謝賽軍

（通號(hào)建設(shè)集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)沙410205）

0 引言

隨著鄉(xiāng)縣城市化的進(jìn)程，城市公共建筑的建設(shè)發(fā)展如火如荼，土地資源變得越來(lái)越緊缺，這就使得一些大面積的軟土地基不得不被利用起來(lái)。大面積的軟土地基含水量極大，整體不均勻沉降現(xiàn)象非常嚴(yán)重，常常會(huì)出現(xiàn)地基坍塌的情況，嚴(yán)重影響了建筑物使用過(guò)程中的安全、適用與耐久性能。為了改善大面積軟土地基的物理與力學(xué)性能，在真空預(yù)壓方法的基礎(chǔ)上，聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法去提高軟基承載力。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理方法改善了土體的物理性質(zhì)，具有更好的承載力［1］。

軟基通過(guò)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法處理，一般由實(shí)測(cè)的地基沉降數(shù)據(jù)去計(jì)算預(yù)測(cè)地基的沉降趨勢(shì)曲線。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種軟土路基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)處理以及預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究。段天驍［2］重點(diǎn)研究了時(shí)距與數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響，發(fā)現(xiàn)時(shí)距越短，數(shù)據(jù)越多時(shí)，用雙曲線法精度最高。Hu等人［3］發(fā)現(xiàn)以砂石作為路基填料，路基沉降在1 年后才能穩(wěn)定。李群［4］利用最小二乘法求解提高Richards 模型的預(yù)測(cè)精度。劉珣［5］采用Midas 計(jì)算模型對(duì)軟土地基進(jìn)行沉降量預(yù)測(cè)分析，通過(guò)與實(shí)測(cè)值得對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了Midas計(jì)算模型的適應(yīng)條件。何小飛［6］通過(guò)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算取值的方法去計(jì)算軟土地基的最終沉降量，發(fā)現(xiàn)雙曲線函數(shù)法適用于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)推算沉降的方法。張文婷［7］通過(guò)雙曲線方法計(jì)算基礎(chǔ)沉降量的過(guò)程中，為軟土地基承載卸載提供了施工依據(jù)。李治朋等人［8］通過(guò)對(duì)比雙曲線法與三點(diǎn)法預(yù)測(cè)軟基承載力，發(fā)現(xiàn)雙曲線法預(yù)測(cè)沉降量與實(shí)測(cè)法更為接近。各學(xué)者對(duì)軟基沉降的預(yù)測(cè)研究很多，但是對(duì)沉降預(yù)測(cè)的結(jié)果還存在很大的不確定性，不同的計(jì)算模型的沉降量預(yù)測(cè)精度有所不同，需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

基于經(jīng)驗(yàn)雙曲線法、Asaoka 法、三點(diǎn)法3 種計(jì)算模型，結(jié)合最小二乘法求解參數(shù)的計(jì)算方法，分別研究3 種計(jì)算模型的地基沉降預(yù)測(cè)，對(duì)比分析實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3種計(jì)算模型地基沉降預(yù)測(cè)的精度有所差別，最小二乘法求解參數(shù)的計(jì)算方法能提高地基沉降預(yù)測(cè)精度。

1 工程概況

1.1 地基環(huán)境

某工程項(xiàng)目軟基處理總面積為50 萬(wàn)m2，采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法，由淺至深，由表往內(nèi)進(jìn)行地基處理。工程項(xiàng)目的地基含水率很高，約在1.5～2.0倍，無(wú)砂性顆粒含量50%左右，膠粒含量30%左右，礦物成份以石英、伊利石、蒙脫石為主，有機(jī)質(zhì)含量約在1%。該層頂標(biāo)高約在5 m 左右，平均厚度約為8.5 m。工程地基土的物理特性試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 吹填淤泥及真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后淤泥物理試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Physical Test Results of Dredger Fill Silt and Sludge after Vacuum Combined with Surcharge Preloading

1.2 地基加固

1.2.1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓參數(shù)設(shè)置

采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓區(qū)的面積為276 178 m2的吹填淤泥區(qū)域。設(shè)計(jì)預(yù)壓荷載在真空膜下1.5 m 厚砂墊層，以及膜上0.5 m 厚砂墊層及2.5 m 厚土石料堆載，抽真空膜下真空度不低于85 kPa，總的預(yù)壓荷載為161.5 kPa，使用荷載為50 kPa。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓抽真空有效時(shí)間為210 d。堆載卸載標(biāo)準(zhǔn)可按固結(jié)度不低于80%，且沉降速率不大于4 mm/d的要求后方可卸載。

1.2.2 加固后的物理試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后取淺層的淤泥（或淤泥質(zhì)土）進(jìn)行土工試驗(yàn)，物理參數(shù)如表1所示。

對(duì)比分析表1，在加固后，土的工程物理性質(zhì)有顯著改善，主要表現(xiàn)在：

⑴含水率由181%降至約66.9%，濕密度由1.25上升至1.58左右，可見(jiàn)軟弱吹填淤泥層得到有效加固；

⑵液性指數(shù)由4.08 下降至1.14 左右，說(shuō)明其流動(dòng)性越來(lái)越低；

⑶土體孔隙比由5.62 減小至1.88 左右，證明軟土經(jīng)排水加固后得到良好效果。

2 沉降預(yù)測(cè)分析模型

2.1 經(jīng)驗(yàn)雙曲線法

經(jīng)驗(yàn)雙曲線法是沉降速率以雙曲線的形式逐漸變小的推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)方法，是軟基沉降量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測(cè)的最終沉降量關(guān)系如式⑴所示［9］。

選擇恒載后的第1 d的沉降數(shù)據(jù)為計(jì)算起點(diǎn)，第td對(duì)應(yīng)的地基沉降量為St，軟基沉降量關(guān)系如式⑵所示［9］。

式中：S∞為地基最終沉降量；S0為t=0 時(shí)的地基沉降量；St為對(duì)應(yīng)t時(shí)刻的地基沉降量；α、β為與地基及荷載有關(guān)的常數(shù)，可按式⑷、式⑸計(jì)算；t為從恒時(shí)間T0開(kāi)始的時(shí)間（d），下同。

計(jì)算參數(shù)α、β，可將式⑵轉(zhuǎn)換成式⑶。

令y=1/（St-S0），x=1/t，則式⑶轉(zhuǎn)換為y=β+αx，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用最小二乘法可以求出參數(shù)α、β：

式中；n為x的個(gè)數(shù)，即恒載T0之后沉降測(cè)量的次數(shù)，字母上橫杠表示平均值。

計(jì)算相關(guān)性判定系數(shù)R式中：r為相關(guān)系數(shù)。

當(dāng)式⑹中計(jì)算的R≥0.90 時(shí)，表明相關(guān)性好；當(dāng)0.90＞R≥0.6 時(shí)，表明相關(guān)性一般；當(dāng)R＜0.6 時(shí)，表明相關(guān)性差。

2.2 Asaoka法

Asaoka 法［10］就是利用沉降數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行求解，求得的參數(shù)推算出預(yù)測(cè)的沉降量。

⑴選擇恒載后的第1 d（或隨后2～7 d 中任意一天）的沉降數(shù)據(jù)為計(jì)算起點(diǎn)，令該時(shí)間對(duì)應(yīng)的地基沉降量為初值S1。

⑵選擇間隔時(shí)間段△t，一般7 d≤△t≤20 d。

⑶ 計(jì)算時(shí)間ti=t1+（i-1）×△t，對(duì)應(yīng)的沉降量為Si（1≤i≤j），統(tǒng)計(jì)S共有j個(gè)數(shù)據(jù)。

令x=（S1，S2，…，Sj-1），y=（S2，S3，…，Sj），假定y=β+αx，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)S使用最小二乘法可以求出參數(shù)α、β，同樣采用式⑷、式⑸及式⑹可分別計(jì)算出α、β及擬合的相關(guān)性判定系數(shù)R（此處計(jì)算時(shí)取n=j-1，字母上的橫杠表示平均值）。

則令y=x時(shí)，可計(jì)算得到最終沉降量：

2.3 三點(diǎn)法

三點(diǎn)法就是固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法，三點(diǎn)法選取的沉降數(shù)據(jù)點(diǎn)不同，可能會(huì)造成固結(jié)度計(jì)算以及沉降預(yù)測(cè)的差異。

⑴選擇恒載后的第1 d的t1（或隨后2～7 d中任意1天）為計(jì)算起點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的沉降量為S1。

⑵選擇計(jì)算終點(diǎn)日期t3，并自動(dòng)確定相應(yīng)的沉降量S3。

⑶ 計(jì)算確定中間點(diǎn)t2=（t1+t3）/2，注意t2為日期值，取整數(shù)，并自動(dòng)確定該時(shí)間相對(duì)應(yīng)的沉降量為S2，推算出地基最終沉降量：

3 沉降預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

3.1 實(shí)測(cè)方法

軟基表層沉降實(shí)測(cè)值通過(guò)測(cè)量地表沉降量及沉降過(guò)程，對(duì)軟基安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分層分級(jí)應(yīng)對(duì)［11］，同時(shí)掌握土體在荷載作用下的沉降變形，通過(guò)人工監(jiān)測(cè)沉降板測(cè)得的沉降數(shù)據(jù)具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓期間地表沉降與時(shí)間關(guān)系曲線Tab.2 Relationship between Surface Settlement and Time during Vacuum Combined Surcharge Preloading

3.2 3種模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)軟基在恒載預(yù)壓210 d 的情況下，結(jié)合軟基預(yù)壓沉降數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值，通過(guò)最小二乘法求解經(jīng)驗(yàn)雙曲線法、Asaoka 法及三點(diǎn)法3 個(gè)模型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，最后通過(guò)模型預(yù)測(cè)的沉降值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖1 所示，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1 3種方法沉降預(yù)測(cè)值與沉降實(shí)測(cè)值擬合曲線Fig.1 Fitting Curve of Settlement Predicted Value and Settlement Measured Value by Three Methods

由圖1 可知，3 種方法沉降的預(yù)測(cè)值擬合曲線與沉降實(shí)測(cè)值擬合曲線趨勢(shì)較為一致，3 種方法都可以很好地預(yù)測(cè)后期沉降值。

由表3 可知，經(jīng)驗(yàn)雙曲線法的預(yù)測(cè)最終沉降值與實(shí)測(cè)最終沉降值較為接近，偏差率為4.2%，Asaoka 法沉降預(yù)測(cè)最終值與實(shí)測(cè)值最終沉降值相差最大，偏差率為7.3%，三點(diǎn)法沉降預(yù)測(cè)最終值與實(shí)測(cè)值最終沉降值相差較大，偏差率為6.3%。通過(guò)比較，此工程項(xiàng)目的大面積軟基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的沉降預(yù)測(cè)精度上，經(jīng)驗(yàn)雙曲線法的沉降預(yù)測(cè)精度最高，三點(diǎn)法次之，As?aoka法沉降預(yù)測(cè)精度最差。

表3 3種模型沉降預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.3 Settlement Prediction Results of Three Models

4 結(jié)論

結(jié)合某工程項(xiàng)目大面積軟基的含水率很高，地基承載力差，地基土的物理特性不良的情況下，在真空預(yù)壓的地基處理方法的基礎(chǔ)上，聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法去改善地基土的物理與力學(xué)性能，同時(shí)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)雙曲線法、Asaoka 法以及三點(diǎn)法模型去預(yù)測(cè)軟基的地表沉降，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析對(duì)比，可以得到以下結(jié)論：

⑴真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法可以有效地處理大面積的軟基，軟弱吹填淤泥層得到有效加固，地基土的物理性能得到顯著的改善。

⑵通過(guò)對(duì)比3種方法預(yù)測(cè)基礎(chǔ)的沉降，可以發(fā)現(xiàn)3種方法預(yù)測(cè)沉降的擬合曲線與實(shí)測(cè)值擬合曲線較為一致，預(yù)測(cè)最終沉降值與實(shí)測(cè)最終沉降值偏差都相對(duì)較小，但經(jīng)驗(yàn)雙曲線法的沉降預(yù)測(cè)精度最高，三點(diǎn)法次之，Asaoka法沉降預(yù)測(cè)精度最差。