高壓縮性黏性土高填方工程沉降控制試驗(yàn)研究

孫鴻玲　王濤　林山東　胥云　王世玉　劉秋林

【摘 要】近年來(lái)，頁(yè)巖氣開(kāi)采力度逐漸加大，平臺(tái)井建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了越來(lái)越多的高填方工程。但是，由于頁(yè)巖氣開(kāi)采平臺(tái)建設(shè)工期緊張，做好回填土體的沉降控制是高填方工程需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。文章介紹試驗(yàn)探究了土工格柵方法在高壓縮性黏性土高填方工程中的加固效率，通過(guò)對(duì)回填土沉降量的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在回填過(guò)程中分層鋪設(shè)土工格柵并逐層壓實(shí)回填土能夠有效控制高填方工程的沉降量，并總結(jié)了土工格柵法在高填方工程中的加固效率計(jì)算公式，為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高填方; 沉降控制; 高壓縮性黏性土; 土工格柵法

【中圖分類號(hào)】TU433【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隨著我國(guó)不斷地大力推進(jìn)頁(yè)巖氣的開(kāi)采，以滿足人們對(duì)于頁(yè)巖氣能源日益增長(zhǎng)的需求，頁(yè)巖氣的勘探和開(kāi)發(fā)的進(jìn)程不斷地推進(jìn)，鉆前工程的規(guī)模也越來(lái)越大，由于平臺(tái)井的建設(shè)需占用大面積的場(chǎng)地，且鉆前工程位置大多處于山區(qū)，井場(chǎng)經(jīng)常采用半挖半填的方式，填方高度通常達(dá)到10 m余。就這些高填方項(xiàng)目的工期需求而言，施工方需要在很短的時(shí)間之內(nèi)完成場(chǎng)地平整，倘若單純采用傳統(tǒng)碾壓夯實(shí)的方法對(duì)高填方工程進(jìn)行處理，會(huì)導(dǎo)致回填土未經(jīng)充分壓實(shí)，回填土深厚且不均勻，性質(zhì)很不穩(wěn)定，極容易形成地基的不均勻沉降。在此類場(chǎng)地上進(jìn)行工程建設(shè)，有很大的風(fēng)險(xiǎn)。就頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)而言，如何在保證高填方工程的沉降控制達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，施工得又好又快顯得尤為重要。

眾多學(xué)者對(duì)軟土地基的不同加固方式[1-6]開(kāi)展了大量的研究。張?jiān)ゴǖ萚7]通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究了黃土蠕變?cè)囼?yàn)條件下的高填方基礎(chǔ)沉降，指出高填方基礎(chǔ)的沉降穩(wěn)定期為3～4 a，通常情況下工后沉降主要出現(xiàn)于回填完成后的1 a。殷建華等[8]通過(guò)理論研究總結(jié)了土工布加筋基礎(chǔ)的一維非線性模型方程式的差分迭代格式，同時(shí)分析了夾有土工布的砂層對(duì)荷載傳遞的影響以及模型參數(shù)對(duì)加筋基礎(chǔ)的沉降和土工布拉力的影響。張民[9]通過(guò)ABAQUS軟件模擬高填方路堤，研究了土工格柵鋪設(shè)間距、配筋長(zhǎng)度以及地基土類型等因素對(duì)高填方填筑路基的影響，他提出鋪設(shè)土工格柵能顯著提高路堤的承載能力，且加筋間距越小，地基土的穩(wěn)定性也越好。侯立成等[10]在基于ABAQUS的土工格柵對(duì)高填方路堤穩(wěn)定性和變形特性分析的基礎(chǔ)上，分析了土工格柵長(zhǎng)度、拉伸模量和層數(shù)對(duì)路堤坡腳位移、安全系數(shù)和潛在滑動(dòng)面的影響規(guī)律。他提出土工格柵加筋效應(yīng)隨著回填土的高度的增加，逐漸明顯，同時(shí)土工格柵加筋后路堤的豎向位移和水平位移均有減小，且隨著土工格柵長(zhǎng)度、拉伸模量和層數(shù)的增加，高填方路堤滑動(dòng)面位置上移?；瑒?dòng)土體體積減小，安全系數(shù)也逐漸呈上升趨勢(shì)。Zhang等[11]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)比研究了強(qiáng)夯法和土工格柵加筋對(duì)改善填土地基力學(xué)性能的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。吳敏[12]通過(guò)研究土工格柵層間距對(duì)地基承載力影響，提出地基承載力隨著土工格柵布置間距的減小而增大，但隨著土工格柵布置間距的減小，增長(zhǎng)幅度逐漸減小，布置4層最為合適。

土工格柵的加固機(jī)理：

（1）分散應(yīng)力機(jī)理：土工格柵韌性較強(qiáng)，在回填土中鋪設(shè)土工格柵能使土工格柵與基礎(chǔ)土體形成一個(gè)整體。同時(shí)在上部荷載作用下，土工格柵可以有效地控制基礎(chǔ)土體的側(cè)向變形，并進(jìn)行荷載的分散，具備產(chǎn)生板體效應(yīng)的能力，從而很大程度上減小了基礎(chǔ)回填土的不均勻沉降。

（2）加筋補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理：土工格柵具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)土工格柵的網(wǎng)眼對(duì)土橫向移動(dòng)有制約作用，再加之土工格柵表面和土體之間的摩擦和對(duì)土工格柵以及相關(guān)節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)抗阻作用，從而促使土工格柵和土體能夠形成結(jié)實(shí)的復(fù)合基地，促使回填土地基的抗剪切能力大大增強(qiáng)，能夠有效防止基礎(chǔ)土體出現(xiàn)疲勞破壞以及過(guò)大永久變形等問(wèn)題。

本研究基于某地區(qū)頁(yè)巖氣鉆前工程項(xiàng)目，通過(guò)土工格柵加固方式進(jìn)行試驗(yàn)，分析上述土工格柵加固方式在模擬荷載作用下的加固效率，為高填方工程的加固提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)是基于某地區(qū)頁(yè)巖氣鉆前工程項(xiàng)目開(kāi)展的，該平臺(tái)是一個(gè)典型的半挖半填工程，填方量超過(guò)10 000 m3，填土高度達(dá)10 m余。根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)踏勘所取土樣，西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院土工實(shí)驗(yàn)室根據(jù)GB/T 50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（2008年6月確認(rèn)繼續(xù)有效）和YS/T 5225-2016《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行了土工實(shí)驗(yàn)，得出現(xiàn)場(chǎng)土的物理性質(zhì)、物理狀態(tài)以及物理力學(xué)指標(biāo)。經(jīng)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)土為飽和黏性土，疏松狀態(tài)、高或中壓縮性土、可塑狀態(tài)、低靈敏度、抗剪強(qiáng)度低。

通過(guò)方案優(yōu)選，綜合施工效率、經(jīng)濟(jì)性以及綠色環(huán)保等各項(xiàng)因素，最終選用土工格柵為加固材料，按照要求給出高填方工程的地基試驗(yàn)方式如表1所示。

2 高填方工程加固模式

邊坡設(shè)計(jì)采用土工格柵加筋并對(duì)護(hù)坡土工格柵進(jìn)行包邊，寬3 m，層間距0.6 m，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。土工格柵加筋護(hù)坡采用現(xiàn)場(chǎng)挖方、土體填土，每層填土經(jīng)碾壓夯實(shí)后加鋪一層土工布，填土厚度由下往上逐漸增加，底層填土厚度為30 cm。采用土工布包邊，邊坡的坡率設(shè)置為1∶1，土工布加筋寬度為5 m。高填方加固模式設(shè)置具體如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)沉降數(shù)據(jù)觀測(cè)與采集采用靜力水準(zhǔn)儀終端沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)、連通管、采集儀、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及無(wú)線傳輸?shù)炔糠纸M成，具有量程大、精度高、安裝簡(jiǎn)便、體積小、重復(fù)使用以及智能化等特點(diǎn)（圖2）。

本次試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中編號(hào)為CH1～CH3的為經(jīng)土工格柵加固的試驗(yàn)組測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為CH4～CH6的為未經(jīng)任何處理的對(duì)照組測(cè)點(diǎn)。測(cè)量系統(tǒng)由基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)構(gòu)成。其中基準(zhǔn)點(diǎn)水準(zhǔn)儀置于不動(dòng)處作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位于高填方土體頂面。測(cè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸?shù)絇C端，可實(shí)現(xiàn)全天候24 h不間斷無(wú)人觀測(cè)。通過(guò)觀測(cè)測(cè)點(diǎn)的電壓變化，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降量，電壓每變化0.08 V則表示土體發(fā)生了1 mm的沉降。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)式（1）可以推算出測(cè)點(diǎn)處高填方土體的沉降量S：

式中：U1為測(cè)點(diǎn)起始電位差，U2為測(cè)點(diǎn)最終電位差，aS表示沉降量與電位差的相關(guān)系數(shù)，取12.5 mm/V。

根據(jù)式（2）可以推算出土工格柵對(duì)混凝土的加固效率η：

式中：S1為經(jīng)土工格柵加固后的沉降量，S0為未經(jīng)任何處理的土體沉降量。

根據(jù)表2計(jì)算可得，CH1～CH6測(cè)點(diǎn)最終沉降量分別為：1.56 mm、0.31 mm、0.44 mm、4.69 mm、5.125 mm、4.75 mm，加固后的1、2、3測(cè)點(diǎn)平均沉降量為0.77 mm，未經(jīng)加固的4、5、6測(cè)點(diǎn)平均沉降量為4.86 mm。經(jīng)加固后的高填方土體沉降量較未加固的減少了4.09 mm，沉降控制η效果高達(dá)84.16 %，達(dá)到預(yù)期沉降控制目標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)某地區(qū)頁(yè)巖氣鉆前工程平臺(tái)的高填方工程沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和比較驗(yàn)證，提出了一種適用于高壓縮性黏性土高填方工程中控制土體沉降量的地基加固方法，總結(jié)如下：

（1）運(yùn)用土工格柵法來(lái)控制高壓縮性黏性土高填方沉降量效果顯著。土工格柵法對(duì)高填方地基的加固效率高達(dá)84.16 %。

（2）總結(jié)了土工格柵對(duì)高填方工程的加固效率的計(jì)算公式，為未來(lái)工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

（3）在高填方工程中，需確保填筑層的厚度、壓實(shí)度等全部滿足相關(guān)要求。在進(jìn)行填筑施工時(shí)不能使用劣質(zhì)土和含有雜質(zhì)的土，而且進(jìn)行填料時(shí)需要將透水性比較差的土質(zhì)填筑在下層，上層使用透水性和強(qiáng)度都比較高的土質(zhì)。

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[定稿日期]2020-12-29

[基金項(xiàng)目]西南石油大學(xué)課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)項(xiàng)目基金資助（項(xiàng)目編號(hào)：KSZ1980）

[作者簡(jiǎn)介]孫鴻玲（1973～），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)榭拐鸶邔咏ㄖY(jié)構(gòu)抗震性能分析、建筑結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)、巖土工程防災(zāi)等。