填方地基沉降變形分析及其工程應(yīng)用

余軍波 吳佳佳 周珂 劉金鑫

（1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

填方區(qū)在施工中受設(shè)計不當(dāng)、材料的選用以及施工不當(dāng)?shù)扔绊懀诤笃谝壮霈F(xiàn)不均勻沉降。當(dāng)?shù)鼗痪鶆虺两党^了一定的限度，將導(dǎo)致建筑物的開裂、歪斜甚至破壞，從而對工程的安全性與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響[1-3]。針對填方工程項目特點設(shè)計合適的地基沉降變形計算方案，利用地基沉降計算結(jié)果定量分析沉降變形規(guī)律，對填方工程的沉降控制及后期施工具有重要的指導(dǎo)意義。

為此，針對白鶴灘某移民遷建項目遷建集鎮(zhèn)及各居民點地基填筑施工特點，進(jìn)行填方地基沉降計算，對各居民點場區(qū)的沉降變形量進(jìn)行統(tǒng)計，確定填方高度、填方土體變形模量對沉降變形的影響，分析各居民點場區(qū)填筑體沉降時間和沉降規(guī)律，為本項目及類似項目的填方工程沉降控制及后期施工提供參考。

1 工程概況

白鶴灘水電站樞紐工程建設(shè)區(qū)和水庫淹沒影響區(qū)（不含其它水庫影響區(qū)）包含四川省涼山州寧南縣和會東縣，共計1 個州2 個縣25 個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）75 個行政村5 個居委會274 個村民小組。白鶴灘水電站庫區(qū)移民安置市政類項目（EPC）中的場平與基礎(chǔ)設(shè)施工程涉及寧南縣的華彈遷建集鎮(zhèn)以及花棚、武星、干海子、黑泥溝、燈塔、螺絲田、碼口、白泥井八個居民點。項目各場區(qū)回填厚度較大，最大回填厚度約10m。

填方工程施工時，填料性質(zhì)差異決定著最佳施工方式、施工機械，同時影響施工難度，影響地基沉降變形結(jié)果。華彈遷建集鎮(zhèn)及各居民點場區(qū)填方體統(tǒng)計概況如表1 所示。

各場區(qū)高填方體主要是由土夾石（其中碎石、卵石占30%～50%以上）摻拌制成，填料粒徑范圍均小于200mm，綜合內(nèi)摩擦角均大于35°。其中，花棚居民點場區(qū)的填方體高度最大。

2 沉降變形計算方案

2.1 沉降計算方法

根據(jù)一維固結(jié)理論的填方地基沉降計算方法，計算華彈遷建集鎮(zhèn)及各居民點場區(qū)的沉降變形量，計算模型參數(shù)根據(jù)填方土體室內(nèi)試驗結(jié)果確定。

（1）理論假設(shè)

①土是均質(zhì)、各向同性且飽和的；②土粒和孔隙水是不可壓縮的，土的壓縮完全由孔隙體積的減小引起；③土的壓縮和固結(jié)僅在豎直方向發(fā)生；④孔隙水的向外排出符合達(dá)西定律，土的固結(jié)快慢決定于它的滲漏速度。

（2）計算公式。基于一維固結(jié)理論的填方地基沉降變形計算公式[4]為：

填方地基沉降時間的計算公式[4]為：

2.2 計算參數(shù)

由表1 可知華彈遷建集鎮(zhèn)及各居民點場區(qū)回填區(qū)填方高度。土體密度可按本項目現(xiàn)場壓實度檢測試驗報告取2.18g/cm3。本項目主要填料類型為土夾石，土體泊松比μ 按碎石土類型取為0.20，土體的變形模量取9.75MPa。

2.3 計算結(jié)果

按式（1）計算可得各場區(qū)沉降變形量。項目各場區(qū)沉降變形量如圖1所示。

圖1 各項目場區(qū)沉降變形量柱狀分布圖

由圖1 可知，按式（1）計算得出項目各場區(qū)沉降變形量中最大的是花棚居民點，為0.987cm。

3 沉降特性分析

3.1 填方高度對沉降量的影響

土的變形模量為9.75MPa 時，按各項目場區(qū)最大填方高度3.0m、3.5m、4.0m、5.0m、5.0m、8.0m、9.0m、10.0m 進(jìn)行不同填方高度下的沉降變形擬合，不同填方高度下的沉降變形擬合結(jié)果見圖2。

圖2 不同填方高度下的沉降變形擬合圖

由圖2 可知，隨著填方高度增加，不同居民點填方體沉降量也逐漸增加，兩者大致呈線性關(guān)系。

3.2 土體變形模量對沉降量的影響

以花棚居民點場區(qū)為例，按花棚居民點最大填筑高度10.0m，計算土體不同變形模量對應(yīng)的最終沉降量，并進(jìn)行不同變形模量下的沉降變形擬合。擬合方法采用多項式曲線擬合法，填方體變形模量取為10MPa，20MPa，30MPa，40MPa，50MPa。不同變形模量下的沉降變形擬合見圖3。

圖3 不同變形模量下的沉降變形擬合圖

由圖3 可知，隨著土體變形模量的增加，花棚填方體沉降量急劇減少，兩者大致呈冪指數(shù)關(guān)系。

3.3 沉降時間與沉降量的關(guān)系

對花棚居民點場區(qū)，土體變形模量取9.75MPa（壓縮模量為15.0MPa）時，根據(jù)花棚居民點最大填方高度10.0m，最終沉降變形量為0.987cm，按式（2）計算花棚填方完成最終沉降所需的時間，得到沉降與時間的對數(shù)關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 花棚10m 填方沉降與時間的對數(shù)關(guān)系

由圖4 可知，填方土體在自重應(yīng)力引起的沉降與時間的對數(shù)關(guān)系大致呈線性關(guān)系。

3.4 完成沉降所需天數(shù)分析

按花棚居民點最大填方高度10.0m，土體的變形模量為10～50MPa時，按式（2）計算填方土體完成最終沉降所需的時間，結(jié)果如表2 所示。

表2 填方完成沉降所需時間

根據(jù)計算結(jié)果繪制所得的擬合曲線如圖5 所示。

圖5 變形模量與完成沉降所需天數(shù)關(guān)系

由圖5 可知，隨著土體變形模量的增大，花棚填方土體完成最終沉降所需的時間就越短。兩者大致呈冪指數(shù)關(guān)系。

4 工程應(yīng)用

4.1 地基加固方案設(shè)計

由沉降特性分析可知，土體變形模量增大，沉降變形減小；填土高度增加，沉降變形增加。因此在本項目填方工程后續(xù)施工中，在滿足規(guī)范和設(shè)計要求范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能提高填土變形模量，減小填土的高度。

考慮項目各場區(qū)回填土樣主要為碎石土，土體較為松散，土體孔隙率較大（土體變形模量較小），土層厚度較大。對填土進(jìn)行強夯處治，可提高填土變形模量，減小土層的厚度，從而有效控制填方地基沉降變形，因此，本項目決定采用強夯法對各場區(qū)填方地基進(jìn)行加固處理。

4.2 工后沉降預(yù)測

從填方地基施工結(jié)束到上部結(jié)構(gòu)開始施工，這段時間內(nèi)的工后沉降尤為重要[1,5]。考慮填土變形模量與沉降時間的函數(shù)關(guān)系，建立工后沉降預(yù)測模型，可為工程后期施工提供參考。

以花棚居民點為例，采用強夯法加固場區(qū)填方地基，施工完成后，對填方地基進(jìn)行靜態(tài)平板載荷試驗，檢測填方地基的最終變形模量，通過計算得到填方地基的最終變形模量為50MPa。由表2 與圖5 可得工后沉降預(yù)測時間為4d，而根據(jù)花棚地基沉降實測資料得到工后沉降時間約為3.92d，兩者誤差較小，表明該工后沉降預(yù)測模型可為上部結(jié)構(gòu)的施工安排提供一定的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)束語

基于一維固結(jié)理論的填方地基沉降計算方法，利用白鶴灘某移民遷建項目現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行填方地基沉降變形計算，分析填方高度、填方土體的變形模量對沉降變形的影響，分析沉降時間與沉降量的關(guān)系，可科學(xué)進(jìn)行工后沉降預(yù)測和控制，指導(dǎo)地基加固方案設(shè)計及后期施工。