砂區軟土地帶特性分析與勘察技術實現及粘彈性系數優化

諶遜龍,陳 震,戴忠陽,陳云欽,劉建寧

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

建設工程過程中常常會遭遇軟土型地基,這種地基對工程的正常施工帶來一定的負面影響,需要對其進行科學的勘察,在獲得豐富的勘察信息之后,就能為工程施工質量、進度提供重要保障。在對這類地基進行勘察之際,需要提升管理工作的科學、有效性,這樣可以保障勘察信息具有較高的精準性和可靠性,最大限度降低這類地基的負面影響,更好保障工程有效實施。不過在具體實踐環節,這類勘察管理工作水平還處于低位。勘察企業需要對自身的局限性進行發掘,并給予針對性優化,積極引入先進技術,同時還需要提升管理水平,從而真正的實現高水平的勘察,為后續的施工提供重要支持。在本次研究中,以某預壓地基處理工程為案例,將現場測試、數值計算進行結合,立足于粘彈性理論對地基工程領域的孔隙水壓力、基礎沉降等時間關聯性加以深入剖析。首先剖析了這類地基的特點,然后基于這類地基的巖土工程詳細分析與總結勘察信息,接著對軟土帶巖土勘察粘彈性,從而為行業專業人員,或者專業公司提供一定的借鑒。

1 軟土地基特性分析

1.1 觸變性

觸變性為軟土地基頗具顯著性的特點,之所以存在著此特點,其核心因素就是在外力影響之下,尤其是在施工環節,容易受到振動、擠壓等作用力影響,使得軟土地基在遭受相關力的影響下,會使得有關結構產生了損壞與變形,進而導致軟土層產生整體滑坡、沉降等問題,這必然會影響到軟土層穩定性。由于軟土地基在結構上缺乏足夠穩定性,為此,在土壤結構遭受一定破壞之后,就會使得土層承載力明顯的減小,強度也會顯著下降,乃至徹底喪失[1]。這類地基為高、極靈敏性圖,倘若軟土地基產生了振動,就可能產生滑動或者擠出。

1.2 流變性

軟土地基還存在著土地結構疏松特點,其土壤密度也相對較低,而且存在著豐富的水分。由于這類特點的問題,會讓軟土在水分結構的改變下而出現顯著變化。通過外力作用,讓這類地基會產生水分,并呈現出或集中、或分散特點。正是這種變化,使得地基產生了相應的剪切力,導致軟土地基產生相應的剪切變形問題。雖然在某些情形下,這種變形的表現并不是十分顯著,然而由于連續作用時間較長,很難對其是否有效承載進行確認,甚至會產生孔隙水壓力,這必然會對地基承載力帶來頗為顯著的負面影響[2]。

1.3 高壓縮性

相較于其他土層,軟土地基結構存在著富水、松散特征,若是受到了外力作用,就容易使得土層結構出現顯著改變,進而降低其穩定性,倘若不能對其進行防護,就會在作用力影響下,使得軟土層受到壓縮變形,進而使得地基上方建筑體產生顯著沉降問題,進而顯著影響到建筑工程的穩定與安全性[3]。在液限的增長下,軟土壓縮性就會顯著提升,為此,軟土亦為典型的高壓縮土。通常,該壓縮系數最低為0.5 Mpa-1,最高可達到1.5 Mpa-1;若是軟土壓縮性較高,則為4.5 Mpa-1,該指數最低為0.35,最高則是0.75。正是如此,處于該地基之上的建筑工程,就容易產生嚴重的沉降事故[4-6]。

1.4 低強度

通常,建筑體對地基的要求相對較高,尤其是要求地基需要具有較高穩定性,而且地基還需要具有較高的承載力,使得建筑體具有較高的穩定與安全性。然而,地基存在著頗多水分,通常很難對其全面排出,而且也沒有高效方法提升這種地基的抗剪能力,為此,就容易使得地基強度產生持續降低,該地基的承載力與穩定性都較難滿足工程需求[7]。倘若在此地基上進行施工,就容易產生塌方、邊坡移位等問題,其安全風險較為突出。

1.5 不均勻性

軟土層結構呈現出非規律與復雜屬性,由于此特點會讓軟土層強度不能均勻性分布。若是建筑施工工程的結構相對較大,那么在此軟土地基影響下,就更容易因為荷載的分布缺乏均勻性,進而使得地基剪切力變得缺乏穩定性,使得地基不再具有穩定性。簡而言之,因為沉積環境具有較高的復雜性,這容易使得軟土層空間分布、物理力學性質容易產生改變,具體呈現出地層缺乏均勻性[8]。在進行作業施工之際,工程由于結構缺乏均勻性,使得地基承載力受到顯著負面影響。

2 軟土地基巖土工程勘察技術結合

2.1 確定軟土的力學性質

工程建設設計、施工需要得到勘察的鼎力支持,作為設計人員需要對地基巖層的力學特性的充分了解,為此,對軟土地基進行勘察,就需要科學判斷其力學性質。該性質通常和固結度具有顯著關聯性,軟土固結度存在差異,就容易出現壓力、性能等領域有所不同。對軟土固結歷史進行剖析,分析對工程建設所帶來的積極意義,因此在勘察之際,需要對軟土固結歷史進行重點勘察,分析與評價軟土的正常、欠、超固結現象。軟土地基會因地、因層,使得相應的性質產生一定的改變,很難對其進行預測[9-11]。在具體勘察之際,可以將原位測試、上下底層、當地經驗等方法與鉆探進行科學結合,從而對軟土力學性質指標進行明確。在對軟土力學性質指標進行明確之際,需要對施工條件進行許可,而且要借助于靜力觸探的方式,對傳統的鉆探進行取代,利用十字板剪切試驗,對軟土的無側限靈敏度、抗壓強度進行檢測,通過扁鏟測脹試驗登對軟土承載力、壓縮模量等參量進行明確,借助于室內試驗對軟土的回彈指數、固結壓力、固結與壓力系數等進行明確。

2.2 探測土層分布

對建筑體范圍之內的軟土分布區間、成因類型、厚度、埋深、縱向均勻性等因素進行勘察,同時還需要勘察下伏硬土層埋深、地表硬殼層的厚度等進行勘察。對軟土分布均勻性、范圍、厚度等進行勘察,這些都是對軟土地基性能進行全面評價的重要基礎,同時也是在處理軟土地基時需要重點考慮的因素。由于山前地帶或者山區的軟土成層條件有著較高的復雜性,顯著受到基巖頂板起伏、坡度的控制,土層層理、厚度在垂直、水平分布層面上有著顯著改變,也容易導致地基非均勻性沉降,同時還會影響到地基抗滑穩定性。

2.3 判別軟土震陷和地基液化

軟土屬于典型的特殊性土,具有顯著流動性與觸變形,若是抗震烈度為7度,或者超過7度,施工場地軟土倘若分布較厚,就需要對軟土產生震陷的幾率進行估算,同時還需要評估震陷量,這不僅為當前勘察標準,同時也是軟土地基勘察的關鍵點。軟土帶來的震陷涉及到較多的要素,例如在振動效應下產生的觸變,地震帶來的動剪應力、排氣帶來的軟土體積下降,豎向地震力值得地基應力顯著上升等[12]。對軟土是不是會導致震陷進行評價,需要結合軟土厚度、等效剪切波速、上覆非軟土層厚度等進行綜合性明確。軟土分布區常常涉及到粉土、飽和砂土等,這些土層需要結合相關標準對其進行液化分析,明確其液化級別與指數。在使用標準貫入法對其進行液化分析時,可以使用泥漿護壁等技術,對標準貫入試驗現場操作標準進行遵守,確保該試驗的錘擊數量能夠反應出底層的具體情況,確保液化判別具有較高的準確性。

2.4 地下水

在巖土工程勘察、設計等環節,地下水需要引起足夠的關注,它常常對巖土的工程性狀帶來直接作用。為此,在勘察之際,需要基于施工與設計要求,為施工、設計提供豐富的地下水資料,同時還需要對地下水的功能與影響進行科學評價,對其中可能帶來的后果進行預測,進而提出可行性的建議與舉措。軟土雖非含水層,然而軟土地帶的地下水位相對較高,這使得軟土力學與工程性質就和地下水產生緊密關聯性。倘若大規模抽取地下水,或者降低地下水位,就容易對軟土應力狀態、壓縮性等產生改變,進而帶來非均勻性沉降,從而導致工程面臨更大的安全風險。

2.5 勘察技術的合理選擇及實踐

在勘察軟土地基之際,需要借助于場地條件、勘察任務要求等,遴選合適的勘察技術,其中典型的為:靜力觸探、工程地質測繪、標準貫入試驗等,以下對主要的方法進行簡要概述。

(1)工程地質調查與測繪。該勘察技術通常應用于勘察初步與可行性研究階段。主要是對待勘測地區、周圍地貌特征、構造、氣象水文條件、周邊環境條件等進行動態調研,從而對勘測地區整體性情況進行宏觀層面的把控;

(2)鉆探技術。該技術在巖土工程勘察領域較為常見,主要是借助于專業工具、鉆機,通過人力作用,向地下鉆孔,從而得到相應的地質資料。借助于鉆探取芯,對軟土進行直觀性觀察,從而展現其厚度、結構、厚度、狀態、顏色等性質;利用鉆探技術完成取樣,然后借助于室內試驗,對軟土的孔隙比、含水率、先期固結壓力、抗剪強度等力學性質指標進行觀察。當然,還可以借助于鉆探技術對地下水埋藏條件、水位變化等進行探明。這些直觀技術可以為軟土工程地質性能評價等提供重要的依據支持;

(3)靜力觸探技術。該技術在工程勘察領域應用較廣,特別是在軟土地基領域的應用更為契合。這種技術就是借助于靜探機將標準探頭采用勻速的方式,將其置入到土層之中,從而對探頭的力學特性、阻力等進行測定。然后利用靜探曲線,同時根據鄰近的鉆孔地層,就可以將其細分成底層,而且,借助于該靜探曲線與對當地的經驗,就能對軟土壓縮性、密實度、地基承載力等級進行估算;

(4)現場檢測技術。軟土本身兼具觸變、流變屬性,在室內試驗、取樣、運輸土樣制備等環節,由于涉及到振動、擠壓等問題,容易產生土樣中的水份流失,進而使得室內試驗數據產生失真問題,也就是說,試驗數據與現場存在著一定差距。為此,在對軟土地基進行勘察之際,還需要進一步運用現場檢測法對軟土物理力學性質進行科學檢測。常見檢測方法為:靜力觸探、十字板剪切試驗、標準貫入試驗等[13]。

3 粘彈性模型以及粘彈性系數優化

3.1 粘彈性模型

流變性態一般可以用沿海軟土地基長期沉降來表示。如果考慮地基的長期沉降時,則其應力應變關系可由一種粘彈性模型可以用以下公式表示:

式中:ε為應變;J(t)為蠕變能量;σ為應力。

上式表明:J(t)是時間t的函數,其值的大小與材料的應力無關,在應力不變的情況下,隨著時間的增長,應變也不斷增加,一旦取定時間后,則其變為定值。

3.2 粘彈性系數反演

在粘彈性模型中,彈性模量和粘性系數與位移的相關性較強,宜采用位移反分析模型。位移反分析分為正反分析法和逆反分析法兩類,其中正反分析計算是一種優化逼近過程,一般通過不斷修正未知數的試算值逼近求得優化解,可利用原有程序計算,適應性強[14-16]。本文采用正反分析法,用以約束優化過程的目標函數為:

3.3 工程實例

某道路地處砂區軟土地帶,自上而下第1層為16 m左右的淤泥質粘土、第2層為10 m以上的亞粘土。對原有路基進行加固,填土高度達2.6 m,在道路中央不同深度和道路兩側設定反演觀測點。為保證較好反演效果,亞粘土層采用彈性模型,參數不進行反演分析。加固層和淤泥質粘土層,不同觀測時間反演得到的參數值如表2所示。

表1 不同觀測時間反演所得參數值Tab.1 Parameter values obtained by inversion of different observation times

由表2可知,在0 146、0 209、0 292、0 361 d這幾個時段觀測信息所反演計算出的參數值差異明顯,但整體上趨于某一穩定值。最后2個時段的參數值已基本趨于一致,對此采用0 292 d時間段觀測信息反演所得粘彈性模型參數值代替原始計算參數,再用粘彈性有限元程序預測軟土地基后期沉降,生成預測沉降曲線圖。對比發現,地表沉降觀測曲線和反演預測沉降曲線相當吻合,重合度較高,反演預測沉降經過一段時間后趨向穩定,最終所得預測地表沉降在32 cm 左右,2個曲線的發展趨勢基本一致[19]。為此,認為該方法在砂區軟土地基沉降預測中的應用是可行的、適用的,粘彈性模型反演分析能夠有效反映工程實際。

4 結語

高速公路橋梁加固施工技術具有綜合、復雜性,在分析橋梁問題之際,就需要對其施工可行、可靠性進行充分考慮,而且還需要選用科學、規范施工工藝,對有關方案進行優化之際,還需要提升工程的耐久與安全性。在此環節還需要保障進度要求,在加固方案之中,通過對原先的結構進行優化,或者使用創新結構,借助于科學方法加快施工進度,實現成本的有效降低,同時還能滿足加固要求。對飽和軟粘土結構進行深入研究,可以得出團粒內部較為細小的孔隙排水固結即為次固結,而且開始于主固結階段。次固結的演變速度與地基粘彈性參量有著密切關聯性,同時和地基處理參量有著關聯性[20]。引入次固結概念,對工后沉降的控制與預測有著顯著效果。