超載預(yù)壓對(duì)次固結(jié)沉降處理效果分析研究

劉 毅

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

在我國大部分濱海工程中，海相沉積軟土難以避免。軟土具有孔隙比大、天然含水率及壓縮性高等特點(diǎn)，在上部荷載作用下會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，產(chǎn)生較大工后沉降，嚴(yán)重影響工程使用。在現(xiàn)有軟基處理設(shè)計(jì)中，通常采用排水固結(jié)法以消除主固結(jié)對(duì)工后沉降的影響。而次固結(jié)沉降往往被忽視，這是導(dǎo)致很多工程發(fā)生工后沉降的主要因素。

業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)軟土次固結(jié)進(jìn)行過很多研究[1-3]，發(fā)現(xiàn)次固結(jié)對(duì)工后沉降的影響不容忽視。張迎春等[4]針對(duì)珠三角某高速公路軟基，采用黏彈性模型計(jì)算的次固結(jié)沉降達(dá)總沉降量的32%。龔鐳[5]在對(duì)一大面積淤泥軟基超載預(yù)壓加固工程觀測(cè)4年多后，計(jì)算得出次固結(jié)沉降占總沉降量的8.8%。王盛源[6]對(duì)深圳某地基加固工程計(jì)算次固結(jié)變形量后認(rèn)為，次固結(jié)沉降約占總沉降的20%。劉開元等[7]推算得到廣州—珠海準(zhǔn)高速鐵路軟黏土軟基處理試驗(yàn)段的次固結(jié)沉降約占最終沉降量的10%。因此，在深厚軟土的軟基處理中，如何估算次固結(jié)沉降及減少次固結(jié)沉降，都是值得研究且有實(shí)際工程意義。

1 次固結(jié)沉降的計(jì)算方法

圖1為典型軟土固結(jié)試驗(yàn)中的e-lgt曲線[8]，孔隙比e在荷載施加初期變化幅度較大，到t1時(shí)刻之后曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，孔隙比e的減小幅度變緩，此時(shí)土體主固結(jié)已完成，土體進(jìn)入次固結(jié)階段。在次固結(jié)階段，孔隙比變化曲線近似為直線。因此，t1時(shí)刻可視為主次固結(jié)變形的劃分點(diǎn)。雖然在t1時(shí)刻前的主固結(jié)階段，隨著孔隙水排出，土骨架的有效應(yīng)力逐漸增大，次固結(jié)變形已開始發(fā)生，但時(shí)間相對(duì)較短，變形量可忽略。

圖1 軟土固結(jié)曲線

許多室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果表明，在主固結(jié)完成后發(fā)生次固結(jié)沉降的大小與時(shí)間的關(guān)系在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上接近線性關(guān)系。實(shí)際工程中，計(jì)算次固結(jié)沉降的常規(guī)公式為：

式中，s為次固結(jié)沉降量；H為壓縮土層厚度；e0為初始孔隙比；Cα為次固結(jié)系數(shù)；參數(shù)e0和Cα可通過常規(guī)土工試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定；t1為相當(dāng)于主固結(jié)完成的時(shí)間，t2為需要計(jì)算次固結(jié)的時(shí)間。

由式（1）可看出，對(duì)于某種指定的軟土層，H和e0為定值，不發(fā)生變化，而次固結(jié)計(jì)算時(shí)間t2一般由工程使用年限決定，也是定值。因此，對(duì)次固結(jié)沉降起控制作用的主要為次固結(jié)系數(shù)Cα和主固結(jié)完成時(shí)間t1。

常規(guī)的軟基處理工程往往需要縮短主固結(jié)完成時(shí)間，因此通常采用砂井、塑料排水板、砂墊層等方法，使軟土在原先僅有的豎向排水基礎(chǔ)上，增加短路徑的徑向排水，大大加快了軟土固結(jié)。國內(nèi)項(xiàng)目通常以施工荷載下固結(jié)度85%～90%作為卸載條件，預(yù)壓時(shí)間3～6個(gè)月，通過超載比×固結(jié)度的算法施加施工荷載后，可認(rèn)為在達(dá)到卸載條件后主固結(jié)沉降已完成。這里的超載比為施工期和使用期作用在軟土層中心有效荷載的比值。因此，可以卸載后的交工時(shí)間作為主固結(jié)完成時(shí)間t1。

需要說明的是，與自然固結(jié)相比，采用排水固結(jié)法能大大縮短主固結(jié)時(shí)間。因此，軟基處理與否會(huì)使t1發(fā)生很大變化，根據(jù)式（1）計(jì)算，軟基處理后的次固結(jié)沉降要遠(yuǎn)大于不處理的情況。事實(shí)上，由于次固結(jié)沉降主要由土骨架上的有效應(yīng)力增量引起，在主固結(jié)過程中，隨著孔隙水壓力逐漸減小，有效應(yīng)力增加，次固結(jié)沉降已經(jīng)在發(fā)生，只是與主固結(jié)沉降相比很小。對(duì)于自然固結(jié)情況，如果軟土層厚度較大，主固結(jié)時(shí)間將非常長，因此在主固結(jié)完成時(shí)，次固結(jié)沉降已完成了一部分。而排水固結(jié)法加快了軟土中的孔壓消散，有效應(yīng)力迅速增加，主固結(jié)在短時(shí)間內(nèi)完成，而此時(shí)次固結(jié)沉降完成量很小。因此定性分析，僅考慮主固結(jié)完成后的次固結(jié)，軟基處理后的次固結(jié)沉降確實(shí)大于自然固結(jié)的情況，然而兩者的關(guān)系很難定量分析?？紤]到勘察室內(nèi)試驗(yàn)獲取次固結(jié)系數(shù)時(shí)，采用的試樣排水路徑較短，主固結(jié)完成較快，更接近軟基處理的模型，因此認(rèn)為可采用軟基處理完成時(shí)間作為t1是合適的。

盡管延長主固結(jié)的完成時(shí)間有利于減少次固結(jié)沉降，但這種理念與常規(guī)軟基處理工程的目的相悖，因此通過增大t1減小次固結(jié)沉降通常不可取。綜上所述，為減小次固結(jié)沉降，減小次固結(jié)沉降系數(shù)Cα是最有效的方法。

2 減少次固結(jié)沉降的方法

為研究次固結(jié)沉降，L BJERRUM[9]提出如圖2所示的概念模型，主要用于描述當(dāng)土體中有效應(yīng)力降低時(shí)蠕變變形的發(fā)展規(guī)律。圖中的ABCD曲線表示在施加1個(gè)總應(yīng)力增量后，隨著固結(jié)過程，土體中有效應(yīng)力不斷增大并最終保持穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變路徑。從A點(diǎn)開始，隨著孔隙水排出，有效應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)變也隨之增加，這是主固結(jié)過程。至B點(diǎn)后，土中超孔隙水壓力完全消散，固結(jié)完成，有效應(yīng)力保持不變，但由于蠕變，應(yīng)變將繼續(xù)增加并往D點(diǎn)靠近。如果在此過程中發(fā)生減載，應(yīng)力-應(yīng)變路徑將從C點(diǎn)移動(dòng)到E點(diǎn)，在此過程中將存在少量彈性膨脹，隨后蠕變變形將繼續(xù)增大，曲線從E點(diǎn)向F點(diǎn)靠近。

圖2 減載對(duì)次固結(jié)的影響

該模型可用于描述土體在減載后的蠕變特性。在BJERRUM模型中有2個(gè)假定條件：①假設(shè)在一定荷載范圍內(nèi)，次固結(jié)沉降只與時(shí)間有關(guān)，與有效應(yīng)力無關(guān)；②隨著時(shí)間增長，次固結(jié)沉降將一直發(fā)生不終止。圖中平行線即為衡量次固結(jié)作用的時(shí)間刻度，平行線的間距即為對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的次固結(jié)時(shí)間間隔。以B點(diǎn)所處位置作為次固結(jié)的開始時(shí)間（t=1），C點(diǎn)即為減載時(shí)間（t=102）。減載后，C點(diǎn)（t=102）到 E點(diǎn)（t=104）的次固結(jié)沉降非常小，并因減載而出現(xiàn)少量回彈。到E點(diǎn)后，減載對(duì)次固結(jié)的影響結(jié)束，軟土的次固結(jié)沉降繼續(xù)發(fā)生?？煽闯觯瑘D中D、E代表的次固結(jié)時(shí)間相同（t=104），但因減載效果，E點(diǎn)的次固結(jié)沉降明顯小于D點(diǎn)，即減載可有效減小次固結(jié)沉降。

NASH[10]在BJERRUM的基礎(chǔ)上進(jìn)行了超載預(yù)壓對(duì)軟黏土次固結(jié)特性的研究。其研究了在100kPa長期荷載作用下軟黏土的沉降全過程，提出超載預(yù)壓與欠載預(yù)壓的假設(shè)模型，如圖3所示。

圖3 預(yù)壓荷載與次固結(jié)影響假設(shè)模型

由圖3可看出，最終沉降（主固結(jié)+次固結(jié)）主要受上覆荷載影響，而與沉降過程中的應(yīng)力路徑無關(guān)。因此進(jìn)行超載預(yù)壓可使前期沉降發(fā)生較快，但卸載后最終沉降仍趨于一個(gè)定值，即原定荷載最終完成的沉降。然而，超載預(yù)壓可有效減少卸載后的沉降，在軟基處理過程即為工后殘余沉降。若考慮卸載后的沉降均由次固結(jié)產(chǎn)生，則超載預(yù)壓可有效減小次固結(jié)沉降。圖中A、B、C 3點(diǎn)分別為超載時(shí)間1，2，3年，A點(diǎn)已近似等于主固結(jié)完成時(shí)的沉降，因此殘余沉降均可視為次固結(jié)沉降。卸載點(diǎn)之后直線斜率即為次固結(jié)系數(shù)Cα'，與正常固結(jié)的次固結(jié)系數(shù) Cα相比，Cα'C＜Cα'B＜Cα'A＜Cα。由此可見，超載預(yù)壓能有效減小次固結(jié)沉降系數(shù)，且預(yù)壓時(shí)間越長，處理后的Cα'越小。

LADD、CONROY[11-12]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，處理后與處理前的次固結(jié)系數(shù)比值Cα'/Cα與超載比密切相關(guān)，二者呈線性關(guān)系。在此定義的超載比（AOS）為：

式中，σ'vs為預(yù)壓過程中采用的上覆有效荷載，σ'vf為卸載后使用期的上覆有效荷載?；诓煌N類黏性土的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，LADD采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合了二者的關(guān)系，如式（3）所示：

由此可見，在已知次固結(jié)系數(shù)Cα的情況下，可根據(jù)在施工期的預(yù)壓荷載，計(jì)算得出處理后的次固結(jié)系數(shù)Cα'，以此評(píng)估次固結(jié)沉降的影響。

3 工程實(shí)例

某港口工程后方堆場(chǎng)采用填海造地方式成陸，吹填區(qū)下方存在約10m厚的原狀軟土層，再下方為密實(shí)的粉細(xì)砂層和粉質(zhì)黏土。淤泥層指標(biāo)如表1所示。

表1 原狀軟土地質(zhì)參數(shù)

場(chǎng)地原地面標(biāo)高約為-0.300m，平均水位1.7m，采用吹填砂性土成陸，成陸后采用堆載預(yù)壓排水固結(jié)法進(jìn)行軟基處理。場(chǎng)地一共分為A、B、C、D 4個(gè)區(qū)，按遠(yuǎn)期規(guī)劃，根據(jù)不同區(qū)域的使用荷載進(jìn)行等載預(yù)壓處理，而在交工后的使用期內(nèi)采用單一使用荷載，各區(qū)的使用荷載與A區(qū)一致。各區(qū)荷載情況如表2所示。

表2 各分區(qū)預(yù)壓荷載

表2中使用荷載為場(chǎng)地內(nèi)各區(qū)域進(jìn)行堆載預(yù)壓時(shí)作用在原狀淤泥表面的荷載，由吹填砂性土與堆載預(yù)壓的荷載之和乘以施工期要求的固結(jié)度得到。其中A區(qū)荷載即為場(chǎng)地運(yùn)營期的使用荷載。因此，主固結(jié)沉降已在施工期內(nèi)通過預(yù)壓處理消除，因此之后的工后沉降均由次固結(jié)沉降引起。由于在大面積均布荷載作用下，下覆軟土固結(jié)過程基本近似于一維壓縮，根據(jù)各區(qū)工后殘余沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果可很好地模擬研究軟土的次固結(jié)特性。

本工程的施工工序：吹填成陸（持續(xù)時(shí)間100d）—插板靜置（持續(xù)時(shí)間20d）—分級(jí)加載（持續(xù)時(shí)間60d）—滿載預(yù)壓（持續(xù)時(shí)間120d）—卸載交工（持續(xù)時(shí)間30d）。

以卸載交工作為主固結(jié)完成時(shí)間，主固結(jié)時(shí)間共330d。交工后，根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)各區(qū)域設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與固定（永久性水準(zhǔn)點(diǎn)）監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，用數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)其沉降結(jié)果。其中不同區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、4、7、11的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖4可看出，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的沉降結(jié)果作為正常固結(jié)條件下的次固結(jié)沉降曲線，其斜率即為次固結(jié)系數(shù)Cα。其他3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線反映出超載預(yù)壓后的次固結(jié)系數(shù)Cα'明顯小于Cα，即超載預(yù)壓對(duì)消除次固結(jié)沉降效果明顯。此外可發(fā)現(xiàn)，超載預(yù)壓的效果與超載量有直接關(guān)系，監(jiān)測(cè)點(diǎn)11基本監(jiān)測(cè)不到次固結(jié)沉降的發(fā)生，其余2點(diǎn)雖能觀測(cè)到較明顯沉降，但明顯小于未超載的情況。

根據(jù)軟土層的地質(zhì)參數(shù)和厚度，結(jié)合運(yùn)營期內(nèi)各分區(qū)的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，可根據(jù)式（1）反推計(jì)算次固結(jié)系數(shù)Cα'。由于A區(qū)為等載預(yù)壓，因此可用A區(qū)的沉降觀測(cè)結(jié)果計(jì)算原狀軟土的次固結(jié)系數(shù)Cα，結(jié)果如表3所示。

同上，按式（1）反推各區(qū)的次固結(jié)系數(shù)后，與原狀土的次固結(jié)系數(shù)Cα進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果如表4與圖5所示。

表3 原狀軟土次固結(jié)系數(shù)Cα

表4 超載預(yù)壓對(duì)Cα'/Cα的影響

圖5 Cα'/Cα與AOS的相互關(guān)系

由圖5可看出，沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與LADD的研究成果非常相符。根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，與LADD提出的計(jì)算公式相比較，可發(fā)現(xiàn)采用LADD公式計(jì)算得出的Cα'小于實(shí)際值，但兩者相差較小。因此，采用LADD公式計(jì)算珠三角地區(qū)采用超載預(yù)壓消除次固結(jié)沉降效果可取。

4 結(jié)語

1）本文通過理論分析研究超載預(yù)壓對(duì)次固結(jié)沉降的影響，通過工程實(shí)例中的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了超載預(yù)壓對(duì)消除次固結(jié)沉降有明顯效果。結(jié)果表明，超載預(yù)壓后的次固結(jié)系數(shù)明顯減小，并與超載比AOS呈反比關(guān)系。

2）本文借鑒LADD公式，定量分析珠三角地區(qū)工程中超載預(yù)壓效果。結(jié)果表明，采用LADD公式結(jié)算的處理后Cα'小于實(shí)際值，但偏差較小，在工程中可用于排水固結(jié)法的設(shè)計(jì)計(jì)算。

3）由于巖土工程的地域性，在工程中建議先通過室內(nèi)試驗(yàn)確定超載比AOS與次固結(jié)系數(shù)Cα'的關(guān)系，以此指導(dǎo)預(yù)壓荷載的設(shè)計(jì)，確保工程的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。

4）由于本工程中軟土的有機(jī)質(zhì)含量較少（＜5%），而有機(jī)質(zhì)含量是次固結(jié)沉降的重要影響因素之一，上述研究結(jié)果能否適用于有機(jī)質(zhì)含量較大的軟土仍需進(jìn)一步研究。