基于流變理論的大水灰比深攪樁復合地基沉降預測

斯碧峰，宋憲發

（1.上海機場建設指揮部，上海201106；2.浦東新區建設和交通委員會，上海 200135）

0 引言

在土建、采礦及水利等工程中，蠕變特性是影響巖土工程結構穩定性的重要因素之一。例如，復合地基邊坡的穩定性和地表沉降的控制問題等，都與巖土蠕變特性有關，因而較為準確的巖土層移動與變形分析都需要考慮其時間相關性[1-2]。

事實上，大量的試驗表明，巖石材料的拉壓彈性模量相差較大[3-4]，將材料的拉壓模量視為相同，僅僅是一種簡化計算而己。文獻[5]研究了不同拉壓模量材料的一般彈性理論。文獻[6-7]對不同模量材料的梁、板彎曲問題作了系統研究，給出了材料拉壓模量不同對梁板彎曲變形和應力的影響規律。本文以文獻[5]為基礎，結合Burgers流變本構模型，研究深攪樁復合地基隨時間的變化規律，探討復合地基發生大變形的機理，為工程中土基移動的預測及其控制提供參考。

1 二維流變理論

機場滑行道目標年限20～25 a后，除要求不協調變形變坡率不大于1.5‰外，同時要求地基殘余變形控制在30 cm左右，因此預測目標年限時的工后沉降及差異沉降十分重要，這必須應用流變理論。工程采用Burgers模型，Burgers模型由四元件組成（見圖1所示）[9]。

其本構方程為：

圖1 Burgers模型元件組成圖

蠕變柔量J（t）：

模型反映的蠕變是亞穩定的，即出現第一階段和第二階段的蠕變，變形可分為三部分：

（2）為彈性后效變形，是按負指數衰減的可恢復應變；加荷時屬于蠕變曲線的第一階段蠕變。

（3）為穩態應變速率的不可恢復應變（粘流），加荷時屬于蠕變曲線的第二階段（定常蠕變）。

蠕變曲線最終值（t→ ）∞ 的漸近線與水平線的交角ψ可以求得：

其中：

從Burgers模型反映的蠕變規律來看，模型完整、可準確地描述粘土的非線性蠕變過程。加載后，它既表現出瞬時彈性應變，又表現出第一階段的衰減型蠕變和第二階段的粘滯流動。

2 深攪樁復合地基沉降實測

2.1 深攪樁地基處理

某國際機場2#，3#地下聯絡通道工程，2＃與3＃下穿地道平面布置形式對稱，其預留寬度為22 m，車道數各為4個，路寬各為15.5 m，建筑結構凈寬各為16.5 m。整個地道由敞開段、遮光段、暗埋段三種形式組成，其地貌類型屬河口、砂嘴、砂島地貌類型。場地內分布有大面積水塘，為人工開挖形成。設計采用雙軸中700水泥上攪拌樁對2#，3#地下通道進行地基加固，攪拌樁樁底標高19 m，不同區域位置實際樁長在13～22 m之間。深攪樁施工工藝按《上海市標準地基處理技術規范》(DBJ08-40-94)執行，水泥摻入量為15%，水灰比經室內試驗確定為0.5。但通過試驗段施工證明，采用常規施工工藝無法保證單樁質量，復合地基強度更無法達到設計指標，沉降量亦無法控制。為了確保深攪樁施工工藝、水灰比暫定1.3左右，通過室內試驗確定配合比，以保證工程質量。這種水灰比遠遠超過了現有規范條件的規定，對這種水灰比超過規范條件將近3倍的深攪樁，機場沉降如何預測深攪樁復合地基的沉降，顯得尤為突出。擬建工程場地層底特征如表1所示。

從表1分析可知：整個機場處在陸域形成時間較短的新海濱平原上，地基土具有土層軟弱、承載力小、天然含水量高、壓縮性大、滲透性小、土層不均、受凍脹、抗剪強度低、流動性和觸變性顯著等典型軟土特性。在這種不良地基上建設一個新機場，首先要對這種不良地基進行處理或加固，現場施工采取深攪樁（濕法）辦法提高E1、E2、E3試驗段地基承載力，使其變形滿足規范和設計要求，以適應機場使用對地基的需要。

表1 擬建工程場地底層特征表

2.2 地基沉降實測結果

選取2#地道的E1、E2、E3段共計35根作為工程樁進行試驗。在施工的過程中嚴格要求施工單位按照課題組改進的新的施工工藝流程施工。在實際的施工過程中，由于改進了設計，施工深度問題得到了解決，施工進度也明顯提高，各方面進展順利。檢測結果如圖2所示。

3 流變理論擬合預測及變形分析

土是一種三相體系的介質，由土顆粒作為基本骨架，水和氣體充填其中。其中水與土顆粒之間由于物理化學作用，形成了強結合水和弱結合水。對于這樣的一種介質，粘滯性是其基本特征，因而，應力、應變、時間的關系是非線性的。變形不僅取決于荷載大小，而且與加載以前的歷史有關。

圖3和表2顯示飛機荷載長期作用下地下通道結構周圍滑行道面沉降變形隨時間的變化規律。E1，E2、E3為水泥土攪拌樁加固過渡區滑行道面沉降 (測點布置如圖1所示)。由分析結果可以看出，經歷大約5 a后，滑行道道面沉降基本趨于穩定，完成總沉降（以25 a計）80%以上；10 a后完成總沉降95%以上；15 a以后所有點的沉降基本不發生變化；25 a時地下通道結構上方滑行道面沉降大約在9.6 cm。

表2 沉降隨時間完成百分比表

由各點間的不協調變形（如表3）可知，至目標年限25 a時，各點間的不協調變形變坡率都控制在1.5‰以內，地基處理可以滿足機場滑行道對沉降的要求。同時可以發現，地基加固區E3與E2點間的不協調變形5 a后相對其它點發展較快，主要是由于E3點緊鄰強夯區，強夯對土層屬于淺層加固，對深層地基影響不大，在早期地基加固效果明顯，隨著時間的推移加固影響會減弱。E3處沉降受強夯區影響，后期發展較快，引起不協調變形較大。

表3 各點間不協調變形表

4 結語

根據某國際機場深攪樁復合地基沉降與時間關系曲線特征，提出用二維流變Burgers模型來模擬沉降的方法，并給出建模步驟。對于荷載穩定時得到的觀測數據可直接使用該方法進行預測。對于加載過程中得到的觀測數據，可先對數據處理再使用該方法進行預測。實踐證明，這種建模方法計算程序簡單。只需較少的觀測數據(一般要求不少于8個)就可建模，且可得任意時刻的沉降值，能減少長期沉降觀測的時間。

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