劉紅軍，錢大偉，李洪峰

(1.五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529020；2.哈爾濱西部地區(qū)開發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150086；3.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)評價城市道路軟土地基處理效果

劉紅軍1，錢大偉2，李洪峰*3

(1.五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529020；2.哈爾濱西部地區(qū)開發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150086；3.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

為評價軟基處理效果，確定合理的卸載時間，選取典型監(jiān)測斷面的地表沉降、超孔隙水壓力及十字板剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：在軟土地基總沉降量中，填土加載期占主要部分，接近于60%，預(yù)壓期的沉降量占總沉降量35%左右；推測軟土地基工后沉降的結(jié)果證明，預(yù)壓期前三個月，推測的工后沉降大于30 cm，此后隨著堆載預(yù)壓時間的增加，推測的工后沉降逐漸減少，但表現(xiàn)的并不十分明顯；整個填土加載期，超孔隙水壓力變化過程呈現(xiàn)出波浪型的變化，淺層大于深層的超孔隙水壓力，隨著堆載預(yù)壓時間的增加，軟土地基中，不同深度的超孔隙水壓力逐漸減小，并逐漸接近；軟土層經(jīng)過預(yù)壓排水固結(jié)，抗剪強(qiáng)度有個明顯增加的過程，預(yù)壓卸載前比排水固結(jié)前的十字板剪切強(qiáng)度增加6～8 kPa，抗剪強(qiáng)度增長率會隨著剪切深度的增加而減少，增長率在26.3%～91.0%之間。研究成果為今后本區(qū)域的軟基設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)；軟基處理效果；地表沉降；超孔隙水壓力；十字板剪切強(qiáng)度

0 引 言

修建在軟土地基上的城市道路，施工的過程中要解決以下幾個方面的問題：①保證路堤填土過程中軟土地基的穩(wěn)定性；②在堆載預(yù)壓期間，各附屬工程施工中(如市政管道的施工、開挖邊溝等)也要保證軟土地基的穩(wěn)定性；③超載預(yù)壓卸載時間的確定；④軟土地基工后沉降量的確定[4-5]。要解決上述問題，僅靠工程經(jīng)驗和理論分析是難以滿足工程需求的，必須對軟土地基進(jìn)行長期監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工過程，保證軟土地基的沉降與穩(wěn)定[6]。

1 場地工程地質(zhì)條件

本項目所處區(qū)域位于江門市濱江新區(qū)新南路，地貌屬于三角洲邊緣與河流沖積地帶，地形較平坦，地勢較低，地形開闊。沿線場地主要為魚塘、溝涌，少量農(nóng)田。根據(jù)鉆探揭露，場地內(nèi)分布的地層主要有人工填土層、第四系沖積層和殘積層，下伏基巖為白堊系粉砂質(zhì)泥巖。本文結(jié)合工程實際，選取典型斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取路段為新南路西段一標(biāo)K2+370，監(jiān)測斷面的地質(zhì)條件及監(jiān)測點布置如圖1所示，監(jiān)測斷面軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

軟基處理方法采用塑料排水板堆載預(yù)壓排水固結(jié)法[7]。排水板平面布置呈梅花形，間距為1.0 m，排水板長度以下部穿透軟土層，上部高出施工期砂墊層頂部0.2 m為準(zhǔn)。

表1 K2+370監(jiān)測斷面軟土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The data of the basic physical mechanics of the soft soil from K2+370 monitoring section

圖1 k2+370監(jiān)測斷面監(jiān)測點布置及地質(zhì)條件剖面圖Fig.1 The monitoring site layout and geological condition profile of K2+370 monitoring section

2 監(jiān)測方案及技術(shù)要求

2.1 監(jiān)測方案

地表沉降監(jiān)測是在砂墊層整平驗收后、施打排水板之前，在原地面埋設(shè)沉降板，分別布置在路堤橫斷面的中間和兩側(cè)路肩，具體位置如圖1所示?；鶞?zhǔn)水準(zhǔn)點采用獨立高程網(wǎng)，與施工采用的高程系統(tǒng)相一致，按二級沉降監(jiān)測技術(shù)要求，對3個水準(zhǔn)基點的高程進(jìn)行聯(lián)測，以求得每個點的高程最可靠值。同時為確保觀測質(zhì)量，基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性宜一個月進(jìn)行一次聯(lián)測。沉降點的監(jiān)測根據(jù)基準(zhǔn)水準(zhǔn)點所采用的高程系統(tǒng)，按三等沉降監(jiān)測要求進(jìn)行。

孔隙水壓力測試采用孔隙水壓力儀，為鋼弦式，特點：穩(wěn)定性好、靈敏度高，使用最多?？紫端畨毫ΡO(jiān)測采用鉆孔法布設(shè)，要求不能距離塑料排水板太近，且與附近的深(分層)沉降監(jiān)測孔距離不小于2 m?？紫端畨毫ΡO(jiān)測孔布設(shè)于道路中間，如圖1所示。監(jiān)測孔要求埋深進(jìn)入淤泥以下粘土層不少于0.5 m，每個監(jiān)測孔安置3個孔隙水壓力計，分上、中、下平均分布于淤泥層。

4.1 病態(tài)行為 病態(tài)行為是一組癥狀群，這組癥狀群主要是由中樞或外周給予微生物、LPS、疫苗、促炎性細(xì)胞因子所誘導(dǎo)[38]。這些行為主要包括食欲與體重改變，社交、主動行為、性行為下降，快感缺乏以及睡眠結(jié)構(gòu)的改變。這些行為和臨床干擾素誘導(dǎo)的抑郁癥狀類似[39]。

十字板剪切試驗在排水固結(jié)前和預(yù)壓卸載前各進(jìn)行一次，為便于對比固結(jié)效果，前后兩次的試驗點位置及深度相同。

監(jiān)測頻率：土方填筑期間1次/d，間歇期1次/3d，滿載預(yù)壓期第一個月1次/2d，一個月后1次/7d，路面底層、面層施工期間每層施工結(jié)束觀測一次，運(yùn)營期前半年每月觀測一次，以后每季度觀測一次。

2.2 技術(shù)要求

軟基監(jiān)測的主要目的是通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析，指導(dǎo)路基施工[8]，對可能出現(xiàn)的不利情況進(jìn)行提前預(yù)測，保障路基的安全，確保正常的施工和后期項目的正常運(yùn)營[9-10]。

填土速率和卸載標(biāo)準(zhǔn)：①在堆載預(yù)壓法處理段，路基填土速率的標(biāo)準(zhǔn)為：每天24小時內(nèi)道路中心位置垂直沉降不超過1 cm；每天24小時內(nèi)道路坡腳水平方向位移不超過0.5 cm；孔隙水壓力增長值與一層路基填土所增加的附加應(yīng)力之比不大于0.6。②軟基卸載的標(biāo)準(zhǔn)為：經(jīng)過預(yù)壓處理后的淤泥層固結(jié)度要達(dá)到≥90%的設(shè)計要求；預(yù)壓期最后連續(xù)兩個月，沉降速率小于5 mm/月；根據(jù)沉降曲線推算工后沉降小于30 cm。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析

表面沉降隨時間的變化規(guī)律是路堤控制施工進(jìn)度和安排后期施工的最重要指標(biāo)，也是理論研究結(jié)果是否正確的最直接檢驗標(biāo)準(zhǔn)和加固效果最直接的反映[11-12]。為了便于分析地表沉降的變化規(guī)律，表2給出了路堤施工各階段的起止日期及歷時天數(shù)。地表沉降(S)隨時間(t)的變化過程如圖2所示。

表2 K2+370監(jiān)測斷面各階段沉降量統(tǒng)計表Tab.2 The data of the settlement statistics of each period from K2+370 monitoring section

圖2 K2+370地表沉降與時間關(guān)系曲線Fig.2 The data of surface subsidence and time curves from K2+370

由圖2中的曲線變化特征可知，在塑料排水板打設(shè)后，堆載開始前，沉降曲線較為平緩，堆載開始后，沉降曲線明顯變陡，說明在軟基中施打塑料排水板只是增加土體的豎向排水通道，如果不配合堆載，土體總應(yīng)力不變，從本質(zhì)上達(dá)不到加速軟基固結(jié)的目的，所以，排水系統(tǒng)與加壓系統(tǒng)缺一不可[13]。在填土加載期曲線較陡，軟土地基沉降較快，停止填土后，逐漸趨于平緩，說明土體主固結(jié)變化速率是一個漸變收斂的過程，到卸載前為止，各條曲線趨于水平，沉降趨于穩(wěn)定。對比三個沉降板沉降過程曲線可知，它們的沉降過程及沉降趨勢基本相同，從沉降量大小來看，中間沉降板的沉降量要比左右路肩處的大，出現(xiàn)了一個沉降盆，這也符合土力學(xué)當(dāng)中的附加應(yīng)力分布規(guī)律。

結(jié)合圖1和根據(jù)表2的對比數(shù)據(jù)可知，填土高度為5.255 m，填土歷時為130 d，在軟土地基總沉降量中，填土加載期占主要部分，接近于60%，因此，填土期一定要控制軟土地基的沉降速率，保證軟土地基在每級荷載下排水固結(jié)和穩(wěn)定性，即填土荷載的增加一定要與軟土排水固結(jié)增長的強(qiáng)度相匹配。本監(jiān)測斷面堆載預(yù)壓期為288 d，本期的沉降量占總沉降量35%左右。

圖3為堆載預(yù)壓后各月沉降量柱形圖，根據(jù)圖3柱狀圖的變化特征可知，滿載后，隨著堆載預(yù)壓時間的增加，各月的沉降量在逐漸減小，不同階段沉降減少的快慢不同。

根據(jù)大量實測資料分析，軟基路堤在荷載穩(wěn)定的條件下，沉降曲線均具有一定的線性變化規(guī)律[14]。所以工后沉降推算方法多采用擬合曲線法，常用的有沉降曲率法、星野法、三點法、雙曲線法和指數(shù)法等。具體采用哪種線性規(guī)律更為合理，它與荷載大小、地基條件和處理方法等多種因素有關(guān)，必須采用多種方法作出綜合判斷[15]。從有關(guān)資料反映我國目前采用雙曲線法較為普遍，在這方面積累的成熟經(jīng)驗較多。本項工程采用雙曲線法推測工后沉降，工后沉降的預(yù)測按設(shè)計年限30 a計算。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，利用地表沉降曲線推算工后沉降要小于30 cm，才能滿足工程要求。

雙曲線法是假定下沉平均速度以雙曲線形式減少的經(jīng)驗推導(dǎo)法。從填土滿載開始到任意時間t的沉降量st可用下式求得：

(1)

式中：s0為t=0時的初始沉降量，cm，千萬注意要從最后一級恒載穩(wěn)定時開始計算；st為t時的沉降量，cm；t為經(jīng)過時間天；α和β是實測值經(jīng)過回歸求得的兩個常數(shù)。

根據(jù)公式(1)可得：

(2)

當(dāng)時t=∞，最終沉降量為：

利用公式(1)預(yù)測道路使用30 a的沉降量，減去t=0時的初始沉降量s0，即為軟基的工后沉降量。

為研究軟基工后沉降的變化規(guī)律，確定合理的卸載時間，也為今后該地區(qū)的軟基設(shè)計和施工提供可靠的依據(jù)，利用雙曲線法推算了滿載期后各月的工后沉降，推測結(jié)果如圖4所示。

依據(jù)圖4可知，隨著堆載預(yù)壓時間的增加，推測的軟土地基工后沉降在逐漸減少，堆載預(yù)壓期前三個月推測的工后沉降大于30 cm，還不能滿足卸載要求，以后推測的工后沉降雖然隨著預(yù)壓期的增加在逐漸減小，但表現(xiàn)的并不明顯，因此，結(jié)合卸載標(biāo)準(zhǔn)的另一指標(biāo)要求，同時考慮工期，最終確定，預(yù)壓期要達(dá)到9個月以上才能開始卸載，整平路基后，進(jìn)行路面施工。

圖3 堆載預(yù)壓后各月沉降量柱形圖Fig.3 The data of the column chart of the monthly settlement after pre-loading

圖4 堆載預(yù)壓后不同時間推測的工后沉降Fig.4 The data of the concluded post-construction settlement of different time after pre-loading

3.2 超孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果分析

軟基超孔隙水壓力消散和增長規(guī)律，反映了地基土的排水固結(jié)特性和有效應(yīng)力變化規(guī)律[16]，根據(jù)圖5所示超孔隙水壓力展布特征，可以看出：填土加載期，每填一層土，超孔隙水壓力都會升高，在填下一層土前，超孔隙水壓力會逐漸消散，表明間歇期，軟土地基在排水固結(jié)，有效應(yīng)力逐漸增大，整個填土加載期，超孔隙水壓力變化過程呈現(xiàn)出波浪型的變化，總體上呈現(xiàn)出逐漸消散的過程。堆載預(yù)壓期，超孔隙水壓力逐漸減小，個別出現(xiàn)反彈，主要受降雨影響，到了堆載預(yù)壓期的后期，超孔隙壓力出現(xiàn)負(fù)值，表明軟土地基已充分排水固結(jié)，固結(jié)效果較好。為研究軟土地基排水固結(jié)的深度效應(yīng)，筆者在同一位置，軟土地基不同深度的地方分別埋設(shè)了孔隙水壓力探頭，由圖5可知，淺層超孔隙水壓力反應(yīng)迅速，而深層反應(yīng)相對滯后，在填土期，淺層超孔隙水壓力明顯大于深層的超孔隙水壓力，而且相差比較大，這與附加應(yīng)力分布規(guī)律相吻合。堆載預(yù)壓期，超孔隙水壓力在逐漸減小，由于淺層超孔隙水壓力消散的快，隨著堆載預(yù)壓時間的增加，軟土地基中，不同深度的超孔隙水壓力逐漸減小，并且逐漸接近。

3.3 剪切強(qiáng)度增長情況分析

為了評價軟基加固前后強(qiáng)度的變化，測試堆載預(yù)壓軟基處理方法引起的地基強(qiáng)度的增長，采用現(xiàn)場十字板剪切強(qiáng)度試驗來評價軟基處理的效果[17-18]，在斷面中心點進(jìn)行現(xiàn)場測試，堆載預(yù)壓處理前后各進(jìn)行一次，試驗深度根據(jù)地質(zhì)情況確定。表3統(tǒng)計了監(jiān)測斷面排水固結(jié)前與預(yù)壓卸載前測得的軟土層十字板剪切強(qiáng)度，由表3統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可知，軟土層經(jīng)過預(yù)壓排水固結(jié)，抗剪強(qiáng)度有個明顯增加的過程，預(yù)壓卸載前比排水固結(jié)前的十字板剪切強(qiáng)度增加6～8 kPa?？辜魪?qiáng)度增長率會隨著剪切深度的增加而減少，這是因為路堤填土在地基土中產(chǎn)生的附加應(yīng)力隨著深度的增加而減小，埋深越小的軟土層，受路堤填土影響越顯著，排水固結(jié)就越強(qiáng)。

圖5 K2+370超孔隙水壓力與時間關(guān)系曲線Fig.5 The data of the excess pore water pressure and time curves from K2+370

試驗點深度/m2.03.04.05.06.0填土前十字板剪切強(qiáng)度/kPa7.811.88.516.025.5卸載前十字板剪切強(qiáng)度/kPa14.918.116.123.532.2十字板剪切強(qiáng)度增長率/%91.053.489.446.926.3

4 結(jié)論

(1)堆載開始前，沉降曲線較為平緩，堆載開始后，沉降曲線明顯變陡，停止填土后，逐漸趨于平緩，說明土體主固結(jié)變化速率是一個漸變收斂的過程，到卸載前為止，各條曲線趨于水平，沉降趨于穩(wěn)定。對比三個沉降板沉降過程曲線可知，它們的沉降過程及沉降趨勢基本相同，從沉降量大小來看，中間沉降板的沉降量要比左右路肩處的大，出現(xiàn)了一個沉降盆，這也符合土力學(xué)當(dāng)中的附加應(yīng)力分布規(guī)律。

(2)在軟土地基總沉降量中，填土加載期占主要部分，接近于60%，堆載預(yù)壓期的沉降量占總沉降量35%左右，隨著堆載預(yù)壓時間的增加，推測的軟土地基工后沉降在逐漸減少，堆載預(yù)壓期前三個月推測的工后沉降大于30 cm，還不能滿足卸載要求，以后推測的工后沉降雖然隨著預(yù)壓期的增加在逐漸減小，但表現(xiàn)的并不明顯。

(3)整個填土加載期，超孔隙水壓力變化過程呈現(xiàn)出波浪型的變化，總體上呈現(xiàn)出逐漸消散的過程，隨著堆載預(yù)壓時間的增加，軟土地基中，不同深度的超孔隙水壓力逐漸減小，并逐漸接近。

(4)軟土層經(jīng)過預(yù)壓排水固結(jié)，抗剪強(qiáng)度有個明顯增加的過程，預(yù)壓卸載前比排水固結(jié)前的十字板剪切強(qiáng)度增加6～8 kPa，抗剪強(qiáng)度增長率會隨著剪切深度的增加而減少，增長率在26.3%～91.0%之間。

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EvaluationofSoftFoundationTreatmentofUrbanRoadBasedonFieldMonitoringData

Liu Hongjun1，Qian Dawei2，Li Hongfeng*3

(1.College of Civil Architecture，Wu Yi university，Jiangmen 529020； 2.The Western Region in Harbin Development and Construction Refco Ltd.Harbin 150086； 3.College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to evaluate the effect of soft foundation treatment and determine the reasonable unloading time，the surface settlement，excess pore water pressure and cross shear strength data typical monitoring section were selected and analyzed.Results show that：in the total settlement of soft soil foundation，the filling period was the main part，which was close to 60%，and the settlement of the preloading period accounts for about 35%.It was assumed that the post construction settlement of soft soil foundation proves that the settlement after construction was greater than 30cm in the first three months of the preloading period.Then，with the increase of the preloading time，the post-construction settlement decreased，but the performance was not very obvious.During the whole loading period，the change of excess pore water pressure showed a changed of the wave type，and the pressure in shallow layer was larger than that in deep layer.With the increase of surcharge preloading time，the excess pore water pressure at different depths decreased gradually and gradually approaches in soft soil foundation.In the soft soil layer，the shear strength increased obviously by preloading drainage consolidation，and the shear strength of the cross plate before preloading was increased by 6～8 kPa，compared with that before the drainage consolidation.The shear strength growth rate would decrease with the increase of shear depth，and the growth rate was between 26.3% and 91.0%.The research will provide a reliable basis for the design and construction of soft soil in this region.

Field monitoring data；the treatment effect of soft soil foundation；ground surface subsidence；excess pore water pressure；cross shear strength

U 416

A

1001-005X(2017)06-0077-06

2017-08-23

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項目(2011-k5-36)；黑龍江省青年科學(xué)基金項目(QC2012C080)

劉紅軍，博士，教授。研究方向：巖土工程與道路工程。E-mail：liuhongjun_0821@163.com

*通信作者：李洪峰，博士，講師。研究方向：巖土工程與道路工程，lhfdoctor@163.com

劉紅軍，錢大偉，李洪峰.依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)評價城市道路軟土地基處理效果[J].森林工程，2017，33(6)：77-82.