軟弱地基上滿堂式支架施工與地基沉降量預(yù)估方法探索現(xiàn)狀

郗磊

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

地基，通常是指在基礎(chǔ)以下承受源自上部結(jié)構(gòu)物荷載的部分。因此，地基在有效保障構(gòu)筑物的安全使用等方面起著至關(guān)重要的作用。理想的地基應(yīng)該具有足夠的承重能力，足夠的抗剪、抗拉強(qiáng)度等，但實(shí)質(zhì)上，組成地基的巖土卻是一種非均質(zhì)的各向異性且具有流變特性的復(fù)雜介質(zhì)[1]。所以當(dāng)?shù)鼗潦艿缴喜拷Y(jié)構(gòu)物傳遞而來(lái)的荷載時(shí)，其將無(wú)可避免地產(chǎn)生一定的形變，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)物隨之發(fā)生不均勻沉降甚至是發(fā)生傾斜。并且地基在發(fā)生沉降的過(guò)程中所涉及到的力學(xué)知識(shí)極其復(fù)雜，地基沉降還是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程而并非是一成不變的。同時(shí)由于國(guó)家發(fā)展需要，現(xiàn)有工程通常涉及到在軟土地基上架設(shè)滿堂支架進(jìn)行橋梁施工?？紤]到地基沉降過(guò)程的復(fù)雜性與地基沉降可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，以及架設(shè)滿堂支架進(jìn)行橋梁施工過(guò)程中的安全性與穩(wěn)定性問(wèn)題，地基在施工乃至后期使用過(guò)程中的沉降問(wèn)題是不容忽視的[2]。

而軟體地基相較于普通地基而言更容易發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而發(fā)生安全事故的概率也會(huì)有所增長(zhǎng)，在滿堂支架所加荷載作用下則更容易出現(xiàn)失穩(wěn)等安全性問(wèn)題。為了較好地避免軟土地基發(fā)生不均勻沉降而導(dǎo)致滿堂支架被破壞繼而發(fā)生安全事故，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失，有關(guān)研究者們提出了各種預(yù)測(cè)軟土地基沉降量的方法，以預(yù)先發(fā)現(xiàn)軟土地基因不均勻沉降所招致的災(zāi)害。

長(zhǎng)期以來(lái)，大量專家學(xué)者都致力于研究軟土地基上滿堂支架的穩(wěn)定性問(wèn)題和軟土地基沉降問(wèn)題，在大家的共同努力之下也取得了諸多研究成果。本文將依托實(shí)際工程，結(jié)合學(xué)者們所做的研究對(duì)目前常用的一些軟土地基滿堂支架施工方法和軟土地基沉降預(yù)測(cè)方法進(jìn)行展開(kāi)介紹。

1 工程概況

在建的石阡到玉屏的高速公路某標(biāo)段，起訖樁號(hào)K40+700—K46+250，主線全長(zhǎng)5.55 km，青陽(yáng)互通采用單喇叭A 型互通，互通范圍主線長(zhǎng)1 380 m，匝道A、B、C、D、L，共5 道，總長(zhǎng)1 755.6 m，L 匝道下穿主線，LK0+585 設(shè)置3 入5 出匝道收費(fèi)站。連接線共17 km，連接岑鞏縣客樓鄉(xiāng)與青陽(yáng)互通。全線共有橋梁16 座；何家坡大橋右線第四聯(lián)（3×20 m）、榔樹(shù)溝大橋右幅第六聯(lián)（3×20 m）、A 匝道橋（4×20 m）、B匝道橋（8×20 m）、C 匝道橋（12×20 m）、D 匝道橋（9×20 m）、L1 匝道橋（3×20 m）為20 m 普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。該標(biāo)段的其中一部分便需要在軟土地基段進(jìn)行滿堂支架現(xiàn)澆混凝土梁施工，因此軟土地基的沉降問(wèn)題也是本項(xiàng)目亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2 軟土地基滿堂支架施工方法

朱文通等[3]依托汕頭至揭陽(yáng)高速公路某段的5 座現(xiàn)澆連續(xù)箱梁展開(kāi)了研究，該橋位于榕江沖積平原，屬于軟土地基，承載力較差，故其根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)提出地表硬化的地基加固處理方法，待其承載力滿足施工要求之后再搭設(shè)支架進(jìn)行后續(xù)施工，結(jié)果表明該方法能有效降低施工成本、縮短工期、提高安全性，具有較高實(shí)用價(jià)值。孫東[4]依托揭普高速赤崗跨線橋進(jìn)行了研究，該橋位穿越水田，地質(zhì)條件較差，大部分為軟土地基，因此其在搭設(shè)滿堂支架之前采取了排水固接、填土施工、鋪設(shè)水泥穩(wěn)定層等措施進(jìn)行地基加固，待承載力滿足要求后再進(jìn)行滿堂支架搭設(shè)工作，并用人工堆碼砂包進(jìn)行預(yù)壓，以確保滿堂支架具有足夠的安全性與穩(wěn)定性，并提出地基加固施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)禁破壞地表板殼、嚴(yán)禁擾動(dòng)原狀土、填土密實(shí)度務(wù)必達(dá)到90%以上、應(yīng)采用透水性較好的砂性土或粗砂回填并以分層夯實(shí)為宜。

3 軟土地基沉降預(yù)測(cè)方法

考慮到軟土地基的沉降會(huì)受到時(shí)間、地基承載能力參數(shù)、地基處理方法、填料性質(zhì)以及施工時(shí)間等多種因素的影響和制約[5]，因此僅用一個(gè)數(shù)學(xué)顯式來(lái)表述軟土地基沉降的自然變化規(guī)律具有較大難度[6]。因此，尹利華等[7]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提出了考慮多因素影響的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法不同于建立傳統(tǒng)的函數(shù)因變量與自變量之間的關(guān)系，其是將傳統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)而形成維度更高的非次線性映射問(wèn)題，并以此來(lái)取代數(shù)學(xué)顯式，使得多因素影響下的軟土地基所表現(xiàn)的沉降規(guī)律得以展現(xiàn)。此外，該方法用于處理非線性問(wèn)題時(shí)具有其獨(dú)一無(wú)二的長(zhǎng)處。該預(yù)測(cè)模型的建立過(guò)程主要包括輸入及輸出參量的選取、模型構(gòu)造的選定、對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練與檢驗(yàn)等。經(jīng)研究檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該模型的輸入?yún)⒘考劝ㄓ绊懙鼗两档墓惨蛩?，即剖面的形樁與態(tài)勢(shì)、工程性質(zhì)、施工時(shí)長(zhǎng)等，又將施工方式、置換率乃至加載方式等因素對(duì)沉降量的影響考慮了進(jìn)去，并且其訓(xùn)練參數(shù)選取自不同的點(diǎn)位，因此該模型的適用范圍廣泛，可用于絕大多數(shù)情況下的沉降量預(yù)測(cè)。

有學(xué)者則提出理論方法計(jì)算所得數(shù)據(jù)與實(shí)際情況之間存在較大差別，有限元及有限差分等數(shù)值模擬方法則存在考慮因素不全面、不易快速掌握以及參數(shù)確定具有較大難度等不足，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和灰色理論法又不具有推理過(guò)程與推理依據(jù)，缺乏理論基礎(chǔ)；通過(guò)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)并進(jìn)行曲線擬合反倒具有較高的真實(shí)可靠性[8]。考慮到曲線擬合法具有使用便捷、預(yù)測(cè)精度高等特點(diǎn)，而常用的擬合曲線有雙曲線法、對(duì)數(shù)曲線法以及指數(shù)曲線法等，吳王剛等[9]則采用上述3 種擬合曲線方法對(duì)原始沉降量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在分析比較各種方法預(yù)測(cè)結(jié)果與各影響因素的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)雙曲線法。研究發(fā)現(xiàn)，使用雙曲線法進(jìn)行預(yù)估時(shí)存在初期預(yù)測(cè)量略大、末期則較小的問(wèn)題，同時(shí)后期沉降量預(yù)測(cè)值的偏差還受到監(jiān)測(cè)點(diǎn)原位置處軟土厚度數(shù)值的影響，二者近似呈正線性關(guān)系，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)原位置處軟土厚度越大，末期沉降量預(yù)估的數(shù)值與實(shí)際值之間的差值便越大。在此基礎(chǔ)上，考慮監(jiān)測(cè)時(shí)間序列與軟土厚度2 個(gè)因素，對(duì)原有的雙曲線擬合法進(jìn)行改良，即在原有模型加入冪函數(shù)u，并通過(guò)不同的軟弱地基厚度與不同的時(shí)間序列對(duì)u進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)值也隨之發(fā)生變化。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的方法誤差更小、精度更佳，更能達(dá)到現(xiàn)實(shí)施工過(guò)程中的沉降量預(yù)估精確度的標(biāo)準(zhǔn)。

盧飛強(qiáng)[10]指出，在實(shí)際工程中影響地基沉降的因素主要分為自然與人為兩大類。自然因素主要是指土的可壓縮性、軟弱地基土的滲透性以及地下水的分布等，人為因素則是指外荷載的施加方式、荷載加上去的速率以及地基處理方式等。在眾多影響因素中，對(duì)地基沉降量影響最大的便是外加荷載，但外加荷載與沉降量之間的關(guān)系是極其復(fù)雜的。而這種復(fù)雜的關(guān)系也嚴(yán)重制約著地基沉降量計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此便有學(xué)者提出了利用時(shí)間序列分析法進(jìn)行地基沉降量的預(yù)測(cè)。時(shí)間序列分析法是根據(jù)既有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所建立的一個(gè)最優(yōu)模型，其不用考慮外加荷載與沉降量之間到底是什么關(guān)系，因此很大程度上使軟土地基的沉降量預(yù)測(cè)問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化。軟弱土地基的沉降大致可以劃分為瞬時(shí)發(fā)生階段、主固結(jié)階段與次固結(jié)階段等3 個(gè)階段，并且地基沉降的3 個(gè)階段均是在受到外加荷載時(shí)同步發(fā)生的，只是在某些特定階段是以某種沉降方式為主導(dǎo)，而且3 個(gè)階段所產(chǎn)生的沉降量與主導(dǎo)沉降的時(shí)間會(huì)根據(jù)土體性質(zhì)以及土體內(nèi)部的受力情況發(fā)生變化。

牛欣欣[11]指出，在進(jìn)行地基沉降量預(yù)測(cè)時(shí)通常會(huì)因?yàn)槔碚搶用婊蚪?jīng)驗(yàn)措施自身的不足、干擾因素的復(fù)雜性以及巖土材料自身性質(zhì)的隨機(jī)性而導(dǎo)致預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間存在較大偏差。而目前常用的灰色預(yù)測(cè)模型、線性回歸模型以及變權(quán)組合模型等又會(huì)因?yàn)槟Ｐ腿狈γ鞔_物理意義或是公式復(fù)雜參數(shù)雜糅等而導(dǎo)致求解困難。于是便在研究GM（2，1）模型與Asaoka 公式之間關(guān)系的基礎(chǔ)上采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化分析，并提出了基于模式搜索算法的參數(shù)優(yōu)化方法。研究發(fā)現(xiàn)，GM（2，1）模型與Asaoka 法在一定程度上具有高度相似性，這就很好地解決了軟土地基沉降量預(yù)估模型無(wú)法給出明確物理含義的窘境，并將該模型與實(shí)際工程中的參數(shù)結(jié)合進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果為GM（2，1）模型的預(yù)估結(jié)果明顯優(yōu)于雙曲線法和Asaoka法的預(yù)估結(jié)論，同時(shí)通過(guò)與其他預(yù)估方法的結(jié)果對(duì)比和分析，體現(xiàn)了該模型適用范圍的普遍性。

黃仁東等[12]指出，在諸多地基沉降預(yù)測(cè)方法中，回歸分析法是靜態(tài)數(shù)據(jù)模型，而地基沉降是隨時(shí)間序列變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此該方式不能較好地體現(xiàn)地基受力與時(shí)間變化關(guān)系之間的動(dòng)態(tài)效果；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法則需要足夠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為樣本給予支撐，以確保預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但現(xiàn)實(shí)工程中可提供的數(shù)據(jù)樣本往往是十分有限的，因此必然會(huì)在一定程度上對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生不良影響；而灰色預(yù)測(cè)模型則要求用于進(jìn)行估算的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的趨勢(shì)性。根據(jù)上述方法的不足之處，于是提出了基于自記憶原理的軟弱地基沉降量預(yù)估模型。該模型的原理是一種解決非線性系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)-動(dòng)力方法，其始于系統(tǒng)動(dòng)力模式，引入記憶函數(shù)，將歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與動(dòng)力計(jì)算方法結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)估軟弱土地基沉降量的目標(biāo)。將該方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果分析對(duì)比得知，該方法預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差得到了很好的控制，從而保證了其預(yù)測(cè)精度，在實(shí)際工程中擁有良好的適用性。但是該方法主要通過(guò)試算確定，這將是無(wú)法避免的弊端。

劉先林等[13]依托廣西貴港至合浦高速公路項(xiàng)目中的花崗巖軟土地基段就花崗巖軟土地基沉降量預(yù)測(cè)方法和承載能力展開(kāi)了研究。針對(duì)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度以及沉降計(jì)算模型精度欠佳等不足，其根據(jù)土體參數(shù)的空間隨機(jī)變異性特征并結(jié)合蒙特卡洛隨機(jī)理論進(jìn)行了研究分析，解決了沉降與地基承載力計(jì)算中的變異性及不確定性問(wèn)題并采用上下限法進(jìn)行隨機(jī)場(chǎng)下的沉降及極限承載力分析。傳統(tǒng)方法中僅考慮了土體的隨機(jī)性，而并未重視土體的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)?；诖耍瑸榭紤]土體結(jié)構(gòu)性等特點(diǎn)，并提出適用性強(qiáng)的趨勢(shì)函數(shù)，以達(dá)到對(duì)土體參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)模型進(jìn)行去趨勢(shì)化處理的目的，其基于隨機(jī)場(chǎng)理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用展開(kāi)了分析與討論。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，軟土參數(shù)E、c、φ服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，預(yù)測(cè)地基沉降時(shí)考慮地基土的空間變異性可以更準(zhǔn)確地得到地基沉降區(qū)間；花崗巖殘積土參數(shù)Su服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，僅取該參數(shù)的平均值則將高估地基承載力，因此進(jìn)行地基承載力評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮地基土參數(shù)的空間變異性。

4 結(jié)論

綜上所述，軟土地基上的滿堂支架施工以及軟土地基的沉降量預(yù)測(cè)問(wèn)題之所以一直在工程界都是“待解之題”，是因?yàn)楝F(xiàn)有的各種施工及預(yù)測(cè)方法都還具有其不容忽視的弊端。雖然有關(guān)學(xué)者通過(guò)自己的研究都取得了一些進(jìn)步與成果，但就目前而言尚未得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的施工及預(yù)測(cè)方法，因此軟弱土地基的滿堂支架施工與地基沉降量預(yù)測(cè)問(wèn)題方面的研究仍然是非常重要的。