考虑固结作用的软土地基上灰堤的稳定性分析

汪 彪，饶俊勇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

软土主要产生于滨海、湖泊、河滩及沼泽地，特点是强度低、压缩性大、含水量高和透水性差。在我国及东南亚国家沿海区域广泛分布着深厚软土层，在这些区域新建电厂时，需对区域内软土地基做出合适的处理方案[1]。软土地基未做处理时，在上部结构荷载作用下，容易失稳造成破坏。其压缩性高且渗透性差，地基会产生相当大的工后沉降或沉降差，且沉降过程延续时间很长，影响建(构)筑物的正常使用[2]。

与其他建(构)筑物相比，灰场能较好地适应工后沉降，这使得排水固结法作为软土上灰堤的地基处理方案成为可能[3-4]。排水固结地基处理施工时，灰堤本体材料可作为堆载体，由于软土强度低，很难承受灰堤一次全部加载时的重量。因此，堆载时灰堤可采用分级碾压的方式施工，每次加载之间有一定的间隔。土体中孔隙水在荷载作用下，可通过PVD或砂井等排水通道排出。当施工期软土地基土体强度不足时，灰堤会出现穿过软土层的深层滑动破坏，严重时会影响到碾压机械及操作人员的施工安全。因此，对灰堤分级加载施工时的灰堤稳定应当给予关注。目前，对于考虑施工期的灰堤稳定的研究还比较少，本文针对一滨海地区软土地基上分级加载的滩涂灰场，采用有限元软件Geo-studio对软土地基上的灰堤分级加载进行计算，以分析灰堤施工时，灰堤边坡稳定安全系数的变化规律。

1 考虑固结的稳定性分析

影响边坡稳定的因素有很多，但边坡失稳的根本原因为边坡土体内部某滑动面上的剪应力达到了土体自身的抗剪强度，其稳定状态遭到破坏[5]。而考虑固结的关键在于是否考虑了软土中有效应力增加后引起的抗剪强度的增加，公路系统中使用平均固结度作为参数来考虑土体强度增加的经验公式即有效固结应力法[6-7]，并不完全适用于电厂灰堤的设计。有限元软件Geo-studio通过应力与孔隙水压力的耦合，来实现对软土固结过程的模拟，将应力模块的计算结果导入稳定模块后，即可得到施工期考虑固结后各阶段的安全系数。

土体抗剪强度指标的恰当选取是影响边坡稳定计算结果的重要因素[8]，对于考虑排水固结的堆载预压地基处理，针对不同时刻孔隙水压力的计算是其中一个重要环节，所以在本次数值模拟中采用有效应力参数是必要的。

2 工程简介

2.1 工程概况

东南亚某国2×660 MW燃煤电站二期工程，位于滨海地带，为二级滩涂灰场。灰场占地面积约为20 ha，总库容约为136万m3，能满足电厂贮灰4 a的要求，临海侧灰堤为碾压堆石堤，其他侧为粘土堤，堆石(粘土)堤采用三次分级堆载的方式施工，灰堤分级堆载曲线如图1所示。

图1 灰堤分级堆载曲线

2.2 地质条件

灰场地段广泛分布着②层淤泥、淤泥质土，颜色呈灰黑色、褐灰色，多呈流塑状态，属高压缩性土。该层土的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1，属于软土，厚度约10.75～22 m不等。该层软土中发育近水平微薄层理，由于频繁的海侵、海退和潮汐的局部作用，形成了一系列不完全的沉积韵律和极其发育的微层理。②层淤泥层下为③层粉细砂层，渗透系数大，堆载预压处理时，可作为下层排水通道。为了改善淤泥层排水条件，在灰堤区域内设置PVD，PVD打穿②层淤泥，伸入③层粉细砂层。临海侧②层淤泥层最厚，地质条件最差，故以临海侧灰堤为典型计算断面。灰堤典型断面及地层条件如图2所示。灰堤区域内的PVD按间隔1 m×1 m正方形布置，规格为W×B=100×4.5，C型排水板，纵向透水率不小于40 cm3/s。

图2 灰堤典型断面及地层条件图

3 数值计算及结果分析

3.1 模型输入

本节利用Geo-studio建立模型，以分析灰堤施工期的边坡稳定。模型范围取灰堤前100 m，堆灰顶后100 m，模型两侧约束X向位移，模型底约束X、Y双向位移。有限元分析中对塑料排水板的模拟，采用等效渗透系数法，见Jin-Chun Chai[9]的相关研究。Geo-studio稳定计算采用瑞典圆弧法。

对于②层淤泥质土强度指标的选取，使用三轴固结不排水(CU)试验的有效应力指标，各层土的参数如表1所示。

表1 各土层参数表

②层淤泥质土数值模拟时采用国际通用的适用于软土模拟的修正剑桥模型，压缩指数Cc=0.318，回弹指数Cs=0.092，有限元固结计算分析模型如图3所示。

图3 Geo-studio固结计算最终加载模型

3.2 数值计算结果分析

根据计算结果，灰堤基底下某点处超孔隙水压力随时间变化曲线如图4所示。

图4 灰堤基底处超孔隙水压力随时间变化曲线图

由图可知，在灰堤堆载时，超孔隙水压力增大，随后静置时，超孔隙水压力逐渐减小；第二次加载时，超孔隙水压力又开始增大，随后超孔隙水压力逐渐减小；在最后一次加载后，超孔隙水压力最终减小为0，符合堆载预压超孔隙水压力消散规律。

Geo-studio某一级稳定计算结果如图5所示。

图5 第一级加载时稳定计算结果

灰堤内坡坡度陡于外坡坡度，且外坡中部下设置了CDM桩，起到了抗滑的作用。因此，施工期各级稳定计算的边坡失稳滑弧均出现在灰堤内坡。

3.2.1 边坡稳定与计算方法

本节利用有限元软件和岩土软件分别建立分析模型进行对比计算。该有限元软件稳定计算采用强度折减法；岩土软件采用基于极限平衡圆弧滑动的有效固结应力法，其强度采用快剪和固结快剪指标，快剪指标c=7 kPa，Φ=4°， 固 结 快 剪 指 标c=12 kPa，Φ=13°。二者模型范围及边界条件均与Geo-studio软件一致，考虑固结作用各计算方法灰堤施工期的边坡稳定计算结果如图6所示。

图6 不同计算方法的安全系数随时间曲线图

由图可知，由于计算理论的关系，有限元软件安全系数的计算结果明显偏大，Geo-studio与岩土软件的计算安全系数相差不大；Geostudio与岩土软件计算原理均为基于极限平衡的圆弧滑动方法，与Plaxis的强度折减法有本质区别。由于固结计算理论的不同，Geo-studio与岩土软件的主要差异在于静置后的安全系数，静置前(堆载完成时)的安全系数基本一致，而静置前的安全系数最小，是施工期稳定的控制因素。

基于有效固结应力法的理正岩土应用于路堤加载稳定的分析已较为成熟，根据其与Geostudio计算结果的对比，表明采用Geo-studio进行考虑固结的施工期稳定的数值模拟是合理可行的。强度折减法未在规范中明确可以采用，且其稳定计算结果与基于极限平衡的计算结果差异较大，因此建议避免直接利用该有限元软件的稳定计算结果。

3.2.2 边坡稳定与固结时间

三级加载中，随着堆载的高度增大，每级加载的安全系数逐渐变小。在加载完成静置固结一段时间后，安全系数会有一定的提高；这是由于静置时，软土中超孔隙水压力逐渐消散，有效应力增加引起抗剪强度增加，增大了土体条块的抗滑力；为了验证此变化规律，选取第一级加载后的静置期(第15～195 d)进行分时间段计算，各时间段的安全系数如图7所示。

图7 第15～195 d安全系数随时间变化曲线图

由上图可知，在第一级加载后静置固结的180 d内，灰堤稳定安全系数逐渐增大；在加载完成后的60 d内，安全系数的增加较快，其后安全系数的增加速度趋于平缓。

3.2.3 边坡稳定与渗透系数

PVD的设置是为了加速软土中孔隙水的排出，相当于提高了软土的渗透系数；图8为设置PVD与不设置PVD且软土为不同渗透系数时灰堤稳定安全系数随时间变化曲线图。

图8 安全系数随软土渗透系数变化曲线图

由上图可知，随着软土渗透系数的提高，灰堤施工期稳定的安全系数也随之增大，这是由于渗透系数提高时，超孔隙水压力消散速度加快，在一定时间内有效应力的增长更为显著。本工程中当软土渗透系数为k=2.76e-4 m/d时，第二、三级加载时的安全系数小于1，灰堤内坡已发生失稳破坏；设置PVD时，各级加载的稳定安全系数均大于1.15，满足稳定要求。

4 结论

1)通过多计算方法对比分析，表明Geostudio进行考虑固结作用的施工期稳定计算是合理可行的；应避免直接利用plaxis的稳定计算结果。

2)在灰堤堆载时，超孔隙水压力增大，随后静置时，超孔隙水压力逐渐减小；在最后一次加载静置后，超孔隙水压力最终减小为0，符合堆载预压超孔隙水压力的消散规律。

3)灰堤稳定安全系数受固结时间的影响，在一定时间段内，固结时间越长，安全系数越大。

4)当软土渗透系数提高时，灰堤稳定的安全系数也随之增大，设置PVD提高了区域内软土的渗透系数，增大了灰堤稳定的安全系数。