砂區(qū)軟土地帶特性分析與勘察技術(shù)實現(xiàn)及粘彈性系數(shù)優(yōu)化

諶遜龍,陳 震,戴忠陽,陳云欽,劉建寧

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

建設(shè)工程過程中常常會遭遇軟土型地基,這種地基對工程的正常施工帶來一定的負(fù)面影響,需要對其進行科學(xué)的勘察,在獲得豐富的勘察信息之后,就能為工程施工質(zhì)量、進度提供重要保障。在對這類地基進行勘察之際,需要提升管理工作的科學(xué)、有效性,這樣可以保障勘察信息具有較高的精準(zhǔn)性和可靠性,最大限度降低這類地基的負(fù)面影響,更好保障工程有效實施。不過在具體實踐環(huán)節(jié),這類勘察管理工作水平還處于低位?？辈炱髽I(yè)需要對自身的局限性進行發(fā)掘,并給予針對性優(yōu)化,積極引入先進技術(shù),同時還需要提升管理水平,從而真正的實現(xiàn)高水平的勘察,為后續(xù)的施工提供重要支持。在本次研究中,以某預(yù)壓地基處理工程為案例,將現(xiàn)場測試、數(shù)值計算進行結(jié)合,立足于粘彈性理論對地基工程領(lǐng)域的孔隙水壓力、基礎(chǔ)沉降等時間關(guān)聯(lián)性加以深入剖析。首先剖析了這類地基的特點,然后基于這類地基的巖土工程詳細(xì)分析與總結(jié)勘察信息,接著對軟土帶巖土勘察粘彈性,從而為行業(yè)專業(yè)人員,或者專業(yè)公司提供一定的借鑒。

1 軟土地基特性分析

1.1 觸變性

觸變性為軟土地基頗具顯著性的特點,之所以存在著此特點,其核心因素就是在外力影響之下,尤其是在施工環(huán)節(jié),容易受到振動、擠壓等作用力影響,使得軟土地基在遭受相關(guān)力的影響下,會使得有關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了損壞與變形,進而導(dǎo)致軟土層產(chǎn)生整體滑坡、沉降等問題,這必然會影響到軟土層穩(wěn)定性。由于軟土地基在結(jié)構(gòu)上缺乏足夠穩(wěn)定性,為此,在土壤結(jié)構(gòu)遭受一定破壞之后,就會使得土層承載力明顯的減小,強度也會顯著下降,乃至徹底喪失[1]。這類地基為高、極靈敏性圖,倘若軟土地基產(chǎn)生了振動,就可能產(chǎn)生滑動或者擠出。

1.2 流變性

軟土地基還存在著土地結(jié)構(gòu)疏松特點,其土壤密度也相對較低,而且存在著豐富的水分。由于這類特點的問題,會讓軟土在水分結(jié)構(gòu)的改變下而出現(xiàn)顯著變化。通過外力作用,讓這類地基會產(chǎn)生水分,并呈現(xiàn)出或集中、或分散特點。正是這種變化,使得地基產(chǎn)生了相應(yīng)的剪切力,導(dǎo)致軟土地基產(chǎn)生相應(yīng)的剪切變形問題。雖然在某些情形下,這種變形的表現(xiàn)并不是十分顯著,然而由于連續(xù)作用時間較長,很難對其是否有效承載進行確認(rèn),甚至?xí)a(chǎn)生孔隙水壓力,這必然會對地基承載力帶來頗為顯著的負(fù)面影響[2]。

1.3 高壓縮性

相較于其他土層,軟土地基結(jié)構(gòu)存在著富水、松散特征,若是受到了外力作用,就容易使得土層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著改變,進而降低其穩(wěn)定性,倘若不能對其進行防護,就會在作用力影響下,使得軟土層受到壓縮變形,進而使得地基上方建筑體產(chǎn)生顯著沉降問題,進而顯著影響到建筑工程的穩(wěn)定與安全性[3]。在液限的增長下,軟土壓縮性就會顯著提升,為此,軟土亦為典型的高壓縮土。通常,該壓縮系數(shù)最低為0.5 Mpa-1,最高可達到1.5 Mpa-1;若是軟土壓縮性較高,則為4.5 Mpa-1,該指數(shù)最低為0.35,最高則是0.75。正是如此,處于該地基之上的建筑工程,就容易產(chǎn)生嚴(yán)重的沉降事故[4-6]。

1.4 低強度

通常,建筑體對地基的要求相對較高,尤其是要求地基需要具有較高穩(wěn)定性,而且地基還需要具有較高的承載力,使得建筑體具有較高的穩(wěn)定與安全性。然而,地基存在著頗多水分,通常很難對其全面排出,而且也沒有高效方法提升這種地基的抗剪能力,為此,就容易使得地基強度產(chǎn)生持續(xù)降低,該地基的承載力與穩(wěn)定性都較難滿足工程需求[7]。倘若在此地基上進行施工,就容易產(chǎn)生塌方、邊坡移位等問題,其安全風(fēng)險較為突出。

1.5 不均勻性

軟土層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出非規(guī)律與復(fù)雜屬性,由于此特點會讓軟土層強度不能均勻性分布。若是建筑施工工程的結(jié)構(gòu)相對較大,那么在此軟土地基影響下,就更容易因為荷載的分布缺乏均勻性,進而使得地基剪切力變得缺乏穩(wěn)定性,使得地基不再具有穩(wěn)定性。簡而言之,因為沉積環(huán)境具有較高的復(fù)雜性,這容易使得軟土層空間分布、物理力學(xué)性質(zhì)容易產(chǎn)生改變,具體呈現(xiàn)出地層缺乏均勻性[8]。在進行作業(yè)施工之際,工程由于結(jié)構(gòu)缺乏均勻性,使得地基承載力受到顯著負(fù)面影響。

2 軟土地基巖土工程勘察技術(shù)結(jié)合

2.1 確定軟土的力學(xué)性質(zhì)

工程建設(shè)設(shè)計、施工需要得到勘察的鼎力支持,作為設(shè)計人員需要對地基巖層的力學(xué)特性的充分了解,為此,對軟土地基進行勘察,就需要科學(xué)判斷其力學(xué)性質(zhì)。該性質(zhì)通常和固結(jié)度具有顯著關(guān)聯(lián)性,軟土固結(jié)度存在差異,就容易出現(xiàn)壓力、性能等領(lǐng)域有所不同。對軟土固結(jié)歷史進行剖析,分析對工程建設(shè)所帶來的積極意義,因此在勘察之際,需要對軟土固結(jié)歷史進行重點勘察,分析與評價軟土的正常、欠、超固結(jié)現(xiàn)象。軟土地基會因地、因?qū)?使得相應(yīng)的性質(zhì)產(chǎn)生一定的改變,很難對其進行預(yù)測[9-11]。在具體勘察之際,可以將原位測試、上下底層、當(dāng)?shù)亟?jīng)驗等方法與鉆探進行科學(xué)結(jié)合,從而對軟土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進行明確。在對軟土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進行明確之際,需要對施工條件進行許可,而且要借助于靜力觸探的方式,對傳統(tǒng)的鉆探進行取代,利用十字板剪切試驗,對軟土的無側(cè)限靈敏度、抗壓強度進行檢測,通過扁鏟測脹試驗登對軟土承載力、壓縮模量等參量進行明確,借助于室內(nèi)試驗對軟土的回彈指數(shù)、固結(jié)壓力、固結(jié)與壓力系數(shù)等進行明確。

2.2 探測土層分布

對建筑體范圍之內(nèi)的軟土分布區(qū)間、成因類型、厚度、埋深、縱向均勻性等因素進行勘察,同時還需要勘察下伏硬土層埋深、地表硬殼層的厚度等進行勘察。對軟土分布均勻性、范圍、厚度等進行勘察,這些都是對軟土地基性能進行全面評價的重要基礎(chǔ),同時也是在處理軟土地基時需要重點考慮的因素。由于山前地帶或者山區(qū)的軟土成層條件有著較高的復(fù)雜性,顯著受到基巖頂板起伏、坡度的控制,土層層理、厚度在垂直、水平分布層面上有著顯著改變,也容易導(dǎo)致地基非均勻性沉降,同時還會影響到地基抗滑穩(wěn)定性。

2.3 判別軟土震陷和地基液化

軟土屬于典型的特殊性土,具有顯著流動性與觸變形,若是抗震烈度為7度,或者超過7度,施工場地軟土倘若分布較厚,就需要對軟土產(chǎn)生震陷的幾率進行估算,同時還需要評估震陷量,這不僅為當(dāng)前勘察標(biāo)準(zhǔn),同時也是軟土地基勘察的關(guān)鍵點。軟土帶來的震陷涉及到較多的要素,例如在振動效應(yīng)下產(chǎn)生的觸變,地震帶來的動剪應(yīng)力、排氣帶來的軟土體積下降,豎向地震力值得地基應(yīng)力顯著上升等[12]。對軟土是不是會導(dǎo)致震陷進行評價,需要結(jié)合軟土厚度、等效剪切波速、上覆非軟土層厚度等進行綜合性明確。軟土分布區(qū)常常涉及到粉土、飽和砂土等,這些土層需要結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其進行液化分析,明確其液化級別與指數(shù)。在使用標(biāo)準(zhǔn)貫入法對其進行液化分析時,可以使用泥漿護壁等技術(shù),對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗現(xiàn)場操作標(biāo)準(zhǔn)進行遵守,確保該試驗的錘擊數(shù)量能夠反應(yīng)出底層的具體情況,確保液化判別具有較高的準(zhǔn)確性。

2.4 地下水

在巖土工程勘察、設(shè)計等環(huán)節(jié),地下水需要引起足夠的關(guān)注,它常常對巖土的工程性狀帶來直接作用。為此,在勘察之際,需要基于施工與設(shè)計要求,為施工、設(shè)計提供豐富的地下水資料,同時還需要對地下水的功能與影響進行科學(xué)評價,對其中可能帶來的后果進行預(yù)測,進而提出可行性的建議與舉措。軟土雖非含水層,然而軟土地帶的地下水位相對較高,這使得軟土力學(xué)與工程性質(zhì)就和地下水產(chǎn)生緊密關(guān)聯(lián)性。倘若大規(guī)模抽取地下水,或者降低地下水位,就容易對軟土應(yīng)力狀態(tài)、壓縮性等產(chǎn)生改變,進而帶來非均勻性沉降,從而導(dǎo)致工程面臨更大的安全風(fēng)險。

2.5 勘察技術(shù)的合理選擇及實踐

在勘察軟土地基之際,需要借助于場地條件、勘察任務(wù)要求等,遴選合適的勘察技術(shù),其中典型的為:靜力觸探、工程地質(zhì)測繪、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等,以下對主要的方法進行簡要概述。

(1)工程地質(zhì)調(diào)查與測繪。該勘察技術(shù)通常應(yīng)用于勘察初步與可行性研究階段。主要是對待勘測地區(qū)、周圍地貌特征、構(gòu)造、氣象水文條件、周邊環(huán)境條件等進行動態(tài)調(diào)研,從而對勘測地區(qū)整體性情況進行宏觀層面的把控;

(2)鉆探技術(shù)。該技術(shù)在巖土工程勘察領(lǐng)域較為常見,主要是借助于專業(yè)工具、鉆機,通過人力作用,向地下鉆孔,從而得到相應(yīng)的地質(zhì)資料。借助于鉆探取芯,對軟土進行直觀性觀察,從而展現(xiàn)其厚度、結(jié)構(gòu)、厚度、狀態(tài)、顏色等性質(zhì);利用鉆探技術(shù)完成取樣,然后借助于室內(nèi)試驗,對軟土的孔隙比、含水率、先期固結(jié)壓力、抗剪強度等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進行觀察。當(dāng)然,還可以借助于鉆探技術(shù)對地下水埋藏條件、水位變化等進行探明。這些直觀技術(shù)可以為軟土工程地質(zhì)性能評價等提供重要的依據(jù)支持;

(3)靜力觸探技術(shù)。該技術(shù)在工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用較廣,特別是在軟土地基領(lǐng)域的應(yīng)用更為契合。這種技術(shù)就是借助于靜探機將標(biāo)準(zhǔn)探頭采用勻速的方式,將其置入到土層之中,從而對探頭的力學(xué)特性、阻力等進行測定。然后利用靜探曲線,同時根據(jù)鄰近的鉆孔地層,就可以將其細(xì)分成底層,而且,借助于該靜探曲線與對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗,就能對軟土壓縮性、密實度、地基承載力等級進行估算;

(4)現(xiàn)場檢測技術(shù)。軟土本身兼具觸變、流變屬性,在室內(nèi)試驗、取樣、運輸土樣制備等環(huán)節(jié),由于涉及到振動、擠壓等問題,容易產(chǎn)生土樣中的水份流失,進而使得室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生失真問題,也就是說,試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場存在著一定差距。為此,在對軟土地基進行勘察之際,還需要進一步運用現(xiàn)場檢測法對軟土物理力學(xué)性質(zhì)進行科學(xué)檢測。常見檢測方法為:靜力觸探、十字板剪切試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等[13]。

3 粘彈性模型以及粘彈性系數(shù)優(yōu)化

3.1 粘彈性模型

流變性態(tài)一般可以用沿海軟土地基長期沉降來表示。如果考慮地基的長期沉降時,則其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由一種粘彈性模型可以用以下公式表示:

式中:ε為應(yīng)變;J(t)為蠕變能量;σ為應(yīng)力。

上式表明:J(t)是時間t的函數(shù),其值的大小與材料的應(yīng)力無關(guān),在應(yīng)力不變的情況下,隨著時間的增長,應(yīng)變也不斷增加,一旦取定時間后,則其變?yōu)槎ㄖ怠?/p>

3.2 粘彈性系數(shù)反演

在粘彈性模型中,彈性模量和粘性系數(shù)與位移的相關(guān)性較強,宜采用位移反分析模型。位移反分析分為正反分析法和逆反分析法兩類,其中正反分析計算是一種優(yōu)化逼近過程,一般通過不斷修正未知數(shù)的試算值逼近求得優(yōu)化解,可利用原有程序計算,適應(yīng)性強[14-16]。本文采用正反分析法,用以約束優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)為:

3.3 工程實例

某道路地處砂區(qū)軟土地帶,自上而下第1層為16 m左右的淤泥質(zhì)粘土、第2層為10 m以上的亞粘土。對原有路基進行加固,填土高度達2.6 m,在道路中央不同深度和道路兩側(cè)設(shè)定反演觀測點。為保證較好反演效果,亞粘土層采用彈性模型,參數(shù)不進行反演分析。加固層和淤泥質(zhì)粘土層,不同觀測時間反演得到的參數(shù)值如表2所示。

表1 不同觀測時間反演所得參數(shù)值Tab.1 Parameter values obtained by inversion of different observation times

由表2可知,在0 146、0 209、0 292、0 361 d這幾個時段觀測信息所反演計算出的參數(shù)值差異明顯,但整體上趨于某一穩(wěn)定值。最后2個時段的參數(shù)值已基本趨于一致,對此采用0 292 d時間段觀測信息反演所得粘彈性模型參數(shù)值代替原始計算參數(shù),再用粘彈性有限元程序預(yù)測軟土地基后期沉降,生成預(yù)測沉降曲線圖。對比發(fā)現(xiàn),地表沉降觀測曲線和反演預(yù)測沉降曲線相當(dāng)吻合,重合度較高,反演預(yù)測沉降經(jīng)過一段時間后趨向穩(wěn)定,最終所得預(yù)測地表沉降在32 cm 左右,2個曲線的發(fā)展趨勢基本一致[19]。為此,認(rèn)為該方法在砂區(qū)軟土地基沉降預(yù)測中的應(yīng)用是可行的、適用的,粘彈性模型反演分析能夠有效反映工程實際。

4 結(jié)語

高速公路橋梁加固施工技術(shù)具有綜合、復(fù)雜性,在分析橋梁問題之際,就需要對其施工可行、可靠性進行充分考慮,而且還需要選用科學(xué)、規(guī)范施工工藝,對有關(guān)方案進行優(yōu)化之際,還需要提升工程的耐久與安全性。在此環(huán)節(jié)還需要保障進度要求,在加固方案之中,通過對原先的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,或者使用創(chuàng)新結(jié)構(gòu),借助于科學(xué)方法加快施工進度,實現(xiàn)成本的有效降低,同時還能滿足加固要求。對飽和軟粘土結(jié)構(gòu)進行深入研究,可以得出團粒內(nèi)部較為細(xì)小的孔隙排水固結(jié)即為次固結(jié),而且開始于主固結(jié)階段。次固結(jié)的演變速度與地基粘彈性參量有著密切關(guān)聯(lián)性,同時和地基處理參量有著關(guān)聯(lián)性[20]。引入次固結(jié)概念,對工后沉降的控制與預(yù)測有著顯著效果。