堆載預壓法處理軟土地基的安全系數研究與應用

楊 建 陳 前

（1.三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.福建省水利水電科學研究院，福州 350001）

隨著中國經濟實力的增強，基礎設施方面的投資增多，港口、公路、鐵路、水利等行業相繼在軟土地基上修建大量碼頭、高速公路、高速鐵路、海堤等工程.軟土地基由于土顆粒細、孔隙比大、含水量高、孔隙中的水不易排出，所以強度低、受荷后變形大，極易失去穩定.如果不對軟基進行處理或所采取的措施不當，不但加大工程量，增加工程費用，而且還延長工程建設期限，甚至可能會造成工程失敗.如何在承載力小、壓縮性大的軟土地基上進行科學、安全、快速施工，避免施工中出現滑坡、塌陷等工程事故是一道難題；其中，堆載預壓法是解決該難題的一種常用方法［1］.對于長條梯形堆載，如路堤、海堤，采用堆載預壓法處理軟土地基的關鍵在于確保施工過程中地基的穩定性，其控制因素通常是加荷速率［2］.

目前，工程中關于軟土地基堆載預壓施工主要還是采用沉降速率（≤15mm／d）、水平位移（≤5mm／d）、孔隙水壓力系數（≤0.6）等事后控制指標指導工程施工［3］，不便于合理制定工期及進行全面的施工組織設計.本文依據Fellenius W的無埋深條形基礎極限承載力公式［4］和地基強度增長理論，給出了軟土地基分級加載過程中地基承載力安全系數公式，據此可以事前擬定加荷速率，科學制定工期，進而做好全面、深入的施工組織設計；在實踐中，結合信息法施工，則能實現工程施工的全面規劃、實時控制，保證建設項目最大的投資效益.

1 地基承載力安全系數推導

采用預壓法處理軟土地基，對于長條梯形堆載（如海堤、路堤等），為保證施工過程中地基穩定性常采用分級加載.對于實際施工中的每一級加載ΔPi－1和相應的停歇時間，下一級載荷ΔPi剛開始施加時，地基達到的固結度按公式（1）計算：

式中，UTi－1為Ti－1時間地基的平均固結度；為第j級載荷的加載速率（kPa／d）；∑ΔPj為至第i－1級加載達到的累計荷載（kPa）；Tj－1，Tj分別為第j 級載荷施加的起始和終止時間（從零點起算）（d）；α，β為參數，一級或多級等速加載條件下，考慮涂抹和井阻影響時豎井穿透受壓土層地基之平均固結度可按上式計算，其中

式中，Ch為土層水平固結系數（cm2／s）；Cv為土層垂直固結系數（cm2／s）；de為豎井有效排水直徑（cm）；H為最大排水距離（cm）；n為豎井有效排水直徑與豎井直徑之比；kh為土層水平滲透系數（cm／s）；ks為涂抹區滲透系數（cm／s）；s為涂抹區直徑與豎井直徑之比；Qw為豎井縱向通水量（cm3／s）.

此時的地基抗剪強度按式（5）計算：

式中，CuTi－1為時間Ti－1時地基的十字板強度（kPa）；η為考慮剪切蠕動的強度折減系數，可取0.75～0.90，剪應力大取低值，反之取高值；Cu0為地基天然十字板強度（kPa）；Δσz為地基垂直附加應力（kPa）；φcu為三軸固結不排水剪試驗求得的土的內摩擦角.

根據Fellenius W的無埋深條形基礎極限承載力公式，當下一級載荷ΔPi剛開始施加時，地基承載力安全系數可按式（6）計算

2 工程算例

2.1 算例1

某海堤施工先進行拋砂、打設塑料排水板和鋪高強土工布等地基處理工序，隨后依次按照拋石壓載、堆石棱體、填土閉氣的順序進行施工.其中，3號堤2＋980斷面拋石壓載于2005年12月12日開始施工，內外壓載分大致2級加荷，堆石棱體分4級加荷，閉氣體分8級加荷，其加荷過程見表1.

表1 3號堤2＋980斷面加載情況

現場觀測斷面設有孔隙水壓力儀、地面沉降板和測斜管等儀器，測點布置如圖1所示.3號堤2＋980斷面外棱體處地基的沉降時間過程線如圖2所示，外棱體處地基的沉降速率變化時間過程線如圖3所示.在整個施工過程期間，測點的最大沉降速率為14.5 mm／d，基本控制在安全范圍之內（小于15mm／d），監測斷面地基處于穩定狀態.

對于實際的加載過程，按照給出的地基承載力安全系數公式，計算了每一級加載下地基承載力安全系數（見表2）.結果表明，當地基沉降速率增大時，相應的安全系數降低；當地基沉降速率減小時，相應的安全系數增大；整個施工過程中，地基最大沉降速率達到14.53mm／d，計算的安全系數為1.07左右.由此說明，地基承載力安全系數與現場監測數據所反映的情況比較一致.事實上，該工程在事前已通過計算地基承載力安全系數來控制加荷速率，因此，開工后進展有條不紊，在保證施工安全前提下最大程度地節約了工期.

表2 3號堤2＋980斷面外棱體處地基承載力安全系數

2.2 算例2

某圍墾工程于1998年3月開工，先進行拋砂、打設塑料排水板和鋪加筋土工布等地基處理工序，砂墊層厚0.8m，堤身填筑從東西兩岸同時推進，按照拋石壓載、堆石棱體、填土閉氣的順序進行施工.東斷面（2＋882）第一級荷載于1999年元月下旬施加，外壓載與外棱體由高程－0.1m拋石填筑到0.7m，荷載約16kPa.然后，外棱體分5級加荷，閉氣體分7級加荷，其加荷情況見表3.

表3 東斷面加荷情況

現場觀測儀器大多布置在堤頂、棱體平臺和坡腳的垂直線上，如圖4所示.其中，東斷面2＋882處外棱體位置地基實測沉降－時間過程線如圖5所示（曲線3為外棱體處地基，其他為堤頂等處），沉降速率變化過程曲線如圖6所示.至工程完工時，東斷面（2＋882）最大累計沉降量為319.4cm，位于外棱體位置.東斷面（2＋882）外棱體分5級加載，其中較大一級荷載為從高程2.0m至3.3m，加高1.3m，最大日沉降速率為6.1mm／d，計算的安全系數為1.09，整個加載過程中地基承載力安全系數見表4.由表4可見，當地基沉降速率增大時，相應的安全系數降低；當沉降速率減小時，相應的安全系數增大.由此說明，根據Fellenius公式和地基強度增長理論計算的地基承載力安全系數與實際監測反映的情況較符合.

表4 東斷面2＋882外棱體處地基承載力安全系數

3 結 論

利用文中給出的地基承載力安全系數來判別軟土地基分級加載過程中地基的穩定性是可靠的，與現場監測結果比較吻合.

所給出的地基承載力安全系數公式能方便地制成電子表格，據此可以事前擬定加荷速率，進而可以合理制定工期，并進行全面的施工組織設計，從而對整個施工過程有全局把握；在實踐中，與信息化施工相結合，實現施工的實時控制，如此一來，工程建設的成功就有了充分保障.

［1］ 胡中雄，潘林有.軟土地基和預壓法地基處理［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］ 經 緋，劉松玉，邵光輝.軟土地基上路堤沉降變形特征分析［J］.巖土工程學報，2001，23（6）：728－730.

［3］ 中國建筑科學研究院.JGJ79－2002.建筑地基處理技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［4］ Brand E W，Brenner R P.軟粘土工程學［M］.葉書麟，宰金璋，等譯.北京：中國鐵道出版社，1991.