控制工后沉降條件下堆載預壓地基處理參數的優(yōu)化

宋艷

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

預壓法是建筑物建造以前，在建筑場地進行加載預壓，使地基的固結沉降基本完成和提高地基土強度的方法。堆載預壓一般用填土、砂石等散粒材料對地基進行預壓[1]。堆載預壓法適用于處理淤泥質土、淤泥、沖填土等飽和黏性土地基[2]。

堆載預壓法具有施工簡單、加固效果可靠等優(yōu)點，但如果天然地基的排水性差，其固結時間將會較長。因此在工期較緊的情況下，為了加速壓縮過程，可以在地基中設置豎向排水體以加速土層的固結，縮短預壓時間。由于塑料排水板的排水作用能夠加速軟黏土的固結和強度增長，用塑料排水板聯合堆載預壓處理軟土地基已成為國內外巖土工程中廣泛應用、行之有效的地基加固方法[3]。

在規(guī)定的施工工期內，打設塑料排水板的堆載預壓地基處理效果與排水板的布設、堆載的大小有直接關系。對于需控制工后沉降的工程，排水板間距在合理范圍內取值越小，施工期內地基所能達到的固結度越高；在保證地基穩(wěn)定的前提下，堆載越大，則施工期沉降越大。因此較小的排水板間距和較大的堆載都可以提高地基處理效果，降低卸載后的工后沉降。但在實際應用中，采用較小的排水板間距和較大的堆載往往造成工程費用過高，而采用較大的排水板間距和較小的堆載又達不到預期的效果。因此在工程設計中需要對排水板的布設及堆載厚度參數進行優(yōu)化，使其既能滿足地基處理要求，又降低投資，取得較高的經濟效益。

本文結合上海南匯某陸域基地的地基處理工程，采用適于工程計算的matlab數學軟件進行編程，以排水板間距和堆載厚度為變量，以工后沉降為控制條件，以工程費用最低為目標，對堆載預壓設計參數進行優(yōu)化，提出了地基處理設計方案。該方法可同時考慮各種可能的排水板間距與堆載厚度方案，并選出最優(yōu)的參數組合，計算快速準確，在今后的工程設計中可推廣應用。

1 工后沉降的計算

工后沉降指施工結束至使用期結束這一時間段內發(fā)生的沉降。它直接關系到建筑物的使用效果和安全，而施工期和使用期以后的沉降并不對上部結構產生危害，因此工程實際中建筑工程除保證穩(wěn)定和安全外，常以地基工后沉降作為控制目標，以保證滿足建筑物對變形的要求。

對于打設排水板的堆載預壓地基處理方法，當堆載預壓處理范圍內的施工期沉降小于該范圍使用荷載下的沉降量時，工后沉降按下式計算：

式中：Δs為工后沉降，m；sfp1為使用荷載作用下處理土層的最終沉降量，m；sfc1為施工荷載作用下處理土層的最終沉降量，m；Uc1為處理土層的施工期固結度；sfp2為使用荷載作用下未處理土層的最終沉降量，m；Up2為未處理土層的使用期固結度；sfc2為施工荷載作用下未處理土層的最終沉降量，m；Uc2為未處理土層的施工期固結度。

當預壓處理范圍內的施工期沉降大于該范圍使用荷載下的最終沉降量時，工后沉降量按下式計算：

1.1 固結度

1）處理土層的地基固結度

打設排水板部分的地基固結度計算根據JTS 206-1—2009《水運工程塑料排水板應用技術規(guī)程》，可分別計算徑向平均應力固結度Ur和豎向平均應力固結度Uz，然后計算地基平均總應力固結度Urz[4]。

其中排水板間距是影響徑向固結度的主要變量之一。

2）未打設排水板的下臥層固結度

未處理土層的固結度僅考慮豎向平均應力固結度，采用化解當量層法計算[5]，與下臥層各土層特性及預壓時間有關。由此可見，排水板間距直接影響到固結度的變化。

1.2 最終沉降量

對于排水固結法處理的軟土地基，由于瞬時沉降和次固結沉降的計算方法和理論尚不成熟且影響因素較多，工程設計中常由一維固結沉降計算結果乘以經驗系數得到總沉降[1]。

最終沉降量采用分層總和法[2]進行計算，堆載作為附加應力對土層沉降有較大影響，計算公式如下：

通過減小排水板間距來提高施工期固結度或增大堆載來增加施工期沉降均可以減小工后沉降。以下將結合上海南匯某工程的地基處理工程案例，對設計參數進行優(yōu)化，使其既能達到較好的地基處理效果，又節(jié)省投資，提高工程經濟效益。

2 工程案例

2.1 工程概況

該工程位于長江口南槽航道南側，在灘地上由吹填砂吹填形成，場地面積為232 m×103 m，吹填砂厚度約4.0 m。其下為天然地基，依次為：

①1灰～灰黃色淤泥（海灘土），流塑狀，壓縮性高等，平均厚度約1.2 m；①2淤泥質粉質黏土，流塑狀，壓縮性高等，平均厚度約2.1 m；②3砂質粉土，松散到稍密，壓縮性中等，平均厚度約2.9 m；③淤泥質粉質黏土，流塑，壓縮性高等，平均厚度約2.7 m；④淤泥質黏土，流塑，壓縮性高等，平均厚度約10.3 m；⑤1-1黏土，軟塑，壓縮性高等，平均厚度約11.1 m；⑤1-2粉質黏土，軟塑，壓縮性中等，平均厚度約3.6 m；其下依次為粉質黏土、黏土、砂質粉土等土層，軟塑至密實。

本工程在吹填完成后擬在該場地上建設生產輔助建筑物，使用期10 a，工后沉降要求小于0.2 m。受項目運營總體工期限制，建筑物將于吹填完成約半年后動工。

2.2 設計方案

由于天然地基存在軟土層，其壓縮性較大，透水性差，所需固結時間長，不進行地基處理將產生較大的工后沉降，難以滿足建筑物的變形要求。考慮到工期緊張，以及盡可能減小對周圍圍堤的影響，并考慮到外部建設條件等一系列因素，經過綜合比選，擬采用打設排水板的堆載預壓地基處理方法。根據工期要求，堆載預壓時間控制在6個月。

地基處理方案為吹填完成后打設塑料排水板，排水板打至④淤泥質黏土層底，正方形布置。排水板打設完成后進行堆載，堆載預壓6個月后卸載，之后進行低能量強夯并碾壓整平。為保證地基處理效果，同時考慮工程的經濟性，需對排水板間距及堆載厚度進行優(yōu)化。

2.3 基于工后沉降控制的地基處理設計參數優(yōu)化

本文目的是要求采用塑料排水板聯合堆載預壓處理軟土地基在滿足工后沉降要求時獲得更好的經濟效果，即投資額最小。此處造價主要按塑料排水板材料費和打設費及堆載土方費用估算。根據前文，在工期一定的情況下，排水板間距與堆載厚度為影響工后沉降及造價的兩大因素。本工程以工后沉降為約束條件，以造價最小為目標，可概化為如下最優(yōu)化問題模型：

式中：z為工程費用，萬元；x為排水板間距，m；y為堆載厚度，m；Δs為工后沉降，m。

本文采用Matlab進行編程計算。Matlab是一種易于使用的高級計算軟件，可以實現算法、進行圖像處理，函數調用也方便高效[6]。本文以排水板間距及堆載厚度為組合變量，以工程費用的計算作為主程序，固結度及沉降計算為調用函數。根據工程實際，排水板間距和堆載厚度取值區(qū)間通常在一合理范圍內變動，因此該優(yōu)化問題可加以簡化，先設定排水板間距與堆載厚度的取值范圍，形成多種參數組合，然后通過Matlab程序計算篩選出工后沉降符合標準的部分組合，再分別計算出各組合產生的工程費用，以工程費用最低的方案作為最優(yōu)解。設計流程圖如圖1。

圖1 設計計算流程圖Fig.1 Flow chart of design and calculation

本工程中排水板間距0.7～1.3 m，間隔0.1 m；堆載厚度1.0～3.0 m，間隔0.2 m，共77種組合。通過計算滿足工后沉降要求的組合有48組。滿足地基處理要求的參數組合及相應工后沉降見表1。

表1 滿足地基處理要求的參數組合及相應工后沉降Table 1 The combinations of parameters to meet the requirement of the ground treatment and the corresponding post-construction settlements m

按排水板4元/m，回填土60元/m3估算，本工程選取的工程造價最低的組合即最優(yōu)設計參數為：排水板間距取1.0 m，堆載厚度取1.6 m。采用該組合工程造價為446.38萬元，工后沉降約0.19 m，滿足地基處理要求。

3 結語

1）在打設排水板的堆載預壓地基處理中，當堆載預壓時間受限，以工后沉降為控制條件時，以工程造價最小為目標對排水板間距和堆載厚度進行優(yōu)化不僅可以得到滿足地基處理要求的設計參數，達到工程設計要求，而且可節(jié)省投資，取得顯著的經濟效益。

2）采用Matlab編程對地基處理參數進行優(yōu)化可考慮到各種不同的組合方案，并能同時獲得最優(yōu)解。Matlab編程具有可拓展性，高效便捷，各種參數的調整靈活方便，針對不同的費用變化也有很好的適應性，在設計中可大大提高工作效率，具有推廣應用價值。