河湖地區(qū)軟土地基大面積堆載沉降試驗(yàn)方案研究及結(jié)果分析

夏 風(fēng)，周作茂，劉 洋，王崇宇

(1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100027；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410011；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410076)

河湖地區(qū)軟土地基大面積堆載沉降試驗(yàn)方案研究及結(jié)果分析

夏 風(fēng)1，周作茂2，劉 洋3，王崇宇3

(1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100027；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410011；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410076)

結(jié)合岳陽(yáng)城陵磯新港陸域堆場(chǎng)軟基處理工程，根據(jù)地基沉降分層總和法計(jì)算方法，采用地基附加應(yīng)力等效原理，確定原地面大面積堆載沉降試驗(yàn)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，大面積堆載沉降試驗(yàn)是一種較好的沉降試驗(yàn)方法，通過(guò)分析預(yù)測(cè)出的不同地基處理方案的工后沉降量，進(jìn)而優(yōu)化了軟土地基的處理方案，指導(dǎo)了陸域軟基處理的設(shè)計(jì)和施工。

港口工程；地基處理；沉降試驗(yàn)；大面積堆載

岳陽(yáng)城陵磯新港一期工程共有3個(gè)多用途3 000 t級(jí)泊位(兼顧5 000 t級(jí)船靠泊)，設(shè)計(jì)年吞吐量為27萬(wàn)TEU、60萬(wàn)t重件及一般件雜貨。碼頭陸域總占地約600畝，均處于防洪大堤后方，大部分為農(nóng)田或菜地，其中堆場(chǎng)、港內(nèi)道路等作業(yè)場(chǎng)地共約26萬(wàn)m2，采用砼聯(lián)鎖塊鋪面地面結(jié)構(gòu)。陸域的作業(yè)機(jī)械主要是龍門(mén)起重機(jī)和集卡運(yùn)輸車(chē)，起重機(jī)軌道梁均為現(xiàn)澆砼彈性地基梁。

1 工程概況

根據(jù)岳陽(yáng)港城陵磯港區(qū)(松陽(yáng)湖)一期工程兩階段初步設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察報(bào)告[1]，陸域地基土層分布為：表土層下2～4 m厚(極個(gè)別局部厚達(dá)8.2 m)為軟塑-可塑粉質(zhì)粘土，允許承載力達(dá)160 kPa，屬一般力學(xué)性能土質(zhì)；再下為軟塑淤泥質(zhì)粘土、軟塑淤泥質(zhì)粉土夾粉細(xì)砂層，軟土厚約11m，局部區(qū)域達(dá)18 m，允許承載力僅65 kPa，其主要土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)表Tab.1 Physical and mechanical indexes of main soil layers

陸域堆場(chǎng)地面結(jié)構(gòu)允許有一定的沉降，按《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[2]設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，要求工后容許沉降值不大于30 cm。為防止港區(qū)營(yíng)運(yùn)期場(chǎng)地發(fā)生過(guò)大的工后沉降，擬定使用水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理，但是，采用怎樣的水泥攪拌樁施工參數(shù)，既能滿足工后沉降量要求，又能達(dá)到地基處理經(jīng)濟(jì)性的要求，需要進(jìn)行試驗(yàn)研究以確定。試驗(yàn)方法擬采用現(xiàn)場(chǎng)大面積堆載沉降試驗(yàn)，但是對(duì)于這種原地面進(jìn)行的沉降試驗(yàn)?zāi)壳斑€沒(méi)有相關(guān)規(guī)范可參考，因此首先需要對(duì)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

2 沉降試驗(yàn)原理

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，計(jì)算地基沉降時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論，其最終變形量可按下式計(jì)算。

圖1 相同均布荷載不同面積下的附加應(yīng)力影響圖Fig.1 Additional stress effect with different loading areas under the same uniform load

由以上地基沉降計(jì)算公式可以看出，地基沉降的大小決定于地基土的荷載情況和土體性質(zhì)，因此，針對(duì)某種土體性質(zhì)(包括復(fù)合地基)的情況下，要想通過(guò)試驗(yàn)得到預(yù)計(jì)荷載作用下的最終沉降量，其關(guān)鍵的決定因素是上部荷載所產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力是否與實(shí)際情況相符。

地基附加應(yīng)力的大小除了受上部大小的影響之外，還有一個(gè)非常重要的因素就是加載面積的大小，如圖1所示，相同大小的均布荷載作用下，小面積堆載時(shí)其應(yīng)力影響區(qū)域較淺，而大面積堆載方式則能使試驗(yàn)結(jié)果更逼近實(shí)際情況的地基附加應(yīng)力值。因此，在確定大面積堆載沉降試驗(yàn)方案時(shí)，本文采用了附加應(yīng)力影響面積等效法來(lái)確定堆載面積及加載大小。

3 大面積堆載沉降試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

對(duì)陸域堆場(chǎng)進(jìn)行堆載沉降試驗(yàn)，觀測(cè)及預(yù)測(cè)地表沉降量，結(jié)合數(shù)值計(jì)算分析方法，預(yù)測(cè)不同軟基處理方案的最終沉降量[6]，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)、施工及堆場(chǎng)的使用提供依據(jù)，深入研究河湖地區(qū)軟土地基的沉降特性，為今后的類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。大面積堆載沉降試驗(yàn)分別考慮地基不作處理和攪拌樁處理的兩種情況，擬在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行以下2種地基處理方案：(1)地基不作處理；(2)攪拌樁間距1.5 m，地面以下樁長(zhǎng)12 m，等邊三角形布置。

3.2試驗(yàn)堆載方案選擇

現(xiàn)場(chǎng)大面積的堆載試驗(yàn)，可采用以下兩種堆載沉降試驗(yàn)方案：

(1)原地面堆載。通過(guò)在原地面施加大面積的荷載，使軟基中的附加應(yīng)力值與工程實(shí)際使用下的相同。該法的優(yōu)點(diǎn)是不需要破壞地基或樁，缺點(diǎn)是需要施加較大的荷載。

(2)開(kāi)挖后回填并堆載。通過(guò)對(duì)上層硬土進(jìn)行一定深度的開(kāi)挖后，在開(kāi)挖坑內(nèi)進(jìn)行堆載，使軟基中的附加應(yīng)力值與工程實(shí)際使用下的相同。該法優(yōu)點(diǎn)是堆載面積有所減小、施加的荷載量較??；缺點(diǎn)是破壞了硬土層和已經(jīng)施工好的樁基礎(chǔ)，另外由于是先開(kāi)挖(卸荷)后回填(加載)，開(kāi)挖的過(guò)程中土體會(huì)產(chǎn)生回彈，對(duì)開(kāi)挖后的地面進(jìn)行沉降觀測(cè)需要對(duì)土體的回彈進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)最后沉降觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

考慮到基礎(chǔ)的開(kāi)挖回彈會(huì)直接影響到周?chē)馏w的變形，同時(shí)還會(huì)破壞施工好的樁基礎(chǔ)，使試驗(yàn)結(jié)果偏離實(shí)際情況。因此，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，擬采用原地面堆載方案進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3試驗(yàn)堆載方案設(shè)計(jì)

陸域使用荷載中，考慮集裝箱為分區(qū)堆載[4]，集裝箱堆高最高可達(dá)5層，箱角荷載較大但范圍較小，為此按大面積標(biāo)準(zhǔn)均布荷載60 kNm2，計(jì)算地面下15 m地基附加應(yīng)力分布，計(jì)算得出不同深度的附加應(yīng)力曲線，并綜合得出軟土區(qū)域(地面以下3～15 m范圍)附加應(yīng)力面積為692.46(無(wú)量綱比較)。經(jīng)過(guò)對(duì)軟土層應(yīng)力影響面積等代的試算，并考慮荷載施加的可行性，得出幾組原地面堆載方案(表2)。

表2 原地面堆載方案比選表Tab.2 Scheme comparison of heaped load on original ground

比較③種堆載方案，綜合考慮堆載面積、堆載高度、堆載總重量、實(shí)施難易程度等方面，推薦采用方案2，即荷載面積為12 m×12 m，荷載大小為100 kPa，荷載總重為1 440 t。

3.4堆載試驗(yàn)實(shí)施

考慮到荷載重量大、堆載材料可重復(fù)使用、試驗(yàn)完后材料可用于工程中等方面因素，確定采用砂或砂卵石作為堆載材料。試驗(yàn)采用四級(jí)分級(jí)加載，堆載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2。由于采用大面積堆載沉降試驗(yàn)其規(guī)模較大，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的工作也相對(duì)較復(fù)雜，因此，堆載沉降試驗(yàn)的實(shí)施碰到一些問(wèn)題：

圖2 堆載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Loading test field

(1)加載量的控制，在進(jìn)行分級(jí)加載的過(guò)程中，如何控制不同試驗(yàn)區(qū)的加載量相等，在本試驗(yàn)的加載過(guò)程中，由于沒(méi)有建立較好的加載量控制措施，因此造成了不同試驗(yàn)區(qū)荷載量的不一致；

(2)分級(jí)堆載沉降的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，由于試驗(yàn)的堆載量大，因此需要進(jìn)行分級(jí)堆載，但是根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定什么時(shí)候進(jìn)行下一級(jí)加載，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。本試驗(yàn)在實(shí)施的過(guò)程中所依據(jù)的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為5 d內(nèi)的累計(jì)沉降小于2 mm，按照此標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行完試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不影響堆載沉降試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

但是，針對(duì)這種大面積堆載沉降試驗(yàn)，其分級(jí)堆載沉降的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)尚需要進(jìn)一步研究，以得到適合各種條件下的堆載沉降試驗(yàn)，并為大面積堆載沉降試驗(yàn)方法提供更詳細(xì)的實(shí)施方案。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

堆載試驗(yàn)共進(jìn)行了156 d，分別測(cè)得兩個(gè)場(chǎng)地的最終沉降量，并得到經(jīng)過(guò)四級(jí)加載后的沉降量隨時(shí)間和荷載的曲線。地基不作處理堆載沉降曲線如圖3所示，其最終荷載加載量為1 320 t，累計(jì)沉降量為272.02 mm；12 m深水泥攪拌樁處理地基堆載沉降曲線如圖4所示，其最終荷載加載量為1 180 t，累計(jì)沉降量為196.8 mm[5]。

圖3 地基未作處理堆載沉降-荷載-時(shí)間關(guān)系曲線 圖4 水泥攪拌樁處理堆載沉降-荷載-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of heaped load settlement, load and time Fig.4 Relation curve of heaped load settlement, load and time without foundation treatment after treatment of cement mixing pile

從曲線中可以看出，試驗(yàn)場(chǎng)地的沉降已基本趨于穩(wěn)定，充分體現(xiàn)了不做處理的地基其可塑性較強(qiáng)，剛性不足的地質(zhì)特點(diǎn)。但是，為了得到不同地基處理方案在使用荷載下的最終沉降量，將沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析相結(jié)合，首先對(duì)數(shù)值計(jì)算的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了反分析，然后對(duì)工后的最終沉降量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其分析結(jié)果如下：(1)地基未作處理情況的最終沉降量為359.7 mm，不滿足設(shè)計(jì)要求，所以陸域堆場(chǎng)地基需要進(jìn)行處理。(2)采用12 m深水泥攪拌樁處理后的地基最終沉降量為240.4 mm，可滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托岳陽(yáng)城陵磯新港軟基處理工程，采用大面積堆載沉降試驗(yàn)，研究不同地基處理方案的軟土地基沉降特性，為地基處理設(shè)計(jì)和施工提供了指導(dǎo)，并可以得出以下相關(guān)結(jié)論：

(1)采用大面積堆載沉降試驗(yàn)?zāi)茌^好地預(yù)測(cè)出地基工后沉降量；通過(guò)地基附加應(yīng)力等效的方法，計(jì)算得出大面積堆載沉降試驗(yàn)的方案，是一種較好的現(xiàn)場(chǎng)堆載沉降試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方法；

(2)現(xiàn)場(chǎng)堆載沉降試驗(yàn)受到的外界影響條件較多，例如分級(jí)加載量的控制措施、各級(jí)加載條件下的沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)等，對(duì)這些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究；

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，在河湖地區(qū)軟土地基采用水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理是可行的，其處理方法和試驗(yàn)成果，對(duì)類似工程設(shè)計(jì)和類似軟基的處理均有較大的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

[1] 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院.岳陽(yáng)港城陵磯港區(qū)(松陽(yáng)湖)一期工程初步設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察報(bào)告[R].長(zhǎng)沙:湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,2007.

[2] JGJ 017-96, 公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 50007-2011, 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JGJ144-1-2010, 港口工程荷載規(guī)范[S].

[5] 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)沙理工大學(xué),江西省路港工程有限公司.岳陽(yáng)港城陵磯港區(qū)(松陽(yáng)湖)一期工程軟基處理試驗(yàn)研究報(bào)告[R].長(zhǎng)沙:湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)沙理工大學(xué),江西省路港工程有限公司,2007.

[6] 顧龍聲,王東博,馬希磊.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟土地基沉降計(jì)算改進(jìn)法[J].水道港口,2016,37(3):311-315. GU L S,WANG D B,MA X L. An improved method for settlement calculation of soft soils consolidated by vacuum combined surcharge preloading[J].Journal of Waterway and Harbor,2016,37(3):311-315.

Scheme study and results analysis of large area heaped load settlement test on river and lake district soft foundation

XIAFeng1,ZHOUZuo-mao2,LIUYang3,WANGChong-yu3

(1.ChinaCommunicationsConstructionCompanyLtd.,Beijing100027,China;2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,SurveyandDesignInstitute,Changsha410011,China;3.ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410076,China)

Combined with the soft foundation treatment project of storage yard in Yueyang Chenglingji new port land area, the foundation settlement was calculated by layer-wise summation method, and the large area heaped load settlement test scheme on original ground was determined according to the additional stress in soil equivalence principle. Test results show that large area heaped load on original ground is a better method for settlement test. Through analyzing and forecasting the settlement amount after construction of different foundation treatment schemes, the soft foundation treatment method was optimized, which provided reference for the design and construction of soft foundation treatment.

harbor engineering; foundation treatment; settlement test; large area heaped load

夏風(fēng)(1963-)，男，高級(jí)工程師，主要從事港口與航道工程建設(shè)技術(shù)及管理工作。

TU 472

：A

：1005-8443(2017)04-0412-04

2017-05-05；

：2017-06-13

Biography： XIA Feng(1963-) ,male, senior engineer.