劉光慶 葛紅斌 劉海旺 涂 園 王奎華

(1.福建兆翔機場建設(shè)有限公司, 福建廈門 361001； 2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院， 杭州 310058)

近年來，我國的民用航空行業(yè)發(fā)展迅速，尤其在近海海域的民航機場建設(shè)方面發(fā)展迅猛。在近海海域機場工程的建設(shè)過程中，地基沉降問題需要特別關(guān)注，這將影響到機場的設(shè)計、施工和運營階段全過程的安全性[1]。當(dāng)前，近海海域機場建設(shè)中地基工程主要有以下幾個難點：1)近海海域的大規(guī)模填海工程帶來大量填土荷載引起的地基沉降問題；2)近海海域地基中常存在淤泥層等物理力學(xué)性質(zhì)較差的土層，其固結(jié)較慢，引起的工后沉降和差異沉降過大等問題；3)機場建設(shè)面積大，各功能區(qū)的沉降要求不同，地層分布差異大，不易全面準(zhǔn)確地預(yù)測和掌握全場區(qū)的地基沉降情況。為了解決這些問題，對機場建設(shè)過程中的沉降進(jìn)行預(yù)測顯得尤為重要。

目前，研究人員在機場建設(shè)的地基沉降問題上主要從實測沉降曲線擬合分析[2-5]、模型試驗[6]、理論解析法[7-8]以及有限元模擬[9-10]等方面開展研究，并已取得一定的成果。吳彪等在理論計算方面，通過簡化參與沉降計算的巖土層數(shù)量與總沉降的計算方法，得出軟土地基機場合適的沉降修正系數(shù)值，并得出符合沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的堆載預(yù)壓參數(shù)[11]；韓培鋒等通過強夯試驗?zāi)M飛機起飛降落時荷載循環(huán)沖擊，研究了軟土地區(qū)機場跑道沉降變形對機場安全運行造成影響，并發(fā)現(xiàn)隨著沖擊荷載次數(shù)加，軟土的沉降量開始快速增大，隨后沉降量增速減緩[12]；吳王剛等研究了三種實測沉降曲線擬合法(指數(shù)曲線、對數(shù)曲線和雙曲線) 預(yù)測軟土地基的效果，并將預(yù)測結(jié)果與成都天府國際機場某試驗段監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測周期內(nèi)不同監(jiān)測時間段和不同軟土厚度，三種預(yù)測方法的誤差規(guī)律不同[13]；潘林有等分析比較了四種曲線擬合法的基本原理及其特點，并根據(jù)多個工程實測沉降資料，研究了這四種方法的適用條件以及優(yōu)缺點，提出了應(yīng)用曲線擬合方法預(yù)測實際工程地基沉降的具體技術(shù)思路[14]；何春保等通過試驗研究了潮汕機場軟土地基處理效果及沉降規(guī)律，并提出了適用于潮汕機場軟土地基處理沉降估算算式[15]；孫晨等以重慶機場為例建立理論模型并進(jìn)行數(shù)值分析，得到地形影響沉降變形的基本特征，并開展離心機模型試驗，研究高填方填筑體沉降變形的特點，為后續(xù)的高填方工程提供指導(dǎo)等[16]；張云冬等研究了真空預(yù)壓地基土體的沉降發(fā)展規(guī)律等[17]。

然而，在已有的研究中，對機場施工建設(shè)過程中的沉降預(yù)測方面缺乏系統(tǒng)的研究，在沉降預(yù)測時一般采用單一的計算預(yù)測方法，尤其在軟土地基機場建設(shè)方面的沉降預(yù)測方面缺乏有效的計算方法?；趶B門某在建軟土地基填海機場工程，根據(jù)實測沉降，分別從曲線擬合法、理論解析法和有限元數(shù)值模擬法三個方面對機場建設(shè)過程中的沉降量和工后沉降進(jìn)行預(yù)測，并對三種計算方法的預(yù)測沉降量對比分析，得出機場不同功能區(qū)的沉降分布特點，對類似填海機場的沉降預(yù)測方面提供一些借鑒。

1 工程概況

某機場位于廈門本島以東海域、翔安區(qū)東南方向，北與泉州南安相望，南與臺灣省金門島一衣帶水，西與廈門本島遠(yuǎn)眺，東與角嶼島相近。場區(qū)范圍包括大嶝島東部部分陸地、大小嶝島間的淺灘區(qū)及大嶝島周邊的部分海域。距離廈門島市中心直線距離約25 km，距泉州約44 km，距漳州約72 km，機場主要為填海造地形成，填海區(qū)域分布有厚薄不一的軟土層，而機場建設(shè)范圍大，機場范圍內(nèi)存在大面積軟土分布。軟土本身具有高壓縮性、低強度等特性，易產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降。

1.1 工程地質(zhì)條件

圖1 機場跑道地基的典型剖面

機場范圍內(nèi)的軟土厚度分布情況如圖2所示。為加速地基軟土固結(jié)，達(dá)到機場建設(shè)沉降設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在填海完成后，采用插板排水堆載預(yù)壓加強夯的方式進(jìn)行地基處理，并在地基預(yù)壓階段在全場區(qū)設(shè)置沉降板進(jìn)行沉降監(jiān)測。

圖2 淤泥厚度分布情況

1.2 功能分區(qū)和計算測點

新機場計劃分兩期實施建設(shè)，首期將建設(shè)北一跑道、南一跑道兩條遠(yuǎn)距平行跑道和T1航站樓及配套交通工程，遠(yuǎn)期將建設(shè)北二、南二跑道和T2、T3航站樓及配套交通工程。為了掌握不同功能區(qū)的地基處理效果和沉降特性，按照不同功能區(qū)將全場區(qū)的土地標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功能區(qū)劃分，分別為飛行跑道區(qū)(北一跑道、北二跑道)、聯(lián)絡(luò)道和站坪區(qū)、土面區(qū)和建筑區(qū)四個主要部分，其中建筑區(qū)(航站樓)設(shè)計采用樁基礎(chǔ)，工后沉降易控制到較小程度，未進(jìn)行沉降預(yù)測。表 1給出了不同功能區(qū)代表性測點預(yù)壓階段監(jiān)測沉降量。

表1 不同功能區(qū)典型測點預(yù)壓階段監(jiān)測沉降量

2 沉降計算預(yù)測方法

2.1 實測沉降曲線擬合法

研究發(fā)現(xiàn)，地基的沉降量與沉降時間表現(xiàn)出一定的規(guī)律性?；诖?，可以借助曲線擬合的方法來處理地基沉降數(shù)據(jù)，最終得到地基沉降的預(yù)測算式，來對未來的沉降發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，此沉降計算方法即為基于實測沉降觀測資料的曲線擬合沉降預(yù)測方法。

目前的預(yù)測方法都是以式(1)為基礎(chǔ)：

st=sd+(s∞-sd)f(t)

(1)

式中：st為時間t時的沉降量；sd為瞬時沉降量；s∞為最終沉降量(由沉降曲線推算的沉降量)；f(t)為與時間t有關(guān)的函數(shù)。

根據(jù)f(t)的函數(shù)形式，可分為不同的預(yù)測模型，經(jīng)過對場區(qū)內(nèi)大量測點的實測沉降-時間曲線擬合后，認(rèn)為最適合機場地基中的預(yù)測模型為指數(shù)曲線法。此時的f(t)為：

f(t)=1-e-α(t-t0)

(2)

式中：α為擬合系數(shù)，取值與沉降數(shù)據(jù)有關(guān)，利用MATLAB編程可直接返回該值，然后利用該值對進(jìn)一步的沉降發(fā)展作預(yù)測；t0是指最后一級荷載開始的時間(天數(shù))。

2.2 理論解析方法

2.2.1一維固結(jié)理論和流變模型

采用一維固結(jié)理論進(jìn)行固結(jié)沉降分析，計算原理采用Yin-Granham等效時間線流變模型[18](圖3)，在等效時間線模型中，彈性應(yīng)變與有效應(yīng)力的關(guān)系構(gòu)成瞬時時間線，用方程表示為：

圖3 平行等效時間線流變模型示意

(3)

彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變之和為彈塑性應(yīng)變，其與有效應(yīng)力的關(guān)系構(gòu)成參考時間線，用方程表示為：

(4)

黏性應(yīng)變與時間的關(guān)系構(gòu)成平行的等效時間線族，用方程表示為：

(5)

(6)

式中：te為計算時間。

2.2.2排水板等效一維固結(jié)

在地基處理設(shè)計方案中采用打設(shè)豎向排水板的方法加速地基固結(jié)速率，在一維固結(jié)理論中為考慮排水板對固結(jié)速率的影響，以等效的豎向滲透系數(shù)進(jìn)行計算分析。

考慮將淤泥層的三維固結(jié)系數(shù)等效為一維固結(jié)系數(shù)，其計算式如式(7)，其他相關(guān)計算參數(shù)值如表2所示。

(7)

其中對于理想井:

考慮井阻和涂抹作用:

式中：cv和ch分別為豎向和水平向固結(jié)系數(shù)；n為井徑比；kh為土體水平向滲透系數(shù)；ks為砂井材料滲透系數(shù)；de為砂井影響區(qū)直徑；h為土體最大豎向排水高度。

表3給出了排水板等材料的相關(guān)計算參數(shù)。表2中的滲透指數(shù)是在描述土體孔隙比與滲透系數(shù)之間的非線性關(guān)系中所使用的過程參數(shù)，由于堆載過程中的土體孔隙比在變化，所引起的滲透性也發(fā)生變化[18]。

表2 一維固結(jié)沉降計算相關(guān)地質(zhì)參數(shù)取值

表3 排水板計算參數(shù)

2.3 有限元模型分析

采用ABAQUS有限元法對預(yù)壓土體的固結(jié)問題進(jìn)行分析，ABAQUS可以對土體的滲流和變形進(jìn)行耦合分析，研究土體的固結(jié)問題。ABAQUS進(jìn)行土的固結(jié)分析時，可以考慮土的非線性，即可以采用土的任何本構(gòu)關(guān)系，可以考慮土體的大變形固結(jié)，進(jìn)行飽和土體的固結(jié)計算。以北一跑道A區(qū)附近區(qū)域為例詳細(xì)說明建模過程，其余區(qū)域的建模與之相似。北一跑道A區(qū)位于機場填海二期區(qū)域，軟土厚度范圍0～3 m。選擇監(jiān)測點SS13-84(距跑道軸線15 m)、SP1-5(距跑道軸線35 m)，位于同一橫斷面上，如圖4所示。

圖4 北一跑道上勘探孔位置示意

由該沉降監(jiān)測點附近的勘探資料(勘探孔SZ186，勘探斷面16—16)可以得到地層分布，淤泥厚度為2.64 m，粉質(zhì)黏土厚為3.7 m，殘積砂質(zhì)黏土厚為10.3 m，全風(fēng)化花崗巖厚為11.3 m(只考慮到全風(fēng)化巖層以上)。土體屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖土體模型，并考慮土體理想彈塑性變形，填土區(qū)域選擇平面應(yīng)變CPE單元，地基區(qū)域選擇孔壓單元CPE4P。所建地基及填土模型有限元網(wǎng)格圖如圖5所示。

圖5 地基及填土模型有限元網(wǎng)格

利用ABQUS單元生死功能，可實現(xiàn)對地基分級加載。各級堆載下的地基沉降變形情況見圖6，為顯示地基變形效果，圖中的地基變形設(shè)置顯示比例較大。

a—第一級堆載; b—第二級堆載;c—第三級堆載; d—第四級堆載。

3 沉降計算結(jié)果與對比

3.1 曲線擬合法預(yù)測效果

指數(shù)曲線實測沉降擬合法可在MATLAB程序中完成，圖7是部分?jǐn)M合測點與實測沉降結(jié)果的對比情況，其中起始擬合時間為最后一級預(yù)壓荷載填土完成開始，一直到沉降監(jiān)測停止結(jié)束。

a—P2-3點； b—P2-5點； c—P2-28點； d—P2-37點。

3.2 理論分析法預(yù)測結(jié)果

由于同一勘探孔附近的地基上的填土荷載基本相同，因此理論分析得到的地基沉降結(jié)果僅與地層條件有關(guān)，部分勘探孔及附近的測點沉降理論計算結(jié)果與實測沉降曲線的對比情況如圖8所示。

a—探孔P2-31、P2-7； b—探孔SP1-8、SP1-9、SP1-10； c—探孔P2-40、P2-42。

3.3 有限元分析預(yù)測結(jié)果

有限元計算基于單個測點的荷載及地層條件進(jìn)行的，考慮了荷載的分級加載過程。部分測點的計算結(jié)果與實測曲線對比情況見圖9～11。

圖9 測點P2-39沉降計算結(jié)果與實測對比(淤泥厚度10.9 m)

圖10 測點P2-31沉降計算結(jié)果與實測對比(軟土厚度11.3 m)

4 沉降預(yù)測計算結(jié)果對比

根據(jù)上述三種沉降計算方法，對機場全場區(qū)的堆載預(yù)壓期的沉降現(xiàn)狀進(jìn)行計算，并根據(jù)堆載預(yù)壓期的沉降計算結(jié)果，對堆載預(yù)壓期固結(jié)度的計算結(jié)果進(jìn)行對比，分析三種方法的結(jié)果的準(zhǔn)確程度，用于指導(dǎo)機場后續(xù)施工及運行荷載作用下的工后沉降。堆載預(yù)壓期的固結(jié)度，是指在最后一級填土荷載作用下，地基土體的平均固結(jié)度，用以判斷堆載預(yù)壓期主固結(jié)沉降是否達(dá)到穩(wěn)定，檢驗是否達(dá)到地基處理的預(yù)期效果。按JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》要求，一般堆載預(yù)壓處理地基設(shè)計的平均固結(jié)度不宜低于90%。以下給出了各功能區(qū)部分測點在堆載預(yù)壓期的固結(jié)度，固結(jié)度預(yù)測的時間統(tǒng)一至2019年6月1日，即該時間點下的各區(qū)域堆載期的平均固結(jié)度。結(jié)果表明，不同沉降測點的預(yù)測沉降和平均固結(jié)度的計算結(jié)果差異不大，而且主固結(jié)基本完成。

表4 部分測點沉降預(yù)測結(jié)果對比情況

5 結(jié)束語

依托廈門某在建機場項目，通過指數(shù)曲線擬合法、考慮流變模型的一維理論解析法和有限元數(shù)值法三種沉降預(yù)測計算方法，計算了填海機場軟土地基預(yù)壓固結(jié)期的沉降量及平均固結(jié)度，并與實測沉降曲線進(jìn)行對比分析，得出的主要結(jié)論如下：

1)三種預(yù)測方法計算得到的沉降量及固結(jié)度差異不大，能夠較為準(zhǔn)確地說明機場地基堆載預(yù)壓效果。

2)三種預(yù)測方法的計算結(jié)果與實測沉降曲線較為一致，其結(jié)果可以相互比較，以用于研究軟土地區(qū)沉降發(fā)展規(guī)律。

3)機場在建區(qū)域已有部分測點在最后一級堆載預(yù)壓荷載作用下的平均固結(jié)度超過90%，主固結(jié)沉降已基本完成。