基于流變理論的大水灰比深攪樁復(fù)合地基沉降預(yù)測

斯碧峰，宋憲發(fā)

（1.上海機(jī)場建設(shè)指揮部，上海201106；2.浦東新區(qū)建設(shè)和交通委員會(huì)，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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素之一。例如，復(fù)合地基邊坡的穩(wěn)定性和地表沉降的控制問題等，都與巖土蠕變特性有關(guān)，因而較為準(zhǔn)確的巖土層移動(dòng)與變形分析都需要考慮其時(shí)間相關(guān)性[1-2]。

事實(shí)上，大量的試驗(yàn)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(jì)算而己。文獻(xiàn)[5]研究了不同拉壓模量材料的一般彈性理論。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)不同模量材料的梁、板彎曲問題作了系統(tǒng)研究，給出了材料拉壓模量不同對(duì)梁板彎曲變形和應(yīng)力的影響規(guī)律。本文以文獻(xiàn)[5]為基礎(chǔ)，結(jié)合Burgers流變本構(gòu)模型，研究深攪樁復(fù)合地基隨時(shí)間的變化規(guī)律，探討復(fù)合地基發(fā)生大變形的機(jī)理，為工程中土基移動(dòng)的預(yù)測及其控制提供參考。

1 二維流變理論

機(jī)場滑行道目標(biāo)年限20～25 a后，除要求不協(xié)調(diào)變形變坡率不大于1.5‰外，同時(shí)要求地基殘余變形控制在30 cm左右，因此預(yù)測目標(biāo)年限時(shí)的工后沉降及差異沉降十分重要，這必須應(yīng)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(gòu)方程為：

圖1 Burgers模型元件組成圖

蠕變?nèi)崃縅（t）：

模型反映的蠕變是亞穩(wěn)定的，即出現(xiàn)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(fù)指數(shù)衰減的可恢復(fù)應(yīng)變；加荷時(shí)屬于蠕變曲線的第一階段蠕變。

（3）為穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率的不可恢復(fù)應(yīng)變（粘流），加荷時(shí)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(guī)律來看，模型完整、可準(zhǔn)確地描述粘土的非線性蠕變過程。加載后，它既表現(xiàn)出瞬時(shí)彈性應(yīng)變，又表現(xiàn)出第一階段的衰減型蠕變和第二階段的粘滯流動(dòng)。

2 深攪樁復(fù)合地基沉降實(shí)測

2.1 深攪樁地基處理

某國際機(jī)場2#，3#地下聯(lián)絡(luò)通道工程，2＃與3＃下穿地道平面布置形式對(duì)稱，其預(yù)留寬度為22 m，車道數(shù)各為4個(gè)，路寬各為15.5 m，建筑結(jié)構(gòu)凈寬各為16.5 m。整個(gè)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(nèi)分布有大面積水塘，為人工開挖形成。設(shè)計(jì)采用雙軸中700水泥上攪拌樁對(duì)2#，3#地下通道進(jìn)行地基加固，攪拌樁樁底標(biāo)高19 m，不同區(qū)域位置實(shí)際樁長在13～22 m之間。深攪樁施工工藝按《上海市標(biāo)準(zhǔn)地基處理技術(shù)規(guī)范》(DBJ08-40-94)執(zhí)行，水泥摻入量為15%，水灰比經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)確定為0.5。但通過試驗(yàn)段施工證明，采用常規(guī)施工工藝無法保證單樁質(zhì)量，復(fù)合地基強(qiáng)度更無法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(nèi)試驗(yàn)確定配合比，以保證工程質(zhì)量。這種水灰比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有規(guī)范條件的規(guī)定，對(duì)這種水灰比超過規(guī)范條件將近3倍的深攪樁，機(jī)場沉降如何預(yù)測深攪樁復(fù)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(gè)機(jī)場處在陸域形成時(shí)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(qiáng)度低、流動(dòng)性和觸變性顯著等典型軟土特性。在這種不良地基上建設(shè)一個(gè)新機(jī)場，首先要對(duì)這種不良地基進(jìn)行處理或加固，現(xiàn)場施工采取深攪樁（濕法）辦法提高E1、E2、E3試驗(yàn)段地基承載力，使其變形滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，以適應(yīng)機(jī)場使用對(duì)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(shí)測結(jié)果

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

3 流變理論擬合預(yù)測及變形分析

土是一種三相體系的介質(zhì)，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(xué)作用，形成了強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。對(duì)于這樣的一種介質(zhì)，粘滯性是其基本特征，因而，應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間的關(guān)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(guān)。

圖3和表2顯示飛機(jī)荷載長期作用下地下通道結(jié)構(gòu)周圍滑行道面沉降變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。E1，E2、E3為水泥土攪拌樁加固過渡區(qū)滑行道面沉降 (測點(diǎn)布置如圖1所示)。由分析結(jié)果可以看出，經(jīng)歷大約5 a后，滑行道道面沉降基本趨于穩(wěn)定，完成總沉降（以25 a計(jì)）80%以上；10 a后完成總沉降95%以上；15 a以后所有點(diǎn)的沉降基本不發(fā)生變化；25 a時(shí)地下通道結(jié)構(gòu)上方滑行道面沉降大約在9.6 cm。

表2 沉降隨時(shí)間完成百分比表

由各點(diǎn)間的不協(xié)調(diào)變形（如表3）可知，至目標(biāo)年限25 a時(shí)，各點(diǎn)間的不協(xié)調(diào)變形變坡率都控制在1.5‰以內(nèi)，地基處理可以滿足機(jī)場滑行道對(duì)沉降的要求。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，地基加固區(qū)E3與E2點(diǎn)間的不協(xié)調(diào)變形5 a后相對(duì)其它點(diǎn)發(fā)展較快，主要是由于E3點(diǎn)緊鄰強(qiáng)夯區(qū)，強(qiáng)夯對(duì)土層屬于淺層加固，對(duì)深層地基影響不大，在早期地基加固效果明顯，隨著時(shí)間的推移加固影響會(huì)減弱。E3處沉降受強(qiáng)夯區(qū)影響，后期發(fā)展較快，引起不協(xié)調(diào)變形較大。

表3 各點(diǎn)間不協(xié)調(diào)變形表

4 結(jié)語

根據(jù)某國際機(jī)場深攪樁復(fù)合地基沉降與時(shí)間關(guān)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(duì)于荷載穩(wěn)定時(shí)得到的觀測數(shù)據(jù)可直接使用該方法進(jìn)行預(yù)測。對(duì)于加載過程中得到的觀測數(shù)據(jù)，可先對(duì)數(shù)據(jù)處理再使用該方法進(jìn)行預(yù)測。實(shí)踐證明，這種建模方法計(jì)算程序簡單。只需較少的觀測數(shù)據(jù)(一般要求不少于8個(gè))就可建模，且可得任意時(shí)刻的沉降值，能減少長期沉降觀測的時(shí)間。

[1]張曉春，胡光偉，楊挺青.巖石板梁結(jié)構(gòu)時(shí)間相關(guān)變形的穩(wěn)定性分析[J].武漢交通科技人學(xué)學(xué)報(bào)，1999,23(2):158-160.

[2]Lee CY.Sertlement of Pile GrouP-Practical APProach.J.Geotech.Engng.Div.ASCE，1993，119(9):144-146.

[3]李云鵬，王芝銀.單邊自山的固支巖板孰彈性行為分析及其應(yīng)川[J].力學(xué)與實(shí)踐，2005,27(2):29-32.

[4]劉寶深.礦山巖體力學(xué)概論[M].長沙：湖南科技出版社，1982.

[5]余賢斌，謝強(qiáng)，李心一，等.巖石直接拉伸與壓縮變形的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)與雙模星本構(gòu)模[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005.27(9):987-993.

[6]阿姆巴爾楚米揚(yáng)CA.小同模量彈性理論[M].鄔瑞鋒，張?jiān)首g.北京:中國鐵道出版社，1986.

[7]Wamer GS，Nieber JL，Moore ID，Geise RA，CharacterizingmacrosPores in 5011 by com Puted to Pogra Phy[J].Geoderma，1990，(46):13-29.

[8]陳磊，彭友民，曹新會(huì).深層攪拌法處理地基[J].建筑技術(shù)，1999，20(4)：40-44.

[9]楊挺青，羅文波，徐平，等.黏彈性理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2004.