张所庆，刘 林，李焕君，李翔宇，邓欣仪

（1. 北方国际合作股份有限公司，北京 100040；2. 建筑安全与环境国家重点试验室，北京 100013；3. 中国建筑科学研究院有限公司 地基基础研究所，北京 100013；4. 里海大学，美国 宾夕法尼亚州 18015）

0 引 言

实际工程中，由于土体本构关系的非线性、荷载和边界条件的多样性，导致用解析方法求解岩土工程问题较困难，因此工程师们通常采用室内模型试验和现场实测等手段，同时辅以数值模拟计算来进行分析研究[1-2]。利用数值手段分析问题过程中最重要的是如何恰当的估计土体的力学参数。目前，大多采用实验室测试和现场试验来解决这一问题，但以上两种方法各有其局限性[3]。例如，由于岩土的非均匀性和多样性，基于实验室内小试样的测试或局部有限的现场试验得到的实验结果代表性不强、数据离散，导致与实际岩土力学参数存在较大的偏差。如果采用这些参数进行计算，会导致得到的分析结果与实际情况存在较大的偏差[4-10]。为了弥补上述方法的不足，岩土工程领域提出了现场位移量测反演分析方法，即以工程现场的量测位移作为基础信息反求实际岩土的力学参数，为分析工程难题提供符合实际的基本参数。基于此，本文依托孟加拉博杜阿卡利1 320 MW燃煤电站项目，采用ABAQUS有限元软件对A区超载预压问题进行模拟，并采用位移反分析法确定基本参数，最后采用这些参数来计算分析按照设计方案完成堆载预压后的一系列问题，为工程师的判断提供一定的参考和依据。

1 工程概况

孟加拉博杜阿卡利1 320 MW燃煤电站项目工程所在地属热带海洋性季风气候，温热多雨。厂址的地貌成因类型为河流入海口形成的冲积平原，地势开阔，地形平坦，原始地面高程一般为 1.28～1.46 m，场地内分布有多条小型河流。厂址原始地貌主要为水稻田、水系及零星民居。因工程建设需要，对整个场地进行了吹填加高，吹填层平均厚度5.5 m，2019年6月A区完成吹填工作。吹填完成后拟建厂址区地面高程为5.35～7.71 m，地形地貌见图1。

图1 拟建场地地形地貌Fig. 1 Topography of the proposed site

新近吹填层荷载较大，为控制后期建（构）筑物的工后沉降量，减小桩基负摩阻力，A区采用超载预压进行地基预处理。经过超载预压后，期望未来荷载较大的建筑物及设备基础（如锅炉）的工后沉降量不超过150 mm。

1.1 地质条件

勘察报告揭露地层为第四系填土（Q4ml）和第四系全新统冲积层（Q4al）。岩性为冲填土、粉质黏土、粉砂、粉土、粉细砂等。各层土的特征由新到老、自上而下描述如下：

①1冲填土，主要成分为粉砂，松散-稍密，在厂区内普遍分布。①粉质黏土，软塑-可塑，在场地内普遍分布。②粉砂，稍密为主，局部中密，与粉土互层，呈千层饼状，局部夹黏性土薄层，场地内普遍分布。②1粉土，稍密，与粉砂、粉质黏土互层，呈千层饼状，场地内普遍分布。②2粉质黏土粉砂互层，粉质黏土层厚一般为2～20 mm，软塑，粉砂层厚一般为2～18 mm，稍密。该层层厚0.50～2.30 m，在场地内普遍分布。③粉砂，中密，与粉土互层，呈千层饼状，局部夹粉质黏土薄层，在场地内普遍分布。③1粉质黏土粉砂互层，粉质黏土层厚一般为2～25 mm，软塑，粉砂层厚一般为2～20 mm，稍密，局部相变为粉土。该层在场地内普遍分布。③2粉土，中密，局部与粉砂、粉质黏土互层，在场地内普遍分布。④粉质黏土，软塑为主，局部可塑，夹粉砂、粉土薄层，局部相变为淤泥质粉质黏土，该层在场地内普遍分布。④1粉土，中密-密实，局部相变为粉砂，该层在场地内局部分布。④2粉砂，中密-密实，局部相变为粉土，在场地内普遍分布。⑤粉砂，密实，局部夹粉土、粉质黏土薄层，在场地内分布较为普遍。⑤1粉砂粉土互层，粉砂层厚一般为2～50 mm，中密-密实；粉土层厚一般为2～20 mm，中密-密实，夹粉质黏土薄层，在场地内普遍分布。⑥粉质黏土粉砂互层，粉质黏土层厚一般为2～50 mm，最大400～800 mm，软塑-可塑；粉砂层厚一般为2～40 mm，最大300～600 mm，中密-密实，局部相变为粉土，在场地内普遍分布。⑥1粉砂，密实，局部夹粉质黏土、粉土薄层，在场地内普遍分布。⑥2粉土，密实，夹粉质黏土、粉砂薄层，在场地内普遍分布。⑦粉砂，密实，局部相变为粉土，夹粉土、粉质黏土薄层，在场地内普遍分布。⑦1粉砂粉质黏土互层，粉砂层厚一般为2～50 mm，最大500～800 mm，密实；粉质黏土层厚一般为2～40 mm，最大300～500 mm，可塑，在场地内普遍分布。⑦2粉质黏土，可塑，夹粉砂、粉土薄层，在场地内局部分布。⑧粉细砂，密实，局部夹粉土、粉质黏土薄层，在场地内普遍分布。⑧1粉质黏土粉砂互层，粉质黏土层厚一般为 2～80 mm，最大500～800 mm，可塑，粉砂层厚一般为2～30 mm，最大300～500 mm，密实，在场地内普遍分布。土层物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soils

1.2 地下水条件

拟建厂址地下水类型主要为上层滞水和第四系孔隙潜水。勘测期间，拟建厂址区地下水位埋深为0.10～1.10 m，相应高程为3.51～7.31 m。由于厂区冲填区域外围采用黏性土筑坝，冲填土层下又为透水性较差的①粉质黏土层，冲填土层内上层滞水排泄条件较差。因此，拟建厂区常年最高地下水位按场平标高以下0.50 m考虑。

2 超载预压方案

堆载场地呈矩形，堆载宽270 m，长360 m。堆载顶面边线按A区核心区域外扩50 m设计。前期堆载设计高度9 m，第一次堆载高度2 m，第二次堆载高度为5 m，第三次堆载高度为2 m。堆载土重 16 kN/m3，堆载重 144 kPa，满载时间为118 d，堆载过程曲线如图2所示。

图2 堆载曲线Fig. 2 Loading curve

3 数值模拟反分析法确定土层计算参数

该场地堆载面积较大，且地质剖面图显示地层相对均匀，因此采用代表性的钻孔确定土层分布。根据沉降监测点布置和勘察孔布置位置（见图 3～4），钻孔A48基本位于场地中心，且其附近布设的地表沉降监测点ZX8和分层沉降监测点 DFC3，所以选取钻孔A48确定土层分布。

图3 钻孔平面图Fig. 3 Graphic layout of boreholes

图4 监测点平面布置图Fig. 4 Graphic layout of settlement monitoring points

3.1 几何模型

根据工程地质条件及堆载条件确定软土地基宽1 200 m，高130 m，几何模型见图5所示。软土地基和堆载填土均采用摩尔-库伦本构模型。模型分8个分析步，包括地应力平衡、堆载第一级填土（27 d）、固结63 d、堆载第二级填土（26 d）、固结14 d、堆载第三级填土（10 d）、固结118 d、然后继续固结至5年（第1 825天）结束。堆载过程模拟均采用单元生死功能来实现。土层分布按照钻孔A48确定，由于互层分布较多，所以将部分土层合并。

图5 几何模型Fig. 5 Geometric model

3.2 反演结果及参数确定

模拟堆载预压主要关注地基土的固结变形及固结度变化。采用摩尔-库伦本构模型，所需参数共4个，包括强度参数c和φ，弹性模量E和渗透系数k，其中强度参数c和φ对土体固结影响较小，所以对强度参数c和φ不进行反分析确定，直接按照地勘取值。

本文采用遗传算法进行反演参数。遗传算法中多个基因（本构模型的某一个参数）可以组成个体（一组本构模型参数），多个个体组成了遗传算法中的种群。这一组参数组成了一个个体Xi：

式中：n为种群规模，也就是种群中个体的数量。

遗传算法确定本构模型参数的过程就是使实际监测数据和理论数据误差逐渐变小的过程，误差最小的那个个体就是最终优化出的参数。误差函数计算公式为：

式中：Xi表示一组摩尔-库伦模型的参数；nr表示用于计算的监测数据总行数；Rmoni_i和 Rth_i分别表示同步工况下相同位置处的沉降监测结果和理论结果。

现场位移测量数据主要采用地表竖向位移ZX8监测点和分层沉降DFC3监测点得到的数据。建模堆载开始时间为3月6日，据此计算结果与监测数据进行反分析得到的各土层弹性模量和渗透系数见表 2，反分析计算结果与实际监测结果见图6。图中显示，计算结果和监测结果趋势一致，且每层地基土的沉降误差较小，说明所得各层地基土计算参数合理。

表2 模型计算参数（ZX8）Table 2 Model parameters of soils (ZX8)

图6 监测数据与反分析计算结果比较Fig. 6 Monitoring data and the calculation results

4 计算结果分析

采用位移反分析法来模拟超载预压，主要目的是可以采用合理的参数来预测其他难以监测或后期的一些地基变化规律，例如设计卸载前地基土的固结度、地基持力层的残余变形等。本文分别预测持载118 d后地基土的平均固结度和可能的桩端持力层（5层）顶的残余沉降。

4.1 平均固结度

固结度可由孔压变化求得，也可以根据变形量求得，此次采用已发生的固结变形量与最终的固结变形量来计算固结度。图7为地表沉降在整个堆载过程中的变化曲线。从图中可以看出最终沉降稳定时（0.04 mm/d）[11]，总沉降量为1.93 m，与双曲线法计算得到最终沉降量（1.96 m）接近。卸载前，即从加载开始起第 258天或第三级加载后持载118 d时，地表所对应的沉降为1.68 m，与实际监测的1.62 m相差较小。因此，采用位移反分析法所得参数进行数值模拟计算比采用地勘所给参数进行模拟计算更加合理。通过图7可知，卸载前地基平均固结度为87%，地表残余沉降约250 mm。

图7 模型计算所得地表沉降曲线及地基平均固结度Fig. 7 Surface settlement curve and average consolidation degree calculated by the model

4.2 桩端以下平均固结度及剩余变形量

结构初步设计桩端位于第5土层顶，所以计算桩端以下平均固结度需要根据第5土层顶的沉降量来计算。图8是第5土层顶的沉降曲线。通过沉降曲线可得到5层顶最终沉降量为1.05 m，采用双曲线法得到的沉降量为1.03 m，二者几乎相等。在卸载前，5层顶的沉降量为 0.9 m，剩余沉降量为136 mm，小于150 mm，桩端平均固结度为87%，大于 80%，满足《电力工程地基处理技术规程》（DL/T 5024—2005）相关要求。

图8 模型计算所得5层土顶沉降曲线及其平均固结度Fig. 8 Calculated surface settlement curve and average consolidation degree on the top of the fifth layer

4.3 参数分析

表3整理了反分析所得参数与地勘所提供参数之间的关系。由于部分地层含有夹层，故将土层进行了合并，因此也将地勘所提供的参数进行了厚度加权平均。结果显示反分析所得弹性模量是地勘所提供的压缩模量的0.27～0.5倍。对于高渗透性土，反分析所得的渗透系数是地勘所提供渗透系数的 8倍，而低渗透性土这个比值则是0.8。

表3 参数比较（ZX8）Table 3 Comparison of parameters (ZX8)

5 结 论

通过采用位移反分析法对孟加拉博杜阿卡利软土地区超载预压进行模拟，得到以下几点结论：

（1）通过与双曲线沉降计算方法比较，得到在大面积超载预压模拟中，通过位移反分析法确定土体模型计算参数比采用原地勘所给参数计算结果更合理。

（2）大面积超载预压数值模拟中，采用摩尔-库伦本构模型时，其弹性模量是地勘所提供压缩模量的 0.27～0.5倍。高渗透土渗透系数是地勘所提供的8倍，而低渗透性土几乎与地勘所提供的渗透系数相同。

（3）数值模拟结合位移反分析法，可以合理地预测超载预压固结稳定时间和剩余变形量等，为相关设计提供参考。