倉(cāng)基俊,關(guān)云飛,陳海軍,劉加才

(1.鹽城市水利科學(xué)研究所,江蘇鹽城 224002;2.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029;3.南京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院,江蘇南京 210009)

軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土堆山工程的地基沉降與土體穩(wěn)定性數(shù)值分析

倉(cāng)基俊1,關(guān)云飛2,陳海軍2,劉加才3

(1.鹽城市水利科學(xué)研究所,江蘇鹽城 224002;2.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029;3.南京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院,江蘇南京 210009)

在軟土地區(qū)利用淤泥質(zhì)土進(jìn)行人工堆山,地基處理方案和堆土方案的設(shè)計(jì)非常重要。以某擬建堆山工程為例,通過(guò)理論分析和三維有限元數(shù)值計(jì)算,論證了地基處理和堆土填筑的技術(shù)方案。地基處理設(shè)計(jì)以地層強(qiáng)度的增長(zhǎng)為主要目標(biāo),綜合地基土層的性質(zhì)、工程造價(jià)和建設(shè)周期等因素,根據(jù)不同區(qū)域的堆土高度選擇不同的地基處理形式。為確保山體填筑過(guò)程的穩(wěn)定,通過(guò)三維有限元數(shù)值分析方法,計(jì)算山體穩(wěn)定性和地基沉降,驗(yàn)證和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),預(yù)測(cè)最終沉降,達(dá)到設(shè)計(jì)方案最優(yōu)化的目的。

人工堆山;地基沉降;山體穩(wěn)定性;數(shù)值分析

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,很多平原地區(qū)陸續(xù)規(guī)劃、建設(shè)人造山體。天津奧林匹克公園、太倉(cāng)鄭和公園等都是以人工堆山為基礎(chǔ)建造的特色景觀區(qū),發(fā)揮了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。在軟土分布地區(qū)進(jìn)行人工堆山,地基加固設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)的確定直接決定工程的成敗,另外由于該類地區(qū)砂石缺乏,山體填筑材料大多采用就近開(kāi)挖的淤泥質(zhì)土,因此淤泥質(zhì)土堆山方案的設(shè)計(jì)也是關(guān)系到工程造價(jià)和建設(shè)周期的重要因素[2]。

本文以某人工堆山工程為研究對(duì)象,詳細(xì)分析了在軟土地區(qū)進(jìn)行人工堆山工程的地基處理設(shè)計(jì)方法,以及以淤泥質(zhì)土作為堆山材料的山體填筑方案,為類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

某市在實(shí)施市區(qū)新飲用水源工程建設(shè)過(guò)程中,需開(kāi)挖土方約600×104m3,為解決開(kāi)挖土方的出路問(wèn)題,在人工湖周邊規(guī)劃生態(tài)景觀區(qū),形成地標(biāo)性的高品質(zhì)、多樣性的山水景區(qū)。挖湖堆山可改善民生,開(kāi)發(fā)旅游資源,同時(shí)節(jié)約大量棄土轉(zhuǎn)運(yùn)資金,一舉兩得。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)工程勘察資料分析,場(chǎng)地內(nèi)各土層工程性質(zhì)變化較大。各主要土層的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。其中3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,流塑,高含水量,高壓縮性,抗剪強(qiáng)度低,承載力低,工程地質(zhì)條件差,為地基土中的不良工程地質(zhì)層,孔隙比大于1,天然含水率大于液限,液性指數(shù)大于1,壓縮系數(shù)大于 0.5 MPa-1。根據(jù)土體物理力學(xué)指標(biāo),可選擇第5B層粉砂層作為地基處理的承壓層,該層工程性質(zhì)較好,中等壓縮性,在5B層缺失區(qū)域,以6層粉砂層代替。

表1 主要土層的物理性質(zhì)指標(biāo)平均值[3]

本工程堆山用土為開(kāi)挖人工湖挖出,開(kāi)挖土體以4 m以內(nèi)第2、3層土為主,粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土經(jīng)開(kāi)挖擾動(dòng)后工程性質(zhì)顯著下降,工程性質(zhì)較差,若直接將其作為堆山材料,容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題。

1.3 軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土堆山的技術(shù)難點(diǎn)

初步設(shè)計(jì)新建山體最大堆土高度達(dá)50 m,原有地基存在較厚的軟土層,承載力較低,堆山用土方為挖湖形成的淤泥質(zhì)粘土,在軟土地基上填筑如此高的人工山體,在全國(guó)范圍內(nèi)鮮有類似的工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

本工程成敗的關(guān)鍵是如何使地基承載力滿足填筑山體的需要并且保證山體在填筑和運(yùn)營(yíng)階段的穩(wěn)定性,包括以下幾個(gè)方面:

(1)根據(jù)地基土層分布和堆土高度,在不同區(qū)域選擇合適的地基加固措施,以提高地基承載力,同時(shí)確保地基的整體性和穩(wěn)定性;

(2)根據(jù)山體形狀和堆土性質(zhì),合理安排山體填筑和坡面排水方案,保證山體的穩(wěn)定;

(3)提出適合本工程的施工流程、質(zhì)量控制措施和施工監(jiān)測(cè)方案。

2 軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土堆山方案設(shè)計(jì)

2.1 地基處理方案設(shè)計(jì)

本工程地基處理設(shè)計(jì)主要采用強(qiáng)度控制原則,即主要以地層強(qiáng)度的增長(zhǎng)為主要目標(biāo),采用適當(dāng)?shù)鼗幚泶胧┨岣叩鼗休d力,保證堆山邊坡和地基的整體穩(wěn)定[4-5]。

人工堆筑的山體往往體積大高度高,荷載面積大,對(duì)地基的承載力要求極高,因此在山體填筑之前必須對(duì)地基進(jìn)行加固處理,尤其在軟土分布地區(qū)修建類似工程,地基處理的費(fèi)用在工程總造價(jià)中占很大的比例,設(shè)計(jì)方案的選擇事關(guān)整個(gè)工程的成敗。

地基處理方案的選擇與工程造價(jià)和建設(shè)周期密切聯(lián)系。在保證工程質(zhì)量和安全的前提下,以工程造價(jià)為控制目標(biāo),應(yīng)盡量選擇打設(shè)排水板或砂井,利用填土荷載堆載預(yù)壓,每一級(jí)荷載施加后預(yù)壓一段時(shí)間,待地基承載力滿足要求后再施加下一級(jí)荷載。對(duì)于以建設(shè)周期為控制目標(biāo)的工程,應(yīng)選擇鉆孔灌注樁或高強(qiáng)度樁復(fù)合地基作為地基加固的主要形式。

由于擬建工程以地基承載力為設(shè)計(jì)控制指標(biāo),為實(shí)現(xiàn)地基處理方案和工程造價(jià)的最優(yōu)化,根據(jù)擬建山體的高度即荷載大小,將場(chǎng)區(qū)分為A、B、C、D四個(gè)區(qū),見(jiàn)圖1。A區(qū)堆高:0～15 m;B區(qū)堆高:15 m～20 m;C區(qū)堆高:20 m～30 m;D區(qū)堆高:30 m～50 m。對(duì)于山體荷載較小的A區(qū)和B區(qū)采用排水固結(jié)法加固地基,山體荷載較大的C區(qū)采用半剛性樁復(fù)合地基法,荷載最大的D區(qū)采用樁基礎(chǔ)。

圖1 地基處理分區(qū)及山體外形圖

具體加固方案為:

(1)A區(qū)采用塑料排水板進(jìn)行堆載預(yù)壓。排水板采用SPB100-C型,深度為 12 m,間距1.5 m,等邊三角形布置。

(2)B區(qū)采用擠密砂石樁聯(lián)合堆載預(yù)壓法。砂石樁直徑取400 mm,樁間距1.5 m,按等邊三角形布置,打設(shè)深度18 m。

(3)C區(qū)采用混凝土芯砂樁復(fù)合地基加固法。該項(xiàng)技術(shù)綜合了排水固結(jié)法對(duì)軟土本身加固效果顯著和預(yù)制混凝土樁強(qiáng)度高、質(zhì)量容易控制兩者優(yōu)勢(shì),綜合了排水固結(jié)法和復(fù)合地基法對(duì)地基的加固作用。預(yù)制芯樁統(tǒng)一采用邊長(zhǎng)200 mm的預(yù)制方樁,整個(gè)混凝土芯砂樁樁體直徑500 mm,間距取2.5 m,等邊三角形布置,且芯樁與外部砂殼的打設(shè)深度保持一致。

(4)D區(qū)采用鉆孔灌注樁及承臺(tái)對(duì)地基進(jìn)行加固處理,打設(shè)深度16 m,樁徑1 000 mm,間距5.0 m。

為保證充分發(fā)揮地基土的承載力,同時(shí)孔隙水沿豎向排水體滲入地表后能順利排到場(chǎng)地外,在堆土之前鋪設(shè)一層砂墊層或碎石墊層。由于在靠近中心荷載較大的部位可能產(chǎn)生3 m以上的沉降,為保證砂墊層在水平方向有效排水,因此填砂墊層時(shí),需要預(yù)填土形成人字坡,保證堆載沉降后不形成鍋底。

2.2 人工堆山方案設(shè)計(jì)

堆載進(jìn)度控制應(yīng)以土坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果控制為準(zhǔn),由于填筑山體的土方是開(kāi)挖人工湖而來(lái)的淤泥質(zhì)土,含水率較大,不宜直接填筑。因此在取土前可對(duì)開(kāi)挖場(chǎng)地進(jìn)行輕型井點(diǎn)降水,必要時(shí)進(jìn)行晾曬碾壓,碾壓法施工時(shí)應(yīng)根據(jù)壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)能量,控制碾壓土的含水率符合最優(yōu)百分比,對(duì)于一般粘性土,通常采用8 t～10 t的平碾或12 t發(fā)熱羊足碾,每層鋪土厚度30 cm左右,碾壓8～12遍。后期堆土的含水率控制在最優(yōu)含水率wy±2,壓實(shí)系數(shù) λc≥0.90,其中 λc為土的控制干密度ρd和最大干密度ρdmax的比值;最大干密度宜采用擊實(shí)試驗(yàn)確定。

逐步堆載設(shè)計(jì)方案按照地基極限承載力除以安全系數(shù)的方法得到地基極限堆載高度。地基極限承載力則根據(jù)土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,土體抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)量依據(jù)附加應(yīng)力及其固結(jié)度進(jìn)行計(jì)算。

2.3 討論

目前對(duì)于大面積堆載問(wèn)題的設(shè)計(jì)計(jì)算,大多采用規(guī)范方法,但由于堆山工程的山體形狀不規(guī)整,采用建立在條形基礎(chǔ)上的規(guī)范公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算不可避免的會(huì)產(chǎn)生誤差,對(duì)于該類問(wèn)題,應(yīng)建立三維有限元計(jì)算模型,采用數(shù)值方法進(jìn)行穩(wěn)定性和沉降計(jì)算,分析設(shè)計(jì)參數(shù),選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[6]。

對(duì)于D區(qū),山體填筑高度較高,荷載較大,一般地基處理方法很難滿足要求。該處采用復(fù)合樁基,考慮到填筑高度的不同采用了不同樁長(zhǎng)進(jìn)行處理,做到區(qū)別對(duì)待,理論上是可行的,而且是較優(yōu)的一種方案。山體填筑過(guò)程中,地基的強(qiáng)度主要表現(xiàn)為承載力和土坡穩(wěn)定兩個(gè)方面,最終應(yīng)以土坡穩(wěn)定控制為主。在允許地基土發(fā)生較大變形的前提下,復(fù)合樁基承載力得以大大提高。由于承臺(tái)與承臺(tái)之間是相互斷開(kāi)的,抵抗水平力較差,可通過(guò)在承臺(tái)上方布置土工格柵形成樁-網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu),增強(qiáng)山體的整體穩(wěn)定性。

3 軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土堆山地基沉降與山體穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

由于山體填筑所用土方為淤泥質(zhì)粘土,且原有地基存在較厚的軟土層,在淤泥質(zhì)地基上填筑如此高的人工山體,需進(jìn)行全面的分析論證。在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維有限元數(shù)值計(jì)算,分析山體穩(wěn)定性和地基沉降,驗(yàn)證和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。從圖1可知,擬建山體的形狀較復(fù)雜,需對(duì)其中多個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算,本文以30 m高程山峰為例,利用大型三維有限元分析軟件ABAQUS分析山體的穩(wěn)定和地基沉降。

取30 m高程山峰坡度最大處山體的一半建立計(jì)算模型,在模擬山體時(shí),將山體按等高線分成若干薄片,計(jì)算模型如圖2所示。填土采用Mohr-Coulomb模型,地基土采用修正劍橋模型[7],模型參數(shù)列于表2中。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

表2 有限元計(jì)算參數(shù)

3.2 穩(wěn)定分析

3.2.1 計(jì)算工況

山體填筑方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)使加載進(jìn)度與軟土地基強(qiáng)度增長(zhǎng)的速度相適應(yīng),如果加載過(guò)快,則大部分附加應(yīng)力由孔隙水所承擔(dān),地基土強(qiáng)度不能相應(yīng)提高,而且土的結(jié)構(gòu)有可能被破壞,導(dǎo)致強(qiáng)度衰減,造成局部或整體的剪切破壞。因此,控制適當(dāng)?shù)募虞d進(jìn)度是極為重要的。對(duì)于堆土總高度30 m的山峰,初步設(shè)計(jì)按9級(jí)加載,具體進(jìn)度如圖3所示。

圖3 擬定加載進(jìn)度

3.2.2 計(jì)算原理

采用基于重度增加法的有限元計(jì)算方法,重度增加法適用于在飽和沉積土上進(jìn)行堆載的穩(wěn)定分析,計(jì)算原理為保持巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c,φ為常數(shù),通過(guò)逐步增加重力加速度g的方式,反復(fù)進(jìn)行有限元分析,直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài),此時(shí)采用的重力加速度glimit與實(shí)際重力加速度g0之比即為該邊坡的安全系數(shù),即

采用坡面位移點(diǎn)突變作為失穩(wěn)的判據(jù),以迭代求解的不收斂性、廣義剪應(yīng)變貫通作為參考和補(bǔ)充判斷邊坡是否失穩(wěn)破壞。

3.2.3 計(jì)算步驟

在有限元分析軟件中的具體計(jì)算操作過(guò)程如下:

(1)建立有限元分析模型,用實(shí)際的土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,若計(jì)算結(jié)果收斂或坡腳位移沒(méi)有發(fā)生突變,表明此時(shí)坡體穩(wěn)定,可進(jìn)行下一步計(jì)算;若計(jì)算結(jié)果不收斂或坡腳位移突變,表明此時(shí)坡體不穩(wěn)定,對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)小于1。

(2)增大Fs調(diào)整重力加速度,將加載的重力水平增大,增大的幅度視具體情況而定,將調(diào)整后的重力賦予計(jì)算模型,記錄計(jì)算收斂后的坡腳位移。

(3)重復(fù)第(2)步,不斷增大Fs值,直至計(jì)算模型的坡腳位移發(fā)生突變或不收斂,則認(rèn)為邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞,計(jì)算發(fā)散前一步的Fs值即為安全系數(shù)。

3.2.4 計(jì)算結(jié)果分析

施加第一級(jí)荷載,加載期為1個(gè)月,以重度增加系數(shù)0.7作為起點(diǎn),逐漸增加重力加速度,逐一進(jìn)行有限元分析,得到坡腳位移增量△u1與重度增加系數(shù)增量△Fs之比△u1/△Fs與重度增加系數(shù)Fs的關(guān)系,如圖4所示,從圖中可以看出,在重度增加系數(shù)達(dá)到1.9時(shí)坡腳位移產(chǎn)生突變,表明該級(jí)堆載作用下山體保持穩(wěn)定。同理得出施加每一級(jí)荷載時(shí)的坡腳位移增量與重度增加系數(shù)增量之比(△u1/△Fs)與重度增加系數(shù)Fs的關(guān)系,計(jì)算得再載安全系數(shù)分別1.3～1.9,因此,初步設(shè)計(jì)的分級(jí)堆載方案是可行的。

圖4 第1級(jí)荷載△u1/△Fs～Fs關(guān)系曲線

3.3 地基最大沉降量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,該處山峰地基中心點(diǎn)沉降最大,達(dá)2.109 m,四周逐漸減小,形成鍋狀,圖5為最終的沉降云圖,可按沉降計(jì)算結(jié)果設(shè)置預(yù)堆砂墊層的厚度,即將砂墊層鋪設(shè)成反扣的鍋底形,使得山體沉降后砂墊層不出現(xiàn)明顯低洼,保證孔隙水的排出。

圖5 沉降計(jì)算結(jié)果示意圖

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,可確定不同區(qū)域預(yù)鋪砂墊層的厚度和山體填筑過(guò)程中因沉降所需補(bǔ)充的土方量。

4 結(jié) 語(yǔ)

軟土地區(qū)人工堆山工程的設(shè)計(jì),需要解決的主要技術(shù)難題是選擇合適的地基加固方案和山體填筑方案,本文結(jié)合擬建工程的地質(zhì)條件、造價(jià)和建設(shè)周期要求等,從相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)、數(shù)值分析等角度系統(tǒng)闡述了軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土堆山工程的設(shè)計(jì)方法。

(1)地基處理設(shè)計(jì)主要采用強(qiáng)度控制原則,即主要以地層強(qiáng)度的增長(zhǎng)為主要目標(biāo)。為在工程造價(jià)和建設(shè)周期之間找到平衡點(diǎn),可按最高堆山高度將擬建場(chǎng)地劃分為若干區(qū)域,在堆土較高的區(qū)域采用鉆孔灌注樁或高強(qiáng)度樁復(fù)合地基,在堆土相對(duì)較低的區(qū)域盡量采用排水固結(jié)法,充分發(fā)揮地基土的承載里。

(2)為確保填筑過(guò)程中的山體穩(wěn)定,先提出擬定加載進(jìn)度,再通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)為了保證工程質(zhì)量,快速安全的填筑山體,需對(duì)施工和運(yùn)行期的地基和山體進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控,檢驗(yàn)施工方案的合理性,并對(duì)工程狀態(tài)作出符合實(shí)際的評(píng)價(jià)以及獲取可靠的設(shè)計(jì)分析參數(shù),因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及原位測(cè)試也是堆山工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

[1]雷華陽(yáng),李鴻琦,劉祥君,等.建筑垃圾堆山工程中軟土地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)探討[J].巖土力學(xué),2004,25(Z2):589-593.

[2]何大為.奧林匹克森林公園堆山工程沉降變形觀測(cè)及其分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2007.

[3]鹽城市勘察測(cè)繪局.鹽龍山山體工程工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].2010.

[4]龔曉南.地基處理手冊(cè)(第三版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

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[7]王金昌,陳頁(yè)開(kāi).ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2006.

Mumerical Analysis for Foundation Treatment and Stability of Muddy Soil during Artificially Piling Mountain in Soft Soil Areas

CANG Ji-jun1,GUAN Yun-fei2,CHEN Hai-jun2,LIU Jia-cai3
(1.Yancheng Hydraulic Research Institute,Yancheng,Jiangsu224002,China;2.Geotechnical Engineering Branch Institute,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu210029,China;3.College of Communications,Nanjing Polytechnical University,Nanjing,Jiangsu210009,China)

When artificially piling mountain with muddy in soft soil areas,the design for foundation treating and earth piling scheme is very important.Here,taking a mountain piling engineering for example,the technical scheme for foundation treatment and bulldozing filling is analyzed and demonstrated through theoretical analysis and 3-D finite element calculation.In the design for foundation treatment,the increasing of formation strength should be taken as a main aim,some factors as the nature of foundation soil,project cost,construction period and so on should be taken into account comprehensively,then the appropriate forms of foundation trentment are selected according to the bulldozing height of different regions.In order to assure the stability in hill filling progress,the 3-D finite element analysis method is used to calculate the mountain stability and foundation settlement,verify and adjust the design parameters,and predict the final settlement,at last,the design optimization is achieved.

artificial piled mountain;foundation settlement;stability of mountain;numerical analysis

TU473

A

1672—1144(2012)01—0031—05

2011-10-23

2011-12-14

倉(cāng)基俊(1965—),男(漢族),高級(jí)工程師,主要從事水利科技咨詢及水利工程建設(shè)管理。