海滨深厚软基上围垦造地工程固结沉降分析方法研究

胡群革，严 俊，魏迎奇，赵 麒

（1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；3.云南建工水利水电建设有限公司，云南 昆明 650224）

海滨深厚软基上围垦造地工程固结沉降分析方法研究

胡群革1，严 俊2，魏迎奇2，赵 麒3

（1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；3.云南建工水利水电建设有限公司，云南 昆明 650224）

滨海地区围垦造地工程多涉及深厚软基的处理，其排水固结过程比较复杂，影响因素包括软土的物理力学性质、土层条件、荷载条件、处理方法及工期等。本文依据有限元数值分析理论与方法，以温州市龙湾区海滨围垦造地工程为例，对海滨围垦造地工程施工期的固结沉降进行了计算分析，并预测了工程运行过程中的沉降量，结果表明有限元数值分析方法很好地应用于海滨围垦造地工程固结沉降问题中，为同类型工程固结沉降分析和处理措施提供技术参考。

滨海地区；深厚软基；固结沉降；数值分析

1 研究背景

软土在我国沿海一带分布很广，如渤海湾及天津塘沽、长江三角洲、浙江、珠江三角洲以及福建沿海地区都存在海相或湖相沉积的软土。这类软土具有高压缩性、高灵敏度、高流变性和低强度、低渗透性的特点，导致软基道路或堤防工程施工将面临“孔压过高、变形过大、抗力过小”的难题［1］。国内外目前对软基的处理方案主要包括砂垫层+土工格栅+堆载预压（或超载预压）、砂垫层+土工格栅+竖向排水体（如袋装砂井）+堆载预压、土工格栅+深层水泥土搅拌桩、强夯置换法等方式［2-6］。但是，在施工期间，软土存在排水固结过程，如果填筑速度过快，软基内的水将无法及时排出，从而使地基孔隙水压力升高，有效应力降低，进而导致堤体产生开裂、滑坡或者地基失稳等事故。

软基的排水固结过程比较复杂，影响因素包括软土的物理力学性质、土层条件、荷载条件、处理方法及工期等。目前对于软基固结沉降的计算方法主要有理论公式法和数值分析法两类，其中理论公式法是建立在Terzaghi［7-8］创立的经典土力学基础上，该类方法具有简便、直观、计算参数少且易取得等优点，但是在推导过程中引入了许多简化假定，计算结果与实测结果偏差较大，因此在实际应用中多用在设计阶段的预测分析；而有限元数值分析方法，可以更加全面地考虑土体的变形特性、边界条件、土体应力应变关系的非线性特性、土-水耦合效应等，能够获得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力的变化，理论上更为严密，目前已经在软基上筑坝和修路等工程计算分析中［9-11］，但在海滨围垦造地工程固结沉降中应用还较少。

本文依据有限元数值分析理论与方法，以温州市龙湾区海滨围垦造地工程为例，对海滨围垦造地工程施工期的固结沉降进行计算分析，并预测了工程运行过程中的沉降量，可以为同类型工程固结沉降分析和处理措施提供技术参考。

2 软基固结沉降机理及分析方法

2.1 软基固结沉降机理 在饱和软基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之减少，地基发生固结变形，同时随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度就逐渐增长。根据有效应力原理，总应力增量为Δσ，有效应力增量为Δσ′，孔隙水压力增量为Δp，三者之间满足以下关系：

软基土层的排水固结效果与它的排水边界有关系。根据固结理论，在达到同一固结度时，固结所需要的时间与排水距离的平方成正比。软黏土层越厚，固结所需要的时间越长。如果淤泥质土层厚度大于10～20m，要达到较大固结度U＞80%，所需要的时间要几年甚至几十年之久。为了加速固结，最为有效的方法是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离，在天然地基中设置垂向排水体。缩短预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成；加速地基土强度的增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载的速率，以保证地基的稳定性。

2.2 软基固结沉降有限元计算理论 有限单元法一般是采用能准确反映孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的Biot固结理论［12］。该理论包含土体平衡方程、几何方程、有效应力方程、土骨架本构方程、Darcy定律和渗流连续性方程等，写成如下张量形式：

土体平衡方程：

土体几何方程：

有效应力原理：

Darcy定律：

渗流连续性方程：

式中：ui为土体位移向量；σij为土体应力张量；γi为土体重度向量；εij为土体应变张量；Dijkl为土体刚度张量，可以为弹性张量，可以为弹塑性张量；ωi为土体中地下水相对速度向量；H0、H分别为初始水头和未知水头。

相应的边界条件和初始条件如下：

位移边界条件Г1：

应力边界条件Г2：

水头边界条件Г3：

流速边界条件Г4：

位移初始条件：

水头初始条件：

式（2）—（6）包含了3个未知位移函数和1个未知水头函数，在式（7）—（12）的边界条件和初始条件下可以求出这些未知函数，上述即构成了软基固结沉降有限元计算理论基础。

3 龙湾区海滨围垦造地工程实例

3.1 工程背景 温州市龙湾区海滨围垦造地位于瓯江口南侧的东海岸。工程区域东临大海，外围为海滨围垦工程，南接永兴北片围垦，西靠海滨街道腹地，北与温州浅滩工程隔江相望。海滨围垦工程围涂面积657.3 hm2，工程概算总投资18 146万元，由海堤（2 841m主堤、1 955m北堤、501m南堤）和水闸（1座排水闸，2座进水闸）组成（如图1所示）。

通过地质勘探获取了工程区的软基分布、地下水位以及土层物理力学性质。在勘探深度范围内为第四系（Q4）沉积土层，主要由淤泥、黏土、粉质黏土等组成，各岩土层的主要特征自上而下分别为（如下图2所示）：

①-1稀泥：灰棕色、灰褐色、灰黄色，流动状态，饱和，由①黏土表层被水浸泡所形成的泥状土，层厚0.10～0.50 m；①-2黏土：淡棕色、灰棕色，软塑状，高压缩性，干强度高，韧性高，摇振反应无，刀切面光滑平整，层厚0.20～1.90m；②-1淤泥：青灰色，流塑状，具有高压缩性、高含水率、低抗剪性、高灵敏度、易触变等特点，层厚1.90～7.00 m；②-2含粉砂淤泥：灰色，呈流塑状，具有高压缩性、高含水率、高灵敏度、易触变等特点，层厚4.70～12.20m；②-3含砂淤泥：青灰色，呈流塑状，高压缩性，具有高含水率、高灵敏度、易触变等特点，层厚11.20～17.40 m；③-1淤泥质粉质黏土：灰色，呈软塑状，高压缩性，具有较高含水率、较高灵敏度等特点，呈鳞片状结构，层厚6.70～9.80 m；③-2粉质黏土：灰色、灰褐色，可塑状，高压缩性，干强度中等，韧性中等，层厚6.55～11.80m。

图1 工程区域及建模分析位置分布

图2 典型地质剖面各软土地层分布

从各土层的工程特性可以看出，龙湾区海滨围垦工程的基础土层均为高压缩性土层，这使得工程在建设、运行过程中可能会存在较大的沉降，甚至不均匀沉降，因此需要格外关注工程的沉降变形。

3.2 固结沉降计算模型及条件 本次固结沉降计算分析分别针对工程南区和北区开展，具体剖面位置参考图1。南部和北部典型计算剖面如下图3所示，其中，各典型剖面的堤防采用的是黏土料，南区典型剖面包含6个亚层：①-2黏土、②-1淤泥、②-2含粉砂淤泥、②-3含砂淤泥、③-1淤泥质粉质黏土、③-2粉质黏土；北区典型剖面包含5个亚层：②-1淤泥、②-2含粉砂淤泥、②-3含砂淤泥、③-1淤泥质粉质黏土、③-2粉质黏土。

图3 典型计算剖面

计算工况：主要对工程区南部、北部海堤及堤内一定范围（200.0m）的典型断面在填筑过程以及运行期的应力、变形进行计算分析，分别计算堤防填筑、围垦填土以及1年、4年运行期后软基础沉降量。

主要计算工况如下：①工况1：填筑期，堤防分层填筑至顶部高程6.0m；②工况2：填土期，围垦造地填土至标高3.0 m；③工况3：运行期，主要考虑地基排水条件，计算1年后基础的沉降量；④工况4：运行期，主要考虑地基排水条件，计算4年后基础的沉降量。

计算条件：计算剖面的左、右边界考虑为不透水边界以及位移边界，剖面的地面考虑为不透水地基以及固定位移边界。

计算过程中，对各土层采邓肯-张模型，相应的计算参数参考同类工程经验及相关试验结果，如下表1所示：

表1 各土层的相关计算参数

3.3 计算成果分析 工程区南部堤防典型剖面软基础沉降量。各工况下的南部堤防典型剖面软基沉降计算结果如下图4所示：（1）在堤防的分层填筑过程中，软基础的沉降量逐渐增加。堤防填筑完成时，其下软基础的最大沉降量达到0.72 m。（2）堤防填筑完成后，堤内地基填土加高至标高3.00 m后。通过计算，堤防附近软基础的新增最大沉降量约0.20m。（3）考虑到龙湾区海滨围垦工程软基础均为弱透水性、高压缩性土体，在堤防填筑完成后仍然会在很长的一段时间内持续沉降。通过计算，在堤防、堤内填土工程完成后1年内，软基础的新增最大沉降量达到0.45m。（4）为预测工程竣工后一段时间内堤防附近软基础的新增沉降量，计算过程中还模拟了工程竣工后4年内的软基础沉降。通过计算，工程竣工运行4年后，软基础的新增最大沉降量达到0.25m。

工程区北部堤防典型剖面软基础沉降量。各工况下的南部堤防典型剖面软基沉降计算结果如图5所示：（1）工况1条件下，堤防的分层填筑完成时，堤防下软基础的最大沉降量达到0.77m。（2）工况2条件下，堤防填筑完成后，堤内地基填土加高至标高3.00 m时，堤防附近软基础的新增最大沉降量约0.22m。（3）工况3条件下，在堤防、堤内填土工程完成后1年内，软基础的新增最大沉降量达到0.40m。（4）工况4条件下，工程竣工运行4年后，通过计算，软基础的新增最大沉降量达到0.20m。

4 结论

图4 工程区南部堤防典型剖面沉降量计算结果（单位：m）

图5 工程区北部堤防典型剖面沉降量计算结果（单位：m）

（1）本文依据有限元数值分析理论与方法，以温州市龙湾区海滨围垦造地工程为例，对海滨围垦造地工程施工期的固结沉降进行了计算分析，并预测了工程运行过程中的沉降量，预测结果与以往工程经验较为符合。（2）滨海地区围垦造地工程多涉及深厚软基的处理，其排水固结过程比较复杂，影响因素包括软土的物理力学性质、土层条件、荷载条件、处理方法及工期等，采用有限元数值分析方法，可以更加全面地考虑土体的变形特性、边界条件、土体应力应变关系的非线性特性、土-水耦合效应等，能够获得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力的变化，可以为同类型工程固结沉降分析和处理措施提供技术参考。

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Research on consolidation settlement analysis method of deep soft foundation in reclamation projects of coastal region

HU Qunge1，YAN Jun2，WEI Yingqi2，ZHAO Qi3
（1.Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；3.Yunnan Water Conservancy and Hydropower Construction Co.，Ltd，Kunming 650224，China）

s：Deep soft soil foundation always exists in reclamation projects of coastal region.However，the drainage consolidation process of the kind of foundation is more complicated since the impact factors include the physical and mechanical properties of soft soil，soil conditions，loading conditions，processing method and construction period，etc.In this paper，on the basis of theory of finite element numerical method，a reclamation projects of coastal region in Wenzhou Longwan beach is chosen to verify the related applicability.As an example，the consolidation settlement of the projects during construction is calculated and analyzed.And the long-term settlement deformation is forecast.The research results show that the finite element numerical method can be well applied to solve the consolidation settlement problem of the reclamation engineering of coastal region and provide technical reference for treatment measures in similar projects.

coastal region；deep soft foundation；consolidation settlement；numerical analysis

TU476

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.01.011

1672-3031（2016）01-0067-06

（责任编辑：李 琳）

2015-04-13

国家重点基础研究发展计划（973计划）课题（2014CB047004）；中国水利水电科学研究院专项（岩基本科研1243）

胡群革（1966-），男，浙江永康人，副教授，主要从事水工结构工程大坝安全监控、水利工程管理技术等研究。E-mail：475123449@qq.com