赵熠，张延军，邓浩，倪金

1.吉林大学 建设工程学院，长春 130012；2.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，沈阳 110000

0 引言

随着沿海地区经济建设的飞速发展，城市用地严重紧张，围海造地成为缓解土地紧张的重要手段。围填海区域分布大量的软弱土层，含水率大，压缩性高，抗剪强度低。在围填海场地进行建筑工程，会产生很大的地表变形，对建筑设施产生巨大的危害。

Terzaghi[1]提出了一维固结理论，可以近似计算固结沉降。之后Biot[1]提出第一个严格意义的三维固结理论，经典固结理论不断地被改进和发展。随着计算机技术的不断发展，利用有限元法对软基沉降的研究推广。Mamoru et al.[2]针对日本关西国际机场一号跑道，将实际监测值与工后固结沉降有限元数值计算结果进行对比，结果相差很小。金宗川等[3]揭示了大面积堆载作用下软土地基变形特性规律，以及在不同边界条件下软土地基变形和固结沉降的规律。赵东远[4]对厦门新机场吹填淤泥造地区域采用固结排水法之后的沉降和固结度进行了计算研究，证明经处理的道面区下卧层沉降较快，不会产生工后沉降。余虔[5]对南京某机场扩建工程，利用双曲线法预测地基最终沉降量，并结合分层总和法计算场地变形，反演推算出了场地沉降修正系数。吴昊旭等[6]采用多种软土地基沉降预测方法对烟台地区软土地基沉降预测进行研究，证明该场地粉喷桩的固结效果最佳。寇晓强等[7]对天津某海上围堤工程进行了数值分析，发现施工期沉降主要为不排水沉降，施工满载后的沉降主要是固结沉降且土体侧向位移对地基沉降影响较大。张国联等[8]针对大连普湾新区海港城项目，进行堆载预压处理的三维数值分析，验证了三维排水板单元的可靠性，为以后三维模拟提供新的手段。赵杰等[9]采用软土蠕变模型，对围填海场地进行数值分析，发现超固结比OCR和渗透系数值越大，达到沉降稳定时间越少。前人对围填海场地的沉降变形研究只是单一采用数值模拟或计算分析，将二者相结合的研究较少。

笔者对大连金州湾附近某围填海场地的地表变形进行计算研究。针对金州湾附近某围填海场地，研究了围填海区的碎石土性质，采用规范法对场地的地表变形进行计算，并结合岩土软件MIDAS GTS NX建立了三维地质模型，利用有限元软件FLAC3D对于地表变形进行数值模拟，对场地在施加预设荷载后的地表变形情况进行预测，为沿海的填海造地相关工程提供参考和借鉴。

1 填海区碎石土性质

大连市金州湾地区填海造陆所用碎石土多为开山土石，所含粒径范围非常大，从漂石、块石、卵砾石、到黏粒等都有，碎石土的颗粒级配和抗剪强度会影响场地地表变形研究，对于获得土层参数和经验取值有较大影响，因此本文对围填海区域的碎石土性质进行研究。试验所用样品均取自大李家镇以及长兴岛附近。

1.1 碎石土颗粒级配分析

颗粒分析试验是土的常规试验之一，对土样进行颗粒分析试验，能够定量描述土粒中各个粒组的含量，为土的工程分类和了解土的工程性质提供依据。颗粒分析试验的方法主要有筛析法、密度计法和移液管法，其中筛析法所适用的土的粒径范围为0.075～60 mm，密度计法和移液管法适用的粒径范围≤0.075 mm。本次试验采用激光粒度颗分仪。

根据图1颗粒分布曲线可以看出，d>1 mm的颗粒含量达80%，d<0.01 mm的颗粒含量<10%，说明所取填海区的碎石土的颗粒大小以直径d>1 mm为主，与其他学者研究结果基本相似。

a. 颗粒分布曲线(碎石--1)； b. 颗粒分布曲线(碎石--2)。

1.2 碎石土抗剪强度分析

为了获得围填海区上部碎石土的内摩擦角(φ)和内聚力(C)，在场地周围取样，进行大型直剪实验。根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》[10]中对地基回填土压实度的要求，对碎石土进行处理，使其压实系数达到95%进行试验。试验采用大型直剪压缩两用仪(图2)，取土的试样放入剪切盒内，将上盒固定，下盒可沿水平方向滑动。施加垂直压力，在对剪切盒的下盒逐级施加水平剪力，直至试样被剪坏。取多个试样，试验垂直压力为250 kPa,500 kPa,1 000 kPa三个等级施加。

图2 大型直剪实验仪器

根据直剪试验拟合出的抗剪强度和垂直压力关系函数(图3)，可以确定场地碎石土C值为16.5 kPa，φ值为42.5°。内聚力偏小，内摩擦角较大，究其原因在于，碎石土中，飘石、卵砾石含量较大，细颗粒穿插其中，不能完整充斥其中的孔隙，有水的条件下，也还是不能牢靠周围的粗颗粒。

图3 抗剪强度与垂直压力关系图

2 工程概况

填海场地位于大连市甘井子区，为矩形人工岛，长约6 620 m，宽约3 320 m,面积约21 km2。场地地层结构由海相、海陆交互相和陆相3大沉积层组成，覆盖层厚50～80 m。

根据地质勘查报告，场地主要土层自上而下为:第一大层海相沉积层包括粉质黏土混砂、淤泥质粉质黏土、淤泥、淤泥质黏土，属于流塑--软塑状态，该层主要分布于勘察区表层，层位较稳定，分布不连续，在部分钻孔中缺失该层；第二大层陆相沉积层包括黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂，含少量砂粒及碎贝壳，土质不均匀，属于可塑--硬塑状态；第三大层陆相沉积层包括黏土、粉质黏土，属于硬塑状态，局部夹粉细砂薄层。该层分布较连续，部分钻孔终孔前未揭露或未穿透该层；第四大层为基岩层，以强风化和中风化岩为主。

3 地表变形计算

3.1 前期固结程度分析

该场地填海造陆工程从5年前开始陆续完成。后在上方填了一层碎石土，上部素填土约为2.8 m厚，根据规范，碎石土的重度约为20 kN/m3,碎石土的压缩模量取22 MPa。

由于在几年前已经填完了碎石土，对场地沉降进行计算时需要考虑前期的固结沉降。根据《建筑地基基础设计规范》[11]关于成层土体等效均匀固结系数的计算公式对场地前期固结度进行计算。在每排钻孔中取一到两个不同地层条件的钻孔进行计算，以1E钻孔为例(图4)，在2 m碎石土，即40 kPa荷载下，此钻孔经过3.1 a基本完成固结，在2.8 m碎石土，即56 kPa荷载下，此钻孔经过2.16 a前期固结基本完成。

图4 钻孔固结时间与上部荷载关系曲线

查阅相关论文可知[12]，天津滨海某吹填土场地采用堆载预压处理，经过持续堆载，土体在最终的4.5 m堆载下，固结度接近100%，整个固结过程持续了184.9 d。天津其他的一些填海造陆区在堆载预压下的固结沉降时间大约在2.5 a到4.5 a之间。此外一些学者[13]对大连大窑湾吹填土软基，采用两级单纯堆载，第一级堆载4 m，96 d后进行第二级堆载8 m，在250 d固结基本完成。根据对固结度的计算以及相关地区对比，可以认为该场地地基土在地基处理后5 a内固结基本完成。

3.2 基于规范法的地表变形预测计算

地基沉降的常用计算方法有分层总和法[11]和《建筑地基基础设计规范》[11]推荐的方法，简称规范法。与分层总和法相比，规范法进行了一些简化：

(1)引入了平均附加应力系数的概念；

(2)在总结国内大量建筑物沉降观测资料的基础上，引入了地基沉降计算经验修正系数；

(3)重新规定了地基沉降计算深度的标准。

本次计算采用规范法。规范推荐的最终变形量的基本计算公式为：

(1)

式中:s为地面最终沉降量，mm；φs为沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，也可采用规范数值；n是地基沉降计算范围内所划分的土层数；p0为对应于荷载标准值的基础底面处的附加应力，kPa；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，按实际应力范围取值，MPa；z和α分别为上层底面到下层顶面之间的距离和范围内的平均附加应力系数。基础中点的地基沉降计算深度可简化为：zn=b(2.5-0.4lnb)。

各区域的荷载分布如图5所示。

图5 场地上方荷载分布图

经过前期固结沉降，在施加上部荷载后，场地会产生新的沉降。计算每个钻孔的沉降量，利用surfer软件的插值功能得到场地的变形量分布图(图6)。

图6 填海场地场地地表变形分布图

根据计算得到的场地变形分布图(图6)可以看出，场地在预设荷载的作用下沉降量主要在20～70 mm之间，最大沉降达90 mm,出现在航站和陆域停机坪区域，后续施工时应加强对此区域的沉降监测。对于计算范围内各场地分区的工后沉降和差异沉降(按30 a计)控制标准[14]如表1所示。

表1 场地工后沉降和差异沉降控制标准

场地最大沉降达到90 mm,满足控制标准中不超过25 cm的要求，经过堆载和前期沉降的场地在预加荷载的作用下场地变形值符合场地工后沉降控制标准。

4 基于三维地质模型对场地地表变形的数值模拟

4.1 模型的建立

随着计算机技术的不断发展，在越来越多的复杂工程和大型项目中迫切需要引进三维地质模型和数值分析技术，以解决复杂地层的工程评价和岩土设计问题。笔者利用三维数值模拟对研究场地进行地表变形的预测和分析。

采用MIDAS GTS NX结合FLAC3D进行建模分析。进行人机交互操作，利用钻孔分布图CAD文件，获得每个钻孔的坐标，结合实际钻孔图获得每个钻孔中各土层的标高以及孔口标高，录入Excel文件中，将得到的Excel文件导入MIDAS中，进行建模，获得场地三维地质模型。本文的计算模型根据场地实际情况，沿南北两侧岸堤长度约为6 500 m，东西两侧长度约为3 500 m，总计包括节点数23 880个，单元总数84 195个，三维实体以四面体为主。计算模型的三维地质图见图7。

图7 场地三维地质模型

利用MIDAS /FLAC3D几何模型转换接口程序，将模型导入FLAC3D中。本模型对机场土体作如下假设：①模拟范围内的地基为均质各向同性弹塑性半无限空间体；②不考虑地下水及地下水面的影响；③在计算中仅考虑重力的作用。模拟所用土层和碎石层参数如表2所示。

表2 模拟参数表

FLAC3D中，边界条件的定义并不是通常的位移边界条件，而是速度边界条件。模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动，对网格点用FIX命令加以固定；上部施加固定荷载。

模拟填碎石土之后在自重下的变形，使3个方向位移初始为零，模拟经过自重沉降的地层在场地预设荷载作用下的变形。根据场地工后沉降和差异沉降控制标准，对场地30 a内的变形进行预测。

4.2 模型计算结果分析

在现有资料下，根据模拟结果(图8)可以看出，在施加预设荷载后，场地建筑区和停机坪区域沉降值约为60 mm，航站区最大沉降值接近100 mm,边缘区域的沉降值约35 mm，数值模拟结果满足工后沉降控制标准。

根据所设4个监测点(图8)的沉降数据，获得施加预设荷载之后的场地沉降--时间曲线(图9)。可以看出在前5 a沉降速度最快，完成了超过60%的沉降；在15 a后，沉降曲线逐渐趋于平缓。

图8 场地30 a后沉降变形量

根据不同荷载区域不同深度处变形--时间曲线(图10)，可以看出场地碎石土层和深层岩石层沉降量较小，主要沉降发生在中间层，占总沉降量的95%以上。尤其是粉质黏土层和淤泥层，沉降量占总沉降值的60%以上。〗后续进行场地地基处理或者基础选择时也要重点考虑这两层。

图9 变形--时间曲线

图10 不同荷载区域不同深度处变形--时间曲线

5 结论

(1)场地在施加预设荷载30 a后最大变形量接近100 mm，最大沉降出现在停机坪和航站区域，基本满足工后沉降的控制标准。后续工程中应加强此区域变形监测，同时本次预测结果对周边其他围填海场地的软土地基变形具有参考意义。

(2)根据模拟结果可以得出前5 a的沉降速度最快，场地沉降在15 a后基本完成。沉降主要发生在粉质黏土层和淤泥层，后续地基处理和基础选择时应重点考虑这两层。