軟弱地基上滿堂式支架施工與地基沉降量預(yù)估方法探索現(xiàn)狀

郗磊

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

地基，通常是指在基礎(chǔ)以下承受源自上部結(jié)構(gòu)物荷載的部分。因此，地基在有效保障構(gòu)筑物的安全使用等方面起著至關(guān)重要的作用。理想的地基應(yīng)該具有足夠的承重能力，足夠的抗剪、抗拉強度等，但實質(zhì)上，組成地基的巖土卻是一種非均質(zhì)的各向異性且具有流變特性的復(fù)雜介質(zhì)[1]。所以當(dāng)?shù)鼗潦艿缴喜拷Y(jié)構(gòu)物傳遞而來的荷載時，其將無可避免地產(chǎn)生一定的形變，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)物隨之發(fā)生不均勻沉降甚至是發(fā)生傾斜。并且地基在發(fā)生沉降的過程中所涉及到的力學(xué)知識極其復(fù)雜，地基沉降還是一個動態(tài)的過程而并非是一成不變的。同時由于國家發(fā)展需要，現(xiàn)有工程通常涉及到在軟土地基上架設(shè)滿堂支架進(jìn)行橋梁施工?？紤]到地基沉降過程的復(fù)雜性與地基沉降可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，以及架設(shè)滿堂支架進(jìn)行橋梁施工過程中的安全性與穩(wěn)定性問題，地基在施工乃至后期使用過程中的沉降問題是不容忽視的[2]。

而軟體地基相較于普通地基而言更容易發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而發(fā)生安全事故的概率也會有所增長，在滿堂支架所加荷載作用下則更容易出現(xiàn)失穩(wěn)等安全性問題。為了較好地避免軟土地基發(fā)生不均勻沉降而導(dǎo)致滿堂支架被破壞繼而發(fā)生安全事故，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟損失，有關(guān)研究者們提出了各種預(yù)測軟土地基沉降量的方法，以預(yù)先發(fā)現(xiàn)軟土地基因不均勻沉降所招致的災(zāi)害。

長期以來，大量專家學(xué)者都致力于研究軟土地基上滿堂支架的穩(wěn)定性問題和軟土地基沉降問題，在大家的共同努力之下也取得了諸多研究成果。本文將依托實際工程，結(jié)合學(xué)者們所做的研究對目前常用的一些軟土地基滿堂支架施工方法和軟土地基沉降預(yù)測方法進(jìn)行展開介紹。

1 工程概況

在建的石阡到玉屏的高速公路某標(biāo)段，起訖樁號K40+700—K46+250，主線全長5.55 km，青陽互通采用單喇叭A 型互通，互通范圍主線長1 380 m，匝道A、B、C、D、L，共5 道，總長1 755.6 m，L 匝道下穿主線，LK0+585 設(shè)置3 入5 出匝道收費站。連接線共17 km，連接岑鞏縣客樓鄉(xiāng)與青陽互通。全線共有橋梁16 座；何家坡大橋右線第四聯(lián)（3×20 m）、榔樹溝大橋右幅第六聯(lián)（3×20 m）、A 匝道橋（4×20 m）、B匝道橋（8×20 m）、C 匝道橋（12×20 m）、D 匝道橋（9×20 m）、L1 匝道橋（3×20 m）為20 m 普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。該標(biāo)段的其中一部分便需要在軟土地基段進(jìn)行滿堂支架現(xiàn)澆混凝土梁施工，因此軟土地基的沉降問題也是本項目亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

2 軟土地基滿堂支架施工方法

朱文通等[3]依托汕頭至揭陽高速公路某段的5 座現(xiàn)澆連續(xù)箱梁展開了研究，該橋位于榕江沖積平原，屬于軟土地基，承載力較差，故其根據(jù)現(xiàn)場情況，結(jié)合施工經(jīng)驗提出地表硬化的地基加固處理方法，待其承載力滿足施工要求之后再搭設(shè)支架進(jìn)行后續(xù)施工，結(jié)果表明該方法能有效降低施工成本、縮短工期、提高安全性，具有較高實用價值。孫東[4]依托揭普高速赤崗跨線橋進(jìn)行了研究，該橋位穿越水田，地質(zhì)條件較差，大部分為軟土地基，因此其在搭設(shè)滿堂支架之前采取了排水固接、填土施工、鋪設(shè)水泥穩(wěn)定層等措施進(jìn)行地基加固，待承載力滿足要求后再進(jìn)行滿堂支架搭設(shè)工作，并用人工堆碼砂包進(jìn)行預(yù)壓，以確保滿堂支架具有足夠的安全性與穩(wěn)定性，并提出地基加固施工時應(yīng)嚴(yán)禁破壞地表板殼、嚴(yán)禁擾動原狀土、填土密實度務(wù)必達(dá)到90%以上、應(yīng)采用透水性較好的砂性土或粗砂回填并以分層夯實為宜。

3 軟土地基沉降預(yù)測方法

考慮到軟土地基的沉降會受到時間、地基承載能力參數(shù)、地基處理方法、填料性質(zhì)以及施工時間等多種因素的影響和制約[5]，因此僅用一個數(shù)學(xué)顯式來表述軟土地基沉降的自然變化規(guī)律具有較大難度[6]。因此，尹利華等[7]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提出了考慮多因素影響的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法不同于建立傳統(tǒng)的函數(shù)因變量與自變量之間的關(guān)系，其是將傳統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)而形成維度更高的非次線性映射問題，并以此來取代數(shù)學(xué)顯式，使得多因素影響下的軟土地基所表現(xiàn)的沉降規(guī)律得以展現(xiàn)。此外，該方法用于處理非線性問題時具有其獨一無二的長處。該預(yù)測模型的建立過程主要包括輸入及輸出參量的選取、模型構(gòu)造的選定、對模型進(jìn)行訓(xùn)練與檢驗等。經(jīng)研究檢驗發(fā)現(xiàn)，該模型的輸入?yún)⒘考劝ㄓ绊懙鼗两档墓惨蛩?，即剖面的形樁與態(tài)勢、工程性質(zhì)、施工時長等，又將施工方式、置換率乃至加載方式等因素對沉降量的影響考慮了進(jìn)去，并且其訓(xùn)練參數(shù)選取自不同的點位，因此該模型的適用范圍廣泛，可用于絕大多數(shù)情況下的沉降量預(yù)測。

有學(xué)者則提出理論方法計算所得數(shù)據(jù)與實際情況之間存在較大差別，有限元及有限差分等數(shù)值模擬方法則存在考慮因素不全面、不易快速掌握以及參數(shù)確定具有較大難度等不足，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和灰色理論法又不具有推理過程與推理依據(jù)，缺乏理論基礎(chǔ)；通過實測沉降數(shù)據(jù)并進(jìn)行曲線擬合反倒具有較高的真實可靠性[8]?？紤]到曲線擬合法具有使用便捷、預(yù)測精度高等特點，而常用的擬合曲線有雙曲線法、對數(shù)曲線法以及指數(shù)曲線法等，吳王剛等[9]則采用上述3 種擬合曲線方法對原始沉降量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，并在分析比較各種方法預(yù)測結(jié)果與各影響因素的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)雙曲線法。研究發(fā)現(xiàn)，使用雙曲線法進(jìn)行預(yù)估時存在初期預(yù)測量略大、末期則較小的問題，同時后期沉降量預(yù)測值的偏差還受到監(jiān)測點原位置處軟土厚度數(shù)值的影響，二者近似呈正線性關(guān)系，即監(jiān)測點原位置處軟土厚度越大，末期沉降量預(yù)估的數(shù)值與實際值之間的差值便越大。在此基礎(chǔ)上，考慮監(jiān)測時間序列與軟土厚度2 個因素，對原有的雙曲線擬合法進(jìn)行改良，即在原有模型加入冪函數(shù)u，并通過不同的軟弱地基厚度與不同的時間序列對u進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致預(yù)測值也隨之發(fā)生變化。對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的方法誤差更小、精度更佳，更能達(dá)到現(xiàn)實施工過程中的沉降量預(yù)估精確度的標(biāo)準(zhǔn)。

盧飛強[10]指出，在實際工程中影響地基沉降的因素主要分為自然與人為兩大類。自然因素主要是指土的可壓縮性、軟弱地基土的滲透性以及地下水的分布等，人為因素則是指外荷載的施加方式、荷載加上去的速率以及地基處理方式等。在眾多影響因素中，對地基沉降量影響最大的便是外加荷載，但外加荷載與沉降量之間的關(guān)系是極其復(fù)雜的。而這種復(fù)雜的關(guān)系也嚴(yán)重制約著地基沉降量計算的準(zhǔn)確性，因此便有學(xué)者提出了利用時間序列分析法進(jìn)行地基沉降量的預(yù)測。時間序列分析法是根據(jù)既有監(jiān)測數(shù)據(jù)所建立的一個最優(yōu)模型，其不用考慮外加荷載與沉降量之間到底是什么關(guān)系，因此很大程度上使軟土地基的沉降量預(yù)測問題得到了簡化。軟弱土地基的沉降大致可以劃分為瞬時發(fā)生階段、主固結(jié)階段與次固結(jié)階段等3 個階段，并且地基沉降的3 個階段均是在受到外加荷載時同步發(fā)生的，只是在某些特定階段是以某種沉降方式為主導(dǎo)，而且3 個階段所產(chǎn)生的沉降量與主導(dǎo)沉降的時間會根據(jù)土體性質(zhì)以及土體內(nèi)部的受力情況發(fā)生變化。

牛欣欣[11]指出，在進(jìn)行地基沉降量預(yù)測時通常會因為理論層面或經(jīng)驗措施自身的不足、干擾因素的復(fù)雜性以及巖土材料自身性質(zhì)的隨機性而導(dǎo)致預(yù)測值與實際值之間存在較大偏差。而目前常用的灰色預(yù)測模型、線性回歸模型以及變權(quán)組合模型等又會因為模型缺乏明確物理意義或是公式復(fù)雜參數(shù)雜糅等而導(dǎo)致求解困難。于是便在研究GM（2，1）模型與Asaoka 公式之間關(guān)系的基礎(chǔ)上采用數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行優(yōu)化分析，并提出了基于模式搜索算法的參數(shù)優(yōu)化方法。研究發(fā)現(xiàn)，GM（2，1）模型與Asaoka 法在一定程度上具有高度相似性，這就很好地解決了軟土地基沉降量預(yù)估模型無法給出明確物理含義的窘境，并將該模型與實際工程中的參數(shù)結(jié)合進(jìn)行對比分析，結(jié)果為GM（2，1）模型的預(yù)估結(jié)果明顯優(yōu)于雙曲線法和Asaoka法的預(yù)估結(jié)論，同時通過與其他預(yù)估方法的結(jié)果對比和分析，體現(xiàn)了該模型適用范圍的普遍性。

黃仁東等[12]指出，在諸多地基沉降預(yù)測方法中，回歸分析法是靜態(tài)數(shù)據(jù)模型，而地基沉降是隨時間序列變化的動態(tài)過程，因此該方式不能較好地體現(xiàn)地基受力與時間變化關(guān)系之間的動態(tài)效果；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法則需要足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為樣本給予支撐，以確保預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，但現(xiàn)實工程中可提供的數(shù)據(jù)樣本往往是十分有限的，因此必然會在一定程度上對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生不良影響；而灰色預(yù)測模型則要求用于進(jìn)行估算的數(shù)據(jù)具有較強的趨勢性。根據(jù)上述方法的不足之處，于是提出了基于自記憶原理的軟弱地基沉降量預(yù)估模型。該模型的原理是一種解決非線性系統(tǒng)的統(tǒng)計-動力方法，其始于系統(tǒng)動力模式，引入記憶函數(shù)，將歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)與動力計算方法結(jié)合起來，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)估軟弱土地基沉降量的目標(biāo)。將該方法的預(yù)測結(jié)果與傳統(tǒng)預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果分析對比得知，該方法預(yù)測結(jié)果的誤差得到了很好的控制，從而保證了其預(yù)測精度，在實際工程中擁有良好的適用性。但是該方法主要通過試算確定，這將是無法避免的弊端。

劉先林等[13]依托廣西貴港至合浦高速公路項目中的花崗巖軟土地基段就花崗巖軟土地基沉降量預(yù)測方法和承載能力展開了研究。針對花崗巖殘積土抗剪強度以及沉降計算模型精度欠佳等不足，其根據(jù)土體參數(shù)的空間隨機變異性特征并結(jié)合蒙特卡洛隨機理論進(jìn)行了研究分析，解決了沉降與地基承載力計算中的變異性及不確定性問題并采用上下限法進(jìn)行隨機場下的沉降及極限承載力分析。傳統(tǒng)方法中僅考慮了土體的隨機性，而并未重視土體的結(jié)構(gòu)性特點?；诖耍瑸榭紤]土體結(jié)構(gòu)性等特點，并提出適用性強的趨勢函數(shù)，以達(dá)到對土體參數(shù)隨機場模型進(jìn)行去趨勢化處理的目的，其基于隨機場理論在實際工程中的應(yīng)用展開了分析與討論。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，軟土參數(shù)E、c、φ服從對數(shù)正態(tài)分布，預(yù)測地基沉降時考慮地基土的空間變異性可以更準(zhǔn)確地得到地基沉降區(qū)間；花崗巖殘積土參數(shù)Su服從對數(shù)正態(tài)分布，僅取該參數(shù)的平均值則將高估地基承載力，因此進(jìn)行地基承載力評價時應(yīng)當(dāng)考慮地基土參數(shù)的空間變異性。

4 結(jié)論

綜上所述，軟土地基上的滿堂支架施工以及軟土地基的沉降量預(yù)測問題之所以一直在工程界都是“待解之題”，是因為現(xiàn)有的各種施工及預(yù)測方法都還具有其不容忽視的弊端。雖然有關(guān)學(xué)者通過自己的研究都取得了一些進(jìn)步與成果，但就目前而言尚未得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的施工及預(yù)測方法，因此軟弱土地基的滿堂支架施工與地基沉降量預(yù)測問題方面的研究仍然是非常重要的。