熱帶雨林地區軟土結構特性及沉降計算分析

張志冰

摘 要：軟基處理是公路工程路基處理的一大難題。在非洲熱帶雨林地區，軟土十分發育，且結構特性明顯。本文通過以加蓬PO公路項目的勘察成果為例研究熱帶雨林區軟土的形成機制和軟土結構性，采用分層總和法、雙曲線法和三點法等方法對處理后的軟基地基沉降曲線進行分析比較。利用軟土結構性對地基沉降的影響，選擇合理軟基處理方案，為熱帶雨林區軟土處理提供了良好的工程經驗。

關鍵詞：熱帶雨林;軟土結構性;沉降計算;軟基處理

中圖分類號：U416? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）09-0114-03

1 引言

軟土作為一種土壤，其本身就具有一定的結構性。大量的工程實踐證明，土壤的結構性對于土體受力情況具有明顯的影響。在熱帶雨林地區，軟土的結構性對于軟土的力學特性以及沉降特征產生較大的影響。

國內許多學者對于軟土結構性對地基沉降的影響進行了大量的分析和研究，王軍以溫州地區軟土為例對擾動軟土的沉降機理進行分析，并對沉降計算的試驗基礎和理論方法進行研究[1];賀成斌等引入分級加載思想和損傷比的概念，提出軟土結構性非線性沉降計算的方法[2];劉維正等對長期交通荷載作用下研究軟土結構性對于沉降特性的影響[3];以上均以我國國內軟土進行分析研究，而對于熱帶雨林地區的軟土研究較少。本文主要以加蓬共和國PO公路項目為例，分析熱帶雨林區軟土的形成機制和結構特性，并對軟基處理過程中軟土結構性對沉降特性進行分析研究。

2 熱帶雨林區軟土結構特性

2.1軟土形成機制

淺層軟土主要分布在熱帶雨林區和河口紅樹林區。旱季干燥少雨，大量植物根系和植物落葉等枯死腐爛，形成豐富有機物來源;雨季雨量充沛，植被更新速度快，有機物在平原區迅速堆積形成深厚的軟土層。形成的軟土主要為以植物纖維為基本構架的泥炭或泥炭質土。深層軟土形成時間相對淺表層軟土要更為久遠。由于項目區奧果韋河與海洋的共同作用導致地層反復交替，典型特征就是砂層和軟土層形成明顯互相現象。深層軟土在淺地表形成以后，由于這種地層反復交替的地質作用，軟土層快速被上層土層覆蓋，軟土中的植物纖維未充分炭化或者分解。由于上覆巖土的壓力，對深層軟土形成壓縮固結作用，深層軟土主要已含大量植物纖維結構的淤泥和淤泥質土。

2.2軟土結構特征

本項目區軟土的液性指數多大于 1.5，根據規范應當判定為流塑狀態。實際情況，原狀軟土以可塑狀態存在;根據現場勘察結果，該層軟土的標貫擊數N63.5為5～7，可判定為可塑狀態，與現場實際觀察土樣狀態相符，表現出較好的物理力學特性。

在壓縮曲線試驗中，壓縮曲線上，可以看出土樣具有明顯的破壞極限，當荷載大于該荷載極限時候，壓縮曲線 e-p曲線變現出突變，在壓力不增加的情況下變形明顯增加。如圖1所示。

通過單軸壓縮試驗試，分別對原狀土樣和重塑土樣進行單軸壓縮，從而可計算得到軟土的靈敏度，據此判定軟土結構性的強弱。試驗結果表明該軟土為高靈敏度土壤，具有明顯的結構性。詳見表1。

研究表明，軟土受到擾動后，其結構發生改變，擾動重塑以后工程性質發生較大改變。結構性軟土壓縮指數隨擾動度增加而大幅度減少，結構屈服應力也隨著擾動度增加而減小，二者之間基本呈線性關系[4]。在實際工程應用中，對于軟土處理后的沉降預測往往基于重塑土的試驗指標，這樣計算結果會與實際地基的沉降有所差異，不利于公路工程軟基處理設計。

3 工程案例

PO公路項目PK49+600路段位于紅樹林區，區域內軟土十分發育，發育厚度大。根據土工試驗的指標判定結果，軟土最大埋深可達20米。經過大量研究與謹慎設計，項目采用預制混凝土方樁的復合地基方式進行軟基處理。方樁尺寸為25cm*25cm，正方形布置，樁間距為1.6m。PK49+600鉆孔土層的基本物理力學指標如表2所示。

3.1分層總和法沉降計算

地基沉降主要包括瞬時沉降量（Sd），主固結沉降（Sc）和次固結沉降（Ss）。分層總和法主要考慮了主固結沉降，而未考慮瞬時沉降和次固結沉降。通過大量的工程實踐，可根據現場地質條件和施工情況對分層總和法得到主固結沉降進行一定的修正，從而可推算出最終地基沉降量。

軟土地基的主固結沉降量（Sc）：

將主固結沉降量（Sc）修正得到總沉降量S，如公式（2）所示：

式中，軟土地基可采用m=1.3～1.6。

根據公式（1），將PK49+600鉆孔各土層物理參數代入，得到主固結沉降量Sc=0.152m，本項目推薦修正系數m=1.5，代入公式（2）得到總沉降量S=0.228m。

3.2 利用實際監測數據計算沉降

在PK49+600處分別在道路左邊坡坡腳，路基中線和右邊坡坡腳各設置了一個沉降觀測裝置。方樁于2016年12月16日施工完成，開始進行沉降觀測工作。觀測時間從2016年12月16日至2017年9月5日，共計9個月。沉降觀測數據如下圖所示：

利用實際的沉降曲線得到地基總沉降量的主要方法有雙曲線法、三點法、Asaoka法、星野法等。本文擬采用雙曲線法和三點法來進行總沉降量的計算。

3.2.1雙曲線法

本方法認為地基沉降量與時間呈現雙曲線遞減的關系，在地基處理完成的任意時刻t所對應的沉降量的關系式如下所示：

令y=（ t-t0）/（s-s0），x=t-t0，表達式可整理得到：y=βx+α。推算總沉降量的公式如下：

公式（4）

根據擬合曲線的結果，推測總沉降量結果如下：路基左側觀測點：S左=1/0.0237= 42.19 mm;路基中線觀測點：S中=1/0.0257=38.91mm;路基右側觀測點：S右=1/0.0282=35.46mm。因此，采用雙曲線法得到做最大路基總沉降量Smax=42.19mm。

3.2.2三點法

本方法主要采用恒載后，地基沉降隨時間趨于穩定，取用任意三個時間點t1，t2，t3，要求兩時間點的間隔相同即t3-t2=t2-t1。由經驗公式得到地基的總沉降量。

由表3可知，利用三點法得到最大路基總沉降量Smax=38.44mm。

3.3 成果應用

PK49+600的土層按照土工試驗指標定義，該處軟土發育深度可達20米。根據相關公路工程軟基處理規范要求，方樁需穿透最深的軟土層抵達下伏密實砂土層，則方樁設計長度至少20米。加蓬PO公路項目在設計過程中充分考慮了軟土的結構性，方樁采用12米樁長，即將方樁的持力層選為結構性強的淤泥質土層。方樁施工完成以后，經現場檢測，復合地基的承載力和沉降量控制均滿足規范要求，未經擾動的淤泥質土層表現出良好的承載能力。這種充分考慮軟土結構的設計既滿足了工程的設計要求，也大幅度縮短了地基處理中方樁使用的長度，大幅度節省了工程造價，為熱帶雨林區結構性軟土地基處理提供了良好的指導經驗。

4 結論

（1）熱帶雨林區軟土的結構性與其形成機制有關。

（2）熱帶雨林區軟土結構性主要有三個表現：①野外土層狀體和原位試驗表現的力學性能優于土工試驗判定標準;②壓縮試驗中，荷載達到極限值后，土樣在壓力不增加的情況下變形明顯增加;③軟土土樣表現出高靈敏度。

（3）利用分層總和法，雙曲線法和三點法對PO公路項目方樁處理路基沉降進行分析計算，發現熱帶雨林區軟土結構性對地基沉降的影響較大，在軟土結構未受到嚴重破壞的情況下，軟土表現出良好的物理力學特性。

（4）通過正確認識熱帶雨林區的軟土結構性，選擇合適的軟基處理方式，可大幅度減少軟基處理工程費用，為熱帶雨林區公路軟基處理提供良好的工程經驗。

參考文獻：

[1]王軍，高立峰.擾動結構性軟土的地基的沉降特性分析[J].巖土力學，2006，27（8）：1384-1388.

[2]賀成斌，趙明華，馬繽輝，陳秋南.考慮土體結構性的軟土地基非線性沉降計算方法[J].建筑結構， 2015， 45（14）：82-86.

[3] 劉維正，石志國，章定文，瞿帥.交通荷載作用下結構性軟土地基長期沉降計算[J].東南大學學報（自然科學版），2018，48（4）：726-735.

[4] 徐永福.土體受施工擾動影響程度的定量化識別[J].大壩觀測與土工測試，2000，24（2）：8-10.