熱帶雨林地區(qū)軟土結(jié)構(gòu)特性及沉降計(jì)算分析

張志冰

摘 要：軟基處理是公路工程路基處理的一大難題。在非洲熱帶雨林地區(qū)，軟土十分發(fā)育，且結(jié)構(gòu)特性明顯。本文通過以加蓬PO公路項(xiàng)目的勘察成果為例研究熱帶雨林區(qū)軟土的形成機(jī)制和軟土結(jié)構(gòu)性，采用分層總和法、雙曲線法和三點(diǎn)法等方法對(duì)處理后的軟基地基沉降曲線進(jìn)行分析比較。利用軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)地基沉降的影響，選擇合理軟基處理方案，為熱帶雨林區(qū)軟土處理提供了良好的工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：熱帶雨林;軟土結(jié)構(gòu)性;沉降計(jì)算;軟基處理

中圖分類號(hào)：U416? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0114-03

1 引言

軟土作為一種土壤，其本身就具有一定的結(jié)構(gòu)性。大量的工程實(shí)踐證明，土壤的結(jié)構(gòu)性對(duì)于土體受力情況具有明顯的影響。在熱帶雨林地區(qū)，軟土的結(jié)構(gòu)性對(duì)于軟土的力學(xué)特性以及沉降特征產(chǎn)生較大的影響。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)于軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)地基沉降的影響進(jìn)行了大量的分析和研究，王軍以溫州地區(qū)軟土為例對(duì)擾動(dòng)軟土的沉降機(jī)理進(jìn)行分析，并對(duì)沉降計(jì)算的試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論方法進(jìn)行研究[1];賀成斌等引入分級(jí)加載思想和損傷比的概念，提出軟土結(jié)構(gòu)性非線性沉降計(jì)算的方法[2];劉維正等對(duì)長(zhǎng)期交通荷載作用下研究軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)于沉降特性的影響[3];以上均以我國(guó)國(guó)內(nèi)軟土進(jìn)行分析研究，而對(duì)于熱帶雨林地區(qū)的軟土研究較少。本文主要以加蓬共和國(guó)PO公路項(xiàng)目為例，分析熱帶雨林區(qū)軟土的形成機(jī)制和結(jié)構(gòu)特性，并對(duì)軟基處理過程中軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)沉降特性進(jìn)行分析研究。

2 熱帶雨林區(qū)軟土結(jié)構(gòu)特性

2.1軟土形成機(jī)制

淺層軟土主要分布在熱帶雨林區(qū)和河口紅樹林區(qū)。旱季干燥少雨，大量植物根系和植物落葉等枯死腐爛，形成豐富有機(jī)物來源;雨季雨量充沛，植被更新速度快，有機(jī)物在平原區(qū)迅速堆積形成深厚的軟土層。形成的軟土主要為以植物纖維為基本構(gòu)架的泥炭或泥炭質(zhì)土。深層軟土形成時(shí)間相對(duì)淺表層軟土要更為久遠(yuǎn)。由于項(xiàng)目區(qū)奧果韋河與海洋的共同作用導(dǎo)致地層反復(fù)交替，典型特征就是砂層和軟土層形成明顯互相現(xiàn)象。深層軟土在淺地表形成以后，由于這種地層反復(fù)交替的地質(zhì)作用，軟土層快速被上層土層覆蓋，軟土中的植物纖維未充分炭化或者分解。由于上覆巖土的壓力，對(duì)深層軟土形成壓縮固結(jié)作用，深層軟土主要已含大量植物纖維結(jié)構(gòu)的淤泥和淤泥質(zhì)土。

2.2軟土結(jié)構(gòu)特征

本項(xiàng)目區(qū)軟土的液性指數(shù)多大于 1.5，根據(jù)規(guī)范應(yīng)當(dāng)判定為流塑狀態(tài)。實(shí)際情況，原狀軟土以可塑狀態(tài)存在;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，該層軟土的標(biāo)貫擊數(shù)N63.5為5～7，可判定為可塑狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察土樣狀態(tài)相符，表現(xiàn)出較好的物理力學(xué)特性。

在壓縮曲線試驗(yàn)中，壓縮曲線上，可以看出土樣具有明顯的破壞極限，當(dāng)荷載大于該荷載極限時(shí)候，壓縮曲線 e-p曲線變現(xiàn)出突變，在壓力不增加的情況下變形明顯增加。如圖1所示。

通過單軸壓縮試驗(yàn)試，分別對(duì)原狀土樣和重塑土樣進(jìn)行單軸壓縮，從而可計(jì)算得到軟土的靈敏度，據(jù)此判定軟土結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱。試驗(yàn)結(jié)果表明該軟土為高靈敏度土壤，具有明顯的結(jié)構(gòu)性。詳見表1。

研究表明，軟土受到擾動(dòng)后，其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，擾動(dòng)重塑以后工程性質(zhì)發(fā)生較大改變。結(jié)構(gòu)性軟土壓縮指數(shù)隨擾動(dòng)度增加而大幅度減少，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力也隨著擾動(dòng)度增加而減小，二者之間基本呈線性關(guān)系[4]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于軟土處理后的沉降預(yù)測(cè)往往基于重塑土的試驗(yàn)指標(biāo)，這樣計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際地基的沉降有所差異，不利于公路工程軟基處理設(shè)計(jì)。

3 工程案例

PO公路項(xiàng)目PK49+600路段位于紅樹林區(qū)，區(qū)域內(nèi)軟土十分發(fā)育，發(fā)育厚度大。根據(jù)土工試驗(yàn)的指標(biāo)判定結(jié)果，軟土最大埋深可達(dá)20米。經(jīng)過大量研究與謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，項(xiàng)目采用預(yù)制混凝土方樁的復(fù)合地基方式進(jìn)行軟基處理。方樁尺寸為25cm*25cm，正方形布置，樁間距為1.6m。PK49+600鉆孔土層的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

3.1分層總和法沉降計(jì)算

地基沉降主要包括瞬時(shí)沉降量（Sd），主固結(jié)沉降（Sc）和次固結(jié)沉降（Ss）。分層總和法主要考慮了主固結(jié)沉降，而未考慮瞬時(shí)沉降和次固結(jié)沉降。通過大量的工程實(shí)踐，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和施工情況對(duì)分層總和法得到主固結(jié)沉降進(jìn)行一定的修正，從而可推算出最終地基沉降量。

軟土地基的主固結(jié)沉降量（Sc）：

將主固結(jié)沉降量（Sc）修正得到總沉降量S，如公式（2）所示：

式中，軟土地基可采用m=1.3～1.6。

根據(jù)公式（1），將PK49+600鉆孔各土層物理參數(shù)代入，得到主固結(jié)沉降量Sc=0.152m，本項(xiàng)目推薦修正系數(shù)m=1.5，代入公式（2）得到總沉降量S=0.228m。

3.2 利用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算沉降

在PK49+600處分別在道路左邊坡坡腳，路基中線和右邊坡坡腳各設(shè)置了一個(gè)沉降觀測(cè)裝置。方樁于2016年12月16日施工完成，開始進(jìn)行沉降觀測(cè)工作。觀測(cè)時(shí)間從2016年12月16日至2017年9月5日，共計(jì)9個(gè)月。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)如下圖所示：

利用實(shí)際的沉降曲線得到地基總沉降量的主要方法有雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法、星野法等。本文擬采用雙曲線法和三點(diǎn)法來進(jìn)行總沉降量的計(jì)算。

3.2.1雙曲線法

本方法認(rèn)為地基沉降量與時(shí)間呈現(xiàn)雙曲線遞減的關(guān)系，在地基處理完成的任意時(shí)刻t所對(duì)應(yīng)的沉降量的關(guān)系式如下所示：

令y=（ t-t0）/（s-s0），x=t-t0，表達(dá)式可整理得到：y=βx+α。推算總沉降量的公式如下：

公式（4）

根據(jù)擬合曲線的結(jié)果，推測(cè)總沉降量結(jié)果如下：路基左側(cè)觀測(cè)點(diǎn)：S左=1/0.0237= 42.19 mm;路基中線觀測(cè)點(diǎn)：S中=1/0.0257=38.91mm;路基右側(cè)觀測(cè)點(diǎn)：S右=1/0.0282=35.46mm。因此，采用雙曲線法得到做最大路基總沉降量Smax=42.19mm。

3.2.2三點(diǎn)法

本方法主要采用恒載后，地基沉降隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，取用任意三個(gè)時(shí)間點(diǎn)t1，t2，t3，要求兩時(shí)間點(diǎn)的間隔相同即t3-t2=t2-t1。由經(jīng)驗(yàn)公式得到地基的總沉降量。

由表3可知，利用三點(diǎn)法得到最大路基總沉降量Smax=38.44mm。

3.3 成果應(yīng)用

PK49+600的土層按照土工試驗(yàn)指標(biāo)定義，該處軟土發(fā)育深度可達(dá)20米。根據(jù)相關(guān)公路工程軟基處理規(guī)范要求，方樁需穿透最深的軟土層抵達(dá)下伏密實(shí)砂土層，則方樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度至少20米。加蓬PO公路項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了軟土的結(jié)構(gòu)性，方樁采用12米樁長(zhǎng)，即將方樁的持力層選為結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的淤泥質(zhì)土層。方樁施工完成以后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，復(fù)合地基的承載力和沉降量控制均滿足規(guī)范要求，未經(jīng)擾動(dòng)的淤泥質(zhì)土層表現(xiàn)出良好的承載能力。這種充分考慮軟土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既滿足了工程的設(shè)計(jì)要求，也大幅度縮短了地基處理中方樁使用的長(zhǎng)度，大幅度節(jié)省了工程造價(jià)，為熱帶雨林區(qū)結(jié)構(gòu)性軟土地基處理提供了良好的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

（1）熱帶雨林區(qū)軟土的結(jié)構(gòu)性與其形成機(jī)制有關(guān)。

（2）熱帶雨林區(qū)軟土結(jié)構(gòu)性主要有三個(gè)表現(xiàn)：①野外土層狀體和原位試驗(yàn)表現(xiàn)的力學(xué)性能優(yōu)于土工試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn);②壓縮試驗(yàn)中，荷載達(dá)到極限值后，土樣在壓力不增加的情況下變形明顯增加;③軟土土樣表現(xiàn)出高靈敏度。

（3）利用分層總和法，雙曲線法和三點(diǎn)法對(duì)PO公路項(xiàng)目方樁處理路基沉降進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)熱帶雨林區(qū)軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)地基沉降的影響較大，在軟土結(jié)構(gòu)未受到嚴(yán)重破壞的情況下，軟土表現(xiàn)出良好的物理力學(xué)特性。

（4）通過正確認(rèn)識(shí)熱帶雨林區(qū)的軟土結(jié)構(gòu)性，選擇合適的軟基處理方式，可大幅度減少軟基處理工程費(fèi)用，為熱帶雨林區(qū)公路軟基處理提供良好的工程經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]賀成斌，趙明華，馬繽輝，陳秋南.考慮土體結(jié)構(gòu)性的軟土地基非線性沉降計(jì)算方法[J].建筑結(jié)構(gòu)， 2015， 45（14）：82-86.

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