龔文宗 鄒海峰 查俊

摘要：工后殘余沉降量是真空預(yù)壓法處理軟土地基的主要控制標(biāo)準(zhǔn)之一。然而受到土體非均質(zhì)性的影響，填海工程中軟基的工后殘余沉降量往往表現(xiàn)出很大的空間變異性。文章對(duì)廣州某填海工程試驗(yàn)區(qū)內(nèi)軟基的工后殘余沉降量進(jìn)行了分析，采用條件隨機(jī)場(chǎng)預(yù)測(cè)了整個(gè)空間區(qū)域內(nèi)工后殘余沉降量的空間分布圖，并據(jù)此計(jì)算出了工后殘余沉降量超過(guò)允許值的概率分布圖。根據(jù)該分布圖，指出了真空預(yù)壓需要延長(zhǎng)加荷時(shí)間的區(qū)域，為真空預(yù)壓卸荷方案設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：軟基;真空預(yù)壓;空間插值;條件隨機(jī)場(chǎng)

0 引言

真空預(yù)壓法是處理軟土地基的常用方法之一，近年來(lái)在我國(guó)沿海填海工程如廣州南沙港和溫州歐飛工程中得到了大量的應(yīng)用。真空預(yù)壓法通過(guò)持續(xù)對(duì)工程場(chǎng)地施加真空荷載和設(shè)置排水井，使得軟土內(nèi)部的孔隙水被排出，土的有效應(yīng)力增大而強(qiáng)度增長(zhǎng)，壓縮性降低，從而達(dá)到增強(qiáng)軟基的穩(wěn)定性和降低工后殘余沉降的目的[1-2]。與傳統(tǒng)的超載預(yù)壓相比，真空預(yù)壓方法能夠避免荷載過(guò)大或分布不均勻?qū)е碌牡鼗Х€(wěn)問(wèn)題，同時(shí)工程成本更低[1]。因此，真空預(yù)壓法在國(guó)內(nèi)外軟基工程中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

真空預(yù)壓質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)一般包含兩項(xiàng)內(nèi)容：（1）固結(jié)度達(dá)到90%以上;（2）主固結(jié)殘余沉降量在允許范圍內(nèi)。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都可從現(xiàn)場(chǎng)的沉降觀測(cè)資料中獲得。然而，在填海工程中，填料一般為疏浚淤泥或黏土，夾有部分砂土和粉土等。在疏浚過(guò)程中土的結(jié)構(gòu)和層理被破壞，土體不再具有均質(zhì)性，其物理力學(xué)性質(zhì)具有顯著的空間變異性。在此情況下，場(chǎng)地的沉降量可能表現(xiàn)出顯著的差異性。因此，有必要根據(jù)有限的沉降觀測(cè)資料推測(cè)整個(gè)場(chǎng)地的工后殘余沉降量，然后決定卸荷的方案。

隨機(jī)場(chǎng)是模擬土體固有空間變異性的一種有效方法，建立在該理論基礎(chǔ)上的條件隨機(jī)場(chǎng)方法提供了一種根據(jù)有限資料插值預(yù)測(cè)巖土工程參數(shù)空間分布的有效手段[3-7]。本研究以廣州填海工程場(chǎng)地為例，將條件隨機(jī)場(chǎng)方法應(yīng)用于該工程的工后殘余沉降量區(qū)域預(yù)測(cè)中，給出了殘余沉降量超出質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的概率空間分布圖，從而為后續(xù)設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計(jì)資料。為實(shí)現(xiàn)這一目的，本文首先介紹了場(chǎng)地的基本工程地質(zhì)條件，然后分析了該項(xiàng)目的沉降監(jiān)測(cè)資料，從而推斷出了各個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工后殘余沉降量。在此基礎(chǔ)上結(jié)合空間變異性分析和條件[JP]插值方法，得到了整個(gè)工程場(chǎng)地的工后殘余沉降量分布圖，并計(jì)算出工后殘余沉降量超過(guò)允許值的概率大小，最終為真空預(yù)壓卸荷方案提供了指導(dǎo)性建議。

1 試驗(yàn)資料

1.1 工程概況

監(jiān)測(cè)場(chǎng)地位于廣州南沙港區(qū)。場(chǎng)區(qū)原地層主要為沖積、沖洪積沉積，主要土層自上而下為：（1）第四系全新統(tǒng)人工填土地層，包括中粗砂、粉細(xì)砂、素填土和淤泥-淤泥質(zhì)土;（2）第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積地層，包括淤泥（混砂）、淤泥質(zhì)土（混砂）、中粗砂和粉細(xì)砂;（3）第四系上更新統(tǒng)沖積-洪積、海相沉積地層，包括黏土-粉質(zhì)黏土、中粗砂和粉細(xì)砂。該區(qū)域場(chǎng)地的淤泥和淤泥質(zhì)土屬于超軟土，含水量極高、壓縮性大、強(qiáng)度及承載力極低，因此需要進(jìn)行地基處理。

1.2 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)方案

為降低場(chǎng)區(qū)軟基的工后殘余沉降量并提高承載力，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了大面積的真空預(yù)壓。為配合真空預(yù)壓，在該場(chǎng)區(qū)搭設(shè)了大量的塑料排水板。塑料排水板間距為1m，呈正方形布設(shè)。場(chǎng)區(qū)上覆砂墊層，形成排水通道。在真空預(yù)壓方案中，膜下真空度維持不低于85kPa，抽真空有效時(shí)間約為85d。在抽真空過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)測(cè)地表沉降量、分層沉降量、土中孔隙水壓力和土體側(cè)向位移。卸荷標(biāo)準(zhǔn)為，按地表沉降曲線推算的固結(jié)度≥90%，且主固結(jié)殘余沉降量≤25cm。

1.3 地表沉降量監(jiān)測(cè)

在研究區(qū)域設(shè)置了144個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄不同預(yù)壓期間的地表沉降量。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面分布圖見(jiàn)圖1（a），相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的最小間距為37m，最大間距為66m。這些間距保證地表的差異沉降能夠被準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出來(lái)。典型的沉降監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖1（b），從該圖中可以看出，在鋪設(shè)砂墊層以后，未施加真空荷載之前，地下土體即開(kāi)始產(chǎn)生沉降。且1個(gè)月內(nèi)的沉降量變化區(qū)間很大，低至20cm，最大可達(dá)80cm左右。在施加真空荷載之后，沉降速率顯著增加，沉降-時(shí)間曲線變化速率顯著加快。這表明，真空預(yù)壓法顯著加快了地基的固結(jié)排水過(guò)程。此后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降量的增加趨于緩慢。在經(jīng)歷3個(gè)月的真空預(yù)壓之后，沉降量趨于穩(wěn)定。然而，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量仍然存在顯著的差異，最低約為0.5m，最大可達(dá)2.1m左右。這一差異是由于土體的非均質(zhì)性所引起的。為得到更加全面的土體沉降量分布規(guī)律，應(yīng)采用空間插值方法得到整個(gè)區(qū)域的沉降量分布圖，從而更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2 軟基工后殘余沉降量空間分布預(yù)測(cè)

工后殘余沉降量為最終沉降量與當(dāng)前沉降量之差。軟基最終沉降量可以根據(jù)沉降曲線推算得到，也可以采用Asaoka方法預(yù)測(cè)得到[8]。圖2給出了根據(jù)各個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線預(yù)測(cè)的工后殘余沉降量分布圖，從該圖中可以看出，所有的殘余沉降量都介于0～35cm之間。在144個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，僅9個(gè)點(diǎn)位處的殘余沉降量超過(guò)允許值25cm，其余都低于這一允許值。這表明，大部分的工后殘余沉降量都達(dá)到了卸荷標(biāo)準(zhǔn)。

此外，殘余沉降量表現(xiàn)出了由南向北逐漸增大的整體趨勢(shì)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合的三維趨勢(shì)面也在下頁(yè)圖2中給出?？臻g插值需要移除這些趨勢(shì)項(xiàng)，對(duì)殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)，以得到更加合理的預(yù)測(cè)結(jié)果。殘余沉降量的殘差定義為殘余沉降量與趨勢(shì)項(xiàng)之間的差。在此假定殘差服從正態(tài)分布，擬合直方圖也在圖2中給出。從圖2中可以看出，正態(tài)分布能夠?qū)堄喑两盗康臍埐钚纬奢^好的擬合，其均值約為0，標(biāo)準(zhǔn)差約為8.00cm。

在工程實(shí)踐中，沉降量分布具有空間相關(guān)性，也即某個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位附近的沉降量趨于接近該觀測(cè)點(diǎn)位附近的觀測(cè)值，而隨著觀測(cè)點(diǎn)與預(yù)測(cè)點(diǎn)之間距離的增大，這一接近程度會(huì)逐漸降低。當(dāng)距離達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，無(wú)法用觀測(cè)點(diǎn)的沉降量去預(yù)測(cè)未觀測(cè)點(diǎn)的沉降量。在隨機(jī)場(chǎng)理論中，這一最大的距離被稱(chēng)為波動(dòng)范圍[3-7]。波動(dòng)范圍的估計(jì)方法有多種，其中較為可靠的是極大似然估計(jì)方法，即在假定殘余沉降量的殘差服從正態(tài)分布的情況下，可以極為方便地估計(jì)出這一波動(dòng)范圍，在得到波動(dòng)范圍之后，可以通過(guò)條件插值得到殘余沉降量的殘差在試驗(yàn)區(qū)域的空間分布規(guī)律，然后采用概率計(jì)算方法得到各個(gè)空間位置處殘余沉降量高出某個(gè)范圍的概率。具體計(jì)算方法見(jiàn)已有文獻(xiàn)[3-7]。本研究即是采用了這一方法。

采用該方法得到殘余沉降量的空間分布圖見(jiàn)圖3（a），相應(yīng)殘余沉降量超過(guò)25cm的概率見(jiàn)圖3（b）。在圖3中，沉降量觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)及根據(jù)Asaoka方法推算的殘余沉降量值以離散的點(diǎn)表示。從圖3中可以看出，整體上，試驗(yàn)場(chǎng)地的殘余沉降量介于0～35cm之間，這是由于條件隨機(jī)場(chǎng)是一種內(nèi)插方法，所預(yù)測(cè)的結(jié)果并不會(huì)超出觀測(cè)數(shù)據(jù)的最小值與最大值范圍。大部分殘余沉降量超過(guò)25cm的概率均低于10%，表明真空預(yù)壓已經(jīng)可靠地達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)。

然而，根據(jù)該分布圖，試驗(yàn)區(qū)的西北、東北和東南四個(gè)角落的殘余沉降量相對(duì)較大，平均約為23cm，局部變化范圍為10～35cm。這表明該局部區(qū)域的殘余沉降量仍然較為顯著，有可能會(huì)超過(guò)允許值25cm。根據(jù)圖3（b）給出的概率分布圖，可以看出該區(qū)域西北角殘余沉降量超過(guò)25cm的概率最高，達(dá)70%以上;東北角殘余沉降量超過(guò)25cm的概率次之，然而也達(dá)到50%以上;東南角殘余沉降量超過(guò)25cm的概率略微低一些，然而也達(dá)到25%以上。

上述分析表明，試驗(yàn)區(qū)的殘余沉降量分布并不均勻，這可能是由于土體的非均質(zhì)性所引起的。真空預(yù)壓的加荷時(shí)間應(yīng)當(dāng)與軟土的厚度和土體內(nèi)部排水通道分布等因素密切相關(guān)。軟土越厚，排水固結(jié)所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，則真空預(yù)壓時(shí)間應(yīng)當(dāng)越長(zhǎng)。當(dāng)土體內(nèi)部分布大量砂夾層時(shí)，真空預(yù)壓期間易形成排水通道，則排水固結(jié)所需要的時(shí)間越短，真空預(yù)壓時(shí)間也就越短。這些因素都受到土體固有空間變異性的影響，填海項(xiàng)目所涉及的疏浚土往往具有顯著的非均質(zhì)性，故在相關(guān)的工程項(xiàng)目中，宜以空間插值方法所得到的區(qū)域分布圖作為參考，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。根據(jù)圖3的結(jié)果，可以得到的結(jié)論是，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，西北、東北和東南這三個(gè)角落的真空預(yù)壓時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)一些，以更進(jìn)一步降低工后殘余沉降量，達(dá)到地基處理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)將條件隨機(jī)場(chǎng)應(yīng)用于廣州某填海工程試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的工后殘余沉降量預(yù)測(cè)中，得到了整個(gè)區(qū)域內(nèi)殘余沉降量的分布，并計(jì)算出了殘余沉降量超過(guò)允許值概率的大小。主要結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)區(qū)土體工后殘余沉降量的變化范圍很大，可能是土體空間變異性非常顯著所致。

（2）試驗(yàn)區(qū)西北、東北和東南三個(gè)角落的殘余沉降量相對(duì)較大，超過(guò)允許值的概率偏高，其真空預(yù)壓時(shí)間應(yīng)相對(duì)更長(zhǎng)一些，以更進(jìn)一步降低工后殘余沉降量，達(dá)到地基處理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）條件隨機(jī)場(chǎng)提供了一種推算地表沉降量區(qū)域分布的可靠方法，宜在填海工程中得到使用，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1][JP]Chu，J.，Yan，S.W.，Indraratna，B.Vacuumpreloadingtechniquesrecentdevelopmentsandapplications[A].In：GeoCongress2008，GeosustainabilityandGeohazardMitigationGPS178[C].NewOrleans，2008.

[2]Indraratna，B.，Rujikiatkamjiorn，C.Sathananthan，I.Analyticalandnumericalsolutionsforasingleverticaldrainincludingtheeffectsofvacuumpreloading[J].CanadianGeotechnicalJournal，2005，42（4）：994-1014.

[3]Li，X.Y.，Zhang，L.M.，Li，J.H.Usingconditionalrandomfieldtocharacterizethevariabilityofgeologicprofiles[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2016，142（4）：04015096.

[4]Xiao，T.，Li，D.Q.，Cao，Z.J.，Zhang，L.M.CPTbasedprobabilisticcharacterizationofthreedimensionalspatialvariabilityusingMLE[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2018，144（5）：04018023.

[5]Dasaka，S.M.，Zhang，L.M.Spatialvariabilityofinsituweatheredsoil[J].Géotechnique，2012，62（5）：375-384.

[6]Zhang，L.M.，Dasaka，S.M.Uncertaintiesingeologicprofilesversusvariabilityinpilefoundingdepth[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2010，136（11）：1475-1488.

[7]Zou，H.F.，Liu，S.Y.，Cai，G.J.，etal.MappingprobabilityofliquefactionusinggeostatisticsandfirstorderreliabilitymethodbasedonCPTUmeasurements[J].EngineeringGeology，2017（218）：197-212.

[8]Mesri，G.，HuvajSarihan，N.TheAsaokamethodrevisited[A].Proceedingsofthe17thInternationalConferenceonSoilMechanicsandGeotechnicalEngineering[C].Alexandria，Egypt，2009.