軟土地基最終沉降量推算方法的對(duì)比分析

王榮利，秦觀，劉洪亮

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300451）

目前國(guó)內(nèi)一般采用三點(diǎn)法、經(jīng)驗(yàn)雙曲線法、高木俊介法來(lái)推算地基固結(jié)度。三點(diǎn)法計(jì)算簡(jiǎn)單，存在一定的隨機(jī)性，在滿載后沉降曲線段中，選擇不同的時(shí)間區(qū)段或者不同的時(shí)間間距，對(duì)推算最終沉降量的結(jié)果都有明顯的影響，推算最終沉降量的離散性大，確定地基的最終沉降量存在很大的隨機(jī)性，不能作為精確推算使用。

本文以科威特巴比延島試驗(yàn)段路基處理為基礎(chǔ)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)雙曲線法、高木俊介法、ASAOKA法進(jìn)行最終沉降量計(jì)算分析，論證了更為適合科威特巴比延島地質(zhì)條件的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。

1 工程概況

科威特巴比延島路堤地基加固是一個(gè)挑戰(zhàn)，以往從未在該島進(jìn)行過(guò)軟基加固，科威特本國(guó)的科研單位在這方面也缺少研究。另一方面，設(shè)計(jì)文件又對(duì)地基處理的工后沉降提出了較高的要求，即施工結(jié)束后1 a內(nèi)的沉降小于25 mm。這樣高標(biāo)準(zhǔn)的工后沉降指標(biāo)給地基加固技術(shù)提出了較高的要求。

科威特巴比延島軟基處理試驗(yàn)段采用堆載預(yù)壓處理方式，試驗(yàn)區(qū)面積為340 m×80 m，排水板深度為17 m，間距為1.2 m，三角形布置。路堤結(jié)構(gòu)部位按照使用結(jié)構(gòu)荷載（沉降盤SP3、SP8、SP13、SP18斷面對(duì)應(yīng)堆載厚度分別為2.2 m、2.5 m、2.8 m、3.1 m）施加后超載3 m粉土，屬超載預(yù)壓處理。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)布置了4個(gè)斷面共計(jì)20個(gè)沉降盤，進(jìn)行了400 d的沉降觀測(cè)，得到了比較穩(wěn)定的沉降觀測(cè)值，以下所進(jìn)行的計(jì)算分析均以實(shí)際觀測(cè)資料為基礎(chǔ)。

2 地質(zhì)情況

科威特巴比延島是一個(gè)三角洲形島嶼，系由幼發(fā)拉底河和底格里斯河系統(tǒng)進(jìn)入阿拉伯灣之后所攜帶的泥沙沉淀形成的。島的表面十分平整，在高水位時(shí)會(huì)被淹沒(méi)。島的地層可以分成2層：

第一層：深度為18～25 m，主要是軟黏土到灰硬黏土或粉土，一般為鈣質(zhì)夾雜著有機(jī)物。局部有黏土和粉土層。由于旱季脫水及鹽結(jié)晶作用，在上部的1～2 m的范圍內(nèi)為氧化后的褐色粉質(zhì)黏土。該層是近期（全新世）最后一次冰河期結(jié)束后環(huán)境激烈變化時(shí)形成的，沖刷材料在幼發(fā)拉底河和底格里斯河末端進(jìn)入阿拉伯灣時(shí)發(fā)生沉淀。因此該層主要為細(xì)粒、松軟，包含有機(jī)物和來(lái)自于生長(zhǎng)在河流和海灣的生物的鈣質(zhì)材料。

第二層：第一層以下為中等密實(shí)和非常密實(shí)的細(xì)砂到中砂，一直到鉆孔揭露的最大深度35 m。在島的中部和東部25 m以下遇到了堅(jiān)硬的含砂黏土，局部也有堅(jiān)硬的黏土。該層形成的時(shí)間更加古老，大約為更新世，在這期間河流和海灣的粗料沉淀下來(lái)。這些材料已經(jīng)有足夠的時(shí)間固結(jié)，并且受到河流和河口作用導(dǎo)致表面起伏較大。

科威特巴比延島路堤試驗(yàn)段區(qū)域土質(zhì)為低塑性和中等塑性黏土，軟土深度16 m，比貫入阻力qc＞0.85 MPa，豎向固結(jié)系數(shù)平均值為4 m2/a，壓縮指數(shù)平均值為0.23，孔隙比平均值為0.843。

3 方法及應(yīng)用分析

3.1 經(jīng)驗(yàn)雙曲線法及應(yīng)用

依據(jù)《港口工程地基規(guī)范》中“經(jīng)驗(yàn)雙曲線”公式，對(duì)本項(xiàng)目的4個(gè)斷面的中心點(diǎn)沉降盤沉降進(jìn)行雙曲線公式計(jì)算，其中SP8擬合曲線見圖1，其余沉降盤規(guī)律一致。

圖1 SP8沉降盤經(jīng)驗(yàn)雙曲線法擬合曲線

由經(jīng)驗(yàn)雙曲線公式計(jì)算的最終沉降量如表1所示。

表1 經(jīng)驗(yàn)雙曲線計(jì)算最終沉降值

從圖1曲線分析看，擬合線與實(shí)測(cè)線的相關(guān)性很高，相關(guān)系數(shù)平方值均可達(dá)到0.996以上，擬合線和實(shí)測(cè)線相關(guān)明顯，線性的選擇是合理的。但是經(jīng)驗(yàn)雙曲線法需要選擇合理的時(shí)間推算點(diǎn)，且不能計(jì)算主固結(jié)沉降量及次固結(jié)沉降量大小，對(duì)于此工程不能準(zhǔn)確推算卸載時(shí)間。

3.2 高木俊介法及應(yīng)用

依據(jù)JGJ 79-2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的高木俊介公式，根據(jù)試驗(yàn)段的地質(zhì)資料及排水板的施工相關(guān)參數(shù)，并考慮涂抹和井阻的影響，運(yùn)用公式計(jì)算并模擬沉降曲線。對(duì)本項(xiàng)目的4個(gè)中心點(diǎn)沉降盤沉降運(yùn)用高木俊介公式計(jì)算，其中沉降盤SP8計(jì)算結(jié)果如圖2所示，其余沉降盤規(guī)律一致。

圖2 SP8沉降盤高木俊介公式曲線圖

由高木俊介公式推算的最終沉降量如表2所示。

表2 高木俊介公式推算最終沉降值mm

從圖2分析來(lái)看，滿載期后的實(shí)測(cè)沉降曲線與公式計(jì)算曲線相關(guān)性比較好。高木俊介公式主要利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)沉降進(jìn)行沉降曲線模擬，并調(diào)整土質(zhì)的固結(jié)系數(shù)、壓縮系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，穩(wěn)定后與試驗(yàn)室提供數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷不同土質(zhì)條件下實(shí)際沉降反算的參數(shù)與試驗(yàn)室參數(shù)的差異，分析該區(qū)域土質(zhì)的涂抹及井阻對(duì)排水固結(jié)的影響。另外高木俊介公式不能計(jì)算主固結(jié)沉降量及次固結(jié)沉降量大小，并且需要前期的大量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，才能進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)計(jì)算。

3.3 ASAOKA法及應(yīng)用

3.3.1 ASAOKA法簡(jiǎn)介

ASAOKA法是根據(jù)相關(guān)公式提出的一種圖解法。其步驟如下：

1）以工程滿載后開始，以ρj-1為x軸，以ρj為y軸，j為截取的某時(shí)間點(diǎn)，將各沉降值ρ1，ρ2…（均為相等的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)沉降量）的點(diǎn)（ρj-1，ρj）在圖中畫出，同時(shí)作出ρj-1=ρj的45°直線，如圖3所示。

圖3 ASAOKA法分析圖

2）做直線（1）與這些點(diǎn)吻合，直線（1）與45°直線相交的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的沉降量ρj即為最終沉降量。傾斜角β1表示沉降速率。

當(dāng)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于主固結(jié)沉降全部完成，次固結(jié)沉降發(fā)生作用時(shí)，直線會(huì)出現(xiàn)斜率變化點(diǎn)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩條直線（1）和（2）與數(shù)據(jù)相吻合的情況，如圖4所示，直線（1）表示主固結(jié)沉降階段的總沉降，直線（2）表示次固結(jié)沉降階段的總沉降。

圖4 主固結(jié)沉降段及次固結(jié)沉降段總沉降直線

3.3.2 ASAOKA法應(yīng)用

對(duì)本項(xiàng)目的4個(gè)中心點(diǎn)沉降結(jié)果采用ASAOKA法進(jìn)行計(jì)算，分別得出主固結(jié)沉降段及次固結(jié)沉降段總沉降，其中沉降盤SP8計(jì)算結(jié)果如圖5所示，其余沉降盤規(guī)律一致。

由ASAOKA法推算的最終沉降量如表3所示。

圖5 SP8沉降盤ASAOKA法推算沉降值曲線

表3 ASAOKA法推算最終沉降值mm

由表3結(jié)果可以看出，ASAOKA圖解法更為簡(jiǎn)潔，所需數(shù)據(jù)可以為滿載后某一階段性數(shù)據(jù)，并能更進(jìn)一步計(jì)算包含次固結(jié)沉降下的最終沉降量，提供加固后的殘余沉降量數(shù)值，為路堤卸載時(shí)間提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.4 對(duì)比分析

綜合以上3種推算方法的數(shù)據(jù)，匯總得出表4。

表4 三種計(jì)算方法的結(jié)果比較分析mm

綜合上述3種方法，由表4數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)驗(yàn)雙曲線法的最終沉降量結(jié)果比其它兩種方法的沉降量偏大約143 mm，而高木俊介公式及ASAOKA法推算的主固結(jié)沉降量平均偏差為2 mm。分析經(jīng)驗(yàn)雙曲線法推算沉降量偏大原因?yàn)椋阂皇强仆匕捅妊訊u地質(zhì)條件與國(guó)內(nèi)施工的極軟地質(zhì)不同，總沉降量相對(duì)國(guó)內(nèi)淤泥質(zhì)地質(zhì)條件較?。欢墙?jīng)驗(yàn)雙曲線法運(yùn)用最小二乘法原理，通過(guò)控制均方根誤差最小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際擬合時(shí)，不同的曲線方程推算的最終沉降量有一定的誤差。

高木俊介公式計(jì)算過(guò)程需要前期試驗(yàn)提供大量的地質(zhì)資料和土質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用公式計(jì)算沉降曲線并與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行擬合，整個(gè)過(guò)程需調(diào)整土質(zhì)的相關(guān)參數(shù)。

ASAOKA圖解法可以選用滿載后的任意較短時(shí)間觀測(cè)資料，對(duì)沉降過(guò)程的階段性依賴不明顯，并且能夠推算出次固結(jié)沉降量大小，為后期施工使用提供可靠的數(shù)據(jù)參考，實(shí)用性比較強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）經(jīng)驗(yàn)雙曲線法計(jì)算需要選擇合理的時(shí)間點(diǎn)，且不能分別計(jì)算主固結(jié)沉降量及次固結(jié)沉降量大小，不能確定滿足此項(xiàng)目對(duì)次固結(jié)沉降量要求的時(shí)間點(diǎn)。

2）高木俊介公式是利用大量的前期土質(zhì)參數(shù)，計(jì)算沉降曲線并與實(shí)際沉降數(shù)據(jù)擬合后反復(fù)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，并推算出最終沉降量。這種方法更為適用于需要掌握某一地區(qū)的土質(zhì)參數(shù)、并取得該地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3）從現(xiàn)場(chǎng)適用性來(lái)講，ASAOKA圖解法作為一種推算最終沉降和確定次固結(jié)沉降量的方法，使用比較簡(jiǎn)單，計(jì)算數(shù)據(jù)比較精確，并能提供次固結(jié)沉降量，更能適用于本地區(qū)的堆載預(yù)壓排水固結(jié)沉降分析。

[1]JGJ 79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTS 147-1—2010，港口工程地基規(guī)范[S].

[3]李福民，趙有明.深圳軟土地基處理中ASAOKA法的應(yīng)用[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2002（4）：40-44.

[4]HANSBO S.Consolidation of Fine-grained Soils by Prefabricated Drains[J].Soil Mech and Found，1981（3）：677-682.