西南某機(jī)場(chǎng)地基工后沉降預(yù)測(cè)

錢 銳 吳代兵

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都610059；2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610052）

0 引言

自從我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來，西部山區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，由此出現(xiàn)不少山區(qū)填方地基工程，涉及機(jī)場(chǎng)、鐵路、公路等眾多領(lǐng)域。這些建設(shè)場(chǎng)地的地基大都存在著變形大、強(qiáng)度低、壓縮性高、沉降量大和排水固結(jié)速度慢等特點(diǎn)，普遍存在工后沉降過大的問題。準(zhǔn)確計(jì)算高填方地基的沉降變形，特別是工后沉降變形已成為目前日益增多的山區(qū)高填方工程中亟待解決的問題。工后沉降觀測(cè)資料是驗(yàn)證設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工的重要手段，不僅可以用來了解機(jī)場(chǎng)地基的穩(wěn)定性，更重要的是進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，推算地基最終沉降量、計(jì)算工后沉降量以及沉降速率等。關(guān)于機(jī)場(chǎng)地基工后沉降預(yù)測(cè)的方法很多，常用的沉降預(yù)測(cè)方法包括雙曲線法、三點(diǎn)法、指數(shù)函數(shù)法、Asaoka法、灰色理論方法等。本文結(jié)合西南某機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程施工期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，選取使用較為廣泛的對(duì)數(shù)法和雙曲線法來預(yù)測(cè)工后沉降，以期達(dá)到選取一種更好滿足工程建設(shè)需要的回歸分析方法的目的。這種基于實(shí)測(cè)資料回歸分析的方法一般能夠滿足工程建設(shè)的需要。

1 機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程概況

該機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程距現(xiàn)跑道168m，場(chǎng)地高程一般在300m～360m之間。跑道中心點(diǎn)高程329m，與場(chǎng)址區(qū)周邊高差10～30m，地貌形態(tài)為構(gòu)造侵蝕低-中丘。場(chǎng)區(qū)出露的地層主要為第四紀(jì)中更新統(tǒng)堆積物（Q2al），侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）粉砂質(zhì)泥巖，侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）泥質(zhì)粉砂巖和砂巖。巖石地層特征如下：

（1）耕植土（Q4pd）：褐色、褐黃色粘土，結(jié)構(gòu)松散，稍濕，土質(zhì)不均，混雜卵石的圓礫，呈圓形和亞圓形，含植物根系及腐殖質(zhì)，層厚約0.3～0.5m。

（2）卵石（Q2al）：褐黃色，稍濕-濕，松散-密實(shí)，以稍密-中密為主，成分主要為石英巖、砂巖，含礫量50%～80%，呈圓形-亞圓形，5～20mm，最大10cm，磨圓度好，充填物主要為泥和砂，層厚0.3～12.9m。

（3）粉質(zhì)粘土（Q1el）：伏于卵石之下，泥巖全風(fēng)化的產(chǎn)物，褐紅-褐黃，其狀態(tài)主要有軟塑、可塑和硬塑，以軟塑和可塑為主，含少量鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及角礫，層厚約0.4～4.6m。

（4）粉砂質(zhì)泥巖（J3sn）：主要為粉砂質(zhì)水云母泥巖和細(xì)-粉砂質(zhì)水云母泥巖，伏于粉質(zhì)粘土之下，紫紅色，鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-厚層狀構(gòu)造。

（5）泥質(zhì)粉砂巖（J2s）：主要為泥質(zhì)粉砂巖和灰質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，伏于粉質(zhì)粘土之下，紫紅色，粉質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-厚層狀構(gòu)造。

（6）砂巖（J2s）：主要為灰質(zhì)粉砂巖、細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖和細(xì)粒巖屑砂巖，伏于泥質(zhì)粉砂巖之下，紫紅、灰黑色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造。

2 利用回歸參數(shù)模型預(yù)測(cè)工后沉降

2.1 回歸模型基本思路

沉降回歸模型建立的基本思路是：在長(zhǎng)期觀測(cè)資料基礎(chǔ)上，根據(jù)各周期的沉降觀測(cè)成果，根據(jù)沉降與時(shí)間的s-t曲線特征，選取與之相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過回歸模型分析得出模型參數(shù)，再對(duì)未來時(shí)刻的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。數(shù)，再對(duì)未來時(shí)刻的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。常用的回歸參數(shù)模型有指數(shù)模型、冪函數(shù)模型、平方根模型、雙曲線模型和對(duì)數(shù)模型，各式中為工后沉降量；為最終沉降量；A，B為回歸參數(shù)；C為某一沉降速率(如0.01mm/d)；T為時(shí)間。

常用的一元回歸模型有下列幾種形式：

1）線性回歸：y=A+B x；

2）對(duì)數(shù)回歸：y=A+B ln x；

3）指數(shù)回歸：y=A*eBx；

2.2 工后沉降原位監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)主要考慮：①能反映整個(gè)擴(kuò)建工程填方地基變形情況；②變形較大部位；③工程重點(diǎn)地段。

基準(zhǔn)點(diǎn)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在跑道兩端選擇穩(wěn)定的部位設(shè)置2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)每3個(gè)月復(fù)核一次。

2012年8月初，機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程的道面混凝土工程施工完畢。自2013年1月17日進(jìn)場(chǎng)以來，至2014年4月13日，跑道東側(cè)道面沉降監(jiān)測(cè)了38次。道面沉降采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)。道面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，代表性點(diǎn)的沉降觀測(cè)結(jié)果如圖2。

圖2 為代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)工后沉降發(fā)展曲線。觀測(cè)12個(gè)月期間的總沉降量為40～55mm。其中，2013年1月～3月的日均沉降速率為0.6～1.0mm/d；2013年4月～8月的日均沉降速率為0.1～0.3mm/d；2013年9月～12月的日均沉降速率為0.01～0.07mm/d，2014年1月～4月的日均沉降速率為0.01～0.03mm/d。至2014年4月13日，E46至E22觀測(cè)點(diǎn)間的最大差異沉降量為0.9‰(E22-E23)。沉降曲線收斂趨勢(shì)較明顯。

工后沉降曲線可以以觀測(cè)后100～113 d(2013年5月上旬)為界劃分為兩個(gè)階段，前一階段曲線較陡，E46點(diǎn)所發(fā)生的沉降量為44mm，日均沉降速率為0.40mm/d；后一階段曲線逐漸變緩，E46點(diǎn)所發(fā)生的沉降為11mm，日均沉降速率為0.03mm/d。主要原因是在前期發(fā)生的主要是瞬時(shí)沉降，且受工程干擾，后期沉降曲線進(jìn)入主固結(jié)階段，沉降曲線逐漸轉(zhuǎn)緩。

2.3 沉降對(duì)數(shù)和雙曲線預(yù)測(cè)對(duì)比

為合理選取計(jì)算模型，下面以E46監(jiān)測(cè)點(diǎn)工后沉降回歸分析為例進(jìn)行闡述。由上述可知，第113天之前發(fā)生的沉降主要為瞬時(shí)沉降，且受工程干擾，觀測(cè)數(shù)據(jù)較少。因此，取第113天至第451天(即2013年1月19日至2014年4月13日)期間的38次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖3、4及表1、2所示。

表1 E46監(jiān)測(cè)點(diǎn)工后沉降回歸分析

圖3和圖4分別為雙曲線法和對(duì)數(shù)法對(duì)沉降全過程擬合關(guān)系圖。強(qiáng)夯施工前期，沉降速率很大，施工后進(jìn)入自然沉降期。從圖3可以看出沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行雙曲線全過程線性擬合時(shí)，擬合線與數(shù)據(jù)點(diǎn)重合度較好，而且從表2中可以看出其各點(diǎn)間相關(guān)系數(shù)很高。從圖4中可以看出沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)曲線全過程線性擬合時(shí)，擬合線與數(shù)據(jù)點(diǎn)重臺(tái)度不太好，且從表2中可以看出其各點(diǎn)間相關(guān)系數(shù)稍低。從圖3中可以看出雙曲線預(yù)測(cè)沉降線比對(duì)數(shù)曲線預(yù)測(cè)沉降線更接近實(shí)測(cè)沉降線。因此，雙曲線模型預(yù)測(cè)機(jī)場(chǎng)沉降的收斂性與實(shí)際機(jī)場(chǎng)后期沉降的逐漸收斂特性相適宜。由于對(duì)數(shù)模型預(yù)測(cè)本身的發(fā)散性，相比之下該模型可能更適宜機(jī)場(chǎng)地基前期沉降預(yù)測(cè)和大型工程的沉降預(yù)測(cè)。雙曲線預(yù)測(cè)模型由于后段擬合較好，可能更適合機(jī)場(chǎng)地基后期沉降預(yù)測(cè)。由表2中可以看出目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)條件下，道面實(shí)際累計(jì)沉降已接近預(yù)測(cè)最終沉降量，說明地基固結(jié)程度已較高，地基土已較為密實(shí)，在現(xiàn)有場(chǎng)地條件下繼續(xù)沉降量應(yīng)較為微小。

表2 E46監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終工后沉降量回歸參數(shù)模型預(yù)測(cè)

3 結(jié)論

（1）高填方地基工后沉降包括部分瞬時(shí)沉降、主固結(jié)和次固結(jié)沉降3部分。其中瞬時(shí)沉降量值較大，發(fā)生時(shí)間較短，在回歸參數(shù)模型中一般難以考慮，而主固結(jié)和次固結(jié)的規(guī)律性較強(qiáng)，可用對(duì)數(shù)模型進(jìn)行回歸分析預(yù)測(cè)。

（2）在目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)條件下，各回歸參數(shù)模型內(nèi)插預(yù)測(cè)值均與觀測(cè)值較為接近，但可能由于外界環(huán)境因素局部數(shù)據(jù)有異常，總體滿足工程需要，其中雙曲線模型相關(guān)系數(shù)大，后段擬合度高，是較理想的工程后期沉降預(yù)測(cè)回歸模型。

（3）回歸參數(shù)模型是建立在長(zhǎng)期觀測(cè)資料基礎(chǔ)上的一種經(jīng)驗(yàn)方法。只有根據(jù)工程實(shí)際情況需要，仔細(xì)分析實(shí)際沉降數(shù)據(jù)，才能選取適合工程地基沉降的回歸預(yù)測(cè)模型，這樣才能更好指導(dǎo)工程施工。

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