淤泥土場(chǎng)地沉降處理方法研究

羅偉偉

（江蘇省新能源開(kāi)發(fā)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 工程概述

深厚淤泥土場(chǎng)地沉降是工程設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)問(wèn)題，重點(diǎn)是采用何種方案處理場(chǎng)地以及如何模擬預(yù)測(cè)場(chǎng)地沉降過(guò)程[1-2]。以某淤泥土場(chǎng)地為研究對(duì)象，淤泥土層厚度約20m，場(chǎng)地上部回填土層設(shè)計(jì)高度為5.7m，場(chǎng)地概況如圖1 所示。目前，場(chǎng)地已回填35 個(gè)月，回填高度為4.9m，回填歷史過(guò)程曲線如圖2 所示。場(chǎng)地巖土參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地各土層材料參數(shù)

圖1 場(chǎng)地概況示意圖

圖2 場(chǎng)地回填過(guò)程曲線

2 場(chǎng)地沉降計(jì)算原理

2.1 沉降計(jì)算原理

在荷載作用下，隨著時(shí)間的推移，淤泥土層中孔隙水逐漸排出，孔隙體積逐漸變小，這類土層壓實(shí)導(dǎo)致體積變形而導(dǎo)致的豎向沉降稱為主固結(jié)沉降量[1]，如公式（1）所示。

式中：n為場(chǎng)地沉降計(jì)算分層的層數(shù)；eoi為第i層中點(diǎn)土自重應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的孔隙比，由室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)e～p曲線查得；eli為第i層中點(diǎn)土自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和所對(duì)應(yīng)的孔隙比，由室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)e～p曲線查得；Δhi為第i層土層厚度。

考慮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，場(chǎng)地的最終沉降量如公式（2）所示。

式中：S為場(chǎng)地最終沉降量；m為沉降修正系數(shù)，與地基條件、荷載強(qiáng)度和加荷速率等因素有關(guān)，一般為1.1～1.7。

場(chǎng)地任意時(shí)刻t的沉降如公式（3）所示[3]。

式中：（Si）t為第i層土在任意時(shí)刻t的場(chǎng)地沉降；（Ui）t為第i層土在任意時(shí)刻t的固結(jié)度；（Si）c為第i層土的最終沉降量。

第i層土在任意時(shí)刻t的固結(jié)度（Ui）t可通過(guò)微分方程計(jì)算，如公式（4）所示。

式中：u為土層中某點(diǎn)的超靜水壓力；Z為該點(diǎn)到天然地面的高度；cv為該點(diǎn)所在土層的垂直固結(jié)系數(shù)。

上述微分方程的邊界條件如公式（5）所示。

根據(jù)該微分方程，可計(jì)算第i層土在任意時(shí)刻t的固結(jié)度（Ui）t，如公式（6）所示。

式中：（Ui）0為第i層土原始的超靜水壓力；（Ui）t第i層土在任意時(shí)刻t的超靜水壓力。

2.2 模擬場(chǎng)地沉降過(guò)程

根據(jù)沉降計(jì)算原理和場(chǎng)地的回填過(guò)程，模擬沉降過(guò)程，場(chǎng)地沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值1.1，在回彈過(guò)程中場(chǎng)地的沉降—時(shí)間曲線如圖3 所示。可以看出，前5 個(gè)月和24～29 個(gè)月的沉降過(guò)程較快，與圖2 中土方回填過(guò)程相對(duì)應(yīng)，場(chǎng)地前35 個(gè)月的總沉降量約0.99m，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，場(chǎng)地最終總沉降量約2.7m。

圖3 場(chǎng)地回填過(guò)程中沉降—時(shí)間曲線

前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，根據(jù)施工記錄，在場(chǎng)地回填過(guò)程中，6～22 個(gè)月的實(shí)際沉降量為0.35m，30～35 個(gè)月的實(shí)際沉降量為0.13m，35～36 個(gè)月的實(shí)際沉降量為0.019m；根據(jù)沉降計(jì)算曲線，6～22 個(gè)月的計(jì)算沉降量為0.29m，30～35 個(gè)月的計(jì)算沉降量為0.09m，35～36 個(gè)月的計(jì)算沉降量為0.012m。對(duì)比監(jiān)測(cè)和計(jì)算沉降量數(shù)據(jù)，二者結(jié)果比較接近，因此可按該方式計(jì)算場(chǎng)地沉降。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果場(chǎng)地不進(jìn)行處理，后期場(chǎng)地沉降—時(shí)間曲線如圖4 所示。當(dāng)沉降滿足固結(jié)度要求時(shí)，需要時(shí)間約500 個(gè)月，時(shí)長(zhǎng)超過(guò)工期要求，為保障工程需要和后期建筑物的安全，須對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理，從而消除沉降對(duì)建筑物的不良影響。

圖4 場(chǎng)地不處理沉降—時(shí)間曲線

3 場(chǎng)地處理方案和沉降分析方法

3.1 場(chǎng)地處理方案

該工程的場(chǎng)地情況存在以下難點(diǎn)：1）原始地面上無(wú)水平排水層且場(chǎng)地四周搭建一圈石墻，土體的水平排水通道被阻斷，導(dǎo)致淤泥土中的孔隙水只能從場(chǎng)地頂部排出。2）目前，場(chǎng)地標(biāo)高比原始地面高出約3.5m，原狀土層頂部無(wú)法鋪設(shè)水平排水層，場(chǎng)地頂部的填土高3.5m，即使打排水豎井，土體中孔隙水也很難從場(chǎng)地頂部排出。3） 場(chǎng)地?zé)o堆載預(yù)壓的條件。如果在現(xiàn)有場(chǎng)地標(biāo)高的基礎(chǔ)上進(jìn)行堆載，向外擴(kuò)散的堆載壓力和推力可能導(dǎo)致石墻破裂。

基于上述不利因素，為降低工程費(fèi)用，減少工期，根據(jù)堆載預(yù)壓原理，將已有回填土作為堆載土方，設(shè)置振沖碎石樁穿透淤泥層，建立排水通道，并設(shè)置豎井將水排出，達(dá)到堆載預(yù)壓方式的目的。場(chǎng)地排水處理方案如圖5 所示。振沖碎石樁由3 號(hào)砂土層底至8 號(hào)土層，樁長(zhǎng)21m，直徑800mm，中心間距2.5m；利用砂土的排水特性，回填土頂至3 號(hào)土層，設(shè)置排水豎井收集碎石樁排水通道排出的水，排水豎井長(zhǎng)約10m，中心間距7.5m，豎井中水可通過(guò)排水泵抽至場(chǎng)外溝道。

圖5 場(chǎng)地排水處理方案示意圖

3.2 場(chǎng)地處理沉降分析方法

處理場(chǎng)地沉降后，設(shè)計(jì)難點(diǎn)是定量控制場(chǎng)地沉降過(guò)程和排水時(shí)長(zhǎng)。由于場(chǎng)地先在沒(méi)有建立排水通道的情況下堆載了35 個(gè)月，再建立排水通道進(jìn)行排水沉降，因此場(chǎng)地沉降計(jì)算過(guò)程需要考慮無(wú)排水和有排水通道兩個(gè)階段。

根據(jù)場(chǎng)地沉降計(jì)算原理，不能同時(shí)考慮2 個(gè)不同階段，需要單獨(dú)計(jì)算排水或不排水情況下的堆載沉降過(guò)程。因此，該排水方案實(shí)現(xiàn)定量控制的關(guān)鍵是在場(chǎng)地排水處理后的沉降計(jì)算結(jié)果中，排除場(chǎng)地不排水沉降過(guò)程的影響部分，從而得到不排水沉降一段時(shí)間后再進(jìn)行排水處理的后續(xù)沉降過(guò)程。

該文采用固結(jié)度等效的方法，通過(guò)并行計(jì)算的方式，同時(shí)計(jì)算場(chǎng)地不排水和排水沉降2 種情況，再根據(jù)場(chǎng)地前期不排水沉降結(jié)果，在排水沉降的計(jì)算過(guò)程中，減去與不排水的沉降量相同的時(shí)間，后續(xù)的沉降過(guò)程就是排水處理后的實(shí)際沉降過(guò)程曲線。處理流程如下：1）按不處理的情況，根據(jù)場(chǎng)地回填過(guò)程，計(jì)算場(chǎng)地回填至4.90m 時(shí)的沉降量S4.9。2）按排水處理情況，1 天完成堆載1.20m～4.90m，2 個(gè)月完成4.90m～5.70m，計(jì)算場(chǎng)地的最終沉降量為SZ，計(jì)算滿足固結(jié)度0.9 的沉降量S5.7。3）按排水處理情況，計(jì)算沉降量達(dá)到S4.9時(shí)所需時(shí)間T1。4）按排水處理情況，計(jì)算沉降量達(dá)到S5.7時(shí)所需時(shí)間T2。5）當(dāng)計(jì)算固結(jié)度滿足要求時(shí)，場(chǎng)地在5.70m 時(shí)，須堆載時(shí)長(zhǎng)為T=T2-T1。

根據(jù)上述原理和計(jì)算流程，計(jì)算不排水情況。根據(jù)場(chǎng)地回填過(guò)程，計(jì)算場(chǎng)地回填至5.70m 時(shí)的沉降曲線，如圖6 所示，當(dāng)場(chǎng)地回填至4.90m 時(shí)，回填時(shí)長(zhǎng)35個(gè)月，得出對(duì)應(yīng)的沉降量為0.99m。按排水處理情況進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)1 天完成堆載1.20m～4.90m，2個(gè)月完成堆載4.90m～5.70m，那么計(jì)算場(chǎng)地回填至5.70m 時(shí)的沉降曲線如圖7 所示，當(dāng)場(chǎng)地回填至5.70m 時(shí)，最終沉降量為2.74m，滿足固結(jié)度90%的沉降量至少為2.46m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降時(shí)長(zhǎng)為4.5 個(gè)月；根據(jù)不排水情況計(jì)算結(jié)果，當(dāng)排水情況沉降量為0.99m 時(shí)，對(duì)應(yīng)的沉降時(shí)長(zhǎng)為1個(gè)月，排水處理后所需實(shí)際時(shí)長(zhǎng)為4.5 個(gè)月-1 個(gè)月=3.5 個(gè)月。根據(jù)2 種工況計(jì)算，設(shè)計(jì)采用直徑800mm、中心間距2.5m 的振沖碎石樁，場(chǎng)地回填至5.70m。當(dāng)固結(jié)度滿足90%要求時(shí)，需要堆載的時(shí)長(zhǎng)為3.5 個(gè)月，處理后的沉降—時(shí)間過(guò)程曲線如圖7 所示。

圖6 場(chǎng)地不處理的沉降—時(shí)間曲線

圖7 場(chǎng)地排水處理的沉降—時(shí)間曲線

4 結(jié)論

該文對(duì)某淤泥土場(chǎng)地沉降問(wèn)題進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了場(chǎng)地沉降過(guò)程、處理方案以及沉降預(yù)測(cè)，得出結(jié)論：1）根據(jù)場(chǎng)地回填過(guò)程，可采用固結(jié)沉降理論設(shè)計(jì)并模擬場(chǎng)地沉降過(guò)程，從而根據(jù)工期判斷場(chǎng)地是否需要進(jìn)行處理。2）對(duì)已進(jìn)行回填土的工程場(chǎng)地，該文結(jié)合場(chǎng)地特性，提出將已有回填土作為堆載，建立排水通道，采用排水固結(jié)的施工方案。3）排水處理后場(chǎng)地沉降分析要考慮不排水處理沉降過(guò)程的影響，對(duì)此該文提出了合理的分析方法和分析流程，并預(yù)測(cè)了完成沉降所需的工期。