大面積軟基處理過程中的沉降預(yù)測研究

謝賽軍

（通號建設(shè)集團有限公司 長沙410205）

0 引言

隨著鄉(xiāng)縣城市化的進程，城市公共建筑的建設(shè)發(fā)展如火如荼，土地資源變得越來越緊缺，這就使得一些大面積的軟土地基不得不被利用起來。大面積的軟土地基含水量極大，整體不均勻沉降現(xiàn)象非常嚴(yán)重，常常會出現(xiàn)地基坍塌的情況，嚴(yán)重影響了建筑物使用過程中的安全、適用與耐久性能。為了改善大面積軟土地基的物理與力學(xué)性能，在真空預(yù)壓方法的基礎(chǔ)上，聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法去提高軟基承載力。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理方法改善了土體的物理性質(zhì)，具有更好的承載力［1］。

軟基通過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法處理，一般由實測的地基沉降數(shù)據(jù)去計算預(yù)測地基的沉降趨勢曲線。目前，國內(nèi)外學(xué)者對各種軟土路基沉降觀測數(shù)據(jù)處理以及預(yù)測方法進行了研究。段天驍［2］重點研究了時距與數(shù)據(jù)對預(yù)測精度的影響，發(fā)現(xiàn)時距越短，數(shù)據(jù)越多時，用雙曲線法精度最高。Hu等人［3］發(fā)現(xiàn)以砂石作為路基填料，路基沉降在1 年后才能穩(wěn)定。李群［4］利用最小二乘法求解提高Richards 模型的預(yù)測精度。劉珣［5］采用Midas 計算模型對軟土地基進行沉降量預(yù)測分析，通過與實測值得對比分析，發(fā)現(xiàn)了Midas計算模型的適應(yīng)條件。何小飛［6］通過經(jīng)驗系數(shù)計算取值的方法去計算軟土地基的最終沉降量，發(fā)現(xiàn)雙曲線函數(shù)法適用于經(jīng)驗系數(shù)推算沉降的方法。張文婷［7］通過雙曲線方法計算基礎(chǔ)沉降量的過程中，為軟土地基承載卸載提供了施工依據(jù)。李治朋等人［8］通過對比雙曲線法與三點法預(yù)測軟基承載力，發(fā)現(xiàn)雙曲線法預(yù)測沉降量與實測法更為接近。各學(xué)者對軟基沉降的預(yù)測研究很多，但是對沉降預(yù)測的結(jié)果還存在很大的不確定性，不同的計算模型的沉降量預(yù)測精度有所不同，需要進行進一步的深入研究。

基于經(jīng)驗雙曲線法、Asaoka 法、三點法3 種計算模型，結(jié)合最小二乘法求解參數(shù)的計算方法，分別研究3 種計算模型的地基沉降預(yù)測，對比分析實測值數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3種計算模型地基沉降預(yù)測的精度有所差別，最小二乘法求解參數(shù)的計算方法能提高地基沉降預(yù)測精度。

1 工程概況

1.1 地基環(huán)境

某工程項目軟基處理總面積為50 萬m2，采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法，由淺至深，由表往內(nèi)進行地基處理。工程項目的地基含水率很高，約在1.5～2.0倍，無砂性顆粒含量50%左右，膠粒含量30%左右，礦物成份以石英、伊利石、蒙脫石為主，有機質(zhì)含量約在1%。該層頂標(biāo)高約在5 m 左右，平均厚度約為8.5 m。工程地基土的物理特性試驗結(jié)果，如表1所示。

表1 吹填淤泥及真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后淤泥物理試驗結(jié)果Tab.1 Physical Test Results of Dredger Fill Silt and Sludge after Vacuum Combined with Surcharge Preloading

1.2 地基加固

1.2.1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓參數(shù)設(shè)置

采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓區(qū)的面積為276 178 m2的吹填淤泥區(qū)域。設(shè)計預(yù)壓荷載在真空膜下1.5 m 厚砂墊層，以及膜上0.5 m 厚砂墊層及2.5 m 厚土石料堆載，抽真空膜下真空度不低于85 kPa，總的預(yù)壓荷載為161.5 kPa，使用荷載為50 kPa。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓抽真空有效時間為210 d。堆載卸載標(biāo)準(zhǔn)可按固結(jié)度不低于80%，且沉降速率不大于4 mm/d的要求后方可卸載。

1.2.2 加固后的物理試驗結(jié)果

在進行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后取淺層的淤泥（或淤泥質(zhì)土）進行土工試驗，物理參數(shù)如表1所示。

對比分析表1，在加固后，土的工程物理性質(zhì)有顯著改善，主要表現(xiàn)在：

⑴含水率由181%降至約66.9%，濕密度由1.25上升至1.58左右，可見軟弱吹填淤泥層得到有效加固；

⑵液性指數(shù)由4.08 下降至1.14 左右，說明其流動性越來越低；

⑶土體孔隙比由5.62 減小至1.88 左右，證明軟土經(jīng)排水加固后得到良好效果。

2 沉降預(yù)測分析模型

2.1 經(jīng)驗雙曲線法

經(jīng)驗雙曲線法是沉降速率以雙曲線的形式逐漸變小的推導(dǎo)經(jīng)驗方法，是軟基沉降量與時間的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測的最終沉降量關(guān)系如式⑴所示［9］。

選擇恒載后的第1 d的沉降數(shù)據(jù)為計算起點，第td對應(yīng)的地基沉降量為St，軟基沉降量關(guān)系如式⑵所示［9］。

式中：S∞為地基最終沉降量；S0為t=0 時的地基沉降量；St為對應(yīng)t時刻的地基沉降量；α、β為與地基及荷載有關(guān)的常數(shù)，可按式⑷、式⑸計算；t為從恒時間T0開始的時間（d），下同。

計算參數(shù)α、β，可將式⑵轉(zhuǎn)換成式⑶。

令y=1/（St-S0），x=1/t，則式⑶轉(zhuǎn)換為y=β+αx，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)使用最小二乘法可以求出參數(shù)α、β：

式中；n為x的個數(shù)，即恒載T0之后沉降測量的次數(shù)，字母上橫杠表示平均值。

計算相關(guān)性判定系數(shù)R式中：r為相關(guān)系數(shù)。

當(dāng)式⑹中計算的R≥0.90 時，表明相關(guān)性好；當(dāng)0.90＞R≥0.6 時，表明相關(guān)性一般；當(dāng)R＜0.6 時，表明相關(guān)性差。

2.2 Asaoka法

Asaoka 法［10］就是利用沉降數(shù)據(jù)對參數(shù)進行求解，求得的參數(shù)推算出預(yù)測的沉降量。

⑴選擇恒載后的第1 d（或隨后2～7 d 中任意一天）的沉降數(shù)據(jù)為計算起點，令該時間對應(yīng)的地基沉降量為初值S1。

⑵選擇間隔時間段△t，一般7 d≤△t≤20 d。

⑶ 計算時間ti=t1+（i-1）×△t，對應(yīng)的沉降量為Si（1≤i≤j），統(tǒng)計S共有j個數(shù)據(jù)。

令x=（S1，S2，…，Sj-1），y=（S2，S3，…，Sj），假定y=β+αx，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)S使用最小二乘法可以求出參數(shù)α、β，同樣采用式⑷、式⑸及式⑹可分別計算出α、β及擬合的相關(guān)性判定系數(shù)R（此處計算時取n=j-1，字母上的橫杠表示平均值）。

則令y=x時，可計算得到最終沉降量：

2.3 三點法

三點法就是固結(jié)度對數(shù)配合法，三點法選取的沉降數(shù)據(jù)點不同，可能會造成固結(jié)度計算以及沉降預(yù)測的差異。

⑴選擇恒載后的第1 d的t1（或隨后2～7 d中任意1天）為計算起點，其對應(yīng)的沉降量為S1。

⑵選擇計算終點日期t3，并自動確定相應(yīng)的沉降量S3。

⑶ 計算確定中間點t2=（t1+t3）/2，注意t2為日期值，取整數(shù)，并自動確定該時間相對應(yīng)的沉降量為S2，推算出地基最終沉降量：

3 沉降預(yù)測與實測值對比分析

3.1 實測方法

軟基表層沉降實測值通過測量地表沉降量及沉降過程，對軟基安全風(fēng)險進行分層分級應(yīng)對［11］，同時掌握土體在荷載作用下的沉降變形，通過人工監(jiān)測沉降板測得的沉降數(shù)據(jù)具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓期間地表沉降與時間關(guān)系曲線Tab.2 Relationship between Surface Settlement and Time during Vacuum Combined Surcharge Preloading

3.2 3種模型的預(yù)測值與實測值對比

根據(jù)軟基在恒載預(yù)壓210 d 的情況下，結(jié)合軟基預(yù)壓沉降數(shù)據(jù)實測值，通過最小二乘法求解經(jīng)驗雙曲線法、Asaoka 法及三點法3 個模型的經(jīng)驗參數(shù)，最后通過模型預(yù)測的沉降值與實測值進行對比，如圖1 所示，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1 3種方法沉降預(yù)測值與沉降實測值擬合曲線Fig.1 Fitting Curve of Settlement Predicted Value and Settlement Measured Value by Three Methods

由圖1 可知，3 種方法沉降的預(yù)測值擬合曲線與沉降實測值擬合曲線趨勢較為一致，3 種方法都可以很好地預(yù)測后期沉降值。

由表3 可知，經(jīng)驗雙曲線法的預(yù)測最終沉降值與實測最終沉降值較為接近，偏差率為4.2%，Asaoka 法沉降預(yù)測最終值與實測值最終沉降值相差最大，偏差率為7.3%，三點法沉降預(yù)測最終值與實測值最終沉降值相差較大，偏差率為6.3%。通過比較，此工程項目的大面積軟基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的沉降預(yù)測精度上，經(jīng)驗雙曲線法的沉降預(yù)測精度最高，三點法次之，As?aoka法沉降預(yù)測精度最差。

表3 3種模型沉降預(yù)測結(jié)果Tab.3 Settlement Prediction Results of Three Models

4 結(jié)論

結(jié)合某工程項目大面積軟基的含水率很高，地基承載力差，地基土的物理特性不良的情況下，在真空預(yù)壓的地基處理方法的基礎(chǔ)上，聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法去改善地基土的物理與力學(xué)性能，同時結(jié)合經(jīng)驗雙曲線法、Asaoka 法以及三點法模型去預(yù)測軟基的地表沉降，并與實測值進行分析對比，可以得到以下結(jié)論：

⑴真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法可以有效地處理大面積的軟基，軟弱吹填淤泥層得到有效加固，地基土的物理性能得到顯著的改善。

⑵通過對比3種方法預(yù)測基礎(chǔ)的沉降，可以發(fā)現(xiàn)3種方法預(yù)測沉降的擬合曲線與實測值擬合曲線較為一致，預(yù)測最終沉降值與實測最終沉降值偏差都相對較小，但經(jīng)驗雙曲線法的沉降預(yù)測精度最高，三點法次之，Asaoka法沉降預(yù)測精度最差。