于 濤

（中郵通建設咨詢有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引 言

大量高等級公路、高速鐵路的建設要穿越軟土地區(qū)，然而軟土地基的變形問題甚為復雜。路堤下地基的變形包括豎向沉降和側向水平向變形[1]。水平變形關乎地基的穩(wěn)定性，但是目前研究重點集中在精準預測路堤的工后沉降方面，忽略了水平變形對沉降的影響，從而導致其相關研究鮮少報道。

HARRY[2]、SMADI[3]、TAVENAS 等[4]分別以彈性理論為基礎提出了軟基側向變形的計算方法，總結了全施工周期內路基側向變形與路堤沉降的擬合關系。國內眾多學者經(jīng)實踐和理論研究[5-7]認為路堤填筑期軟土地基側向位移與軟土成因、軟土沉積地層、地基土非線性應力-應變特性、軟土滲透性、路堤填土性狀、路堤填筑速率、地基處理方法等因素均有直接關系。就上述因素，進一步考慮軟土厚度、軟土厚度與填土高度比值等因素，在原位變形觀測數(shù)據(jù)的基礎上獲得了上述各因素對側向變形的影響規(guī)律[8]。并且結合不同沉積環(huán)境下的軟土地基上修筑高速公路的實測變形數(shù)據(jù)進行了深入分析，簡單總結了塑料排水板、粒料樁、高壓旋噴樁和預制樁處理方式下深層水平位移在路堤填筑的全壽命周期內的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，提出在路堤上覆堆載作用下軟基側向水平向位移隨深度變化呈“弓”字型[9]，指數(shù)函數(shù)來反映側向位移沿深度方向的分布特征是較為合適的[10]。上述研究多見于浙江[11]、山東[12]、上海[13]、廣州[14]等地的淺水澙湖相、海陸交會相、三角洲相、東部沿海濱海相軟土。而四川地區(qū)軟土屬于山地型軟土，物理指標較我國部分沿海地區(qū)低，而力學指標要高[15]。對其變形特性研究相對較少，仍然遵循華東沿海地區(qū)的工程經(jīng)驗。

本文依托四川省某一在建高速公路項目，梳理典型斷面的深層水平位移觀測數(shù)據(jù)，分別歸結側向水平位移隨埋深和時間的變化規(guī)律，以提出相應的預測模型。

1 工程概況

項目高速公路穿越成渝雙城經(jīng)濟區(qū)的核心地帶，意為助力區(qū)域建設而興建，線路全長130 km，主線路面寬24.5 m，雙向四車道，填筑高度為5～10 m。據(jù)統(tǒng)計全線軟基150余處，沿線軟土地基呈槽狀均勻分布在山間間隔（圖 1）。研究區(qū)域地表以下巖土體的分層、工程性狀及巖土體物理力學參數(shù)統(tǒng)計見表1。

圖1 研究區(qū)軟土地基山間間隔分布照片F(xiàn)ig. 1 Photos of mountain interval distribution of soft soil foundation in the study area

表1 巖土體物理力學參數(shù)均值Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

研究區(qū)地基軟土成因以第四紀殘坡積、沖洪積為主，為高、低液限黏土。從表1可見，其天然含水率在液限、塑限之間，為可塑性黏土，結合孔隙比、強度等指標可認為該區(qū)黏性土具含水率高、強度低、壓縮能力中等特點。同時，對比我國其他地區(qū)軟土的性狀，研究區(qū)天然含水率均值為 25%～35.1%，小于液限，大于塑限，為可塑狀態(tài)；孔隙比均值分別為0.7，1.0；壓縮系數(shù)均值分別為0.35，0.6；黏聚力均值分別為32.1，10.5；摩擦角均值分別為13.2，6.1。這些指標都說明該區(qū)軟土具有高含水率、高液限、低強度、中等壓縮性等特點。但該區(qū)高低液限黏土的軟土物理指標較我國部分沿海地區(qū)低，而力學指標要高?？芍芯繀^(qū)軟土物理指標較我國部分沿海地區(qū)低，而力學指標要高。

全線軟土地基根據(jù)黏土層厚度、路堤填筑高度等因素，處理方式設計有換填、碎石樁、塑料排水板。碎石樁處理采用正三角形布設，間距為 1.5 m，處理深度以超過勘探揭露的軟土層厚度為標準。碎石樁加固軟基的相關參數(shù)見表2所示。

表2 碎石樁相關加固參數(shù)Table 2 Parameters related to consolidation calculation of gravel column

2 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)處理方式

為了探究碎石樁處理后軟土地基深層水平位移在路堤填筑過程中發(fā)生發(fā)展規(guī)律，選取 10處典型斷面在其路堤邊坡坡腳處打設鉆孔并埋設了深層水平位移監(jiān)測設備（圖 2），測斜儀精度為±0.02 mm/500 mm，每個測斜孔根據(jù)軟土層厚度不同布設 10～15個測斜元件，采用自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)填筑階段不同而分期設定（每層填筑完成后的 1～2 d內每10 min采集一次數(shù)據(jù)，非填筑期每60 min采集1次數(shù)據(jù)）。

圖2 典型監(jiān)測斷面Fig. 2 Horizontal displacement monitoring equipment

最終通過水平位移-深度-時間關系、最大水平位移發(fā)育位置等來獲得碎石樁處理軟土路基側向變形規(guī)律與預測計算模型。

3 觀測結果分析

通過對路堤填筑期和預壓期觀測了近1年的時間，獲得了大量的有效水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)。分析時解析篩選了代表性時間段的數(shù)據(jù)開展深入分析，10處典型斷面的觀測結果見表3。分析時以K127+520監(jiān)測結果（見圖3）為主進行簡要說明。

表3 側向水平位移觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of lateral horizontal displacement observation data

（1）深層水平位移監(jiān)測元件埋設時路堤均已有1～2 m的回填高度，分析中暫時忽略已填高度對土體水平位移的影響。從圖3可見，隨著路堤填筑高度的增加，土體深層水平位移逐漸增大，從地表到基底表現(xiàn)為先增大后減小的“凸”型變化，最大側向水平位移為10 mm，距離地表1.5～2.5 m處變化劇烈，位于整個軟土埋深的中上部，這主要是受荷載的傳遞深度影響而導致的。碎石樁增加了土體排水途徑，使孔隙水壓力的消散時間減少，即每次填筑完成后很快完成有效應力的轉化，降低了軟基的變形量，路堤每層填筑完成后其軟基的變形可以在很短的時間內達到一個穩(wěn)定值。

（2）同時對各個斷面在堆載預壓后期觀測結果進行統(tǒng)計顯示：約有50%的監(jiān)測斷面?zhèn)认蛭灰拼嬖凇盎乜s現(xiàn)象”，回縮率在10%左右，有5～8 mm。表明經(jīng)碎石樁處理的軟土地基在監(jiān)測后期普遍存在“回縮現(xiàn)象”，且較為明顯。究其原因為土體在固結后期，隨著土體孔隙水排出，土體有效應力增加，土體固結排水引起的側向收縮大于剪應力引起的側向變形。但應注意在后期排水減小引起的再次向外鼓脹。

（3）隨時間變化，最大側向水平位移與時間呈非線性變化（圖3），曲線存在3個階段的變化，A 區(qū)域為填筑前期，Δym=ΔSD（在路堤填筑過程中側向變形增量（Δym）隨路中沉降增量（ΔSD））；B區(qū)域為Δym=0.15ΔSD，此階段地基土體固結排水較慢，大部分變形發(fā)生在此階段；C區(qū)域為固結階段，此階段為長期排水階段，Δym=0.3ΔSD。

圖3 水平位移觀測曲線Fig. 3 Horizontal displacement curve

4 側向水平位移預測模型

4.1 沿深度方向預測模型

通過對碎石樁處理后軟土路堤荷載作用下側向水平位移隨深度從地表到基底表現(xiàn)為先增大后減小的“凸”型變化，在已有學者研究的基礎上，引用以下復合函數(shù)形式對碎石樁處理后軟土地基側向位移進行預測，如式（1）：

式中：y為側向位移量；z為深度；a、b、c為待定參數(shù)。圖4為各參數(shù)變化后預測模型曲線。

從圖4可以看出，a主要反映了最大水平位移變化的數(shù)值，與加載量級有關；b主要反映了側向變形的影響深度，與監(jiān)測深度有關；c主要反映曲線位置的整體平行，同時增加數(shù)據(jù)擬合的靈活性。表4為本文預測曲線在填筑完成后對最大位移位置的預測結果對比（其中a=10，b=1，c=0.05）。

圖4 預測公式影響因素曲線Fig. 4 Influence factor curve of prediction formula

從表 4可見，y=a×z-b×e-cz曲線能很好的擬合碎石樁處理后軟土地基側向變形情況。對本項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，預測模型與監(jiān)測情況較相吻合，擬合度較好，基本在監(jiān)測所獲深度的范圍內。

表4 預測模型預測結果對比Table 4 Comparison of prediction results of prediction models

4.2 沿時間尺度的預測模型

對于最大土體深層水平位移隨時間呈“S”形分布（圖3）變化的特點，本文選擇“S”形成長曲線作為最終的預測模型，見式（2）。根據(jù)文獻[16]相關論述，得出參數(shù)c、r用來增加數(shù)據(jù)擬合的靈活性，控制最終側向位移的作用，r一般取值在0.1～1之間。另外，由于“S”形成長曲線單調遞增性，當時間t趨近于無窮大時，式（2）趨近于a，故在計算中可先確定a，并通過最小二乘法進一步確定其他參數(shù)。

式中：y(t)為t時刻的沉降量；a、b、c為待定系數(shù)。

如若采用式（2）進行預測分析，對于本例而言，r可取0.5，a=16～20，b=3.5～4，c=0.4～0.43。預測結果見圖5所示，可見，預測模型與實測數(shù)據(jù)較為吻合。

圖5 K127+520斷面預測結果（擬合度95%）Fig. 5 Prediction results of K127 + 520 section

5 結 論

基于四川省某高速公路項目，梳理典型斷面的深層水平位移觀測數(shù)據(jù)，分別總結側向水平位移隨埋深和時間的變化規(guī)律，提出了相應的預測模型。研究表明：

（1）側向水平位移隨深度成“上凸”形變化，近地表處側向位移變化劇烈，且破壞是從軟土地層最大側向位移點逐漸向下發(fā)展的；在堆載預壓后期普遍存在較為明顯的“回縮現(xiàn)象”。

（2）最大側向水平位移隨時間呈“S”形分布，最大側向位移發(fā)生點基本保持不變，Δym/SD在路堤施工各個階段呈現(xiàn)不同變化特點。

（3）根據(jù)水平位移和水平位移最大值隨深度的變化特點，分別提出“凸”形曲線進行預測變化明顯深度的范圍和“S”形曲線預測最終水平位移量，上述預測模型與實測數(shù)據(jù)較為吻合。