李林云，韓其婷，王啟貴

（1.溫州市甌江口開(kāi)發(fā)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江溫州，325026；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州，310014；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

甌江口區(qū)域內(nèi)擁有較為完整、規(guī)模較大的灘涂資源，其深厚的淤泥軟土含水量高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、擾動(dòng)性大，且流變顯著。不僅承載力低，而且在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的沉降和差異沉降，必須對(duì)地基進(jìn)行有效的加固處理才可以進(jìn)行上部建筑物的建設(shè)。工程采用真空預(yù)壓法處理大面積淤泥地基。探明甌江口地區(qū)地基處理過(guò)程中地基的固結(jié)變形規(guī)律對(duì)指導(dǎo)沿海灘涂地區(qū)的軟基處理工程的質(zhì)量、技術(shù)、工期、造價(jià)等具有重要意義。

2 工程概況

甌江口新區(qū)一期軟基處理工程總面積1 508.52萬(wàn)m2，根據(jù)建設(shè)部門(mén)用地需求分不同區(qū)塊和階段開(kāi)展實(shí)施。根據(jù)區(qū)塊使用功能的不同，分為道路區(qū)及地塊區(qū)分別處理。筆者研究重點(diǎn)為甌江口新區(qū)內(nèi)一期軟基處理工程第八合同段經(jīng)九路，共10個(gè)真空預(yù)壓區(qū)塊，每區(qū)塊面積6 734～22 126 m2。各區(qū)塊監(jiān)測(cè)布置內(nèi)容有：沉降板3塊、孔隙水壓力計(jì)1組（10個(gè)測(cè)點(diǎn)）、分層沉降1孔（11個(gè)磁環(huán)測(cè)點(diǎn)）。

圖1 真空預(yù)壓加固軟土地基示意圖Fig.1Consolidationofsoftsoilfoundationbyvacuumpreloading

2.1 地基處理設(shè)計(jì)與施工過(guò)程簡(jiǎn)介

研究對(duì)象中，地基處理采用真空預(yù)壓結(jié)合塑料排水板法。首先鋪設(shè)一層150 g/m2土工編織布，鋪設(shè)50 cm砂墊層，機(jī)械插打C型塑料排水板作為排水通道，排水板打設(shè)底標(biāo)高-16.0 m（場(chǎng)坪標(biāo)高2.50 m），間距0.8 m，正方形布置。真空預(yù)壓時(shí)間不少于180 d。

真空預(yù)壓施工分為兩個(gè)階段。第一階段為真空預(yù)壓試抽氣階段，抽氣7～10 d，預(yù)壓區(qū)塊開(kāi)泵率30%～50%，區(qū)塊膜下真空度30～60 kPa；第二階段為真空預(yù)壓正式抽真空階段，預(yù)壓區(qū)塊開(kāi)泵率達(dá)到設(shè)計(jì)要求80%以上，膜下真空度達(dá)到85 kPa。各區(qū)塊地基在恒載181～184 d后達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 工程地質(zhì)條件

2.2.1 ①0層素填土（mlQ4）

灰色、松軟，主要以淤泥質(zhì)粘土為主，局部地段主要由塊石、碎石、角礫及粘性土組成，塊石、碎石、角礫呈棱角狀，巖性為凝灰質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)～中等風(fēng)化，塊石最大可達(dá)80 mm以上，碎石粒徑一般20～50 mm，該層屬欠固結(jié)土，密實(shí)度及均勻性較差，呈松散狀，力學(xué)強(qiáng)度低。

2.2.2 ①層粘土（al-lQ43）

灰黃色，軟塑，無(wú)層理，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高，氧化斑點(diǎn)渲染。

2.2.3 ②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（mlQ42）

灰黃、棕褐色，流塑，無(wú)層理，局部含少量貝殼碎屑，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。全場(chǎng)地均有分布，層面埋深為0.00～3.50 m，層面高程為0.39～3.58 m，厚度為1.80～10.80 m。有機(jī)質(zhì)含1.557%。

2.2.4 ②1'層含粉砂淤泥（al-mlQ43）

灰色，流塑，無(wú)層理，夾粉砂團(tuán)塊及薄層含量一般5%～30%，土質(zhì)不均，局部砂含量較高，達(dá)60%～70%，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。層理埋深為 4.20～12.0 m，層面高程-8.45～0.25 m，厚度為0.70～9.80 m。有機(jī)質(zhì)含量為1.389%。

2.2.5 ②2'層：淤泥（mlQ42）

青灰、灰色，流塑，無(wú)層理，局部含少量貝殼碎屑，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。全場(chǎng)地均有分布，層面埋深6.10～16.90 m，層面高程為-12.90～-2.99 m，厚度為18.00～28.90 m。有機(jī)質(zhì)含量1.761%。

2.2.6 ③1層淤泥質(zhì)黏土（mlQ41）

灰色、流塑，鱗片狀，片徑2～3mm，偶見(jiàn)貝殼碎屑，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。全場(chǎng)地均有分布，層面埋深為31.20～37.50 m，層面高程為-33.50～-27.17 m，厚度為1.00～18.50m。

3 軟基處理固結(jié)變形規(guī)律分析

3.1 沉降變形規(guī)律

研究范圍內(nèi)共有10個(gè)區(qū)塊，每區(qū)塊共設(shè)置3個(gè)沉降板，共計(jì)30個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1、圖2。

由表1、圖2可以看出，研究區(qū)域內(nèi)最大沉降量為1762mm，最小沉降量為802 mm，均值為1 286 mm，其中沉降值1 100～1 300 mm的測(cè)點(diǎn)占60.00%，沉降小于1 100 mm的測(cè)點(diǎn)占16.67%，1 300 mm以上測(cè)占23.33%。

同時(shí)，由于研究區(qū)域地質(zhì)條件不同，部分區(qū)塊的沉降差異較大。8-4、8-6、8-9區(qū)塊靠近塘埂位置，整體沉降較小，8-2、8-3區(qū)塊距吹填口較遠(yuǎn)，土性參數(shù)較差，含水率高，整體沉降較大。

真空預(yù)壓施工中的地表沉降規(guī)律如圖3、圖4所示。抽真空開(kāi)始10 d內(nèi)，地基沉降速率較大，隨著真空度的迅速增長(zhǎng)，部分區(qū)域沉降速率達(dá)到100 mm/d，10 d內(nèi)沉降量占總沉降的10.9%～31.8%，平均20.7%；10 d后沉降速率開(kāi)始迅速回落并在30 d左右沉降速率逐漸平緩，沉降速率一般在8.3～47.0 mm/d之間，平均17.5 mm/d，此階段地表沉降量約占總沉降量的11.9%～33.3%，平均占23.6%；30～100 d內(nèi)地表沉降量約占總沉降量的32.1%～54.1%，平均占42.7%；100 d至達(dá)到設(shè)計(jì)要求期間的沉降量約占總沉降量的9.7%～16.3%，平均占13.0%。30 d內(nèi)的沉降約在總沉降量的32.3%～55.6%，平均占44.3%，由此可以說(shuō)明真空預(yù)壓施工工藝中，地基沉降主要發(fā)生在抽真空前期，此時(shí)地基的固結(jié)速率最快，地基強(qiáng)度增加迅速。

3.2 孔壓變化規(guī)律

根據(jù)有效應(yīng)力原理，如果地基內(nèi)某點(diǎn)的總應(yīng)力為Δσ，有效應(yīng)力增量為Δσ'，孔隙水壓力增量為Δu，則三者之間的關(guān)系為：

原土體在受到真空壓力作用時(shí)，土體發(fā)生滲流，改變了土層中原有的孔隙水壓力分布，孔隙水壓力Δu逐漸減小，在上部總應(yīng)力Δσ不變時(shí)，土體的有效應(yīng)力Δσ'增大，土體強(qiáng)度增大，強(qiáng)度提高。

由圖5可知，加載前期隨著真空度的變化，超靜孔隙水壓力迅速消散，原土體上部土層中超靜孔隙水壓力較下部土體中超靜孔隙水壓力的變化幅度大，說(shuō)明上部土體滲流效果好，土體強(qiáng)度增長(zhǎng)快。排水板處理區(qū)各深度超靜孔隙水壓力變化趨勢(shì)相近，排水板處理深度范圍外孔隙水壓力變化緩慢，由于排水板的作用縮短了土體中孔隙水的滲流路徑，孔壓更易消散。

表1 地表沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statisticsofgroundsettlementdata

圖2 地表沉降數(shù)據(jù)分布圖Fig.2 Distribution of ground settlement data

圖3 典型測(cè)點(diǎn)地表沉降速率歷時(shí)曲線圖Fig.3 Process curve of ground settlement rate at typical measuring points

圖4 典型測(cè)點(diǎn)地表沉降量、真空度歷時(shí)曲線圖

圖5 典型斷面孔隙水壓力、真空度歷時(shí)曲線圖Fig.5 Process curve of pore water pressure of typical sections and vacuum degree

3.3 分層沉降變形規(guī)律

分層沉降曲線如圖6所示。由圖6可知，分層沉降的變化過(guò)程和趨勢(shì)與地表沉降曲線類(lèi)似。隨著真空壓力的提高，地基分層沉降出現(xiàn)明顯的增加；處理深度范圍內(nèi)的分層沉降變化在整個(gè)預(yù)壓時(shí)間范圍內(nèi)都有變化，速率漸小，未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)和臺(tái)階現(xiàn)象。

由表2可以看出，研究范圍內(nèi)深厚軟弱淤泥土在插板深度范圍（排水板長(zhǎng)約18.5 m）分層磁環(huán)的沉降變化明顯，固結(jié)效果良好，占總區(qū)間壓縮量的94.6%。磁環(huán)埋設(shè)越深，分層壓縮量越小，排水板深度以下分層沉降無(wú)明顯變化，土體未發(fā)生明顯的壓縮，土體壓縮量?jī)H占總壓縮量5.4%，真空預(yù)壓處理效果以插板深度內(nèi)土體得到固結(jié)為主。

圖6 典型斷面分層沉降、真空度歷時(shí)曲線圖Fig.6 Process curve of layered settlement of typical sections and vacuum degree

表2 真空預(yù)壓DL8-5區(qū)分層沉降情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of layered settlement in DL8-5

4 工后沉降預(yù)測(cè)分析

4.1 常用預(yù)測(cè)方法及其特點(diǎn)

軟土地基沉降預(yù)測(cè)分析常用的方法主要為曲線擬合法，曲線擬合法是將地基沉降規(guī)律近似看成某種特定的曲線規(guī)律，對(duì)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立與之相對(duì)應(yīng)的曲線模型，采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，反推出計(jì)算公式中所需要的參數(shù)，確定回歸公式，再運(yùn)用于后期的沉降預(yù)測(cè)和最終沉降預(yù)測(cè)。該方法需要的參數(shù)較少且易確定，在目前工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

利用實(shí)測(cè)沉降進(jìn)行曲線擬合的常見(jiàn)方法有指數(shù)曲線配合法（三點(diǎn)法）、雙曲線法、指數(shù)曲線法、星野法等，如表3所示。

4.1.1 對(duì)數(shù)曲線法（三點(diǎn)法）

指數(shù)曲線配合法是從實(shí)測(cè)沉降的曲線上選擇最大恒載時(shí)間段內(nèi)的任意三個(gè)時(shí)間點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的沉降量并使Δt=t3-t2=t2-t1，可得地基最終沉降量S∞為：

表3 常用沉降預(yù)測(cè)方法及其特點(diǎn)Table 3 Common settlement prediction methods and their characteristics

式中，S∞為最終沉降量；t1、t2、t3為某一觀測(cè)時(shí)刻；為對(duì)應(yīng)于t1、t2、t3的沉降量。

4.1.2 雙曲線法

雙曲線法假設(shè)在進(jìn)入預(yù)壓期后實(shí)測(cè)沉降過(guò)程線按雙曲線變化，其基本方程式如下：

式中，St為t時(shí)刻的沉降量；S0為初期t0時(shí)刻的沉降量；a和b分別為關(guān)系圖上的截距和斜率，其值可通過(guò)線性回歸方程求出，也可用圖解法直接求得。

4.1.3 指數(shù)曲線法

指數(shù)法認(rèn)為沉降量是時(shí)間的指數(shù)函數(shù)，可表示為：

式中，t1為某一觀測(cè)時(shí)刻；S1為對(duì)應(yīng)于t1的沉降量；S∞為最終沉降量,為待定值；α、β為待定參數(shù)。

令tm=t+Δt/2，將上式對(duì)t求導(dǎo)后，寫(xiě)成增量形式為：

可得：y=A+Btm

再利用實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)確定拐點(diǎn)值（t0，S0）和（tmi，yi），對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，利用最小二乘法求出A、B，再計(jì)算出 α、β。當(dāng) t→∞ 時(shí)，St→S∞，可知：S∞=S0+α。

4.1.4 星野法

星野法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值證明總沉降（包括剪切應(yīng)變的沉降在內(nèi)）與時(shí)間的平方根成正比：

式中，St、S0分別為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的沉降量和假定的瞬時(shí)沉降量；t0為假定瞬時(shí)沉降對(duì)應(yīng)的時(shí)間；A、K均為待定參數(shù)。

由上式利用圖解法求出A、K的值，當(dāng)t→∞時(shí)，St→S∞，可知：S∞=S0+A。

4.2 沉降預(yù)測(cè)

利用上述沉降預(yù)測(cè)方法，結(jié)合對(duì)研究范圍內(nèi)沉降測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，對(duì)沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)果如表4所示。

采用曲線擬合法對(duì)真空預(yù)壓處理軟土地基的沉降均有較高的預(yù)測(cè)效果，各方法預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差介于-1.7%～1.6%之間，偏差較小，說(shuō)明上述三種方法對(duì)短中期的真空預(yù)壓處理均有一定的適用性。

由圖7可以看出，雙曲線法前期小于實(shí)測(cè)沉降值，后期大于實(shí)測(cè)值；指數(shù)曲線法預(yù)測(cè)值均小于實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)最終沉降量也小于觀測(cè)末期實(shí)測(cè)沉降量；星野法預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值接近，且平均相對(duì)誤差相對(duì)于其他較小。此外，雙曲線法和指數(shù)曲線法曲線偏離實(shí)測(cè)沉降曲線，星野法曲線不發(fā)散，收斂性好。因此，對(duì)于真空預(yù)壓法，曲線擬合效果排序?yàn)椋盒且胺ǎ倦p曲線法＞指數(shù)曲線法。

表4 不同曲線擬合方法沉降預(yù)測(cè)對(duì)比統(tǒng)計(jì)Table 4 Comparison of settlement predictions by each curve fitting method

圖7 預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比圖Fig.7 Comparison of predicted and measured curves

5 結(jié)語(yǔ)

（1）利用真空預(yù)壓結(jié)合塑料排水板處理軟土地基，改變了地基原有的排水條件，增加了孔隙水排出的通道，縮短了排水距離，使地基通過(guò)預(yù)壓在較短時(shí)間內(nèi)消除地基大部分的沉降；真空預(yù)壓加速了地基土抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)，提高了地基的承載力和穩(wěn)定性。

（2）真空預(yù)壓加固軟土地基過(guò)程中，地基的固結(jié)變形主要發(fā)生在預(yù)壓前期，隨著真空壓力的增加，地表沉降、分層沉降的增幅較大，說(shuō)明此階段地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提高的幅度較大，隨后各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增加逐漸減小，地基的固結(jié)變形逐漸平緩，并逐步趨于穩(wěn)定。

（3）相同真空壓力條件下，同區(qū)塊三個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降一致性較好，但不同區(qū)塊間因地質(zhì)情況對(duì)區(qū)塊沉降影響較大，部分區(qū)塊沉降差距在40%以上。

（4）孔隙水壓力、分層沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明，真空預(yù)壓施工過(guò)程中，地基土固結(jié)主要發(fā)生在排水板范圍內(nèi)，排水板處理范圍外孔壓、分層影響較?。皇苷婵諌毫鬟f深度的影響，排水板處理范圍內(nèi)孔壓、分層表現(xiàn)出表層變化幅度大、深層幅度小的規(guī)律。

（5）利用曲線擬合預(yù)測(cè)真空預(yù)壓處理地基沉降的變化規(guī)律，分析表明：利用指數(shù)曲線法、雙曲線法、星野法均有一定的適用性；指數(shù)曲線法、雙曲線法離散性相對(duì)較大，對(duì)于180 d左右沉降預(yù)測(cè)，采用星野法預(yù)測(cè)沉降曲線與實(shí)測(cè)沉降曲線吻合性較好，曲線收斂性較快，適宜用于真空預(yù)壓處理中期至后期的沉降預(yù)測(cè)。