軟土地基病害與沉降預測方法研究現狀

廖 鵬，孫世達

（中交路橋建設有限公司，北京 101121）

軟土地基是基礎設施建設過程中十分普遍地質類型之一。顧名思義，軟土地基具有強度低、含水量高、壓縮性高、工程性質差等特性。鑒于軟土地基的特性，其涉及到的工程實際問題主要有穩定性、不均勻沉降導致的變形、動荷載引起的地基土液化等3 個方面。軟弱地基的穩定性問題主要是由于地基土承載力低、強度低，而使得路基受上部荷載的影響較大，一旦軟土地基出現抗剪強度降低或承載能力不足的情況，便會在路基內部形成裂隙，導致路基破壞，甚至出現塌方現象。

沉降、變形問題主要是由于軟土的含水量通常都較高、壓縮性也高，同時受到附加荷載的作用，從而會導致其出現沉降變形。沉降導致的均勻變形所產生的負面影響是可以忽略的。但實質上，路基下方土層的厚度是非統一的，土是非均質的，所以會導致在施工過程或后期使用過程中出現軟土地基不均勻沉降的情況，從而出現“起伏路”。除此之外，還有一種情況便是不均勻沉降出現在結構物與路基的交界面處，這種現象發生是因為在設計施工過程中結構物和路基的沉降控制標準不同，導致構筑物與路基之間往往會有不容忽略的沉降差產生。不均勻沉降的產生時常會引起路面凹陷、路面裂縫以及路面積水等問題，給后期的投入使用埋下了一定的安全隱患。

動荷載所導致的軟弱地基土液化，主要是由于溫度改變以及外界水循環狀況發生變化等導致的凍融或管涌等，使得地基承載力與形變出現明顯變化，進而產生路面凹陷、路面裂縫等，對道路的安全性以及適用性都造成了一定的負面影響。

綜上所述，軟弱路基無論在工程設計還是現場施工時都會對項目產生顯著的負面影響。因此，本文將依托工程著重介紹現有的關于軟弱地基沉降所導致的病害與沉降量預測方法。

1 工程概況

在建的貴州省內石阡到玉屏的高速公路是貴州省新增重要工程項目之一。該項目起終點分別與國內多條重要高速公路聯通，是國家高速公路網絡中的重要一環。該項目的建成將對貴州高速公路網的進一步完善起到至關重要的作用。該項目區域內的地貌主要為侵蝕構造、溶蝕以及溶蝕侵蝕3 種類型。

2 軟土地基沉降病害分析

針對軟土地基含水率高、壓縮性高以及強度低等工程特點，為克服軟弱地基的不良影響，施工過程中往往會采取措施改善其承載力，使其承載能力得到一定程度的提升從而達到施工要求。但若實際施工過程中采取的處理方式不當，則可能導致結構物在使用期內出現沉降或傾斜等病害[1]。在橋梁修筑過程中，往往會在橋墩附近進行大量堆載、基坑開挖以及臨近打樁等，這些都極有可能導致樁周土體發生沉降；同時土體會產生橫向位移與橫向變形，進而導致基樁受到不容忽略的橫向土壓力作用，并在橫向土壓力作用下發生橫向彎曲變形，而樁頂部位所承受的豎向荷載將會使基樁的橫向彎曲變形得到較大程度的加劇。此外，軟弱地基的沉降必將會導致上部結構滑移、開裂以及支座脫空等現象的出現。由此可見，軟弱地基對于上部結構的不良影響是極其顯著的，因此通過研究理清產生病害的緣由是十分重要的。

結構病害通常是多種因素共同作用所致，其中軟弱地基橋梁所出現的病害類型大致可以分為墩柱開裂、樁頂承臺開裂、蓋梁開裂以及橋面線型破壞4 個。

有研究者發現，承臺系梁通常呈U 形開裂，裂縫均出現在角隅處，并且是由頂面向下發展的。并基于這一現象進行了數值模擬研究，研究表明當承臺樁基發生的不均勻沉降達到2 cm 時，承臺系梁處便已有裂縫產生，且其寬度達到了約0.6 mm，此刻其頂部的應力數值也達到了鋼筋的屈服強度，即為240 MPa；若不均勻沉降量繼續累積，則裂縫的開度也會不斷增大，當不均勻沉降量約為5 cm 時，混凝土裂縫的開度將增大為3.95 mm。由此可見，承臺系梁的開裂主要是由承臺樁基的不均勻沉降所導致的。同時，輔道路基軟土在附加荷載的作用下將發生明顯的固結沉降，因此相鄰橋梁的樁周土將在該固結沉降的作用下帶動樁基發生下沉；而由于沉降的影響程度與樁基和路基的距離呈負相關，因此相鄰樁基之間存在差異沉降，這也是導致承臺系梁處裂隙產生的直接原因之一[2]。

輔道路基軟土在發生固結沉降時會產生較大的水平向的側壓力，樁基則將會在水平向側壓力的推動作用下發生橫向位移，故而導致上部結構會隨著樁基的橫向移動而產生滑移，但由于上部結構會受到一定程度上的橫向約束，就會導致橋墩底部的側向彎曲拉應力超限而出現環向開裂的現象。這便是軟土地基所導致的橋墩開裂的主要原因。

利用midas-civil 建立模型并分析得知，路基沉降所形成的土側向壓力作用于樁基上，樁基則會在該土壓力作用下帶動上部結構發生整體偏位，也就造成了梁體的滑移。

考慮到軟土地基抗剪強度及透水性低、觸變性強等特點，為控制沉降，軟土地基上橋梁基礎一般會設置樁基礎并且樁長需穿過軟土深入到持力層上。而樁基礎通常以承受豎向荷載為主，水平方向上一旦受力便會發生較為嚴重的變形。因此，在橋梁建成投入使用之后，樁基便極易在軟土地基的擾動與側向擠壓作用下發生水平方向上的撓曲變形，進而使得樁基開裂等情況的發生。因此，侍剛等[3]以某五跨一聯的城市高架橋為依托進行了研究分析，評估軟土地基墩梁錯位對橋梁結構安全的影響，并提出了合理的處治措施。經研究發現，橋址區內有大范圍較厚的淤泥質粉質黏土存在，其主要位于樁基的中上部且平均厚度達到約18.7 m，屬于不良地質條件；橋址區附近正在進行圍湖、圍塘造地施工，大量的棄土使得地貌地質條件發生較大變化；暴雨使得堆土飽和、質量增大，淤泥層受到上部荷載的擠壓作用而帶動上層土體發生橫向滑移，進而對樁基中上部、承臺及橋墩下部產生擠壓作用進而發生位移變形——這都是軟土地基所招致的病害。

通過有關研究分析，從臨時應急與永久性維修加固2 個方面提出了相應的治理措施。應急治理措施主要包括：①對橋梁結構參數與病害情況進行實時監測，以便掌握病害發展趨勢；②將橋底與橋位附近的棄土運離，避免有再次擠壓梁體結構的水平荷載出現；③在墩柱間增設橫向聯系，以增強墩柱之間的橫向剛度；④臨時封閉外側車道，減少車輛荷載對梁體的不利影響；⑤在墩柱蓋梁頂部設置橫向限位擋塊，以限制墩梁之間的橫向偏位差。在永久性修固方面，則提出以下措施：①設置軟土地及土體應力釋放孔，使得樁基與橋墩偏移量得到部分回位；②增設樁基與承臺，以確保梁體的運營安全；③對受損墩柱進行維修加固處理；④對梁體進行橫向復位，等等。

橋臺是連接路基與梁體的重要組成部分，但由于路基填筑材料與梁體鋼筋混凝土材料之間的種種差異，所以二者之間通常有不同步的變形與位移出現，從而導致橋臺出現裂縫，甚至是造成承臺的不均勻沉降等。張召磊等[4]對軟土地基橋臺變形機理進行了分析，并提出了相應的預防措施。經研究發現，橋頭路基的填筑通常會使得下覆軟土發生側向變形，而樁基礎相對于軟土地基而言則是剛性構件，會對周圍土體的側向位移產生一定的抑制作用，因此樁基自身便會因軟土體的推理而產生變形。通常認為，橋臺在豎向荷載、水平作用力、側向壓力以及因地基固結沉降所產生的負摩阻力等作用下的位移模式分為水平移動模式和分別以橋臺頂和橋臺踵為中心的轉動模式；土體分層均勻時，土體的側向應力與側向位移在深度方向上呈現出線性分布狀態，此時對應的位移模式便是水平位移模式；反之，則為轉動模式。因此，其提出了可通過設置橋頭搭板、改善路基填筑、改進排水設施等措施進行預防。設置橋頭搭板能夠有效解決橋臺與軟土地基不均勻沉降所導致的高差，有助于協調橋臺與路基變形，進而削弱軟土地基不均勻沉降所導致的不良影響；選用透水性優良、易壓實的材料進行軟土地基填筑能夠及時排出土體中的水，加速土體的固結；排水設施的改善則能盡量減少雨水滲入所導致的不良影響。

3 軟土地基沉降預測方法

有關軟土地基的研究中，除了其病害機理，軟土地基沉降預測也一直是一個重點研究課題[5-7]。軟土地基沉降的準確預測有助于有針對性地就所遇到的工程實際問題提前做出有效的控制方案，進而避免不必要的安全事故與財產損失，對施工進度的控制等均有重要意義[8]。

現有的關于軟土地基沉降量預測主要有基于土力學原理進行預測和通過挖掘沉降量變化規律進行預測兩大類。但基于土壓力原理進行預測由于預測模型與實際存在較大差異，通常會導致預測準確度不高的情況出現。因此，通過挖掘沉降量變化規律進行預測的認可度相對更高，其中應用較為廣泛的有雙曲線法、灰色理論以及指數曲線法。已有研究成果顯示，灰色理論與雙曲線法具有較好的預測效果，但是其前提是需要有一定的假設條件，因此其預測精度將會一定程度上受到假設條件的影響[9-10]。同時考慮到運用單項方法預測軟土沉降還需要考慮預測方法與實際情況的匹配性，而組合預測是通過多方面獨立挖掘樣本數據信息，因此可以有效降低預測誤差[11-12]。

王培宇等[13]便從組合預測入手，考慮雙曲線法與GM 建模機理，基于算數加權組合法將雙曲線法與GM法進行組合，提出了修正優化綜合預測模型，以實現對軟土地基沉降量更加科學、準確的預測。其首先基于算術加權平均組合的方法進行預測，使得預測結果具有良好的精度，再在此基礎上構建目標函數以表征沉降組合預測值與實際監測值之間總差異的大小，以目標函數最小值為初步組合權系數進行下一步計算。構建實時修正權系數，以利用實時修正值對綜合預測值進行修正，以此來減小綜合預測值與實際監測值之間的預測偏差，并最終建立修正優化綜合預測模型。研究發現，由修正優化綜合預測模型得到的沉降值與真實監測數據更為接近，相對于雙曲線法和GM（1，1）2 種方法，修正優化綜合預測模型更能反映軟土地基沉降量的變化規律，并且其預測結果誤差更小，變化趨勢更穩定、波動更小。其中，雙曲線法和GM（1，1）這2 種方法的預測相對誤差均在11%以內，修正優化綜合預測模型的預測準確性與基于單項指標的預測方法的預測準確性呈正相關，即基于單項指標預測方法精度的降低會導致修正優化綜合預測模型的預測精度降低。通過對修正優化綜合預測模型進行敏感度分析得知，修正優化綜合預測模型、GM（1，1）、雙曲線法3 種方法的軟土地基沉降預測值均近似呈線性關系。由于GM（1，1）和雙曲線法都具有較高的預測穩定性，即可得知修正優化綜合預測模型的預測結果也具有良好的穩定性，不會由于原始數據發生變化而導致模型的適用性變差，因此得知修正優化綜合預測模型在軟土地基的沉降預測中具有良好的適用性。

4 結論

綜上所述，在橋梁工程中軟土地基所導致的病害主要有墩柱開裂、樁頂承臺開裂、蓋梁開裂以及橋面線型破壞，究其原因都是因為軟土地基因承載力不足發生不均勻沉降，進一步導致水平向土壓力的產生等，因此使得橋梁發生滑移、開裂等。在軟土地基的沉降量預估研究方面，常用的方法主要有雙曲線法和GM（1，1）法，于是便有學者在此基礎上提出了修正優化綜合預測模型并驗證了其普遍適用性，該模型能夠使預測結果更為精確，波動更小，變化趨勢更加穩定。