填方地基沉降變形分析及其工程應用

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；2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

填方區在施工中受設計不當、材料的選用以及施工不當等影響，在后期易出現不均勻沉降。當地基不均勻沉降超過了一定的限度，將導致建筑物的開裂、歪斜甚至破壞，從而對工程的安全性與穩定性產生不利的影響[1-3]。針對填方工程項目特點設計合適的地基沉降變形計算方案，利用地基沉降計算結果定量分析沉降變形規律，對填方工程的沉降控制及后期施工具有重要的指導意義。

為此，針對白鶴灘某移民遷建項目遷建集鎮及各居民點地基填筑施工特點，進行填方地基沉降計算，對各居民點場區的沉降變形量進行統計，確定填方高度、填方土體變形模量對沉降變形的影響，分析各居民點場區填筑體沉降時間和沉降規律，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區和水庫淹沒影響區（不含其它水庫影響區）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（鎮）75 個行政村5 個居委會274 個村民小組。白鶴灘水電站庫區移民安置市政類項目（EPC）中的場平與基礎設施工程涉及寧南縣的華彈遷建集鎮以及花棚、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果。華彈遷建集鎮及各居民點場區填方體統計概況如表1 所示。

各場區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，綜合內摩擦角均大于35°。其中，花棚居民點場區的填方體高度最大。

2 沉降變形計算方案

2.1 沉降計算方法

根據一維固結理論的填方地基沉降計算方法，計算華彈遷建集鎮及各居民點場區的沉降變形量，計算模型參數根據填方土體室內試驗結果確定。

（1）理論假設

①土是均質、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土的壓縮和固結僅在豎直方向發生；④孔隙水的向外排出符合達西定律，土的固結快慢決定于它的滲漏速度。

（2）計算公式。基于一維固結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

由表1 可知華彈遷建集鎮及各居民點場區回填區填方高度。土體密度可按本項目現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 計算結果

按式（1）計算可得各場區沉降變形量。項目各場區沉降變形量如圖1所示。

圖1 各項目場區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，按各項目場區最大填方高度3.0m、3.5m、4.0m、5.0m、5.0m、8.0m、9.0m、10.0m 進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，兩者大致呈線性關系。

3.2 土體變形模量對沉降量的影響

以花棚居民點場區為例，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的最終沉降量，并進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，兩者大致呈冪指數關系。

3.3 沉降時間與沉降量的關系

對花棚居民點場區，土體變形模量取9.75MPa（壓縮模量為15.0MPa）時，根據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關系，如圖4 所示。

圖4 花棚10m 填方沉降與時間的對數關系

由圖4 可知，填方土體在自重應力引起的沉降與時間的對數關系大致呈線性關系。

3.4 完成沉降所需天數分析

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，結果如表2 所示。

表2 填方完成沉降所需時間

根據計算結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關系

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。兩者大致呈冪指數關系。

4 工程應用

4.1 地基加固方案設計

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施工中，在滿足規范和設計要求范圍內，應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填方地基進行加固處理。

4.2 工后沉降預測

從填方地基施工結束到上部結構開始施工，這段時間內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關系，建立工后沉降預測模型，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填方地基，施工完成后，對填方地基進行靜態平板載荷試驗，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 可得工后沉降預測時間為4d，而根據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，表明該工后沉降預測模型可為上部結構的施工安排提供一定的指導作用。

5 結束語

基于一維固結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場的實測數據，進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系，可科學進行工后沉降預測和控制，指導地基加固方案設計及后期施工。