軟土地基工后沉降預測方法的應用分析

吳開健 中交廣州水運工程設(shè)計研究院有限公司

排水固結(jié)法是大面積軟土地基加固處理的常用方法之一，其主要包括加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。在加壓荷載作用下，土體的超靜孔隙水壓力逐漸消散，地基發(fā)生固結(jié)變形的過程。目前工程上用于軟土地基沉降計算的方法分為三大類：理論公式法、基于固結(jié)理論和土體本構(gòu)模型的數(shù)值分析法和基于實測沉降數(shù)據(jù)的推算法。由于理論公式法和數(shù)值分析法都有假設(shè)前提條件，而軟土沉降與時間存在顯著的函數(shù)關(guān)系，利用現(xiàn)場沉降觀測數(shù)據(jù)進行沉降推算預測已經(jīng)成為了非常有效的方法。潘林有等研究了指數(shù)法（三點法）、雙曲線法、泊松比法和Asaoka法4種方法的適用條件以及優(yōu)缺點，并定性描述了不同結(jié)構(gòu)下軟土地基的沉降規(guī)律；王超等認為雙曲線法預測時間起點的選擇對后期的預測效果影響不大，但是需要選擇恒載期間的沉降數(shù)據(jù)才能較好地反映后期沉降規(guī)律；王榮利等以工程實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對雙曲線法、理論曲線擬合和Asaoka法進行了比較和適用性分析，認為Asaoka法更加適用于軟基處理工程最終沉降量的推算。不同的工后沉降推算方法各自優(yōu)缺點，本文基于湛江市東海島石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)某地基處理工程的實測沉降數(shù)據(jù)采用三點法、雙曲線法和Asaoka法進行工后沉降預測計算，分析研究不同預測方法在大型軟基處理工程中的應用特點。

1.不同預測方法的基本原理

1.1 三點法

三點法本質(zhì)上是一種指數(shù)曲線法，又稱為固結(jié)度對數(shù)配比法。三點法預測模型是從樣本數(shù)據(jù)中抽取三組數(shù)據(jù)（t，S）、（t，S）、（t，S），且滿足t——t=t——t。當時間t→∞時，S→∞，說明三點法預測模型得到的預測結(jié)果是收斂的，其表達式為：

1.2 雙曲線法

雙曲線法是一種經(jīng)驗方法，其原理是根據(jù)實測沉降曲線近似于一條雙曲線，通過雙曲線擬合推算某時刻的沉降量或最終沉降量，函數(shù)表達式為：

對上述公式進行變化，得到：

選擇滿載之后的沉降數(shù)據(jù)，繪制t/（S——S）——t散點圖，將散點進行直線擬合，擬合直線的斜率即為β，直線t/（S——S）軸的截距即為α。當t趨于無窮大時，得到最終沉降量S：

1.3 Asaoka（淺崗法）

Asaoka（淺崗法）是以一維垂直固結(jié)方程為理論基礎(chǔ)，利用地基沉降某一時間段的實測數(shù)據(jù)對地基最終沉降量進行預測。Asaoka采用Mikasa提出的一維固結(jié)方程代替太沙基一維固結(jié)方程：

表1 石化產(chǎn)業(yè)用地主要土層沉降計算土工參數(shù)表

將式（5）近似用一個級數(shù)形式的普通微分方程表示：

式中S 為總固結(jié)沉降量；a，a，.....，a為固結(jié)系數(shù)；b為土層邊界條件的常數(shù)；取t=i?t（i=1，2，3...且?t為常數(shù)）；s=s（t），將式（6）轉(zhuǎn)化為差分形式，有：

取式（7）的一階差分形式為：

假設(shè)軟土地基的初始沉降量、最終沉降量分別為S、S，令t=t，則當t→∞時，有S（t）=S（t）=S,將其帶入式（8），可知：

2.工程概況

湛江市東海島石化產(chǎn)業(yè)園區(qū)某地基處理工程場地原始地貌為沿海灘涂和魚塘，現(xiàn)狀部分場地經(jīng)吹填土形成陸域，部分場地仍保持原狀地貌魚塘和海域，場地存在較厚的吹填土（淤泥）層、淤泥（夾砂）和淤泥質(zhì)粘土層，淤泥及淤泥質(zhì)黏土等軟土層厚度為8～14m。本項目采用堆載預壓排水固結(jié)法進行加固處理，豎向排水體為新型整體式塑料排水板，排水板間距為0.9m，正方形布置，插設(shè)深度為10～16.5m，預壓荷載為40kPa，場地在預壓荷載作用下工后殘余沉降量不大于150mm。

沉降監(jiān)測是軟基處理工程的重要組成部分，通過監(jiān)測可以解決施工期填筑安全的控制、工后沉降的推算、處理效果的評價、工程量核實等問題。本項目沉降盤設(shè)置于砂墊層頂面，按1萬平米布置一個，正方形布置，布置間距為100m×100m。場地回填施工期，沉降觀測頻率1次/1天；滿載預壓沉降穩(wěn)定期，根據(jù)變形發(fā)展的穩(wěn)定情況，調(diào)整為1次/2天。

3.監(jiān)測成果與分析

選取堆載預壓區(qū)中5個具有代表性的沉降盤進行分析，繪制沉降量和沉降速率隨時間變化的曲線如圖1、圖2所示。分析表明，監(jiān)測所得最大沉降量為1151.9mm，最小沉降量為757.7mm。圖2表明，恒載期前60天沉降速率變化較大，恒載后期沉降速率逐漸減小且沉降曲線趨于平緩，故最終沉降量趨于收斂。恒載120天后沉降速率均小于1.5mm/d，表明采用新型整體式塑料排水板聯(lián)合堆載預壓排水固結(jié)法地基處理效果良好。

圖1 沉降量與時間關(guān)系曲線圖

圖2 沉降速率與時間關(guān)系曲線圖

4.工后沉降量預測

本文選取的堆載預壓沉降觀測區(qū)的回填料為開山土，回填厚度為3.5～4.5m，預壓土厚度為2.5m（40k Pa）。根據(jù)實測沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別采用三點法、雙曲線法和Asaoka法推算每個沉降觀測點的最終沉降量和工后殘余沉降量。

4.1 三點法

選取每個沉降觀測點在恒載期間的沉降數(shù)據(jù)進行擬合分析計算，根據(jù)選取的不同時間間隔（△t=40d、50d和60d）的實測沉降值采用公式（1）推算各個沉降監(jiān)測點的最終沉降量和工后殘余沉降量。三點法模型簡單，但是樣本數(shù)據(jù)的選取對推算結(jié)果有很大的影響。由表2可知，隨著△t的增大，工后殘余沉降量逐漸減小，推算結(jié)果逐漸趨于實際值。如△t=40和△t=50的計算結(jié)果相差較大，工后殘余沉降量最大變化率為77.3%，而△t=50和△t=60的工后殘余沉降量最大變化率為35.2%，隨著恒載時間的增加，沉降曲線趨于收斂，時間間隔越大，三點法的推算結(jié)果越可靠。

表2 三點法工后沉降預測表

圖4 不同時間間隔的觀測點的St-1—St散點及擬合直線圖

4.2 雙曲線法

繪制t/（s-s）-t散點圖，如圖3所示。由圖可知，5 組沉降盤滿載后的沉降觀測數(shù)據(jù)分布規(guī)律較好，擬合直線的相關(guān)性很高，R分別為0.9864、0.9708、0.9651、0.9847和0.9795。在恒載期前40天，散點的波動性大，主要是恒載初期軟土層超靜孔隙水壓力消散較快，土層沉降速率較大且不穩(wěn)定，即（s-s）隨著沉降速率波動大，導致t/（s-s）-t散點的離散性較大。隨著孔壓逐漸消散，沉降速率變小，沉降曲線收斂，散點波動性變小且趨向擬合直線，擬合直線的相關(guān)性系數(shù)越高。表明雙曲線法預測時間起點對預測結(jié)果影響不大，但是應盡量選取沉降收斂期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這樣擬合曲線才能有效反映地基沉降規(guī)律。相比于三點法和Asaoka法，雙曲線法推算結(jié)果一般偏大，其推算結(jié)果如表3所示。

表3 雙曲線法工后沉降預測表

圖3 沉降量與時間關(guān)系曲線圖

4.3 Asaoka法

恒載觀測時間為120～128天，分別選取時間間隔△t為2d、8d、16d和20d進行擬合計算分析。以S為橫坐標，S為縱坐標，繪制恒載期間的沉降觀測點并對散點進行線性擬合，擬合直線與45°線（y=x）交點所對應的沉降量為最終沉降量S，預測結(jié)果見表4。實測沉降曲線與擬合直線的相關(guān)性很高，擬合直線的相關(guān)系數(shù)R2在0.9702～0.9989之間，選取擬合直線相關(guān)系數(shù)最高的預測值作為最終沉降量，則C32～C35和C37的工后殘余沉降量分別為105mm、62mm、49mm、6mm和35mm。

表4 Asaoka法工后沉降預測表

5.結(jié)論

（1）三點法模型簡單，但是樣本數(shù)據(jù)的選取對推算結(jié)果有很大影響。恒載時間越長，樣本數(shù)據(jù)越多，可選取的時間跨度就越大，推算結(jié)果越可靠。

（2）軟土地基恒載初期沉降速率變化較大，沉降不穩(wěn)定，雙曲線法擬合散點離散性較大。隨著沉降曲線的收斂，恒載沉降穩(wěn)定期的樣本數(shù)據(jù)越多，恒載初期的離散點對預測結(jié)果的影響就越小。雙曲線法應盡量選取沉降收斂期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這樣擬合曲線才能有效反映地基沉降規(guī)律。

（3）Asaoka法只需要一定數(shù)量的沉降觀測數(shù)據(jù)，就能夠得到與三點法和雙曲線法基本相同的結(jié)果，具有簡單、實用的特點。從工程實際角度出發(fā)，Asaoka法更加適用于大型軟基處理工程工后沉降預測分析。

（4）本項目工后殘余沉降量均小于150mm，滿足沉降設(shè)計要求。