畢 丹

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤(pán)錦124010)

0 引言

曹妃甸礦石碼頭一期工程堆料場(chǎng)工程位于曹妃甸島東南側(cè)，與唐山LNG現(xiàn)在場(chǎng)地隔路相應(yīng)。工程包括6個(gè)堆料場(chǎng)、5個(gè)皮帶傳輸軌道梁及機(jī)房、變電站等設(shè)施，平面布置圖見(jiàn)圖1所示。工程于2004年開(kāi)工建設(shè)，于2005年投產(chǎn)。場(chǎng)地為濱海人工吹填粉砂經(jīng)強(qiáng)夯處理地基，用于堆放礦石，場(chǎng)地設(shè)計(jì)承載力為100 kPa，但實(shí)際堆載過(guò)程中，局部堆載最大達(dá)到400 kPa。在投入使用不久，即出現(xiàn)了地面不均勻沉降問(wèn)題，堆載區(qū)域周?chē)孛婷黠@下陷，行車(chē)出現(xiàn)卡軌、運(yùn)行困難等現(xiàn)象，個(gè)別構(gòu)筑物已破壞，不能正常使用。

圖1 堆載場(chǎng)地平面布置圖

工程沉降監(jiān)測(cè)最早始于2004年12月25日，最近一次監(jiān)測(cè)記錄為2007年3月，歷時(shí)2年多，取得了較為豐富的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)在大面積堆載場(chǎng)地設(shè)置地表沉降監(jiān)測(cè)儀器，進(jìn)行歷時(shí)3年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)大面積堆載作用下軟土地基的沉降變形特性進(jìn)行了分析研究，揭示了大面積堆載作用下軟土地基變形特性不同于常規(guī)荷載作用下軟土地基變形特性的規(guī)律，總結(jié)了大面積堆載條件下軟土地基變形沉降的規(guī)律，利用數(shù)值計(jì)算方法模擬了地基沉降變形規(guī)律，分析了地基破壞模式，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果有著較好的一致性?？偨Y(jié)了大面積堆載沉降變形的一般規(guī)律［1～6］，為軟土地基的固結(jié)沉降分析計(jì)算提供依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)即將開(kāi)工建設(shè)的唐山LNG工程具有非常重要意義。

1 巖土地層分布和土層特性

地基土層按其宏觀特性可分成6層。

①粉細(xì)砂(Q4m)，灰黃、灰色，飽和，中密，層厚3.0～4.0 m，局部含粉質(zhì)粘土夾層，灰色，飽和，單層厚2～10 mm;

②粉質(zhì)粘土(Q4m)，灰色，可塑，層厚0.7～14.5 m，平均厚度7.2 m;

③粉土(Q4m)，灰色，飽和，中密～密實(shí)，層厚2.0～8.0 m，平均厚度4.8 m;

④粉質(zhì)粘土(Q4m)，灰色，可塑，層厚6.4～14.3 m，平均厚度9.2 m;

⑤粉土(Q3m)，灰色，飽和，中密～密實(shí)，層厚0.9～7.3 m，平均厚度4.0 m;

⑥粉細(xì)砂(Q3m)，灰色，飽和，密實(shí)，平均厚度12.7 m。

2 地基變形與原因分析

2．1 地基變形性狀

為了進(jìn)行跟蹤控制與管理，2004～2007年，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)的沉降監(jiān)測(cè)，由于數(shù)據(jù)較多，文中只列出最近一次的觀測(cè)結(jié)果，行車(chē)鋼軌標(biāo)高變化曲線如圖2所示。

圖2 行車(chē)鋼軌標(biāo)高變化曲線圖

大面積堆載一般具有如下特征:固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，孔隙水壓力消散緩慢;影響范圍大，由于堆載引起的附加應(yīng)力隨深度變化很小，因此壓縮層厚度較大;一般具有沉降盆特征，兩邊沉降小，中間沉降大，堆載壓力越大，沉降越大。

從圖2中可以看出，地基沉降變形量非常大，許多構(gòu)筑物的沉降量都超過(guò)了300 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其可以承受的變形;不均勻沉降明顯，最大沉降段變形量達(dá)到350 mm，而最小的沉降量?jī)H為30 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，局部的地面沉降速率仍然大于0.05 mm/d，沒(méi)有穩(wěn)定下來(lái)的趨勢(shì)，同時(shí)，不均勻沉降有進(jìn)一步加劇的跡象。

2．2 地基變形原因分析

(1)地質(zhì)狀況復(fù)雜。根據(jù)地勘資料，該區(qū)域的工程地質(zhì)參數(shù)如表1所示。由表1可見(jiàn)，該區(qū)域具有明顯的軟弱土特征，抗剪強(qiáng)度低，壓縮性高，次固結(jié)沉降極其可觀。另外，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該區(qū)域的各土層厚度非常不均勻，壓縮性不一致，這在一定程度上也造成了沉降的不均勻性。

表1 地基土參數(shù)

(2)設(shè)計(jì)不合理。只對(duì)地面進(jìn)行了強(qiáng)夯加固處理，由于強(qiáng)夯加固影響深度較小，并沒(méi)有考慮深層地基巖土體的排水固結(jié)效應(yīng)。

(3)堆載過(guò)大，不均勻，且有反復(fù)堆載作用。該區(qū)域在使用過(guò)程中，一般堆載量都會(huì)超過(guò)100 kPa，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，天然地基的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足堆載的要求。再者，堆載情況是不停地變化著的，地基一直處于反復(fù)的加載卸載過(guò)程中，使得卸載后土體不能得到有效的回彈恢復(fù)。

3 數(shù)值計(jì)算分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮堆載邊界影響范圍，確定了數(shù)值計(jì)算模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1800 mm×420 mm×150 mm，行車(chē)軌道(包括碎石墊層)尺寸如圖3所示。

圖3 軌道尺寸圖

模型共剖分單元110640個(gè)，節(jié)點(diǎn)119785個(gè)。沿軌道走向每25 m一格共設(shè)60格，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的60段軌道對(duì)應(yīng)，軌道端頭外延150 m以消除邊界約束對(duì)端頭附近土層沉降的影響，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型圖

3．1 本構(gòu)模型及邊界條件

軌道墊層及地基巖土選擇彈塑性摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。模型邊界條件采用位移邊界條件，如圖5所示。底部X、Y、Z三個(gè)方向限定位移，X方向在X=0，X=1800 m位置限定X方向位移，Y方向在Y=0，Y=420 m位置限定Y方向位移。

圖5 模型邊界條件

3．2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察資料，綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，各地層的計(jì)算參數(shù)參見(jiàn)表1。

3．3 計(jì)算結(jié)果分析

圖6為模型計(jì)算的沉降等值云圖，從圖中可以看出，在大面堆載力作用下，地基呈現(xiàn)不規(guī)則沉降，局部沉降量較大。在400 kPa堆載力的作用下，最大沉降值約為1.6 m。

圖7為地基變形破壞的云圖，地基破壞的主要形式為剪切破壞，在局部存在拉剪破壞模式。

圖6 沉降等值云圖

圖7 地基塑性破壞模式

圖8為BDQ1行車(chē)軌道沉降曲線圖，從圖中可以看出，數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本接近，利用數(shù)值計(jì)算方法很好的擬合了大面積堆載變形規(guī)律，再現(xiàn)了沉降變形及破壞過(guò)程。

4 結(jié)論

在軟弱地基條件下，大面積不均勻堆載極易產(chǎn)生不均勻沉降，同時(shí)，由于固結(jié)排水條件差，變形持續(xù)的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，很難得到有效的穩(wěn)定控制，這種變形將對(duì)構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)和安全產(chǎn)生很大影響。

(1)大面積堆載一般具有如下特征:固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，孔隙水壓力消散緩慢，影響范圍大，一般具有沉降盆特征，兩邊沉降小，中間沉降大，堆載壓力越大，沉降越大。

(2)大面積不均勻堆載地基變形破壞的原因主要是由于堆載過(guò)大，不均勻，且設(shè)計(jì)不合理造成的。

(3)采用數(shù)據(jù)計(jì)算模擬了堆載后地基變形破壞的性狀，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有著較好的一致性。數(shù)值計(jì)算方法能真實(shí)的反映巖土體在外荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。

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