深水软基斜坡堤沉降变形对护面层稳定的影响

孙 楠，李 健，别社安（.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300； .天津大学 建筑工程学院，天津 30007）



深水软基斜坡堤沉降变形对护面层稳定的影响

孙 楠1，李 健1，别社安2
（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222； 2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

摘要：为了研究深水软土地基上抛石斜坡堤沉降变形对护面层结构稳定性的影响，采用软土蠕变模型对深水抛石斜坡堤的软土地基的沉降变形进行模拟计算。计算结果表明深水软土地基上抛石堤的竖向沉降和水平变位发展持续时间较长；堤身变形稳定后，堤身中部的竖向沉降量大于堤脚处的水平位移量，堤身外轮廓线长度变短，软土地基和堤身的沉降变形对护面层结构的稳定基本没有不利影响。

关键词：软土地基；沉降变形；护面层；PLAXIS；软土蠕变模型

引 言

软土地基上斜坡堤的堤身和护面结构的竖向沉降量及水平位移量均较大，特别是后期的沉降和变位可能会导致垫层结构和护面结构破坏，因此有效模拟斜坡堤的沉降及水平位移是至关重要的。深水软土地基上斜坡堤的竖向沉降主要是地基软土固结变形产生的，水平变形主要是地基软土受挤压变形和蠕变产生的。固结变形和蠕变均可通过PLAXIS有限元软件［1，2］中的软土蠕变模型来进行模拟计算。

本文先对地质条件相似、且有现场观测资料的某斜坡堤进行有限元分析，以确定相关土体的模型参数，再将验证了的计算模型和参数应用到某深水软土地基上的斜坡堤的变形分析中，根据得到斜坡堤面层的变形结果，来分析竖向沉降和水平变形对斜坡堤护面及垫层结构稳定性的影响［3］。

1 浅水软土地基抛石堤固结变形计算分析

1.1 基本资料

图1 浅水软土地基上的抛石堤斜坡堤

某浅水软土地基上的抛石堤斜坡堤结构如图1示。该堤的施工工序和工期如表1所示，地质土层参数如表2所示。

表1 堤身结构施工工序和工期时间

表2 土层物理力学指标

1.2 固结变形有限元分析

1）模型及参数选取

地基土层中的淤泥、淤泥质粘土以及粉质粘土采用软土蠕变模型，粉砂采用摩尔-库仑模型，模型参数如表3示［4］。

表3 土体模型参数

2）数值计算和实测结果对比

通过数值计算得到了位于原泥面上距外侧坡脚距离分别为41 m、25 m、10 m、0 m处的ABCD四点的最终沉降量，以及D点的水平位移值，如表4所示。对应的工程施工监测得到的现场实测数据也列于表4中。

表4 数值计算与实测沉降和水平位移的比较

数值计算与实测数据的对比可见，抛石斜坡堤有限元计算得到的变形情况与实际情况基本相符，表明本文有限元计算中的模型和参数选取是合理的，该计算模型和参数可应用于相似地质条件的抛石斜坡堤结构的沉降变形分析。

2 深水软土地基抛石堤固结变形计算分析

2.1 工程结构和参数

文献［5］中的某深水软土地基上的抛石防波堤，结构断面如图2所示，地质土层参数如表5所示。该堤的施工工序和工期如表6所示。

图2 深水软土地基上的抛石堤斜坡堤

表5 土层物理力学指标

表6 深水斜坡堤结构施工工序和工期时间

该抛石斜坡堤结构顶高程 7.5 m，底高程-23.0 m，泥面处设计断面宽度174 m。地基中的浅层淤泥用砂土换填，厚度为7 m。堤心采用抛石结构，外侧护面坡度为1：2，肩台顶高程为-7.0 m，宽度为5 m。肩台以上护面采用10 t扭王字块体，肩台以下护面采用4 t扭王字块体，护面下设置1.2 m厚的500～800 kg垫层块石。护底采用200～400 kg块石，宽度为10 m。

2.2 计算模型和计算结果分析

换砂、堤心石及护面块体采用摩尔库仑模型，淤泥、淤泥质粘土及粉质粘土采用软土蠕变模型，参数如表7所示。

表7 土体模型参数

通过计算得到了堤身和地基土中各位置处的竖向沉降量和水平位移量随时间的变化情况［6］。

图3所示为从施工期到完工后5年内堤中心下地基中不同深度处的竖向沉降量随时间的变化情况。软土地基上，完工5年后，堤身沉降仍未稳定。堤心地基沉降量随深度增大而减小。最大沉降量出现在堤心原泥面处，总沉降量超过3 m。施工期全部加载完成后，堤心沉降量为1.20 m，5年内仍有1.80 m的固结沉降量。

图4为泥面线上各点的竖向沉降量变化情况。堤心原泥面处的总沉降量最大，堤脚处基本没有沉降量，堤身外侧的地基有隆起现象。

图5和图6所示为原泥面线上各点的水平位移量随时间的变化情况。距堤中20 m（堤身高度30.5 m）宽度内，原泥面线上各点的水平位移量水平逐渐增大，距堤中20 m宽度外，原泥面线上各点的水平位移量基本相同，施工完成5年后，堤脚泥面处的水平位移量约为2 m。

图3 堤心不同深度处的竖向沉降量的历时曲线

图4 泥面线上各点的竖向沉降量随时间变化

图5 泥面线上各点的水平位移量的历时曲线

图6 泥面线上各点的水平位移量随时间变化

图7所示为堤身和地基的沉降变形，图8为堤身面层轮廓线的沉降变形，表8为沉降变形前后堤身轮廓线长度的变化情况。堤身变形接近稳定后，堤身中部的竖向沉降量大于堤脚处的水平位移量（堤身中部的水平位移量为0，堤脚处的竖向沉降量为0），堤身外轮廓线的总长度、斜坡段长度均变短，说明堤身结构整体变紧实。肩台以上部分的的坡度略有变缓（由1：2变为1：2.18），肩台以下部分的坡度变化不大。因此可以认为沉降变形对护面层结构的稳定基本没有不利影响。

图7 堤身和地基的沉降变形

图8 堤身面层轮廓线的沉降变形

表8 沉降变形前后堤身轮廓线长度变化

3 结 论

深水软土地基上抛石堤的竖向沉降和水平变位发展持续时间较长，在5年以上。堤身变形稳定后，堤身中部的竖向沉降量大于堤脚处的水平位移量（堤身中部的水平位移量为0，堤脚处的竖向沉降量为0），堤身外轮廓线长度变短，堤身结构整体变紧实。肩台以上部分的坡度略有变缓，肩台以下部分的坡度变化不大。沉降变形对护面层结构的稳定基本没有不利影响。

参考文献：

［1］ 朱伯芳.有限单元法原理与应用［M］.北京：水利电力出版社，1979.

［2］ Introductory version of PLAXIS code：程序说明书［M］.2000.

［3］ 中华人民共和国交通运输部.JTS147-1-2010港口工程地基规范 ［S］.人民交通出版社，2010.

［4］ 廖先斌，王强，马峰.软土屈服前后固结系数变化特征［J］.水运工程，2013，（7）：54-56.

［5］ 李绍武，储小欢.软土地基上斜坡式防波堤断面稳定性的物理模型试验研究［J］.港工技术，2011，48（5）：9-11.

［6］ 宣庐峻.国外某软土地质防波堤工程的地基稳定分析［J］.水运工程，2013， （9）：108-115.

Impact on Stability of Armor Layer Due to Settlement and Deformation of Inclined Breakwater Supported on Deepwater Soft Soil Ground

Sun Nan1， Li Jian1， Bie She' an2
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China； 2.School of Civil Engineering，Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：In order to study how the structural stability of armor layer is impacted by the settlement and deformation of rubble-mound inclined breakwater on deepwater soft ground， soft soil creep model is used to simulate the settlement and deformation.The calculation results show that the vertical settlement and horizontal deformation of rubble-mound breakwater are of long duration under the condition of deepwater soft soil ground.When the deformation of breakwater reaches stable state， the vertical settlement at the middle of breakwater is more than the horizontal displacement at the toe of breakwater， the external contour of breakwater becomes shorter， and the settlement and deformation of soft soil ground and breakwater almost has no adverse impact on the structural stability of armor layer.

Key words：soft soil ground； settlement and deformation； armor layer； PLAXIS， soft soil creep model

中图分类号：TU441+.6

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）02-0055-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160214

收稿日期：2015-10-19

作者简介：孙楠（1984-），女，工程师，主要从事港口工程水工结构设计工作。