CN103437318B - 悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法。本发明目的是提供一种悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法，提高计算分析数据的准确性。本发明技术方案：a、确定爆破作用前后土体地质参数的变化量，将土体扰动范围划为若干扰动区，确定爆破对不同扰动区土体的强度折减系数f；b、通过有限差分软件FLAC建立海堤地基的整体计算模型，按土体扰动范围划分有限元网格；c、选用适合于饱和软土的弹塑性本构模型；d、初始地应力计算，验证弹塑性本构模型的合理性和准确性；e、进一步数值计算，得到工后沉降与时间、荷载等的关系，分析和预测工后沉降量，总结不同工况下地基土工后沉降变化规律。

Description

悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法，主要适用于采用爆破挤淤施工工艺形成的“悬浮式”海堤的工后沉降计算与预测。

背景技术

海洋开发和围垦工程大多需要修建海堤和围堰等水工建筑物，其软基处理效果如何成为工程成败的关键。塑料排水板和爆破挤淤是围垦工程中常用的软基处理技术，爆破挤淤筑堤技术具备施工工序简单、速度快等特点，在很多的海洋围垦工程中得到应用。随着围垦工程的推进，爆破挤淤处理淤泥的厚度在逐渐加深(从12m发展到40m)，相应的海堤断面型式从“落底式”发展到“悬浮式”。所谓“落底式”是指爆破后堆填石料底高程完全落到强度较高的持力层上，如砂质粉土、砂砾石层或岩层等，通常淤泥厚度不大(3～12m)的区域均可采用“落底式”断面；而对于深厚淤泥(12～40m)，通常难以将其全部置换掉，如全部予以置换，施工难度很大、造价太高，因此，在深厚淤泥中往往采用“悬浮式”断面结构。

工程实践表明，对于“落底式”爆破挤淤海堤而言，一般爆填堤心石的底高程(土石混合层)落在强度较高的持力层之上，海堤的工后沉降非常小，一般只有几厘米；而对于“悬浮式”爆破挤淤海堤，由于软土层深厚，爆填堤心石底高程不能落到强度较高的持力层之上，而是整体“悬浮式”于淤泥、粘土、粉土等软土层之中，软土地基在长期上部荷载作用下，会持续发生固结沉降过程，造成较大的工后沉降，对海堤整体稳定性造成潜在危害。

目前，海堤的工后沉降计算普遍采用传统的分层总和法、规范法和有限元法。分层总和法和规范法均采用侧限条件下的压缩性指标，并假设地基为均质线性变形半空间，这与土体受力状态和粘弹塑性特征存在着差异，会导致计算结果偏差较大。而现有的有限元计算中，在建模过程中并未考虑爆破对不同区域土层的动力扰动作用，事实上在爆破作用下，海堤下部土层的工程地质参数会发生改变，只有首先确定爆破作用对土层的扰动范围和土体参数变化量，再建模计算和分析，才能真实反映地层受力情况。因此，当前的沉降计算分析方法不适合于爆破挤淤形成的“悬浮式”海堤结构，需要对其进行改进，提出新的计算思路和方法，考虑爆破对地基土的动力扰动作用，从而适合于爆破挤淤形成的“悬浮式”海堤结构的沉降计算与预测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种现实可行的悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法，使得计算模型更加符合工程实际情况，以提高计算分析数据的准确性。

本发明所采用的技术方案是：悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法，其特征在于步骤如下：

a、通过试验确定爆破作用前后不排水剪切强度Cu和含水量W的变化量，并根据该变化量将土体扰动范围划分为若干个扰动区，同时确定爆破作用对不同扰动区土体的强度折减系数f；

b、通过有限差分软件FLAC建立海堤地基的整体计算模型，按步骤a确定的土体扰动范围划分有限元网格；

c、选用适合于饱和软土的弹塑性本构模型，根据步骤a确定的不同扰动区强度折减系数f，分别设定不同动力扰动区的土体强度参数；

d、进行初始地应力的计算，验证所述弹塑性本构模型的合理性和准确性；

e、进一步数值计算，得到工后沉降与时间、荷载的关系，分析和预测工后沉降量，总结不同工况下地基土工后沉降变化规律；

所述饱和软土的弹塑性本构模型表示为：

式中，E_t为切线变形模量，R_f为破坏应力比，c和分别为土的粘聚力和内摩擦角，f为爆破作用对土的强度折减系数，p_a为大气压力，K、n为试验常数，σ₁为三轴试验的轴压，σ₃为三轴试验的围压。

步骤a中试验方法如下，首先测定爆破前后土体各部分的不排水剪切强度Cu和含水量W，测试范围从爆破中心向四周逐渐扩展，然后整理试验数据，绘制不排水剪切强度Cu和含水量W随测试点到爆破中心距离变化的曲线，最后对比分析爆破前后土体地质参数的变化规律，并将土体扰动范围划分为三个扰动区。

所述土体扰动范围划分根据爆破前后土体不排水剪切强度Cu的变化量确定，对于不排水剪切强度Cu弱化量为50-100％的区域，划分为一级扰动区；对于不排水剪切强度Cu弱化量为20-50％的区域，划分为二级扰动区；对于不排水剪切强度Cu弱化量为0-20％的区域，划分为三级扰动区。

三个扰动区土体强度折减系数分别表示为，

$f_1=\frac{c_u-c_{u1}}{c_u},f_2=\frac{c_u-c_{u2}}{c_u},f_3=\frac{c_u-c_{u3}}{c_u}$

式中，Cu为爆破前土体的不排水剪切强度，Cu₁、Cu₂、Cu₃为爆破后三个扰动区土体的不排水剪切强度。

所述海堤地基的整体计算模型采用地基横截面的二维模型。

所述海堤地基的整体计算模型采用的原则包括，

A、边界条件设定为外边界水平方向固定，竖直方向自由，底边边界X、Y方向均固定，上部边界为自由边界；

B、地基土中的初始应力场由模拟实际开挖或填土过程后得到，并在此基础上将位移场置零后施加荷载以计算相应的变形值。

本发明的有益效果是：本发明通过考虑爆破对不同区域土层的动力扰动作用，划分不同的扰动区域，得到不同区域的强度折减系数，建立的数值计算分析模型更加符合工程实际，从而保证了计算和分析数据的准确性，可以有效解决超过12m的深厚淤泥中采用爆破挤淤施工工艺形成的“悬浮式”海堤的工后沉降计算与预测难题。

附图说明

图1是本发明中爆破作用对土体的动力扰动分区示意图。

图2是本发明中爆破前后土体地质参数变化曲线图。

图3是本发明中海堤和地基土横截面的有限元网格模型图。

具体实施方式

本实施例专门针对爆破作用对地基土层的扰动作用特性，通过试验研究和理论分析，进一步采用有限差分软件FLAC进行沉降计算和预测。首先通过试验研究确定爆破作用对地基土层的扰动范围及扰动弱化土层的强度折减系数；然后根据具体工程资料，分别通过不同的扰动范围建立有限元计算模型，根据强度折减系数f，得到饱和软土沉降计算弹塑性本构模型；最后进行有限元计算，分析和预测工后沉降量，总结不同工况下地基土工后沉降变化规律，为工程设计和施工提供准确的依据。具体步骤如下：

a、通过试验确定爆破作用前后土体地质参数(包括不排水剪切强度Cu和含水量W)的变化量，并根据该变化量将土体扰动范围划分为若干个扰动区，同时确定爆破作用对不同扰动区土体的强度折减系数f，为进一步的数值建模和计算分析提供基础数据。具体为，首先测定爆破前后土体各部分的不排水剪切强度Cu和含水量W，测试范围从爆破中心向四周逐渐扩展，分别为0～10m、10～15m、15～20m；然后整理试验数据，绘制不排水剪切强度Cu和含水量W随测试点到爆破中心距离变化的曲线；最后对比分析爆破前后土体地质参数的变化规律，确定爆破作用对土体的扰动范围；本实施例将土体扰动范围划分为一级扰动区1，二级扰动区为2和三级扰动区3三个扰动区，且前述三个扰动区由爆破中心点向外依次扩展。

所述的扰动区范围通过爆破前后土体不排水剪切强度Cu的变化量确定，含水量W作为辅助参考指标。不排水剪切强度Cu的弱化量分别为：一级扰动区50～100％，二级扰动区为20～50％，三级扰动区为0～20％。

三个扰动区土体强度折减系数分别表示为：

$f_1=\frac{c_u-c_{u1}}{c_u};f_2=\frac{c_u-c_{u2}}{c_u};f_3=\frac{c_u-c_{u3}}{c_u}$

式中，Cu为爆破前土体的不排水剪切强度，Cu₁、Cu₂、Cu₃为爆破后三个扰动区土体的不排水剪切强度，f₁为一级扰动区土体强度折减系数，f₂为二级扰动区土体强度折减系数，f₃为三级扰动区土体强度折减系数。

b、通过有限差分软件FLAC建立海堤地基的整体计算模型，并按步骤a确定的土体扰动范围建立有限元网格模型；其中包括：海堤4、一级扰动区地基土5、二级扰动区地基土6、三级扰动区地基土7和原状地基土8。计算模型范围按待分析的具体工程资料所给的实际断面尺寸确定。

c、结合土体固结理论，选用适合于饱和软土的弹塑性本构模型(反映土体应力-应变关系，用于数值计算)，根据步骤a确定的不同扰动区强度折减系数，分别设定不同动力扰动区的土体强度参数(在弹塑性本构模型中体现)；所述饱和软土的弹塑性本构模型表示为：

式中，E_t为切线变形模量，R_f为破坏应力比，c和分别为土的粘聚力和内摩擦角，f为爆破作用对土的强度折减系数，p_a为大气压力，K、n为试验常数，σ₁为三轴试验的轴压，σ₃为三轴试验的围压。

d、进行初始地应力的计算(用于获取地基土体初始的应力状态，计算方法有弹性求解法、改变参数弹塑性求解法、分阶段弹塑性求解法等等)，验证所建立的计算模型(即步骤c所述弹塑性本构模型)的合理性和准确性，不合理的话，需要重新建立模型，调整计算参数，设定边界条件等。

进一步，所述的海堤地基的整体计算模型采用地基横截面的二维模型。

进一步，所述的海堤地基的整体计算模型采用的原则包括：

A、边界条件设定为外边界水平方向固定，竖直方向自由，底边边界X、Y方向均固定，上部边界为自由边界；

B、地基土中的初始应力场有模拟实际开挖或填土过程后得到，并在此基础上将位移场置零后施加荷载以计算相应的变形值。

e、进一步数值计算与分析(具体为，FLAC有限差分法通过设定的本构模型、边界条件等，进一步自动计算出所需要的应力、变形等物理量)，得到工后沉降与时间、荷载等的关系，分析和预测工后沉降量，总结不同工况下地基土工后沉降变化规律。

下面列举实际工程案例对本发明进行具体说明：

工程案例一为惠州港兴盛油库(5万吨级石化码头)护岸工程，护岸长300m，需爆破挤淤处理厚度约为18.00～21.00m，属于典型的深厚淤泥软基处理工程。首先，分别进行了现场试验和室内模型试验，测试内容包括不排水剪切强度Cu和含水量W等土工参数。经数据整理和分析，得出本工程爆破作用后地基土体的一级扰动区1的范围为0～8m，二级扰动区2的范围为8～13m，三级扰动区3的范围为13～15m，15m以外的地基土基本未发生爆破扰动作用。同时通过对比计算和分析，得出三个扰动区土体强度折减系数分别为0.65、0.33和0.18。进一步，通过这些基础数据建立有限元数值模型，分不同的区域设定饱和软土弹塑性本构模型和土体强度参数。数值计算结果表明，最大竖向应力值692Kpa、最大水平向应力值359KPa，与符合现场应力条件；地基土竖直方向变形呈对称分布，变形随深度增加而减小，竖向最大变形发生在堤坝下部两侧，最大值为0.601m，地基土固结变形主要发生在淤泥和淤泥质粘土土层。工程施工结束后，进行了长达两年的沉降监测，沉降监测值显示，堤坝在爆破挤淤施工后一个月内沉降发生较快，约占总沉降的90％，一个月以后堤坝沉降趋于稳定，两年沉降监测测得的最大值为0.572m，与采用本例方法预测的最大沉降值(0.601m)相差甚微。

工程案例二为温岭中心渔港一期工程，海堤总长820m，需爆破挤淤处理厚度约为26.00～30.00m，属于典型的深厚淤泥软基处理工程。首先，进行了现场试验和室内模型试验，测试内容包括不排水剪切强度Cu和含水量W等土工参数。经数据整理和分析，得出本工程爆破作用后地基土体的一级扰动区1的范围为0～10m，二级扰动区2的范围为10～15m，三级扰动区3的范围为15～18m，18m以外的地基土基本未发生爆破扰动作用。同时通过对比计算和分析，得出土体强度折减系数分别为0.68、0.37和0.20。进一步，通过这些基础数据建立有限元数值模型，分不同的区域设定饱和软土弹塑性本构模型和土体强度参数。数值计算结果表明，最大竖向应力值1025Kpa、最大水平向应力值527KPa，与符合现场应力条件；地基土竖直方向变形呈对称分布，变形随深度增加而减小，竖向最大变形发生在堤坝下部两侧，最大值为0.762m，地基土固结变形主要发生在淤泥和淤泥质粘土土层。工程施工结束后，进行了长达两年的沉降监测，沉降监测值显示，堤坝在爆破挤淤施工后一个月内沉降发生较快，约占总沉降的90％，一个月以后堤坝沉降趋于稳定，两年沉降监测测得的最大值为0.73m，与采用本例方法预测的最大沉降值(0.762m)相差甚微。

两个工程案例说明，通过考虑考虑爆破对不同区域土层的动力扰动作用，划分不同的扰动区域，得到不同区域的强度折减系数，建立的数值计算分析模型更加符合工程实际，保证了计算和分析数据的准确性，可以有效解决超过12m的深厚淤泥中采用爆破挤淤施工工艺形成的“悬浮式”海堤的工后沉降计算与预测难题。

Claims (3)

1.一种悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法，其特征在于步骤如下：

a、通过试验确定爆破作用前后不排水剪切强度Cu和含水量W的变化量，并根据该变化量将土体扰动范围划分为若干个扰动区，同时确定爆破作用对不同扰动区土体的强度折减系数f；

b、通过有限差分软件FLAC建立海堤地基的整体计算模型，按步骤a确定的土体扰动范围划分有限元网格；

c、选用适合于饱和软土的弹塑性本构模型，根据步骤a确定的不同扰动区强度折减系数f，分别设定不同动力扰动区的土体强度参数；

d、进行初始地应力的计算，验证所述弹塑性本构模型的合理性和准确性；

e、进一步数值计算，得到工后沉降与时间、荷载的关系，分析和预测工后沉降量，总结不同工况下地基土工后沉降变化规律；

所述饱和软土的弹塑性本构模型表示为：

式中，E_t为切线变形模量，R_f为破坏应力比，c和分别为土的粘聚力和内摩擦角，f为爆破作用对土的强度折减系数，p_a为大气压力，K、n为试验常数，σ₁为三轴试验的轴压，σ₃为三轴试验的围压；

步骤a中试验方法如下，首先测定爆破前后土体各部分的不排水剪切强度Cu和含水量W，测试范围从爆破中心向四周逐渐扩展，然后整理试验数据，绘制不排水剪切强度Cu和含水量W随测试点到爆破中心距离变化的曲线，最后对比分析爆破前后土体地质参数的变化规律，并将土体扰动范围划分为三个扰动区；

所述土体扰动范围划分根据爆破前后土体不排水剪切强度Cu的变化量确定，对于不排水剪切强度Cu弱化量为50-100％的区域，划分为一级扰动区(1)；对于不排水剪切强度Cu弱化量为20-50％的区域，划分为二级扰动区(2)；对于不排水剪切强度Cu弱化量为0-20％的区域，划分为三级扰动区(3)；

三个扰动区土体强度折减系数分别表示为，

$f_1=\frac{c_u-c_{u1}}{c_u},$ $f_2=\frac{c_u-c_{u2}}{c_u},$ $f_3=\frac{c_u-c_{u3}}{c_u}$

式中，Cu为爆破前土体的不排水剪切强度，Cu₁、Cu₂、Cu₃为爆破后三个扰动区土体的不排水剪切强度。

2.根据权利要求1所述的悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法，其特征在于：所述海堤地基的整体计算模型采用地基横截面的二维模型。

3.根据权利要求1所述的悬浮式海堤的工后沉降计算预测方法，其特征在于：所述海堤地基的整体计算模型采用的原则包括，

A、边界条件设定为外边界水平方向固定，竖直方向自由，底边边界X、Y方向均固定，上部边界为自由边界；

B、地基土中的初始应力场由模拟实际开挖或填土过程后得到，并在此基础上将位移场置零后施加荷载以计算相应的变形值。