長期堆載預壓處理軟土地基效果評價

收稿日期：20240118

通信作者：蔡奇鵬（1982），男，教授，博士，博士生導師，主要從事巖土與地下工程的研究。Email：cqp@hqu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（52378342， 52308400）； 福建省科技計劃資助項目（2022Y4015）； 福廈泉國家自主創(chuàng)新示范區(qū)協(xié)同創(chuàng)新平臺項目（3502ZCQXT2022002）； 中建股份科技研發(fā)計劃資助項目（CSCEC2020Z57）

摘要：為評估某園區(qū)10 a長期堆載預壓后，場地后續(xù)沉降對擬建管線的影響，通過室內試驗和現(xiàn)場試驗對堆載預壓處理后的場地進行系統(tǒng)評價，分別采用雙曲線法與有限元法對后續(xù)沉降進行預測。結果表明：場地堆載預壓10 a后各地層物理力學參數(shù)明顯改善，但其中淤泥層性質相對較差，是場地后續(xù)沉降發(fā)生的主要地層；經(jīng)過10 a堆載，場地主固結沉降基本完成，固結度達到95.5％，說明長期堆載預壓效果較好；對于堆載多年后的場地，在進行后續(xù)沉降數(shù)值計算時，采用彈性模型并選用現(xiàn)場試驗獲得的參數(shù)進行計算，計算結果與實測數(shù)據(jù)較好吻合，場地剩余平均沉降量在15.4 cm左右；園區(qū)道路管線可采取常規(guī)預防措施。

關鍵詞：長期堆載預壓； 固結沉降； 軟土地基； 有限元法； 雙曲線法

中圖分類號：TU 472文獻標志碼：A文章編號：10005013（2024）02024107

東南沿海地區(qū)軟土分布廣泛，具有含水量高、土質疏松、壓縮性高、抗剪強度低等缺點［13］。軟土作為不良地基容易出現(xiàn)不均勻沉降，危害上部建筑物［46］。根據(jù)建設工程的特點，可采用堆載預壓法、真空預壓法、真空聯(lián)合堆載法、強夯法、高真空擊密法等方法對地基進行處理，其中，堆載預壓法因施工便捷、操作簡單、對各類軟基都具有一定的加固效果［79］，受到廣泛的應用。

針對軟土堆載預壓固結沉降，學者們進行了一系列研究。目前常采用數(shù)值模擬方法，或者elg p曲線法（e為孔隙比；p為壓力）、三點法、Asaoka法及雙曲線法等擬合方法進行沉降預測。余景良等［10］采用FLAC3D軟件分析了堆載預壓處理軟土地基的沉降規(guī)律，結合動態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡對軟土地基未來沉降進行研究。張國聯(lián)等［11］基于ABAQUS有限元軟件建立三維塑料排水板處理軟土地基分析模型。李少和等［12］對比分析了elg p曲線法、三點法、Asaoka法及雙曲線法的預測結果，結果表明以上4種方法均能較準確地預測地基沉降。郎向偉［13］分析了軟土地基達到堆載臨界填土高度后，沉降速率控制指標、水平位移控制指標、孔隙水壓力控制指標及Δh/Δsi控制指標的變化規(guī)律，確定了各指標控制范圍。

眾多研究表明，堆載預壓處理地基能較好地提高承載力和穩(wěn)定性，是一種效果顯著的地基處理方法。因此，本文結合東南沿海某軟土地基處理工程，通過現(xiàn)場靜力觸探、平板載荷、十字板剪切及室內固結壓縮等試驗，結合數(shù)值模擬、雙曲線法及實測沉降結果，探討10 a長期堆載預壓對濱海軟土地基的加固效果，為后續(xù)工程的設計、施工提供參考依據(jù)。

1工程概況

選擇某濱海軟土地基堆載預壓工程項目，場地為典型的濱海軟土層。該項目主體建筑物采用樁基礎且嵌固到穩(wěn)定地層中，建筑物基本不受軟土固結沉降的影響。配套的附屬設施（如景觀、擋墻）、市政管網(wǎng)等多位于地表或淺部地層中，受場地沉降和不均勻沉降的影響較大，并關系到后期的運營維護，需要對場地開展固結沉降評估。為獲取10 a長期堆載預壓后各土層的工程特性，現(xiàn)場進行了勘探鉆孔，9個勘探鉆孔（1#～9#）位置，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場勘探揭露情況及室內土工試驗結果，場地地層從上至下依次為素填土、填砂、淤泥、細砂、粉質粘土、淤泥質粘土、中砂、粉質粘土、粗砂及礫質粘性土。

2地基加固效果評價

2.1靜力觸探結果

9個勘探鉆孔位置上，現(xiàn)場靜力觸探試驗測得的變形模量（Eo），如表1所示。由表1可知：經(jīng)10 a堆載預壓處理后，各鉆孔位置主要軟土層變形模量較堆載前均有提升，其中，粉質粘土的平均變形模量最大（4.4 MPa），淤泥質粘土的平均變形模量次之（3.7 MPa），淤泥的平均變形模量最?。?.3 MPa）。在5#和8#鉆探孔位置上，粉質粘土和淤泥質粘土的變形模量相同且均大于淤泥的變形模量。在后期建設過程中，須重點關注淤泥層的沉降。

2.2平板載荷試驗

為了檢驗經(jīng)過10 a堆載預壓后的地基承載力情況，現(xiàn)場開展了一系列的平板載荷試驗，由于1#，5#和6#；2#和4#；7#和8#鉆孔地層基本一致，根據(jù)地層情況、堆載影響深度等，只對部分鉆孔進行分析，平板載荷試驗結果，如表2所示。表2中：fak為地基承載力特征值；S為最大荷載對應沉降。

由表2可知：堆載預壓區(qū)域各鉆孔位置的地基承載力均超過100 kPa，根據(jù)附屬設施承載力要求，加固后的地基承載力需達到100 kPa，故場地滿足設計要求。同時可以看到，各鉆孔地層變形模量存在差異，并且相對各鉆孔軟土層增大，主要是砂土等分布差異影響。

2.3十字板剪切試驗

堆載預壓區(qū)域各鉆孔的十字板剪切試驗結果，如表3所示。表3中：Cu為不排水抗剪強度。由表3可知：各鉆孔主要軟土層不排水抗剪強度均有不同程度的增大，其中，淤泥不排水抗剪強度最大位于4#鉆孔，最小位于1#鉆孔，分別增大了180.0%，100.7%；各鉆孔粉質粘土的不排水剪強度差異較大，最大可相差27.6 kPa，最大不排水剪強度位于2#鉆孔位置，較堆載前增大了99.2%，最小不排水剪強度位于1#鉆孔，較堆載前增大了31.5%。對于淤泥質粘土，最大不排水抗剪強度位于4#鉆孔位置，為55.7 kPa，較堆載前增大了90.1%，最小不排水剪強度位于1#鉆孔，較堆載前增大了9.6%?？梢钥闯?，淤泥的不排水剪強度較堆載前變化較大，且普遍低于粉質粘土和淤泥質粘土，是后期建設過程應重點關注地層。

2.4室內試驗

孔隙比是土的重要物理性質指標，通常用來評價天然土層的密實程度，通過室內試驗獲得不同土層的孔隙比，如表4所示。由表4可知：經(jīng)過10 a堆載預壓，該區(qū)域固結排水進程較久，固結后各層土體的孔隙比相對較小，其中，粉質粘土2的孔隙比相較堆載前變化較小，說明粉質粘土2土層中的孔隙水含量小，堆載期間固結沉降較小。而淤泥及淤泥質粘土經(jīng)過10 a堆載預壓，孔隙比有較大的變化，但堆載預壓后兩個土層的孔隙比仍較大，含水量較高，表明其抗剪強度較低，壓縮性較高，這與現(xiàn)場靜力觸探試驗結果趨勢一致。

同時，還對場地主要軟土的含水率、密度及壓縮模量進行測定。測得淤泥含水率、密度及壓縮模量的平均值分別為58.3%，1.64 g·cm-3，2.3 MPa；淤泥質粘土含水率、密度及壓縮模量的平均值分別為51.9%，1.66 g·cm-3，2.4 MPa；粉質粘土含水率、密度及壓縮模量的平均值分別為28.1%，1.88 g·cm-3，6.5 MPa。軟土這三項參數(shù)均較堆載前有所改善。

3地基固結沉降研究

3.1雙曲線法地基堆載預壓固結沉降計算

根據(jù)現(xiàn)場沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用雙曲線法［9］對最終沉降量進行預測。雙曲線法是目前應用較為廣泛的一種方法，最早由尼奇波羅維奇提出，其理論公式為

式（1）中：St為t時刻的實測沉降量；S∞為地基最終沉降量；a為經(jīng)驗參數(shù)。

對式（1）進行時間的求導，可得到任意時刻t的沉降速率為

式（2）中：S·t為t時刻的沉降速率。

2019年12月至2021年7月，3#鉆孔鄰近測點的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表5所示。表5中：X，Y表示監(jiān)測點在平面上的坐標；H1為原高程；H2為現(xiàn)高程；Sj為沉降量；va為平均沉降速率；vqa為區(qū)域平均沉降速率。

根據(jù)表5的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算得到3#鉆孔位置地基的最終沉降量為286.6 cm，經(jīng)驗參數(shù)a為0.477 2，沉降量計算公式及沉降速率計算公式分別為

基于雙曲線法，推測該場地地基堆載預壓從2011年4月（t=0）至2021年7月的10.2 a期間沉降速率約為12.0 mm·a-1，位于表5中各點的平均沉降速率1.9～27.8 mm·a-1之間，且與區(qū)域平均沉降速率13.1 mm·a-1接近。雙曲線法測得2019年12月至2021年7月的沉降量為21.7 mm，與表5所有監(jiān)測點位平均監(jiān)測沉降量20.7 mm接近，因此，可采用雙曲線法計算沉降量。已完成固結沉降為273.8 cm，固結度達到95.5%，剩余沉降量為12.8 cm，滿足設計要求。

根據(jù)雙曲線法的推算結果可知，2021年7月往后20 a的沉降量約為8.3 cm，平均沉降速率約為0.4 cm·a-1。

3.2擬建項目場地后續(xù)固結沉降的數(shù)值模擬研究

為進一步評估擬建項目場地的后續(xù)固結沉降，2021年7月對該場地進行詳細的勘察取樣、土工試驗和原位測試，這些測試數(shù)據(jù)為場地后續(xù)固結沉降的數(shù)值模擬計算提供了重要的計算參數(shù)。

3.2.1本構模型的選擇描述土體應力應變關系的本構模型主要包括線彈性模型和彈塑性模型。彈性模型是基于廣義胡克定律的模型，當應力水平較低時，彈性模型可較好地模擬巖土介質材料的性態(tài)。Roscoe等［14］基于應力、應變、孔隙比3個重要變量，建立了修正劍橋（MCC）土體本構模型，適用于正常固結和輕微超固結粘土。該模型中，方程形式簡單，便于進行數(shù)值計算，且符合熱力學基本原理，對應的耗散勢函數(shù)形式簡單且意義明確［15］。而摩爾庫倫（MohrCoulomb，MC）塑性模型主要適用于在單調載荷下顆粒狀材料，在巖土工程中應用非常廣泛。為了確定分析時現(xiàn)場土體屬于彈性或彈塑性狀態(tài)，采用ABAQUS有限元軟件，分別進行彈性和彈塑性數(shù)值模擬研究，彈性分析時，模型僅采用線彈性本構模型；彈塑性分析時，根據(jù)土體不同性質分別選擇彈塑性本構模型。

3.2.2數(shù)值計算模型設置數(shù)值計算中，取寬度為1 m、總深度為H的土體進行簡化計算。土體底面不排水，僅有頂面排水。數(shù)值分析過程中，選取1#（與5#和6#鉆孔基本一致），2#（與4#鉆孔基本一致），3#，8#（與7#鉆孔基本一致）鉆孔為代表，分別建立計算模型。

采用彈性本構模型進行分析時，進一步對比了基于一維固結試驗和基于原位靜力觸探試驗獲得的模量。采用一維固結試驗獲得壓縮模量（Es）；采用原位靜力觸探試驗獲得變形模量，其他參數(shù)均保持一致。土層模型計算參數(shù)，如表6所示。表6中：H為總深度；Es為壓縮模量；Eo為變形模量；ν為泊松比；k為滲透系數(shù)；e為孔隙比；上標“*” 表示根據(jù)前期勘察結果得到的經(jīng)驗值。

采用彈塑性本構模型進行分析時，粘性土采用MCC本構模型，其余土體采用MC本構模型。MC模型和MCC模型的計算參數(shù)，如表7所示。表7中：φ為摩擦角；ψ為剪脹角；c為黏聚力；λ為對數(shù)硬化模量；κ為對數(shù)體積模量；M為破壞常數(shù)；e為孔隙比；上標“*” 表示根據(jù)前期勘察結果得到的經(jīng)驗值。

數(shù)值模擬計算的起始時間為2021年7月，選用這一時間測得的計算參數(shù)進行計算，考察其后20 a的地基沉降量。模型地表設為排水邊界。

數(shù)值模擬過程中，根據(jù)三軸剪切試驗確定摩爾庫倫模型的主要參數(shù)，根據(jù)eln p曲線獲得修正劍橋模型的主要參數(shù)，同時橫向對比不同鉆孔在相同土層、相同深度條件下的室內試驗參數(shù)，從而避免由于單一指標的隨機性而影響計算結果的穩(wěn)定。

3.2.3固結沉降結果分析以3#鉆孔為例，分別采用彈性分析和彈塑性分析進行地基沉降預測研究。3#鉆孔位置堆載預壓（2021年7月）后20 a地基的沉降預測模擬曲線，如圖2所示。圖2中：Sa為沉降量；t為時間。由圖2可知：采用彈塑性分析預測20 a后地基的剩余沉降量高達86.4 cm，遠大于雙曲線法計算的最終沉降量，且根據(jù)理論計算結果（表5），隨著固結度的增大，未來20 a區(qū)域平均沉降量不超過26.2 cm。根據(jù)彈性分析法并采用室內試驗所獲得的參數(shù)，計算得到20 a后的地基沉降量比雙曲線法的預測結果高出約2.06倍。當基于現(xiàn)場試驗獲得的計算參數(shù)開展彈性數(shù)值分析時，自2021年7月起未來20 a地基沉降量為13.6 cm，并且趨于穩(wěn)定，這與雙曲線法的預測剩余沉降量12.8 cm基本一致。

采用彈塑性模型進行場地沉降預測結果偏大，原因主要是場地經(jīng)過10 a的堆載預壓，固結度較高。當以此時作為自重固結數(shù)值模擬的起始時刻，并選取重新勘探的土體參數(shù)，在無新增堆載的情況下，土體主要發(fā)生彈性變形，因此，與彈塑性模型的計算結果有較大差異。采用現(xiàn)場試驗獲得的參數(shù)進行彈性分析更吻合，能更好地消除取樣過程和土樣運輸過程由于擾動所帶來的影響。因此，當場地固結度高時，在自重固結沉降預測模擬過程中，若無較大附加荷載或較大施工荷載干擾的情況下，選用彈性本構模型并采用現(xiàn)場試驗獲得參數(shù)的分析結果能較準確地模擬擬建項目場地的后續(xù)沉降。此外，由圖2還可以發(fā)現(xiàn)，該地基堆載預壓結束后的7 a里沉降較大，到10 a左右該場地地基進入穩(wěn)定狀態(tài)。

模擬3#鉆孔位置堆載預壓后20 a地基沉降隨深度分布曲線，如圖3所示。由圖3可知：隨著地基深度的增大，沉降量逐漸減小，該鉆孔位置分析固結沉降的影響深度在25 m左右，且在深度為6～16 m地層的沉降量（主要是淤泥層的固結沉降）較大。因此，在后續(xù)建設過程中應重點關注淤泥層的沉降。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結果可知，3#鉆孔的剩余總沉降量為13.6 cm，未來5 a的沉降量約為10.9 cm，與雙曲線法的計算結果基本一致。采用相同的計算方法可得其他4個鉆孔位置地基未來20 a（2021年7月起）的沉降模擬預測結果，如表8所示。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)時間、空間上的不連續(xù)，部分測線之間的數(shù)據(jù)有較大波動，以及測線范圍與鉆孔位置的偏差等問題，因此，監(jiān)測和評估工作應成為持續(xù)細化的工作。

4結論

根據(jù)現(xiàn)場試驗、室內試驗、數(shù)值模擬，結合理論計算對某軟土地基堆載預壓工程項目的固結沉降效果進行評價，得到以下3點結論。

1） 現(xiàn)場和室內試驗均表明，先期堆載大部分區(qū)域經(jīng)過長達10 a的固結，軟土力學參數(shù)提升較明顯，但淤泥性質仍較差，固結性較大，是后續(xù)主要關注土層。部分鉆孔試驗區(qū)域物理力學參數(shù)及承載力較差，場地承載力分布不均勻，應引起重視。

2） 雙曲線法計算地基在評估前10.2 a的沉降量為273.8 cm，固結度達到95.5%，場地固結度高，后期仍可能發(fā)生12.8 cm的沉降，但對該項目附屬設施的影響較小。

3） 在對后續(xù)地基固結沉降的數(shù)值模擬計算中，對比分析了彈性模型和彈塑性模型的差異，計算結果表明，彈性分析結果與項目實際情況較為一致，但須采用現(xiàn)場試驗獲得的計算參數(shù)。若場地在堆載預壓10 a后不進行任何處理，則再經(jīng)過20 a后3#鉆孔位置仍將13.6 cm的沉降量，略大于通過雙曲線法計算的沉降量（8.3 cm）。整個場地地基剩余平均沉降量約為15.4 cm。

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