4 結(jié) 論

本文基于MIDAS/GTS NX軟件分析了吹填圍墾堆載對(duì)臨近省道及水閘大橋樁基變形的影響，獲得了不同區(qū)域、不同堆載高度條件下省道地基的沉降變形量，闡明了圍墾區(qū)堆載對(duì)省道地基和大橋樁基沉降變形的貢獻(xiàn)程度。主要結(jié)論如下：

a.圍墾區(qū)堆載引起的省道最大橫路向變形為7.4cm，最大順路向變形為1.8cm。對(duì)橫路向變形和順路向變形而言，道路兩側(cè)變形差值分別為1.6cm和0.3cm，表明堆載對(duì)道路水平擠壓影響較小。

b.圍墾區(qū)堆載引起的省道最大豎向變形為3.8cm，靠海側(cè)主要為沉降變形，靠陸側(cè)主要為隆起變形，道路兩側(cè)變形差值為7.3cm。對(duì)于整體沉降變形而言，堆載對(duì)省道的整體沉降變形具有一定的抑制作用，但影響量遠(yuǎn)不如省道本身引起的沉降變形量。

c.圍墾區(qū)堆載引起的橋梁樁基最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均小于0.4MPa，左、右橋臺(tái)的變形差異小于1cm，表明堆載對(duì)橋梁樁基的影響較小。

d.堆載對(duì)省道的變形影響整體上較小，目前省道變形主要為其自身施工和交通載荷等引起的地基變形；堆載對(duì)橋梁變形、應(yīng)力影響較小，不會(huì)影響橋梁的正常運(yùn)行。