上海地區(qū)③土層上無樁基礎(chǔ)水閘實(shí)測(cè)沉降資料分析

付新永，杜占鵬，姚順雨，徐 兵

（1.上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 201206；2.浙江省第一水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，杭州 310051；3.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院科研所，上海 200434）

上海地區(qū)③土層上無樁基礎(chǔ)水閘實(shí)測(cè)沉降資料分析

付新永1，杜占鵬2，姚順雨3，徐 兵3

（1.上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 201206；2.浙江省第一水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，杭州 310051；3.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院科研所，上海 200434）

基于上海地區(qū)③土層上的一座無樁基礎(chǔ)水閘——祝家港節(jié)制閘閘室的沉降資料，分別對(duì)沉降曲線本身、用雙曲線配合法對(duì)地基土的最終沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)及地基土沉降與地基反力的關(guān)系這3個(gè)方面進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：上海地區(qū)③土層上無樁基水閘施工期的沉降量一般在-40 mm左右，沉降曲線在水閘通水后一般都經(jīng)歷一個(gè)月的“假收斂期”；從用雙曲線配合法推求的地基最終沉降量預(yù)測(cè)值來看，施工期③土層的瞬時(shí)沉降（彈／彈塑性變形）sd占最終沉降量的比例為25%～50%，S∞后續(xù)的大部分沉降都要在竣工后的長(zhǎng)期使用期間內(nèi)再發(fā)生；結(jié)合地基反力的測(cè)試結(jié)果來看，③土層地基反力與變形相互協(xié)調(diào)變化。

上海地區(qū)；③土層；無樁基礎(chǔ)水閘；閘室；實(shí)測(cè)沉降

沉降分析是土力學(xué)的基本課題之一，對(duì)于軟黏土地基上的建筑物，必須控制其沉降量和不均勻沉降差。沉降量大小主要取決于使土體產(chǎn)生變形的原因和土體本身性狀兩個(gè)方面。經(jīng)典的沉降計(jì)算方法對(duì)于這兩個(gè)方面是這樣處理的：在荷載作用下地基附加應(yīng)力場(chǎng)是根據(jù)半無限空間各向彈性體理論來計(jì)算的，土體壓縮性是根據(jù)一維壓縮試驗(yàn)來測(cè)定的，并采用分層總和法來計(jì)算建筑物的沉降［1］。

第二類計(jì)算方法為近年來發(fā)展起來的數(shù)值計(jì)算方法，即根據(jù)固結(jié)理論，結(jié)合各種土體的本構(gòu)模型，計(jì)算最終沉降量及其發(fā)展規(guī)律［2］。

顯然，上述2種沉降計(jì)算模型與地基沉降的真實(shí)性存在不少的差距。因?yàn)?類方法計(jì)算公式中的參數(shù)必須通過試驗(yàn)方法獲得，而土體取樣不可避免地會(huì)對(duì)原狀土產(chǎn)生擾動(dòng)，從而也就不可避免地給需要測(cè)定的參數(shù)帶來誤差，導(dǎo)致理論方法計(jì)算出來的變形量及變形規(guī)律與土體的實(shí)際變形量及變形規(guī)律不一定相符合。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料來分析和估算沉降量與時(shí)間關(guān)系可以避免由室內(nèi)土工試驗(yàn)所帶來的參數(shù)測(cè)定的誤差，顯示出獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。

本文以座落在上海地區(qū)③土層上無樁基礎(chǔ)的一座節(jié)制閘閘室的沉降觀測(cè)資料來作分析與討論。

1 工程概述

祝家港節(jié)制閘工程位于上海市松江區(qū)境內(nèi)，為一座14 m寬的單孔節(jié)制閘。水閘座落在③土層上，依據(jù)《祝家港節(jié)制閘工程地質(zhì)勘察報(bào)告》［3］：節(jié)制閘建基面高程-2.30 m，底板尺寸16.0 m×16.0 m，底板最大地基反力為80 kPa，地基土允許承載力為120.0 kPa，依據(jù)分層總和法計(jì)算水閘天然基礎(chǔ)下的最終沉降量為12.0 cm。顯然，報(bào)告中地基允許承載力和最終沉降量均滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］要求。

在該水閘的底板四角各布置1個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，在水閘的底板下共埋設(shè)YUB-2型差動(dòng)電阻式土壓計(jì)5只。依據(jù)監(jiān)測(cè)資料，通水前埋設(shè)在底板齒坎內(nèi)的3只土壓力測(cè)值均已超過120.0 kPa，最大值已達(dá)147.8 kPa，實(shí)測(cè)地基應(yīng)力不均勻系數(shù)為2.67，通水后土壓計(jì)測(cè)值均已超過120.0 kPa，最大值達(dá)203.0 kPa，實(shí)測(cè)地基應(yīng)力不均勻系數(shù)為2.05。測(cè)試結(jié)果表明測(cè)值較大的土壓計(jì)出現(xiàn)在墩墻角點(diǎn)部位。顯然，地基反力已超過設(shè)計(jì)時(shí)的地基土允許承載力的要求。

2 土層物理力學(xué)性質(zhì)

各土層的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。從表1可以看出：③，④，⑤土層均為高壓縮性飽和土層，③土層呈軟塑-流塑狀態(tài)，④，⑤土層呈流塑狀態(tài)。

閘址區(qū)為河網(wǎng)低地，靠近黃浦江，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，向河網(wǎng)排泄，另外，黃浦江的潮位變動(dòng)也影響地下水位。地下水位的穩(wěn)定水位埋深為0.70～2.30 m。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表Table1 Physical-mechanical parameters of foundation soil

室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得③土層的水平滲透系數(shù)為9.68× 10-6cm／s，垂直滲透系數(shù)為4.37×10-6cm／s。

3 閘室沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果及分析

節(jié)制閘沉降測(cè)點(diǎn)及土壓計(jì)的布置見圖1。

圖1 閘室部位土壓計(jì)及沉降測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Arrangement ofmeasured settlement points＆earth pressure cells for regulator chamber position

3.1 閘室沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

節(jié)制閘底板澆筑完成后，即開始在底板的四角布置沉降測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。節(jié)制閘閘室的沉降過程線見圖2。

圖2 閘室沉降歷時(shí)過程線Fig.2 Observed duration curves of settlement for the regulator chamber

從圖2來看：①監(jiān)測(cè)末期的底板沉降曲線已趨于收斂，底板最大沉降量約-40 mm（LD6），最小沉降量約-27 mm（LD2），差異沉降數(shù)值約為4～13 mm。顯然，實(shí)測(cè)沉降量未超過《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］中關(guān)于“天然土質(zhì)地基上水閘地基”最大沉降量和相鄰部位最大沉降差的要求，也未到達(dá)《祝家港節(jié)制閘工程地質(zhì)勘察報(bào)告》［3］中用分層總和法計(jì)算出的結(jié)果。②監(jiān)測(cè)末期底板西側(cè)的沉降量明顯大于東側(cè)的沉降量，水閘底板出現(xiàn)了一定程度的傾斜，底板最大傾斜度約為1.07 mm／m。由于啟閉機(jī)房在閘室正上方部位，可以認(rèn)為上部荷載基本均勻，由此可認(rèn)為差異沉降主要是由于地基土的不均勻所致。③從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，盡管③土層屬飽水淤泥質(zhì)軟塑性黏土層，但作淺基的持力層時(shí)，實(shí)測(cè)最終沉降量數(shù)值基本在-40 mm以內(nèi)，且沉降曲線收斂較快。而且在水閘實(shí)現(xiàn)通水后，沉降曲線都經(jīng)歷了一個(gè)月左右的“假收斂期”，但當(dāng)該時(shí)段過后，曲線隨即出現(xiàn)斜率突然增大且很快又趨于收斂的情形，該情形與祝家港節(jié)制閘相鄰的水工建筑物類似，一座為紫石涇節(jié)制閘，一座為紫石涇套閘（2座閘室），底板都座落在③2層無樁基天然土質(zhì)地基上。這個(gè)現(xiàn)象可能主要與滲透系數(shù)有關(guān)。③土層的滲透系數(shù)為10-6數(shù)量級(jí)，屬于典型的弱透水層。也就是說，在水閘剛實(shí)現(xiàn)通水的一個(gè)月內(nèi)，水并未充分滲透通③土層，土體仍處于非飽和狀態(tài)，所以水土合力并未出現(xiàn)大的增長(zhǎng)。水經(jīng)過一個(gè)月左右的時(shí)間在③土層中緩慢滲透，當(dāng)土體達(dá)到飽和狀態(tài)后，水土合力快速增長(zhǎng)，地基應(yīng)力不均勻系數(shù)減小，水對(duì)地基土的性狀改變發(fā)生作用，地基土土性改變的效應(yīng)才發(fā)揮出來。這一點(diǎn)從圖3中可以得到印證。

圖3 閘室地基反力歷時(shí)過程線Fig.3 Observed duration curves of reactive forces for the regulator chamber

3.2 ③土層最終沉降量的預(yù)測(cè)

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降資料來推算總沉降量時(shí)，曾國(guó)熙（1985）建議地基固結(jié)度用公式U＝1-αe-βt來進(jìn)行計(jì)算，從而推演出“三點(diǎn)法”求最終沉降量的估算公式；Makasa導(dǎo)出Asaoka法利用已有的實(shí)測(cè)沉降資料預(yù)估總沉降，還有雙曲線配合法、指數(shù)曲線配合法等。無論哪種估算方法，基本的思路都是依據(jù)初期的觀測(cè)資料通過反分析法得到地基土的參數(shù)，然后通過正分析法得到最終沉降量［1］。對(duì)于高壓縮性軟黏土，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系明顯呈非線性，魏汝龍［5］認(rèn)為軟黏土壓縮曲線整個(gè)形狀更符合雙曲線型，因此，本文用雙曲線配合法推求地基土的最終沉降量，經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：St為t時(shí)的沉降量（mm）；S0為初期沉降量（mm）；t為實(shí)測(cè)沉降歷時(shí)（d）；α，β為待定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

當(dāng)t→∞時(shí)，各測(cè)點(diǎn)最終沉降量S∞可由下式推算，即

應(yīng)用公式（1）和（2）時(shí)取荷載完全施加后開始計(jì)算水閘通水后“假收斂期”的末次測(cè)值為S0，即第183天測(cè)值，以第187天測(cè)值和第189天測(cè)值推算值β和S∞，由此估算出的地基最終沉降量S∞在80～100 mm之間，計(jì)算出的β值及S∞見表2。

表2 計(jì)算出的β值及S∞統(tǒng)計(jì)表Table 2 β＆S∞of calculated data

本工程施工期的瞬時(shí)沉降（彈／彈塑性變形）Sd（按8個(gè)月～1年考慮）為-25～-40 mm，占S∞的比例為25%～50%，后續(xù)的大部分沉降，都要在竣工后的長(zhǎng)期使用期間內(nèi)再發(fā)生。

3.3 地基反力與地基土沉降分析

從圖2來看，監(jiān)測(cè)末期測(cè)點(diǎn)LD1的沉降量略大于測(cè)點(diǎn)LD6；從圖3來看，沉降測(cè)點(diǎn)LD1處的土壓計(jì)E4測(cè)值也略大于沉降測(cè)點(diǎn)LD6處的土壓計(jì)E1的測(cè)值，地基反力分布的不均勻從而也導(dǎo)致了地基土沉降的不均勻。相反地，地基土沉降的不均勻也會(huì)導(dǎo)致地基反力分布的不均勻，由于水閘底板為剛性底板，所以水閘底板中間位置的土壓計(jì)E3測(cè)值介于E1和E4之間。當(dāng)?shù)鼗恋某两第呌谑諗繒r(shí)，土壓計(jì)測(cè)值也基本趨于收斂，變形與土壓力測(cè)值處于不斷協(xié)調(diào)變化。

4 結(jié) 論

（1）上海地區(qū)③土層上無樁基礎(chǔ)水閘施工期沉降量一般在-40mm左右趨于收斂，并且由于是弱透水層，沉降曲線在水閘實(shí)現(xiàn)通水后會(huì)經(jīng)歷一個(gè)月左右的“假收斂期”。主要是③土層中滲透系數(shù)較小，水在其中緩慢滲透，當(dāng)?shù)鼗吝_(dá)到飽和后，地基性狀發(fā)生改變所致。

（2）用雙曲線配合法推求③土層地基土的最終沉降量結(jié)果表明，施工期的瞬時(shí)沉降（彈／彈塑性變形）Sd（按8個(gè)月至1年考慮）占S∞的比例為25%～50%，后續(xù)的大部分沉降，都要在竣工后的長(zhǎng)期使用期間內(nèi)再發(fā)生。

（3）結(jié)合地基反力過程線和沉降曲線來看，③土層變形與地基反力相互協(xié)調(diào)變化。

［1］ 龔曉南.高等土力學(xué)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1998.

［2］ 潘林有，謝新宇.用曲線擬和的方法預(yù)測(cè)軟土地基沉降［J］.巖土力學(xué)，2004，25（7）：1053-1058.

［3］ 蔣天縱.祝家港節(jié)制閘工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.上海：上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院勘測(cè)公司，2002.

［4］ SL265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 魏汝龍.從實(shí)測(cè)沉降過程推算固結(jié)系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1993，15（2）：12-19.

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Analysis on In-situ Settlement Measurement of Sluice without Piles Located on③Soil Stratum in Shanghai

FU Xing-yong1，DU Zhan-peng2，YAO Shun-yu1，XU Bing3
（1.Shanghai Qingcaosha Investment Construction＆Development Co.，ltd.，Shanghai 201206，China；2.Zhejiang Provincial No.1Water Conservancy＆Electric Power Construction Group CO.，Lcd.，Hangzhou 310051，China；3.Science＆Research Department of Shanghai Investigation，Design＆Research Institute Shanghai，Shanghai 200434，China）

On the basis of themeasured displacements from the chamber of a check sluice in Zhujia Harbor，

the total settlements obtained from the time-settlement curve and hyperbolic matchingmethod were compared.The relationship between displacement and foundation resistance was analyzed.The check sluice was built directly on the 3rdstratum of Shanghai claywith no piles underneath.The results showed that：（1）the sluice settlement during construction period was about-40 mm；（2）a typical pseudo-convergence would occur on the time-settlement curve during the firstmonth after the sluice running；（3）the settlement data predicted by the hyperbolicmatching method indicated the transient（elastic／elastoplastic）settlementwas about 25%-50%of the total settlement，of which the restwill appear again in a long time after construction；（4）themeasured resistance in the 3rdstratum of Shanghai clay was concordantwith themeasured displacement.

Shanghai；third stratum of soil；sluice without piles；chamber；in-situ settlementmeasurement

TV223.2

A

1001-5485（2009）08-0051-03

2008-10-09

付新永（1972-），男，上海市人，工程師，主要從事工程建設(shè)管理工作，（電話）021-66858619（電子信箱）gcsfxy＠126.com。