甌江口新區(qū)真空預壓加固軟土地基變形規(guī)律研究

李林云，韓其婷，王啟貴

（1.溫州市甌江口開發(fā)建設投資集團有限公司，浙江溫州，325026；2.浙江華東建設工程有限公司，浙江杭州，310014；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

甌江口區(qū)域內擁有較為完整、規(guī)模較大的灘涂資源，其深厚的淤泥軟土含水量高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性大、抗剪強度低、固結時間長、靈敏度高、擾動性大，且流變顯著。不僅承載力低，而且在荷載作用下會產生相當大的沉降和差異沉降，必須對地基進行有效的加固處理才可以進行上部建筑物的建設。工程采用真空預壓法處理大面積淤泥地基。探明甌江口地區(qū)地基處理過程中地基的固結變形規(guī)律對指導沿海灘涂地區(qū)的軟基處理工程的質量、技術、工期、造價等具有重要意義。

2 工程概況

甌江口新區(qū)一期軟基處理工程總面積1 508.52萬m2，根據(jù)建設部門用地需求分不同區(qū)塊和階段開展實施。根據(jù)區(qū)塊使用功能的不同，分為道路區(qū)及地塊區(qū)分別處理。筆者研究重點為甌江口新區(qū)內一期軟基處理工程第八合同段經(jīng)九路，共10個真空預壓區(qū)塊，每區(qū)塊面積6 734～22 126 m2。各區(qū)塊監(jiān)測布置內容有：沉降板3塊、孔隙水壓力計1組（10個測點）、分層沉降1孔（11個磁環(huán)測點）。

圖1 真空預壓加固軟土地基示意圖Fig.1Consolidationofsoftsoilfoundationbyvacuumpreloading

2.1 地基處理設計與施工過程簡介

研究對象中，地基處理采用真空預壓結合塑料排水板法。首先鋪設一層150 g/m2土工編織布，鋪設50 cm砂墊層，機械插打C型塑料排水板作為排水通道，排水板打設底標高-16.0 m（場坪標高2.50 m），間距0.8 m，正方形布置。真空預壓時間不少于180 d。

真空預壓施工分為兩個階段。第一階段為真空預壓試抽氣階段，抽氣7～10 d，預壓區(qū)塊開泵率30%～50%，區(qū)塊膜下真空度30～60 kPa；第二階段為真空預壓正式抽真空階段，預壓區(qū)塊開泵率達到設計要求80%以上，膜下真空度達到85 kPa。各區(qū)塊地基在恒載181～184 d后達到設計要求。

2.2 工程地質條件

2.2.1 ①0層素填土（mlQ4）

灰色、松軟，主要以淤泥質粘土為主，局部地段主要由塊石、碎石、角礫及粘性土組成，塊石、碎石、角礫呈棱角狀，巖性為凝灰質粉砂巖，強～中等風化，塊石最大可達80 mm以上，碎石粒徑一般20～50 mm，該層屬欠固結土，密實度及均勻性較差，呈松散狀，力學強度低。

2.2.2 ①層粘土（al-lQ43）

灰黃色，軟塑，無層理，有光澤，干強度高，韌性高，氧化斑點渲染。

2.2.3 ②1層淤泥質粉質粘土（mlQ42）

灰黃、棕褐色，流塑，無層理，局部含少量貝殼碎屑，有光澤，干強度高，韌性高。全場地均有分布，層面埋深為0.00～3.50 m，層面高程為0.39～3.58 m，厚度為1.80～10.80 m。有機質含1.557%。

2.2.4 ②1'層含粉砂淤泥（al-mlQ43）

灰色，流塑，無層理，夾粉砂團塊及薄層含量一般5%～30%，土質不均，局部砂含量較高，達60%～70%，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。層理埋深為 4.20～12.0 m，層面高程-8.45～0.25 m，厚度為0.70～9.80 m。有機質含量為1.389%。

2.2.5 ②2'層：淤泥（mlQ42）

青灰、灰色，流塑，無層理，局部含少量貝殼碎屑，有光澤，干強度高，韌性高。全場地均有分布，層面埋深6.10～16.90 m，層面高程為-12.90～-2.99 m，厚度為18.00～28.90 m。有機質含量1.761%。

2.2.6 ③1層淤泥質黏土（mlQ41）

灰色、流塑，鱗片狀，片徑2～3mm，偶見貝殼碎屑，有光澤，干強度高，韌性高。全場地均有分布，層面埋深為31.20～37.50 m，層面高程為-33.50～-27.17 m，厚度為1.00～18.50m。

3 軟基處理固結變形規(guī)律分析

3.1 沉降變形規(guī)律

研究范圍內共有10個區(qū)塊，每區(qū)塊共設置3個沉降板，共計30個沉降測點。各測點的沉降觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1、圖2。

由表1、圖2可以看出，研究區(qū)域內最大沉降量為1762mm，最小沉降量為802 mm，均值為1 286 mm，其中沉降值1 100～1 300 mm的測點占60.00%，沉降小于1 100 mm的測點占16.67%，1 300 mm以上測占23.33%。

同時，由于研究區(qū)域地質條件不同，部分區(qū)塊的沉降差異較大。8-4、8-6、8-9區(qū)塊靠近塘埂位置，整體沉降較小，8-2、8-3區(qū)塊距吹填口較遠，土性參數(shù)較差，含水率高，整體沉降較大。

真空預壓施工中的地表沉降規(guī)律如圖3、圖4所示。抽真空開始10 d內，地基沉降速率較大，隨著真空度的迅速增長，部分區(qū)域沉降速率達到100 mm/d，10 d內沉降量占總沉降的10.9%～31.8%，平均20.7%；10 d后沉降速率開始迅速回落并在30 d左右沉降速率逐漸平緩，沉降速率一般在8.3～47.0 mm/d之間，平均17.5 mm/d，此階段地表沉降量約占總沉降量的11.9%～33.3%，平均占23.6%；30～100 d內地表沉降量約占總沉降量的32.1%～54.1%，平均占42.7%；100 d至達到設計要求期間的沉降量約占總沉降量的9.7%～16.3%，平均占13.0%。30 d內的沉降約在總沉降量的32.3%～55.6%，平均占44.3%，由此可以說明真空預壓施工工藝中，地基沉降主要發(fā)生在抽真空前期，此時地基的固結速率最快，地基強度增加迅速。

3.2 孔壓變化規(guī)律

根據(jù)有效應力原理，如果地基內某點的總應力為Δσ，有效應力增量為Δσ'，孔隙水壓力增量為Δu，則三者之間的關系為：

原土體在受到真空壓力作用時，土體發(fā)生滲流，改變了土層中原有的孔隙水壓力分布，孔隙水壓力Δu逐漸減小，在上部總應力Δσ不變時，土體的有效應力Δσ'增大，土體強度增大，強度提高。

由圖5可知，加載前期隨著真空度的變化，超靜孔隙水壓力迅速消散，原土體上部土層中超靜孔隙水壓力較下部土體中超靜孔隙水壓力的變化幅度大，說明上部土體滲流效果好，土體強度增長快。排水板處理區(qū)各深度超靜孔隙水壓力變化趨勢相近，排水板處理深度范圍外孔隙水壓力變化緩慢，由于排水板的作用縮短了土體中孔隙水的滲流路徑，孔壓更易消散。

表1 地表沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statisticsofgroundsettlementdata

圖2 地表沉降數(shù)據(jù)分布圖Fig.2 Distribution of ground settlement data

圖3 典型測點地表沉降速率歷時曲線圖Fig.3 Process curve of ground settlement rate at typical measuring points

圖4 典型測點地表沉降量、真空度歷時曲線圖

圖5 典型斷面孔隙水壓力、真空度歷時曲線圖Fig.5 Process curve of pore water pressure of typical sections and vacuum degree

3.3 分層沉降變形規(guī)律

分層沉降曲線如圖6所示。由圖6可知，分層沉降的變化過程和趨勢與地表沉降曲線類似。隨著真空壓力的提高，地基分層沉降出現(xiàn)明顯的增加；處理深度范圍內的分層沉降變化在整個預壓時間范圍內都有變化，速率漸小，未出現(xiàn)明顯的拐點和臺階現(xiàn)象。

由表2可以看出，研究范圍內深厚軟弱淤泥土在插板深度范圍（排水板長約18.5 m）分層磁環(huán)的沉降變化明顯，固結效果良好，占總區(qū)間壓縮量的94.6%。磁環(huán)埋設越深，分層壓縮量越小，排水板深度以下分層沉降無明顯變化，土體未發(fā)生明顯的壓縮，土體壓縮量僅占總壓縮量5.4%，真空預壓處理效果以插板深度內土體得到固結為主。

圖6 典型斷面分層沉降、真空度歷時曲線圖Fig.6 Process curve of layered settlement of typical sections and vacuum degree

表2 真空預壓DL8-5區(qū)分層沉降情況統(tǒng)計表Table 2 Statistics of layered settlement in DL8-5

4 工后沉降預測分析

4.1 常用預測方法及其特點

軟土地基沉降預測分析常用的方法主要為曲線擬合法，曲線擬合法是將地基沉降規(guī)律近似看成某種特定的曲線規(guī)律，對實測沉降數(shù)據(jù)進行擬合，建立與之相對應的曲線模型，采用適當?shù)膬?yōu)化方法，反推出計算公式中所需要的參數(shù)，確定回歸公式，再運用于后期的沉降預測和最終沉降預測。該方法需要的參數(shù)較少且易確定，在目前工程中得到了廣泛的應用。

利用實測沉降進行曲線擬合的常見方法有指數(shù)曲線配合法（三點法）、雙曲線法、指數(shù)曲線法、星野法等，如表3所示。

4.1.1 對數(shù)曲線法（三點法）

指數(shù)曲線配合法是從實測沉降的曲線上選擇最大恒載時間段內的任意三個時間點及其對應的沉降量并使Δt=t3-t2=t2-t1，可得地基最終沉降量S∞為：

表3 常用沉降預測方法及其特點Table 3 Common settlement prediction methods and their characteristics

式中，S∞為最終沉降量；t1、t2、t3為某一觀測時刻；為對應于t1、t2、t3的沉降量。

4.1.2 雙曲線法

雙曲線法假設在進入預壓期后實測沉降過程線按雙曲線變化，其基本方程式如下：

式中，St為t時刻的沉降量；S0為初期t0時刻的沉降量；a和b分別為關系圖上的截距和斜率，其值可通過線性回歸方程求出，也可用圖解法直接求得。

4.1.3 指數(shù)曲線法

指數(shù)法認為沉降量是時間的指數(shù)函數(shù)，可表示為：

式中，t1為某一觀測時刻；S1為對應于t1的沉降量；S∞為最終沉降量,為待定值；α、β為待定參數(shù)。

令tm=t+Δt/2，將上式對t求導后，寫成增量形式為：

可得：y=A+Btm

再利用實測沉降數(shù)據(jù)確定拐點值（t0，S0）和（tmi，yi），對這些點進行曲線擬合，利用最小二乘法求出A、B，再計算出 α、β。當 t→∞ 時，St→S∞，可知：S∞=S0+α。

4.1.4 星野法

星野法根據(jù)現(xiàn)場實測值證明總沉降（包括剪切應變的沉降在內）與時間的平方根成正比：

式中，St、S0分別為t時刻對應的沉降量和假定的瞬時沉降量；t0為假定瞬時沉降對應的時間；A、K均為待定參數(shù)。

由上式利用圖解法求出A、K的值，當t→∞時，St→S∞，可知：S∞=S0+A。

4.2 沉降預測

利用上述沉降預測方法，結合對研究范圍內沉降測點的實測沉降數(shù)據(jù)，對沉降進行預測分析，結果如表4所示。

采用曲線擬合法對真空預壓處理軟土地基的沉降均有較高的預測效果，各方法預測結果相對誤差介于-1.7%～1.6%之間，偏差較小，說明上述三種方法對短中期的真空預壓處理均有一定的適用性。

由圖7可以看出，雙曲線法前期小于實測沉降值，后期大于實測值；指數(shù)曲線法預測值均小于實測值，預測最終沉降量也小于觀測末期實測沉降量；星野法預測值與實測值接近，且平均相對誤差相對于其他較小。此外，雙曲線法和指數(shù)曲線法曲線偏離實測沉降曲線，星野法曲線不發(fā)散，收斂性好。因此，對于真空預壓法，曲線擬合效果排序為：星野法＞雙曲線法＞指數(shù)曲線法。

表4 不同曲線擬合方法沉降預測對比統(tǒng)計Table 4 Comparison of settlement predictions by each curve fitting method

圖7 預測曲線與實測曲線對比圖Fig.7 Comparison of predicted and measured curves

5 結語

（1）利用真空預壓結合塑料排水板處理軟土地基，改變了地基原有的排水條件，增加了孔隙水排出的通道，縮短了排水距離，使地基通過預壓在較短時間內消除地基大部分的沉降；真空預壓加速了地基土抗剪強度的增長，提高了地基的承載力和穩(wěn)定性。

（2）真空預壓加固軟土地基過程中，地基的固結變形主要發(fā)生在預壓前期，隨著真空壓力的增加，地表沉降、分層沉降的增幅較大，說明此階段地基的強度和穩(wěn)定性提高的幅度較大，隨后各監(jiān)測數(shù)據(jù)增加逐漸減小，地基的固結變形逐漸平緩，并逐步趨于穩(wěn)定。

（3）相同真空壓力條件下，同區(qū)塊三個測點沉降一致性較好，但不同區(qū)塊間因地質情況對區(qū)塊沉降影響較大，部分區(qū)塊沉降差距在40%以上。

（4）孔隙水壓力、分層沉降的實測數(shù)據(jù)說明，真空預壓施工過程中，地基土固結主要發(fā)生在排水板范圍內，排水板處理范圍外孔壓、分層影響較小；受真空壓力傳遞深度的影響，排水板處理范圍內孔壓、分層表現(xiàn)出表層變化幅度大、深層幅度小的規(guī)律。

（5）利用曲線擬合預測真空預壓處理地基沉降的變化規(guī)律，分析表明：利用指數(shù)曲線法、雙曲線法、星野法均有一定的適用性；指數(shù)曲線法、雙曲線法離散性相對較大，對于180 d左右沉降預測，采用星野法預測沉降曲線與實測沉降曲線吻合性較好，曲線收斂性較快，適宜用于真空預壓處理中期至后期的沉降預測。