高志偉 廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司 廣東科正水電與建筑工程質(zhì)量檢測有限公司
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軟弱土在珠三角地區(qū)廣泛分布,具有明顯的孔隙比大、含水率高、壓縮性高、承載力極低的特點。不良的工程特性帶來地面沉降和不均勻變形等工程問題,在市政建設(shè)中將導(dǎo)致路堤開裂、路面出現(xiàn)過量的變形,影響市政工程的正常使用。工程位于珠江水系叉河地區(qū),工程濱海景觀帶布置于護岸線至設(shè)計邊線(市政道路邊線)之間,全長1.064km,下臥土層有厚度5~40米不等的珠三角州相沉積軟土,因此即使景觀帶上無建筑物,下臥土為欠固結(jié)軟土也將產(chǎn)生很大變形,影響濱海景觀和正常使用。因此,該場地必須要進行地基處理。
地基處理方案采用塑料排水板加堆載預(yù)壓,堆載預(yù)壓填筑高度為3.0m,預(yù)壓180d。堆載填土在透水砂層基面完成后進行,按設(shè)計要求,基礎(chǔ)面隱蔽驗收后鋪設(shè)土工布,鋪第一層土,平整,壓實。填筑施工時分9層填筑壓實,其分層最大厚度與壓實機具通過試驗確定,分段分層填筑。
經(jīng)勘察取樣至室內(nèi)開展室內(nèi)試驗,得到土樣的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。從中可以看出場地軟土具有明顯含水率大、靈敏度大、強度低、壓縮性高等顯著特點。土樣的顆分試驗及根據(jù)規(guī)范可知②-2和②-4軟土為高液限黏土(CH);②-3軟土為高液限粉土(MH)。
表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
根據(jù)項目設(shè)計要求及場地情況,濱海景觀帶軟基處理B區(qū)的沉降監(jiān)測分為地表沉降(沉降標(biāo))和深層分層沉降(沉降環(huán)),在加載初期每天觀測1次,每級荷載施加完成前后需各觀測1次,測值穩(wěn)定后2~3天觀測一次。堆載結(jié)束后依沉降速率情況,每月觀測1~5次。
為對比分析現(xiàn)場監(jiān)測沉降數(shù)據(jù),以BX1+538斷面為例對應(yīng)開展一維壓縮次固結(jié)試驗,因堆載高度為3m,因此固結(jié)荷載僅加載到50kPa。取樣深度為12m,為②-4淤泥質(zhì)土。加載方案1:12.5kPa,荷載持續(xù)3天→25 kPa,荷載持續(xù)3天→50kPa,荷載持續(xù)90天。加載方案2:50kPa,荷載持續(xù)90天。
3.2.1 地表沉降監(jiān)測成果分析
根據(jù)沉降板監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖1),在第一級堆載期間,地表沉降速率最大,最大值可達到55.6mm/d,但堆載結(jié)束第4天開始速率減緩。由于初期堆載速率超過了設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)值20mm/d,不利于地基的穩(wěn)定,為了保證軟基不發(fā)生滑動破壞,監(jiān)測單位向監(jiān)理、施工等單位提出預(yù)警,并采取有效措施(如放緩加載速率)。再之后的7級堆載中,每級加載初期的地表沉降速率有衰減趨勢。分析原因有二,一是每一級加載是個荷載累積過程,沉降也進行累積,土體的最終沉降量是一定的,因此沉降速率勢必會減緩;二是塑料排水板每經(jīng)過一級加載沉降,或堵塞或彎曲變形,排水性能削弱,導(dǎo)致沉降速率減緩,建議可打二次塑料排水板。隨著時間的推移,沉降逐漸收斂,約3個月后,沉降速率減緩到1mm/d~2mm/d。
圖1 地表沉降曲線
3.2.2 深層分層沉降監(jiān)測成果分析
在一根測斜管中布置沉降環(huán)8個。在堆載過程中,不同深度的沉降明顯不一致,隨著埋深越來越淺,沉降成指數(shù)增長(圖2所示),說明堆載預(yù)壓,越靠近地表處效果越顯著,這有別與真空預(yù)壓的作用效果。沉降環(huán)埋深越淺,沉降量越大并越接近沉降板所測的沉降;沉降環(huán)埋深越大,沉降量越小。本項目最大沉降環(huán)埋深為28m,總沉降約10mm。說明堆載預(yù)壓沉降的作用深度約30m。
圖2 同一時刻不同埋深處沉降環(huán)沉降量曲線
3.2.1 土樣的e-lgt關(guān)系曲線
圖3~4分別為方案1和方案2土樣的e-lgt關(guān)系曲線。對這些試驗曲線的分析可以得出:在初級荷載作用下,不論低應(yīng)力水平(12.5kPa)還是高應(yīng)力水平(50kPa)下,曲線都有較大曲率,主固結(jié)與次固結(jié)分界明顯且初級荷載越大主次固結(jié)越明顯;隨著累加荷載的增加,主次固結(jié)的分界逐漸模糊。這與在現(xiàn)場監(jiān)測中,在初級荷載加載下,變形速率很大,超過預(yù)警值,需在初期堆載時嚴(yán)格控制加載速率使沉降速率在設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)相一致,初級加荷是容易發(fā)生軟基滑動破壞的時期。
圖3 方案1土樣的e-lgt關(guān)系曲線
3.2.2 次固結(jié)系數(shù)分析
Buisman(1936年)認(rèn)為,在次固結(jié)變形階段,變形與時間對數(shù)之間基本呈線性關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上提出了次固結(jié)系數(shù)的概念。次固結(jié)系數(shù)可由土樣的e-lgt關(guān)系曲線求得:
式中t1為相當(dāng)于主固結(jié)達到100%的時間;t2為需要計算次固結(jié)的時間。
根據(jù)公式(1)和各級固結(jié)壓力下的e-lgt曲線(圖3和圖4),可求得3d和90d相應(yīng)于不同固結(jié)壓力下的次固結(jié)系數(shù),如表2所示。其中,t1為按Casagrande作圖法確定的主固結(jié)完成時間。從表2中可以看出,隨著荷載的增大,次固結(jié)系數(shù)有隨固結(jié)壓力增大而增大的趨勢;在同一荷載下(50kPa),由于加荷方案不一致則次固結(jié)系數(shù)也有差異;但經(jīng)過長時間加荷后,差距會逐漸減小。得出的結(jié)論下在荷載較低的情況下與文獻結(jié)論類似。
圖4 方案2土樣的e-lgt關(guān)系曲線
表2 各級固結(jié)壓力下的次固結(jié)系數(shù)
將不同方案下的1d~90d 的次固結(jié)系數(shù)整理可得圖5所示固結(jié)壓力50kPa下的次固結(jié)系數(shù)變化曲線。從中可以看出,在早期,不同的加荷方案會使得次固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律不一致,當(dāng)5d 之后,次固結(jié)系數(shù)均呈現(xiàn)為增長趨勢,且最終都趨于穩(wěn)定且數(shù)值相近。說明在長時間次固結(jié)沉降下,軟土的變形將趨于穩(wěn)定,沉降速率越來越小,這與實際監(jiān)測結(jié)果相符。
圖5 固結(jié)壓力50kPa下的次固結(jié)系數(shù)變化曲線
由于室內(nèi)試驗與現(xiàn)場監(jiān)測的模型比較難確定,因此定性分析兩者之間的關(guān)系。圖6為堆載3m高對地下12m處的深層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線,圖7為方案1的室內(nèi)一維壓縮變形曲線。從中可以看出,兩者的變形有較大區(qū)別,現(xiàn)場實測沉降趨于穩(wěn)定所需的時間明顯大于室內(nèi)試驗變形趨于穩(wěn)定所需的時間,且沉降速率要大于室內(nèi)試驗。分析其主要原因是由于室內(nèi)試驗是側(cè)限約束的,而現(xiàn)場實際工程情況中,側(cè)限方向并未約束,土體在堆載作用下有向四周擴散的趨勢,這也可從現(xiàn)場試驗的軟基內(nèi)部土體水平位移曲線中體現(xiàn),如圖8所示。
圖6 堆載3m地下12m處深層沉降曲線
圖7 方案1的總變形曲線
圖8 軟基內(nèi)部土體水平位移曲線圖
軟基處理的沉降關(guān)系到整個工程質(zhì)量和工期。本文將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合室內(nèi)次固結(jié)變形試驗得到如下結(jié)論:
(1)地表沉降速率在第一級加載中沉降非常快,容易出現(xiàn)日沉降量超過警戒值,需控制第一級的堆載速率;這與室內(nèi)試驗中初級荷載下,初始變形速率大,主次固結(jié)分界明顯的結(jié)論相一致。
(2)在荷載水平較低時,次固結(jié)系數(shù)有隨固結(jié)壓力增大而增大的趨勢;在初期次固結(jié)系數(shù)隨時間增長有增長趨勢,但會趨于平穩(wěn),且最終平穩(wěn)值與加荷方式無關(guān);
(3)現(xiàn)場沉降和室內(nèi)變形會有較大的變形差異,主要原因是現(xiàn)場試驗是無側(cè)限,而室內(nèi)試驗是在有側(cè)限條件下進行。