港口軟基沉降預測的對比研究

李超瓊, 陳秋南

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港口軟基沉降預測的對比研究

李超瓊*, 陳秋南

(湖南科技大學 土木工程學院, 湖南 湘潭, 411201)

運用雙曲線法、Asaoka法和灰色理論法3種預測模型, 結合廣東虎門港區(qū)碼頭工程的現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù), 對該工程中用大面積吹填砂堆載預壓后的最終沉降趨勢進行了預測. 結果表明: 灰色理論預測效果最好, 所得到的預測結果與實際吻合; 雙曲線法的預測效果次之; Asaoka法預測效果較差, 前期和后期的誤差都比較大.

港口; 吹填砂; 軟基處理; 沉降預測

我國沿海地區(qū)分布著十分廣泛的沉積軟土, 其工程性質差, 具有孔隙比大、含水量高、抗剪強度較低、地基承載力低等特點[1—3], 會對在其上修建的港口碼頭產生很大的危害, 必須進行加固處理[4—5]. 目前有許多預測沉降的方法, 雙曲線法和Asaoka法[6]是應用較為廣泛的方法. 灰色模型理論近年也開始得到應用, 許多學者在這方面已作了研究[7—8]. 以上哪種預測模型更適合在軟基預測中應用, 有待進一步考證.

本文對所依托工程試驗區(qū)的工程概況進行說明, 通過對現(xiàn)場監(jiān)測得到的數(shù)據(jù), 運用幾種方法來對沉降進行計算預測, 通過比較, 找出與實際最吻合的預測方法.

1 工程概況及施工工序

東莞市虎門港沙田港區(qū)碼頭工程軟基處理堆載預壓面積約為42 077 m2, 主要軟土層為淤泥、淤泥質土, 厚度2～24 m, 地質條件很差, 穩(wěn)定性不良, 采用吹填堆載預壓進行地基處理. 軟基處理前鋪墊中粗砂墊層厚0.6 m, 然后采用塑料排水板作為豎向排水體, 按正方形布置, 間距1.0 m. 插板完成10 d后, 開始分級堆載預壓施工. 加載過程為: 加載第1級荷載(吹填1.0～1.5 m厚中細砂), 采用分層加載方式, 每層加載厚度為30～50 cm, 間歇10 d; 加載第2級荷載(吹填1.0～1.5 m厚中細砂), 同樣采取分層加載方式, 加載厚度同第1層加載, 2級加載部分加載后恒載60 d, 3級加載部分在第2級加載完成后間歇10 d, 然后進行第3級荷載(吹填1.0 m厚中細砂), 加載方式同第2級加載, 然后恒載預壓60 d. 堆載過程中應加強施工監(jiān)測, 控制加荷速率. 間歇時間可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)(如沉降速率)作適當調整, 根據(jù)實測地基變形隨時間變化曲線推算的地基固結度達到90%以上后, 方可進行卸載.

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 表層沉降監(jiān)測

沉降盤宜在插板前埋設并記錄原始標高, 插板后24 h內開展沉降觀測工作. 觀測誤差要求不大于2 mm, 插板和堆載期間每隔24 h觀測1次, 滿載后每隔48 h觀測1次. 臨近卸載期時, 應根據(jù)實測沉降值, 計算固結度, 預測沉降趨勢, 確定具體卸載時間. 沉降速率應當小于30 mm/d才能繼續(xù)加載.

表1 各沉降標地表沉降統(tǒng)計

2.2 現(xiàn)場觀測資料

對軟基進行分析的基礎以及其關鍵點是對表層沉降的觀測, 研究軟基沉降變化規(guī)律的目的是為了能夠對施工進度進行控制, 并且能夠順利進行后續(xù)的施工操作.

在試驗區(qū)域, 一共埋設了4個沉降板. 表1為現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù); 圖1為表層沉降隨著時間變化曲線, 其中, CJ1、CJ2、CJ3和CJ4為試驗中選取的4個觀測點; 圖2為試驗區(qū)荷載隨時間變化曲線.

3 吹填砂軟基沉降預測

基于大面積吹填砂加固軟土地基的特點, 運用的沉降預測方法有雙曲線法、Aaoka法和灰色理論法. 本文運用這3種方法對吹填砂軟基沉降進行預測, 然后與實測值進行比較.

圖1 試驗區(qū)沉降標時間與沉降量關系

圖2 試驗區(qū)沉降標時間與荷載關系

3.1 雙曲線法

由于雙曲線法是一種純粹依賴經驗的曲線方法[6], 因此其擬合的曲線與很多的實測沉降過程曲線接近. 由雙曲線推得未知某時刻沉降量S與相應的時間及初期沉降量0的經驗公式為:

將(1)式轉變?yōu)?

通過(2)式得出從實測值求得的系數(shù)、,然后代入式:

可以得到最終沉降量∞. 經過計算, 實測數(shù)據(jù)與模擬結果見表2.

表2 現(xiàn)場結果與雙曲線法預測結果

3.2 Asaoka法預測

根據(jù)沉降的遞推公式[7—8], Δ取10, 對中心測點CJ4,0取416 mm. 令

式(4)可以變形為=.

對測點CJ4進行計算, 根據(jù)實測數(shù)據(jù)求出和.

解得:= 0.831 9,0= 215.122 4, 則有∞=0/(1-) = 215.122 4/(1-0.831 9) = 128 0,S=0+βS- 1= 215.122 4-0.831 9 S- 1.

由此可以算得:(70) = 215.122 4 + 0.831 9 × 713 = 828.3 (實測805);(80) = 215.122 4 + 0.831 9 × 832 = 904.2 (實測875).

以上計算結果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的偏差比較大, 與最終結果也不吻合.

圖3 CJ4沉降標時間與沉降量關系的實測結果與Asaoka法擬合結果對比

表3 測點CJ4沉降觀測記錄

通過上述公式得沉降時間關系式為:S=0/(1-) – (0/(1-) –0) β= 215.122 4/(1-0.831 9) – (215.122 4/(1-0.831 9)-17) × 0.831 9/Dt= 128 0-126 3 × 0.831 9/Dt.

實測數(shù)據(jù)與Asaoka法CJ4號沉降標時間曲線如圖3所示.

3.3 灰色理論法預測

運用灰色理論預測的優(yōu)勢之一是可以由較少的實測資料, 根據(jù)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的研究, 發(fā)現(xiàn)這些資料本來存在的規(guī)律和聯(lián)系, 進而預測后期沉降過程的變化量[9]. 測點CJ4沉降觀測數(shù)據(jù)如表3所示.

根據(jù)表3數(shù)據(jù), 由灰色理論可得以下結果.

① 等時距間隔的原始沉降數(shù)列為:(0)() = {416, 81, 80, 65, 24, 47, 92, 70, 37, 99}.

② 通過以上的數(shù)列, 經過一次的累加, 得到生成序列:(1)= {416, 497, 577, 642, 666, 713, 805, 875, 912, 101 1}.

解得:=-0.038 6,= 60.222 2. 其中e為去除初始沉降的等時距間隔的沉降量.

通過灰色理論預測方法, 可以得出測點CJ4處的最終沉降量為1 199 mm, 與實際值比較吻合. CJ4沉降標時間與沉降量的關系曲線見圖4; 測點CJ4沉降實測值與預測值見表4.

圖4 改進灰色理論下, 測點CJ4沉降標時間與沉降量關系

表4 測點CJ4實測值與預測值

4 結論

本文簡介了虎門港軟基處理工程及工程所使用的大面積吹填砂堆載預壓結合塑料排水板法的設計施工方法. 對實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)與預測結果進行了比較, 討論了3種預測方法的適應性, 所得結論如下.

在試驗區(qū)域, 從插板開始到卸載之前, 共歷時168 d, 表層沉降測量值均小于30 mm/d, 全部沉降標的平均沉降量為1 025.5 mm, 符合設計要求, 說明所使用處理方法的處理效果較好.

運用3種預測方法, 對該軟土地基的沉降進行了預測, 發(fā)現(xiàn)灰色理論法模型的相對誤差均值為1.081 3%, 是3種模型中最小的, 預測效果比較理想.

灰色模型對軟基沉降預測的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比較吻合, 該數(shù)據(jù)能夠作為對軟基處理工程后續(xù)施工的參考.

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Comparison research on settlement prediction of soft foundation for harbour

LI ChaoQiong, CHEN QiuNan

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

By using hyperbolic method, Asaoka method and gray forecasting model, combined with Guangdong Humen Port Terminal Project site subsidence monitoring data, the final settlement trend of a large area of the project after hydraulic fill sand preloading is predicted. The results show that Grey theory got the best prediction results and it was consisted in the actual, but the hyperbolic method to predict the effect followed, Asaoka method to predict less effective, early and late error was relatively large.

harbour; a large area of sand reclamation; soft foundation process; reinforcement effect

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.010

TU 47

1672-6146(2014)04-0039-04

email: 412421204@qq.com.

2014-05-09

國家自然科學基金項目(41372303)

(責任編校: 江 河)