吹填土地基長期沉降與預(yù)測技術(shù)

劉文彬 ，李晨 ，寇曉強

0　引言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，各大港口的進出口貿(mào)易進入了前所未有的發(fā)展階段。土地資源十分緊缺，圍海造陸已成為人類向海洋尋求土地的主要手段，為滿足港口的發(fā)展，越來越多的圍海造陸工程正在如火如荼的進行，僅天津地區(qū)的新增圍海造陸面積就已經(jīng)達到80 km2。圍海造陸是通過吹填形成新的陸域，其地基土以吹填土為主，具有強度低、滲透性差等特點，在這種地基上修筑的建筑物，其長期沉降如何發(fā)展，對建筑物使用的影響如何，是目前巖土工程界亟待解決的問題之一。

近年來，諸多學(xué)者對于港口工程軟土地基的長期沉降問題展開了研究，并取得了一定的成果。2000年，趙九齋[1]通過對連云港某鐵路軟土路基10多年的沉降監(jiān)測，總結(jié)了該鐵路地基的沉降規(guī)律，并對其工后長期沉降進行了預(yù)測，提出了考慮填土張性裂縫的穩(wěn)定驗算方法。2001年，譚昌明等[2]基于MERCHANT黏彈性模型，建立了軟土地基沉降二維黏彈性Biot固結(jié)公式，并提出了分層迭代反演的綜合預(yù)測法。2004年，趙明華等[3]認(rèn)為軟土路基沉降發(fā)展經(jīng)歷“發(fā)生、發(fā)展、穩(wěn)定、極限”4個階段，其固結(jié)沉降過程曲線呈“S”形，提出了一種預(yù)測路基沉降發(fā)展規(guī)律的變權(quán)重組合預(yù)測方法，并建立了軟土路基沉降的變權(quán)重模型。2005年，呂慶等[4]用廣義Kelvin模型表征填筑體的本構(gòu)關(guān)系，在現(xiàn)場沉降監(jiān)測基礎(chǔ)上，運用三維有限元正交數(shù)值試驗、回歸分析和優(yōu)化相結(jié)合的方法，反演了計算模型的材料參數(shù)，并預(yù)測高填方路堤的工后沉降，得到預(yù)測結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果一致。2006年，章定文等[5]根據(jù)連云港至徐州高速公路連云港段60多個斷面的現(xiàn)場實測沉降資料，分析了在路堤荷載作用下連云港海相軟土的沉降和固結(jié)規(guī)律，提出了運用雙曲線法預(yù)測最終沉降的方法。2009年，周健等[6]采用規(guī)范沉降計算法及太沙基一維固結(jié)理論，對某礦石碼頭堆場地基沉降進行計算，基于實測資料采用反分析方法，確定了各土層的壓縮模量和固結(jié)系數(shù)，并將反演得到的參數(shù)代入太沙基一維固結(jié)方程，對后續(xù)沉降進行預(yù)測，從而確定分級壓載的下一級壓載時間與壓載量。2012年，秦植海[7]以海堤工后初期監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，運用分層總和法和太沙基一維固結(jié)理論反演了土層固結(jié)系數(shù)，并通過對固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律的分析，提出采用改進變維分形預(yù)測模型對具有較強趨勢性的固結(jié)系數(shù)進行預(yù)測。2013年，李書杭等[8]對影響圍堤工后沉降的因素進行了分析，采用德爾菲法和層次分析法，以魚刺圖代替層次結(jié)構(gòu)模型，對影響工后沉降的6個因素進行評價，得出主要因素為“地基處理”和“地基土層”，次要因素為“海堤”自身及“施工”，一般因素為“沉降監(jiān)測”和“外在因素”。

以上學(xué)者雖然對軟土地基的長期沉降問題開展了系統(tǒng)的研究，但針對天津地區(qū)的吹填土研究并不多，由于吹填土的地區(qū)差異性，本文以天津港某吹填土地基加固工程為項目依托，通過布置測點對吹填土地基施工期和長期沉降進行現(xiàn)場監(jiān)測，確定軟土地基施工期和長期沉降的發(fā)生發(fā)展特性；運用有限元軟件對施工期監(jiān)測結(jié)果進行擬合，建立吹填土長期沉降的數(shù)值預(yù)測模型；通過該模型分析吹填土地基長期沉降的發(fā)生機理。

1　工程概況

本工程為天津港某道路工程，全長約為282 m，寬度為40 m，吹填土地基面積約24 161 m2，采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓法進行加固，真空荷載85 kPa，豎向排水板間距0.8 m，正方形布置，深度15 m。地基土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　地基土體參數(shù)Table1　Parameter of foundation soil properties

現(xiàn)場監(jiān)測工作主要分為兩個階段，第一階段為吹填土地基加固階段（施工期），第二階段為路面修筑及道路使用階段（長期）。第一階段在中心位置布置測點，監(jiān)測地基表征處理質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。第二階段主要監(jiān)測地表沉降，共5個測點，其布置如圖1所示。

圖1　監(jiān)測點布置圖Fig.1　Location of monitoring points

2　現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

2.1　施工期監(jiān)測結(jié)果

本工程采用的真空預(yù)壓聯(lián)合堆載加固方法中，真空荷載85 kPa，吹填粉細(xì)砂荷載25 kPa，加固過程中荷載曲線如圖2所示。

圖2　施工期加荷曲線Fig.2　Loading curve of construction period

施工期測得的監(jiān)測區(qū)中心位置地表沉降值見圖3。

圖3　地基施工期地表沉降實測曲線Fig.3　Measured curve of surfacesettlements in construction period

如圖3所示，真空預(yù)壓處理過程中的地基總沉降量為2.079 m。施工期包括插板期和真空預(yù)壓期兩個階段，將兩階段的沉降列于表2中。

表2　施工期沉降情況匯總表Table2　Settlements of construction period

如表2所示，插板期內(nèi)沉降量為0.58 m，加上真空預(yù)壓的沉降，地基施工期間的最終總沉降量為2.659 m，此時地基固結(jié)度均已達到85%以上，沉降速率均小于3.0 mm/d，滿足卸載要求。

2.2　長期監(jiān)測結(jié)果

地基加固完成后對其長期沉降量進行監(jiān)測，監(jiān)測時間共560 d，各測點沉降觀測曲線見圖4。

圖4　工后沉降觀測曲線Fig.4　Observation curve of settlements after construction

由圖4可知，各測點的工后沉降與測點所在位置有關(guān)，不同位置的測點工后沉降量存在一定的差異，造成此差異的主要原因除了地層的不均勻分布以外，還與使用荷載不同有關(guān)（有些測點位于路面、有些測點位于綠化帶區(qū)），截至最近一次測量，各測點工后沉降量平均值為0.12 m。

通過對各測點的沉降發(fā)展分析可知，地基加固完成后仍然產(chǎn)生較大的沉降量，尤其在地基處理完成初期，即路面修筑期，地基沉降最為顯著。由于路面修筑期的荷載遠(yuǎn)小于施工期的真空預(yù)壓荷載，而且經(jīng)過地基處理，土體固結(jié)度已達到85%以上，為何會產(chǎn)生如此大的沉降，還需進一步對其發(fā)生機理進行深入的研究。

3　數(shù)值預(yù)測結(jié)果

由于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，運用有限元軟件對吹填土地基各時期的沉降進行數(shù)值模擬，通過與實測值的對比確定該數(shù)值模型的有效性，并運用該模型對吹填土地基長期沉降的發(fā)生機理進行深入的研究。

3.1　數(shù)值預(yù)測模型的建立

采用FLAC 3D有限元方法對吹填土地基進行數(shù)值模擬，為減少計算時間，選取一半進行計算，建立的數(shù)值模型如圖5所示。

圖5　數(shù)值分析模型Fig.5　Numerical model

計算模型橫向?qū)挾葹?20 m，豎向地層深度取60 m。由于路基處理及路面施工為典型的平面應(yīng)變問題，這里設(shè)置模型的縱向?qū)挾热? m，模型計算以平面應(yīng)變原則進行計算，邊界條件為兩側(cè)x方向固定，豎向y方向固定，計算水位為排水板以下1 m位置。

3.2　數(shù)值模型評價

為確定數(shù)值模型中的選取計算參數(shù)是否合理、有效，將數(shù)值結(jié)果與施工期實測結(jié)果進行對比，并對關(guān)鍵參數(shù)進行修正，確保數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)場實際情況，其擬合結(jié)果見圖6。

圖6　施工期地表沉降實測與計算值對比Fig.6　Comparison between simulation results and monitoring data of surface settlement in construction period

由圖6可知，由于插板期現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，致使施工初期實測曲線與計算結(jié)果產(chǎn)生偏差，但在真空預(yù)壓期數(shù)值模型計算得到的沉降與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果擬合良好，說明本數(shù)值模型選取的各項參數(shù)合理，可有效模擬地基施工期沉降變形情況。

運用此數(shù)值模型對地基的長期沉降進行模擬，并將模擬結(jié)果同實測結(jié)果繪于圖7。

圖7　長期沉降監(jiān)測值與計算值對比Fig.7　Comparison between simulation results and monitoring data of long-time settlement

由圖7可知，現(xiàn)場監(jiān)測值與計算值在工后初期存在一定差異，這是由于模擬過程中無法真實還原地基復(fù)雜的受荷情況。監(jiān)測得到的工后1.5 a沉降量略大于計算結(jié)果，大約相差16.7%，其主要原因是因為數(shù)值模型中未考慮土體的次固結(jié)沉降量。

通過以上分析對比可知，運用此數(shù)值模型可有效模擬吹填土地基施工期和長期沉降。

3.3　長期沉降發(fā)生機理研究

運用數(shù)值模型對吹填土地基長期沉降的發(fā)生機理進行研究，首先將計算得到的排水板打設(shè)范圍內(nèi)地基在不同深度處的孔壓變化情況繪于圖8。

圖8　排水板打設(shè)區(qū)孔壓Fig.8　The pore water pressure of drainage platearea

由圖8可知，排水板打設(shè)范圍內(nèi)的地基在施工期內(nèi)，其孔壓不斷消散，并且卸載后（130 d），孔壓值短時間內(nèi)回升至接近靜水孔壓，隨后在工后荷載的作用下（路面修筑荷載及使用荷載），產(chǎn)生超孔隙水壓力，但由于排水板的作用，超孔壓又快速消散，說明打設(shè)排水板的土體可在荷載作用后迅速完成固結(jié)。

將排水板下臥土層中部位置（排水板底部以下8 m處）的整體孔壓消散曲線繪制于圖9。

圖9　排水板下臥土層孔壓Fig.9　The pore water pressure below drainage plate area

由圖9可知，下臥層在施工荷載作用下產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，由于未打設(shè)排水板，其孔壓在施工期未完全消散，土體固結(jié)度較低，卸載后孔壓有所降低，但在使用荷載作用下，又出現(xiàn)明顯的超孔壓，且消散緩慢，孔壓消散完全大約需要1 a多的時間，說明地基產(chǎn)生長期沉降的主要原因是由于排水板下臥層軟土的持續(xù)固結(jié)。

4　結(jié)語

本文以天津港地區(qū)典型的吹填土地基加固工程為項目依托，對地基的施工期和長期沉降進行了監(jiān)測，提出了有效的數(shù)值模型，并運用該模型開展了長期沉降發(fā)生機理研究，得到如下結(jié)論：

1）監(jiān)測得到吹填土地基插板期沉降約為0.5 m，真空預(yù)壓加固過程中沉降約為2.1 m，整個施工期總沉降為2.6 m；地基加固后土體固結(jié)度達85%以上，卸載時的沉降速率為2.65 mm/d。

2）本文提出的數(shù)值模擬方法可有效模擬吹填土地基的施工期沉降和長期沉降，但由于未考慮土體的次固結(jié)沉降，長期沉降模擬結(jié)果偏??；地基土體由于次固結(jié)產(chǎn)生的沉降量占地基總沉降量的16.7%。

3）排水板可有效縮短吹填土地基的排水固結(jié)時間，排水板打設(shè)區(qū)的土體孔隙水壓力消散較快，固結(jié)效率高；排水板下臥層軟土的持續(xù)固結(jié)變形是造成吹填土地基長期沉降較大、時間較長的主要原因。

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