控制工后沉降條件下堆載預(yù)壓地基處理參數(shù)的優(yōu)化

宋艷

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

預(yù)壓法是建筑物建造以前，在建筑場地進行加載預(yù)壓，使地基的固結(jié)沉降基本完成和提高地基土強度的方法。堆載預(yù)壓一般用填土、砂石等散粒材料對地基進行預(yù)壓[1]。堆載預(yù)壓法適用于處理淤泥質(zhì)土、淤泥、沖填土等飽和黏性土地基[2]。

堆載預(yù)壓法具有施工簡單、加固效果可靠等優(yōu)點，但如果天然地基的排水性差，其固結(jié)時間將會較長。因此在工期較緊的情況下，為了加速壓縮過程，可以在地基中設(shè)置豎向排水體以加速土層的固結(jié)，縮短預(yù)壓時間。由于塑料排水板的排水作用能夠加速軟黏土的固結(jié)和強度增長，用塑料排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土地基已成為國內(nèi)外巖土工程中廣泛應(yīng)用、行之有效的地基加固方法[3]。

在規(guī)定的施工工期內(nèi)，打設(shè)塑料排水板的堆載預(yù)壓地基處理效果與排水板的布設(shè)、堆載的大小有直接關(guān)系。對于需控制工后沉降的工程，排水板間距在合理范圍內(nèi)取值越小，施工期內(nèi)地基所能達到的固結(jié)度越高；在保證地基穩(wěn)定的前提下，堆載越大，則施工期沉降越大。因此較小的排水板間距和較大的堆載都可以提高地基處理效果，降低卸載后的工后沉降。但在實際應(yīng)用中，采用較小的排水板間距和較大的堆載往往造成工程費用過高，而采用較大的排水板間距和較小的堆載又達不到預(yù)期的效果。因此在工程設(shè)計中需要對排水板的布設(shè)及堆載厚度參數(shù)進行優(yōu)化，使其既能滿足地基處理要求，又降低投資，取得較高的經(jīng)濟效益。

本文結(jié)合上海南匯某陸域基地的地基處理工程，采用適于工程計算的matlab數(shù)學軟件進行編程，以排水板間距和堆載厚度為變量，以工后沉降為控制條件，以工程費用最低為目標，對堆載預(yù)壓設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，提出了地基處理設(shè)計方案。該方法可同時考慮各種可能的排水板間距與堆載厚度方案，并選出最優(yōu)的參數(shù)組合，計算快速準確，在今后的工程設(shè)計中可推廣應(yīng)用。

1 工后沉降的計算

工后沉降指施工結(jié)束至使用期結(jié)束這一時間段內(nèi)發(fā)生的沉降。它直接關(guān)系到建筑物的使用效果和安全，而施工期和使用期以后的沉降并不對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，因此工程實際中建筑工程除保證穩(wěn)定和安全外，常以地基工后沉降作為控制目標，以保證滿足建筑物對變形的要求。

對于打設(shè)排水板的堆載預(yù)壓地基處理方法，當堆載預(yù)壓處理范圍內(nèi)的施工期沉降小于該范圍使用荷載下的沉降量時，工后沉降按下式計算：

式中：Δs為工后沉降，m；sfp1為使用荷載作用下處理土層的最終沉降量，m；sfc1為施工荷載作用下處理土層的最終沉降量，m；Uc1為處理土層的施工期固結(jié)度；sfp2為使用荷載作用下未處理土層的最終沉降量，m；Up2為未處理土層的使用期固結(jié)度；sfc2為施工荷載作用下未處理土層的最終沉降量，m；Uc2為未處理土層的施工期固結(jié)度。

當預(yù)壓處理范圍內(nèi)的施工期沉降大于該范圍使用荷載下的最終沉降量時，工后沉降量按下式計算：

1.1 固結(jié)度

1）處理土層的地基固結(jié)度

打設(shè)排水板部分的地基固結(jié)度計算根據(jù)JTS 206-1—2009《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，可分別計算徑向平均應(yīng)力固結(jié)度Ur和豎向平均應(yīng)力固結(jié)度Uz，然后計算地基平均總應(yīng)力固結(jié)度Urz[4]。

其中排水板間距是影響徑向固結(jié)度的主要變量之一。

2）未打設(shè)排水板的下臥層固結(jié)度

未處理土層的固結(jié)度僅考慮豎向平均應(yīng)力固結(jié)度，采用化解當量層法計算[5]，與下臥層各土層特性及預(yù)壓時間有關(guān)。由此可見，排水板間距直接影響到固結(jié)度的變化。

1.2 最終沉降量

對于排水固結(jié)法處理的軟土地基，由于瞬時沉降和次固結(jié)沉降的計算方法和理論尚不成熟且影響因素較多，工程設(shè)計中常由一維固結(jié)沉降計算結(jié)果乘以經(jīng)驗系數(shù)得到總沉降[1]。

最終沉降量采用分層總和法[2]進行計算，堆載作為附加應(yīng)力對土層沉降有較大影響，計算公式如下：

通過減小排水板間距來提高施工期固結(jié)度或增大堆載來增加施工期沉降均可以減小工后沉降。以下將結(jié)合上海南匯某工程的地基處理工程案例，對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，使其既能達到較好的地基處理效果，又節(jié)省投資，提高工程經(jīng)濟效益。

2 工程案例

2.1 工程概況

該工程位于長江口南槽航道南側(cè)，在灘地上由吹填砂吹填形成，場地面積為232 m×103 m，吹填砂厚度約4.0 m。其下為天然地基，依次為：

①1灰～灰黃色淤泥（海灘土），流塑狀，壓縮性高等，平均厚度約1.2 m；①2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑狀，壓縮性高等，平均厚度約2.1 m；②3砂質(zhì)粉土，松散到稍密，壓縮性中等，平均厚度約2.9 m；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑，壓縮性高等，平均厚度約2.7 m；④淤泥質(zhì)黏土，流塑，壓縮性高等，平均厚度約10.3 m；⑤1-1黏土，軟塑，壓縮性高等，平均厚度約11.1 m；⑤1-2粉質(zhì)黏土，軟塑，壓縮性中等，平均厚度約3.6 m；其下依次為粉質(zhì)黏土、黏土、砂質(zhì)粉土等土層，軟塑至密實。

本工程在吹填完成后擬在該場地上建設(shè)生產(chǎn)輔助建筑物，使用期10 a，工后沉降要求小于0.2 m。受項目運營總體工期限制，建筑物將于吹填完成約半年后動工。

2.2 設(shè)計方案

由于天然地基存在軟土層，其壓縮性較大，透水性差，所需固結(jié)時間長，不進行地基處理將產(chǎn)生較大的工后沉降，難以滿足建筑物的變形要求。考慮到工期緊張，以及盡可能減小對周圍圍堤的影響，并考慮到外部建設(shè)條件等一系列因素，經(jīng)過綜合比選，擬采用打設(shè)排水板的堆載預(yù)壓地基處理方法。根據(jù)工期要求，堆載預(yù)壓時間控制在6個月。

地基處理方案為吹填完成后打設(shè)塑料排水板，排水板打至④淤泥質(zhì)黏土層底，正方形布置。排水板打設(shè)完成后進行堆載，堆載預(yù)壓6個月后卸載，之后進行低能量強夯并碾壓整平。為保證地基處理效果，同時考慮工程的經(jīng)濟性，需對排水板間距及堆載厚度進行優(yōu)化。

2.3 基于工后沉降控制的地基處理設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

本文目的是要求采用塑料排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土地基在滿足工后沉降要求時獲得更好的經(jīng)濟效果，即投資額最小。此處造價主要按塑料排水板材料費和打設(shè)費及堆載土方費用估算。根據(jù)前文，在工期一定的情況下，排水板間距與堆載厚度為影響工后沉降及造價的兩大因素。本工程以工后沉降為約束條件，以造價最小為目標，可概化為如下最優(yōu)化問題模型：

式中：z為工程費用，萬元；x為排水板間距，m；y為堆載厚度，m；Δs為工后沉降，m。

本文采用Matlab進行編程計算。Matlab是一種易于使用的高級計算軟件，可以實現(xiàn)算法、進行圖像處理，函數(shù)調(diào)用也方便高效[6]。本文以排水板間距及堆載厚度為組合變量，以工程費用的計算作為主程序，固結(jié)度及沉降計算為調(diào)用函數(shù)。根據(jù)工程實際，排水板間距和堆載厚度取值區(qū)間通常在一合理范圍內(nèi)變動，因此該優(yōu)化問題可加以簡化，先設(shè)定排水板間距與堆載厚度的取值范圍，形成多種參數(shù)組合，然后通過Matlab程序計算篩選出工后沉降符合標準的部分組合，再分別計算出各組合產(chǎn)生的工程費用，以工程費用最低的方案作為最優(yōu)解。設(shè)計流程圖如圖1。

圖1 設(shè)計計算流程圖Fig.1 Flow chart of design and calculation

本工程中排水板間距0.7～1.3 m，間隔0.1 m；堆載厚度1.0～3.0 m，間隔0.2 m，共77種組合。通過計算滿足工后沉降要求的組合有48組。滿足地基處理要求的參數(shù)組合及相應(yīng)工后沉降見表1。

表1 滿足地基處理要求的參數(shù)組合及相應(yīng)工后沉降Table 1 The combinations of parameters to meet the requirement of the ground treatment and the corresponding post-construction settlements m

按排水板4元/m，回填土60元/m3估算，本工程選取的工程造價最低的組合即最優(yōu)設(shè)計參數(shù)為：排水板間距取1.0 m，堆載厚度取1.6 m。采用該組合工程造價為446.38萬元，工后沉降約0.19 m，滿足地基處理要求。

3 結(jié)語

1）在打設(shè)排水板的堆載預(yù)壓地基處理中，當堆載預(yù)壓時間受限，以工后沉降為控制條件時，以工程造價最小為目標對排水板間距和堆載厚度進行優(yōu)化不僅可以得到滿足地基處理要求的設(shè)計參數(shù)，達到工程設(shè)計要求，而且可節(jié)省投資，取得顯著的經(jīng)濟效益。

2）采用Matlab編程對地基處理參數(shù)進行優(yōu)化可考慮到各種不同的組合方案，并能同時獲得最優(yōu)解。Matlab編程具有可拓展性，高效便捷，各種參數(shù)的調(diào)整靈活方便，針對不同的費用變化也有很好的適應(yīng)性，在設(shè)計中可大大提高工作效率，具有推廣應(yīng)用價值。