黏土半填半挖地基沉降預估模型分析

吳晨楠

（四川省機場集團有限公司，四川 成都 610000）

復雜地形條件下的機場建設過程中，將頻繁遇到半填半挖地基的修筑問題。一方面，由于半填半挖地基一側為原狀地基，另一側為新填地基，因此交界面兩側土體的物理性質有很大差別。另一方面，建設過程中可能會遇到黏土層地基處理的問題。黏土層含水量大、壓縮性高、承載力低，工后沉降將較大，因此預估黏土半填半挖地基的工后沉降，是一個重要的工程問題。恰當選取黏土半填半挖地基沉降的擬合模型，對于指導機場地基工程具有較大意義[1]。

1 地基沉降擬合模型

地基沉降預測是一個比較復雜的高度非線性土體變形問題，常采用顯式函數(shù)對工后沉降進行回歸分析，提取函數(shù)的擬合參數(shù)預測工后總沉降[2]。常用的地基沉降回歸參數(shù)模型（S-t曲線）有指數(shù)模型、雙曲線模型、冪函數(shù)模型、對數(shù)模型、平方根模型和Peal模型[3-5]，具體表達式如表1所示。

表1 地基沉降常用回歸模型

2 工程實例分析

2.1 工程概況

文章以在建中的成都天府國際機場施工期的黏土地基沉降監(jiān)測作為分析實例。該機場場區(qū)以淺丘寬谷地貌為主，丘坡圓緩，地形起伏較小。場區(qū)內軟弱土主要為丘間溝谷地帶的第四系沖洪積形成的黏土、粉質黏土，主要分布于機場填方區(qū)等地勢相對低洼地帶，其最大埋深為14.4m，平均埋深約為4.0m。該軟弱土具有含水率高、孔隙比高、滲透性差、壓縮性高、強度低、固結時間長等特點，對地基承載力及地基變形有較大影響，是工程建設中的不利因素。

2.2 現(xiàn)場觀測

本工程采用單點沉降計進行沉降監(jiān)測，可以實現(xiàn)土體沉降連續(xù)、實時、自動化監(jiān)測，且測量精度高、誤差小。文章選取其中一處沉降監(jiān)測的重點區(qū)域進行監(jiān)測。該區(qū)域為半填半挖基地，軟弱土包括可塑狀粉質黏土、軟塑狀黏土、可塑狀黏土，采用碎石樁+排水板、強夯置換、換填三種方式進行地基處理。以單點沉降計所在溝槽回填碾壓作為計時起點，則該區(qū)域的沉降變化如圖1所示。

圖1 監(jiān)測數(shù)據(jù)及各類擬合曲線

2.3 沉降擬合與預測

對監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)表1中的模型進行最小二乘回歸如圖1所示，擬合結果如表2所示。

對比分析誤差平方和SSE、回歸系數(shù)R2、修正回歸系數(shù)可知：在雙參數(shù)回歸模型中，雙曲線模型擬合效果最好；在三參數(shù)回歸模型中，指數(shù)模型擬合效果最好。

2.4 模型對比分析

采用碎石樁+排水板進行處理后，黏土地基固結是一個單面排水的過程，因此工后沉降將顯現(xiàn)出先快后慢的下凸函數(shù)特點。Peal模型作為典型的“S”形曲線，不宜用作擬合該種地基處理方法和土質。

從最終沉降量來看，黏土地基在強夯置換過后，土體密實度將明顯提高。沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)顯現(xiàn)出最終會收斂，但收斂速度較慢的特征。因此，不宜使用冪函數(shù)模型、平方根模型、對數(shù)模型等發(fā)散性模型進行擬合。

表2 工后沉降回歸模型參數(shù)確定

從沉降速率來看，黏土半填半挖地基沉降速率變化較平穩(wěn)，沉降收斂將需要較長時間。指數(shù)模型的特點是收斂迅速，短期之內擬合誤差可能較小，但用作長期擬合時誤差較大。相比之下，雙曲線模型是預測黏土半填半挖地基工后沉降的理想模型。從理論模型分析，該模型的工后沉降符合實際先快后慢、最終收斂、收斂速度慢的特征；從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，該模型作為雙參數(shù)模型，其誤差平方和SSE、回歸系數(shù)R2、修正回歸系數(shù)幾乎接近于指數(shù)函數(shù)這種擬合效果最好的三參數(shù)模型，因此在保證擬合精度的前提下，該模型還具有計算簡單的優(yōu)點。另外，雙曲線模型的參數(shù)含義明確：參數(shù)B代表最終沉降量，參數(shù)A代表沉降收斂速度。

3 結論

根據(jù)已有的地基沉降擬合模型，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結論：

（1）從黏土半填半挖地基工后沉降擬合的誤差來看，在雙參數(shù)回歸模型中，雙曲線模型擬合效果最好；在三參數(shù)回歸模型中，指數(shù)模型擬合效果最好。

（2）采用碎石樁+排水板、強夯置換等方式進行處理后，黏土密實度將明顯提高，固結是一個單面排水的過程，因此工后沉降將顯現(xiàn)出先快后慢、沉降速率變化較平穩(wěn)，沉降最終收斂但需要較長時間等特點。

（3）綜合分析，雙曲線模型是預測黏土半填半挖地基工后沉降的理想模型。雙曲線模型代表的工后沉降符合實際先快后慢、最終收斂、收斂速度慢的特征，且具有計算簡單、易于分析的優(yōu)點。