地基土中基床塊石沉降變形研究

鄭清松

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

拋石基床結構較為復雜，其沉降變形問題一直是工程設計人員關注的焦點和難點。過去一般認為拋石基床的變形主要由兩方面構成，一方面是拋石基床本身的壓縮變形，FU[1-2]揭示了堆石材料在不同初始應力狀態和動態載荷作用下的殘余應變行為；另一方面是塊石被壓碎導致的變形，賈宇峰[3]、Ashok[4]通過室內三軸試驗，研究了圍壓等因素對顆粒破碎時的剪切變形特征；葉鋒[5]通過室內試驗得出單位面積夯擊能與基床有效加固深度的近似關系式。

對于深基床碼頭結構，拋石基床厚度越大，基床底層拋石體所受的豎向應力就越大[6-7]。基床拋填塊石與地基持力層的接觸面是非連續的，塊石體將豎向應力傳遞到地基土中時，還存在應力集中現象，PAN[8]研究表明巖體與堆石料接觸區容易發生應力集中現象，劉曉燕[9]基于三維非線性有限元方法得出大壩核心土接觸部位的壩土安全系數較低，應力集中明顯，應力水平較高。應力集中使得地基土局部失穩破壞，地基土被擠出，拋石塊石“刺入”地基土中，產生沉降變形，隨著塊石沉降深度的增加，地基土達到穩定狀態，即最終的塊石沉降量。

為了避免過大的沉降變形，重力式碼頭拋石基床底部會鋪設以砂墊層和二片石墊層為主的構造層。現行的《碼頭結構設計規范》規定，當拋石基床厚度較大時，可以將底部一定厚度的拋石體按換填地基處理，這樣在拋石體的底部就可以不設構造層。另外，在基槽開挖的斜坡面上，通常也不設構造層，直接將塊石拋填在開挖的地基土上，塊石沉降到地基土中，還會改變地基土的力學指標[10]。針對厚拋石基床，塊石體的豎向應力較大時，塊石沉降變形量的問題，現行港口工程規范中還未明確，需要加以研究和論證。針對上述問題，本研究采用10～100 kg的塊石進行室內試驗，探明塊石沉降變形的過程與機理，以支撐厚拋石基床的沉降控制技術。

1 塊石沉降試驗

1.1 試驗模型

試驗模型裝置由底座、支柱、滑輪系統、壓頂梁、材料筒、加載籃等部分組成，最大加載壓力可達300 t，材料圓筒直徑1.5 m、高2 m，主要用于重力式碼頭拋石基床的壓縮試驗，測定拋石結構的力學和變形參數。該試驗臺主體結構由鋼材焊接而成，加載系統由滑輪和鋼繩構成，具有試驗成本低、原理簡潔、操作方便、結果可靠等特點，在工程研究及計算具備一定的推廣價值。

按塊石的拋填層數分為多層拋填和單層擺放試驗。多層拋填，即將10～100 kg塊石隨機拋填，其中塊石孔隙率介于30%～40%，旨在模擬實際工程情況下拋石基床底層塊石的沉降變形。單層擺放，即將塊石按一定規則排列碼放于砂土上，旨在研究塊石間的孔隙率以及荷載大小對塊石的沉降變形產生的影響。單層擺放時由于塊石是規則碼放，塊石的孔隙率可以控制，同時單層塊石排除了塊石壓縮和破碎變形的影響，塊石的沉降量可直接通過塊石的豎向位移量反映出來，故能直接觀測塊石沉降量與荷載大小的關系。

試驗時，首先向鋼制的材料圓筒底部拋填1.0 m厚的中粗砂，施加壓力使其密實，然后在其上分別多層拋填和單層擺放10～100 kg的塊石，之后在塊石上覆蓋厚鋼板，通過加載系統施加均布壓力，在塊石的底面和頂面設置沉降位移觀測點獲取沉降數據。

1.2 試驗現象

(1)塊石單層擺放。

圖1所示為塊石單層擺放模型試驗照片，單層塊石受到荷載作用后基本不會破碎。塊石的大小和形狀不同時，塊石沉降到砂土中的深度有所區別。沉降深度受塊石間距影響，最大深度達120 mm。

圖1 塊石單層擺放試驗模型中塊石的沉降情況Fig.1 The settling situation of the block stone in the single layer placement test model

(2)塊石多層拋填。

圖2所示為塊石多層拋填模型試驗照片，可以看出，塊石的沉降現象明顯。由于試驗施加的壓力較大，上部塊石受到荷載作用后存在破碎現象。多層拋填模型是將10～100 kg塊石隨機拋填在砂層上，施加的平均壓力達到1 600 kPa，底層小塊石完全沉降到了砂土層中，但較大的塊石并未完全沉降到了砂土層中，測量到的最大沉降量不超過60 mm。塊石間的砂土出現隆起現象。

2-a 上部的塊石被壓碎2-b 底部塊石沉降砂土中2-c 砂土中的塊石沉降坑2-d 砂土隆起圖2 塊石多層拋填試驗模型中塊石的沉降情況Fig.2 The settling situation of the block stone in the multi-layer dumping and filling test model of block stone

2 試驗分析

2.1 塊石單層擺放

塊石單層擺放時，塊石間距代表了塊石的孔隙率。當施加的均布荷載相同時，不同間距情況下，塊石與地基的接觸應力是不同的，因此塊石間距也代表了塊石的應力集中程度。試驗中，通過調整塊石的擺放間距，得到了3種平面孔隙率，分別為n=0.35、0.45和0.59，三種孔隙率的荷載-沉降變形曲線見圖3。

圖3 三種塊石孔隙率情況下荷載-沉降變形曲線Fig.3 Load settled deformation curve under three kinds of rock porosity

當豎向荷載不斷增大時，壓縮變形、沉降變形和整體變形先急劇增大，隨后增速放緩，最后趨于平緩。試件的整體壓縮位移由砂土層的壓縮位移和塊石沉降變形兩部分組成，由于砂土層厚度較薄，其壓縮沉降變形較小，故整體壓縮中大部分由塊石沉降變形引起。此外，砂土層的壓縮變形存在明顯的非線性特性，隨著平均壓應力的增大，砂土層的壓縮變形量減少。

塊石在砂土層中的沉降變形也具有明顯的非線性和分段特性。當平均應力小于300 kPa時，沉降變形呈非線性；當平均應力大于300 kPa時，對于3種塊石孔隙率情況，沉降變形增量與應力增量近似為線性關系。當孔隙率由35%增至45%時，豎向壓縮量大約增加20%，當孔隙率由45%增至59%時，豎向壓縮量大約增加40%，說明塊石孔隙率對沉降變形影響明顯，孔隙率越大，沉降變形量也越大。

2.2 塊石多層隨機拋填

圖4所示為塊石隨機拋填模型荷載-豎向變形曲線，包括下層砂土層壓縮沉降變形曲線、上層塊石層的壓縮沉降變形曲線、塊石沉降變形曲線和整體變形曲線。隨機拋填模型中，塊石的孔隙率為0.37，級配相對較好。下層砂土層的壓縮變形特性與單層塊石基本相同，但塊石的沉降變形較小。當平均應力小于700 kPa時，沉降變形呈弱非線性特性，如果近似簡化為線性變形，沉降變形剛度系數為15.3 kN/m3；當平均應力大于700 kPa時，沉降變形增量與應力增量近似為線性關系, 沉降變形增量剛度系數為44.1 kN/m3。高應力狀態下，沉降變形剛度系數較低應力狀態的大幅度增加，即沉降變形基本穩定。

3 沉降變形機理分析

3.1 砂土地基

如果單個塊石為一立方體，拋石基床常用塊石為10～100 kg，其邊長為15.5～33.3 cm。中粗砂內摩擦角φ為32°～35°，粘聚力系數c為0。將單個塊石看成一結構，依據《水運工程地基設計規范》中矩形基礎的承載力計算公式，可以得到當單個塊石位于中粗砂地基上，塊石周邊作用不同的邊載時，塊石下中粗砂地基的極限承載能力，計算結果如表1所示。從表1可以看出，當塊石位于中粗砂地基上時，塊石周邊的邊載對塊石下中粗砂地基的極限承載能力影響非常大，而塊石的粒徑或邊長則影響很小。

當塊石直接拋填在砂土地基上時，塊石和砂土的初始接觸關系如圖5-a所示，此時，塊石與砂土接觸面以外的砂土面區域沒有荷載作用，相當于邊載為0，塊石下砂土地基的極限承載能力僅為24～57 kPa，難以承載拋石基床的壓力，塊石下的砂土地基會失穩，塊石沉入到砂土地基中，產生沉降變形。

塊石下的砂土地基失穩后，一方面塊石下沉，另一方面塊石與砂土接觸面以外的區域隆起，如圖5-b所示。此時，對于塊石與砂土的接觸底面而言，接觸底面以外的區域有一定的邊載作用，一部分邊載為土體自重，另一部分則為塊石側面的摩擦力和擠壓力。從表1中可見，當有一定的邊載時，塊石下中粗砂地基的極限承載能力就會大幅度提高。但此時塊石下砂土地基的極限承載能力可能仍然難以承載拋石基床的壓力，塊石會繼續下沉，產生進一步的沉降變形。

當塊石向砂土地基中下沉，塊石外的砂土面繼續隆起，隆起的砂土面會接觸到第一層塊石空隙之間的第二層塊石底面，如圖5-c所示。此時，第二層塊石底面也會給隆起的砂土面施加壓力，這時，對于第一層塊石而言，其邊載就大幅度增加，下部砂土地基的極限承載能力大幅度提高，達到能夠承載拋石基床的壓力。

表1 單個塊石下中粗砂地基的極限承載能力Tab.1 Ultimate bearing capacity of medium and coarse sand foundation under a single rock

5-a 初始狀態5-b 塊石沉降變形5-c 塊石沉降變形基本穩定圖5 塊石沉降變形過程Fig.5 Block stone settled deformation process

隆起的砂土面接觸到第二層塊石底面時，從表1中可見，第二層塊石施加給隆起砂土面的壓應力可達24 kPa，在該邊載作用下，第一層塊石下中粗砂地基的極限承載能力達到752 kPa以上，足以滿足承載碼頭拋石基床壓力的要求。

一般情況下，如果拋石基床的塊石級配較好，第二層塊石底面距第一層塊石底面的距離為h=0.5D1～0.7D1(D1為第一層塊石粒徑)。當h高度內的塊石空隙全部被隆起的砂土充滿時，塊石的平均沉降變形量為x=nh，其中n為塊石的孔隙率，一般為0.35～0.40。因此，重力式碼頭中，如果直接將10～100 kg的級配塊石直接拋填在中粗砂地基上，能產生的最大沉降變形約為0.4×0.7×33.3=9.3 cm。

試驗中，塊石的孔隙率為0.37，級配好，平均粒徑25 cm，則預估平均沉降變形約為0.37×0.6×25=5.6 cm。在1 088 kPa壓力作用下，實測平均沉降變形為5.46 cm。

如果在砂土地基上，拋填一層二片石后，再拋填塊石，則直接與砂土層接觸的是二片石，其最大粒徑約為15 cm，則最大沉降變形約為0.4×0.7×15=4.2 cm。

當施加預壓荷載，使沉降變形先產生，即使第二層塊石底面與隆起的砂土面充分接觸，則后期基本上就不會再產生沉降變形。

3.2 黏土地基

當地基土為黏土地基時，各種地基土參數對應的單個塊石下黏土地基的極限承載能力如表2所示。

表2 單個塊石下黏土地基的極限承載能力Tab.2 Ultimate bearing capacity of clay foundation under a single rock

從表2中可見，當塊石直接拋填在黏土地基上時，如果黏土地基的強度指標比較高，塊石的沉降變形和黏土地基的極限承載能力情況與砂土地基的類似。第一層塊石的沉降變形使其接觸底面外的黏土頂面隆起，隆起的黏土頂面與第二層塊石底面接觸后，沉降變形就基本穩定。當黏土地基的強度指標較低時，邊載作用效果不明顯，隨著荷載的增加，沉降變形會持續產生，難以達到穩定狀態。

4 結論

(1)塊石單層擺放時，試件的整體壓縮位移由砂床壓縮位移和塊石沉降位移組成，且整體壓縮中大部分由塊石沉降變形引起。豎向壓力和孔隙率對塊石沉降變形的影響較大，沉降變形隨著孔隙率的增大而增大，當孔隙率由35%增至45%時，沉降變形大約增加20%；當孔隙率由45%增至59%時，沉降變形大約增加40%。隨著壓力增大，沉降變形先快速增加，隨后增速放緩，最后趨于穩定。

(2)多層拋填時，沉降位移占試件的整體壓縮位移比例最大。基床應力小于700 kPa時，沉降變形呈弱非線性特性；當基床應力大于700 kPa時，沉降變形增量與應力增量近似為線性關系。高應力狀態下，沉降變形剛度系數較低應力狀態增大近2倍，此時，沉降變形增量很小，變形基本穩定。

(3)砂土地基中，初始狀態無邊載作用，當塊石下沉沉降深度增加到一定程度，隆起的砂土面產生邊載作用，地基極限承載力增加，直到能夠承載拋石基床壓力，即為最終沉降變形量。塊石的沉降變形是有限和可控的，將10～100 kg的級配塊石直接拋填在中粗砂地基上，能產生的最大沉降變形約為9.3 cm。

(4)在黏土地基中，當強度指標很高，塊石的沉降變形過程與砂土地基類似；當強度指標很低時，邊載作用效果不明顯，隨著荷載的增加，沉降變形會持續產生，難以達到穩定狀態。