廖 鵬，孫世達

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

軟土地基是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中十分普遍地質(zhì)類型之一。顧名思義，軟土地基具有強度低、含水量高、壓縮性高、工程性質(zhì)差等特性。鑒于軟土地基的特性，其涉及到的工程實際問題主要有穩(wěn)定性、不均勻沉降導(dǎo)致的變形、動荷載引起的地基土液化等3 個方面。軟弱地基的穩(wěn)定性問題主要是由于地基土承載力低、強度低，而使得路基受上部荷載的影響較大，一旦軟土地基出現(xiàn)抗剪強度降低或承載能力不足的情況，便會在路基內(nèi)部形成裂隙，導(dǎo)致路基破壞，甚至出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

沉降、變形問題主要是由于軟土的含水量通常都較高、壓縮性也高，同時受到附加荷載的作用，從而會導(dǎo)致其出現(xiàn)沉降變形。沉降導(dǎo)致的均勻變形所產(chǎn)生的負(fù)面影響是可以忽略的。但實質(zhì)上，路基下方土層的厚度是非統(tǒng)一的，土是非均質(zhì)的，所以會導(dǎo)致在施工過程或后期使用過程中出現(xiàn)軟土地基不均勻沉降的情況，從而出現(xiàn)“起伏路”。除此之外，還有一種情況便是不均勻沉降出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)物與路基的交界面處，這種現(xiàn)象發(fā)生是因為在設(shè)計施工過程中結(jié)構(gòu)物和路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)致構(gòu)筑物與路基之間往往會有不容忽略的沉降差產(chǎn)生。不均勻沉降的產(chǎn)生時常會引起路面凹陷、路面裂縫以及路面積水等問題，給后期的投入使用埋下了一定的安全隱患。

動荷載所導(dǎo)致的軟弱地基土液化，主要是由于溫度改變以及外界水循環(huán)狀況發(fā)生變化等導(dǎo)致的凍融或管涌等，使得地基承載力與形變出現(xiàn)明顯變化，進而產(chǎn)生路面凹陷、路面裂縫等，對道路的安全性以及適用性都造成了一定的負(fù)面影響。

綜上所述，軟弱路基無論在工程設(shè)計還是現(xiàn)場施工時都會對項目產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。因此，本文將依托工程著重介紹現(xiàn)有的關(guān)于軟弱地基沉降所導(dǎo)致的病害與沉降量預(yù)測方法。

1 工程概況

在建的貴州省內(nèi)石阡到玉屏的高速公路是貴州省新增重要工程項目之一。該項目起終點分別與國內(nèi)多條重要高速公路聯(lián)通，是國家高速公路網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)。該項目的建成將對貴州高速公路網(wǎng)的進一步完善起到至關(guān)重要的作用。該項目區(qū)域內(nèi)的地貌主要為侵蝕構(gòu)造、溶蝕以及溶蝕侵蝕3 種類型。

2 軟土地基沉降病害分析

針對軟土地基含水率高、壓縮性高以及強度低等工程特點，為克服軟弱地基的不良影響，施工過程中往往會采取措施改善其承載力，使其承載能力得到一定程度的提升從而達到施工要求。但若實際施工過程中采取的處理方式不當(dāng)，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物在使用期內(nèi)出現(xiàn)沉降或傾斜等病害[1]。在橋梁修筑過程中，往往會在橋墩附近進行大量堆載、基坑開挖以及臨近打樁等，這些都極有可能導(dǎo)致樁周土體發(fā)生沉降；同時土體會產(chǎn)生橫向位移與橫向變形，進而導(dǎo)致基樁受到不容忽略的橫向土壓力作用，并在橫向土壓力作用下發(fā)生橫向彎曲變形，而樁頂部位所承受的豎向荷載將會使基樁的橫向彎曲變形得到較大程度的加劇。此外，軟弱地基的沉降必將會導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)滑移、開裂以及支座脫空等現(xiàn)象的出現(xiàn)。由此可見，軟弱地基對于上部結(jié)構(gòu)的不良影響是極其顯著的，因此通過研究理清產(chǎn)生病害的緣由是十分重要的。

結(jié)構(gòu)病害通常是多種因素共同作用所致，其中軟弱地基橋梁所出現(xiàn)的病害類型大致可以分為墩柱開裂、樁頂承臺開裂、蓋梁開裂以及橋面線型破壞4 個。

有研究者發(fā)現(xiàn)，承臺系梁通常呈U 形開裂，裂縫均出現(xiàn)在角隅處，并且是由頂面向下發(fā)展的。并基于這一現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬研究，研究表明當(dāng)承臺樁基發(fā)生的不均勻沉降達到2 cm 時，承臺系梁處便已有裂縫產(chǎn)生，且其寬度達到了約0.6 mm，此刻其頂部的應(yīng)力數(shù)值也達到了鋼筋的屈服強度，即為240 MPa；若不均勻沉降量繼續(xù)累積，則裂縫的開度也會不斷增大，當(dāng)不均勻沉降量約為5 cm 時，混凝土裂縫的開度將增大為3.95 mm。由此可見，承臺系梁的開裂主要是由承臺樁基的不均勻沉降所導(dǎo)致的。同時，輔道路基軟土在附加荷載的作用下將發(fā)生明顯的固結(jié)沉降，因此相鄰橋梁的樁周土將在該固結(jié)沉降的作用下帶動樁基發(fā)生下沉；而由于沉降的影響程度與樁基和路基的距離呈負(fù)相關(guān)，因此相鄰樁基之間存在差異沉降，這也是導(dǎo)致承臺系梁處裂隙產(chǎn)生的直接原因之一[2]。

輔道路基軟土在發(fā)生固結(jié)沉降時會產(chǎn)生較大的水平向的側(cè)壓力，樁基則將會在水平向側(cè)壓力的推動作用下發(fā)生橫向位移，故而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)會隨著樁基的橫向移動而產(chǎn)生滑移，但由于上部結(jié)構(gòu)會受到一定程度上的橫向約束，就會導(dǎo)致橋墩底部的側(cè)向彎曲拉應(yīng)力超限而出現(xiàn)環(huán)向開裂的現(xiàn)象。這便是軟土地基所導(dǎo)致的橋墩開裂的主要原因。

利用midas-civil 建立模型并分析得知，路基沉降所形成的土側(cè)向壓力作用于樁基上，樁基則會在該土壓力作用下帶動上部結(jié)構(gòu)發(fā)生整體偏位，也就造成了梁體的滑移。

考慮到軟土地基抗剪強度及透水性低、觸變性強等特點，為控制沉降，軟土地基上橋梁基礎(chǔ)一般會設(shè)置樁基礎(chǔ)并且樁長需穿過軟土深入到持力層上。而樁基礎(chǔ)通常以承受豎向荷載為主，水平方向上一旦受力便會發(fā)生較為嚴(yán)重的變形。因此，在橋梁建成投入使用之后，樁基便極易在軟土地基的擾動與側(cè)向擠壓作用下發(fā)生水平方向上的撓曲變形，進而使得樁基開裂等情況的發(fā)生。因此，侍剛等[3]以某五跨一聯(lián)的城市高架橋為依托進行了研究分析，評估軟土地基墩梁錯位對橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響，并提出了合理的處治措施。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，橋址區(qū)內(nèi)有大范圍較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土存在，其主要位于樁基的中上部且平均厚度達到約18.7 m，屬于不良地質(zhì)條件；橋址區(qū)附近正在進行圍湖、圍塘造地施工，大量的棄土使得地貌地質(zhì)條件發(fā)生較大變化；暴雨使得堆土飽和、質(zhì)量增大，淤泥層受到上部荷載的擠壓作用而帶動上層土體發(fā)生橫向滑移，進而對樁基中上部、承臺及橋墩下部產(chǎn)生擠壓作用進而發(fā)生位移變形——這都是軟土地基所招致的病害。

通過有關(guān)研究分析，從臨時應(yīng)急與永久性維修加固2 個方面提出了相應(yīng)的治理措施。應(yīng)急治理措施主要包括：①對橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與病害情況進行實時監(jiān)測，以便掌握病害發(fā)展趨勢；②將橋底與橋位附近的棄土運離，避免有再次擠壓梁體結(jié)構(gòu)的水平荷載出現(xiàn)；③在墩柱間增設(shè)橫向聯(lián)系，以增強墩柱之間的橫向剛度；④臨時封閉外側(cè)車道，減少車輛荷載對梁體的不利影響；⑤在墩柱蓋梁頂部設(shè)置橫向限位擋塊，以限制墩梁之間的橫向偏位差。在永久性修固方面，則提出以下措施：①設(shè)置軟土地及土體應(yīng)力釋放孔，使得樁基與橋墩偏移量得到部分回位；②增設(shè)樁基與承臺，以確保梁體的運營安全；③對受損墩柱進行維修加固處理；④對梁體進行橫向復(fù)位，等等。

橋臺是連接路基與梁體的重要組成部分，但由于路基填筑材料與梁體鋼筋混凝土材料之間的種種差異，所以二者之間通常有不同步的變形與位移出現(xiàn)，從而導(dǎo)致橋臺出現(xiàn)裂縫，甚至是造成承臺的不均勻沉降等。張召磊等[4]對軟土地基橋臺變形機理進行了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，橋頭路基的填筑通常會使得下覆軟土發(fā)生側(cè)向變形，而樁基礎(chǔ)相對于軟土地基而言則是剛性構(gòu)件，會對周圍土體的側(cè)向位移產(chǎn)生一定的抑制作用，因此樁基自身便會因軟土體的推理而產(chǎn)生變形。通常認(rèn)為，橋臺在豎向荷載、水平作用力、側(cè)向壓力以及因地基固結(jié)沉降所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力等作用下的位移模式分為水平移動模式和分別以橋臺頂和橋臺踵為中心的轉(zhuǎn)動模式；土體分層均勻時，土體的側(cè)向應(yīng)力與側(cè)向位移在深度方向上呈現(xiàn)出線性分布狀態(tài)，此時對應(yīng)的位移模式便是水平位移模式；反之，則為轉(zhuǎn)動模式。因此，其提出了可通過設(shè)置橋頭搭板、改善路基填筑、改進排水設(shè)施等措施進行預(yù)防。設(shè)置橋頭搭板能夠有效解決橋臺與軟土地基不均勻沉降所導(dǎo)致的高差，有助于協(xié)調(diào)橋臺與路基變形，進而削弱軟土地基不均勻沉降所導(dǎo)致的不良影響；選用透水性優(yōu)良、易壓實的材料進行軟土地基填筑能夠及時排出土體中的水，加速土體的固結(jié)；排水設(shè)施的改善則能盡量減少雨水滲入所導(dǎo)致的不良影響。

3 軟土地基沉降預(yù)測方法

有關(guān)軟土地基的研究中，除了其病害機理，軟土地基沉降預(yù)測也一直是一個重點研究課題[5-7]。軟土地基沉降的準(zhǔn)確預(yù)測有助于有針對性地就所遇到的工程實際問題提前做出有效的控制方案，進而避免不必要的安全事故與財產(chǎn)損失，對施工進度的控制等均有重要意義[8]。

現(xiàn)有的關(guān)于軟土地基沉降量預(yù)測主要有基于土力學(xué)原理進行預(yù)測和通過挖掘沉降量變化規(guī)律進行預(yù)測兩大類。但基于土壓力原理進行預(yù)測由于預(yù)測模型與實際存在較大差異，通常會導(dǎo)致預(yù)測準(zhǔn)確度不高的情況出現(xiàn)。因此，通過挖掘沉降量變化規(guī)律進行預(yù)測的認(rèn)可度相對更高，其中應(yīng)用較為廣泛的有雙曲線法、灰色理論以及指數(shù)曲線法。已有研究成果顯示，灰色理論與雙曲線法具有較好的預(yù)測效果，但是其前提是需要有一定的假設(shè)條件，因此其預(yù)測精度將會一定程度上受到假設(shè)條件的影響[9-10]。同時考慮到運用單項方法預(yù)測軟土沉降還需要考慮預(yù)測方法與實際情況的匹配性，而組合預(yù)測是通過多方面獨立挖掘樣本數(shù)據(jù)信息，因此可以有效降低預(yù)測誤差[11-12]。

王培宇等[13]便從組合預(yù)測入手，考慮雙曲線法與GM 建模機理，基于算數(shù)加權(quán)組合法將雙曲線法與GM法進行組合，提出了修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型，以實現(xiàn)對軟土地基沉降量更加科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)測。其首先基于算術(shù)加權(quán)平均組合的方法進行預(yù)測，使得預(yù)測結(jié)果具有良好的精度，再在此基礎(chǔ)上構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)以表征沉降組合預(yù)測值與實際監(jiān)測值之間總差異的大小，以目標(biāo)函數(shù)最小值為初步組合權(quán)系數(shù)進行下一步計算。構(gòu)建實時修正權(quán)系數(shù)，以利用實時修正值對綜合預(yù)測值進行修正，以此來減小綜合預(yù)測值與實際監(jiān)測值之間的預(yù)測偏差，并最終建立修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型。研究發(fā)現(xiàn)，由修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型得到的沉降值與真實監(jiān)測數(shù)據(jù)更為接近，相對于雙曲線法和GM（1，1）2 種方法，修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型更能反映軟土地基沉降量的變化規(guī)律，并且其預(yù)測結(jié)果誤差更小，變化趨勢更穩(wěn)定、波動更小。其中，雙曲線法和GM（1，1）這2 種方法的預(yù)測相對誤差均在11%以內(nèi)，修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型的預(yù)測準(zhǔn)確性與基于單項指標(biāo)的預(yù)測方法的預(yù)測準(zhǔn)確性呈正相關(guān)，即基于單項指標(biāo)預(yù)測方法精度的降低會導(dǎo)致修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型的預(yù)測精度降低。通過對修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型進行敏感度分析得知，修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型、GM（1，1）、雙曲線法3 種方法的軟土地基沉降預(yù)測值均近似呈線性關(guān)系。由于GM（1，1）和雙曲線法都具有較高的預(yù)測穩(wěn)定性，即可得知修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果也具有良好的穩(wěn)定性，不會由于原始數(shù)據(jù)發(fā)生變化而導(dǎo)致模型的適用性變差，因此得知修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型在軟土地基的沉降預(yù)測中具有良好的適用性。

4 結(jié)論

綜上所述，在橋梁工程中軟土地基所導(dǎo)致的病害主要有墩柱開裂、樁頂承臺開裂、蓋梁開裂以及橋面線型破壞，究其原因都是因為軟土地基因承載力不足發(fā)生不均勻沉降，進一步導(dǎo)致水平向土壓力的產(chǎn)生等，因此使得橋梁發(fā)生滑移、開裂等。在軟土地基的沉降量預(yù)估研究方面，常用的方法主要有雙曲線法和GM（1，1）法，于是便有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了修正優(yōu)化綜合預(yù)測模型并驗證了其普遍適用性，該模型能夠使預(yù)測結(jié)果更為精確，波動更小，變化趨勢更加穩(wěn)定。