復(fù)雜沉積環(huán)境多層軟土地基固結(jié)沉降規(guī)律研究

摘要：云南省河谷區(qū)軟土地基受河流沖刷、山洪沖積、人類活動等因素影響，沉積環(huán)境復(fù)雜，地層分布極不均勻，呈現(xiàn)軟硬層互層交錯(cuò)特征，其固結(jié)沉降形態(tài)會對高速公路建設(shè)的安全、工期與造價(jià)造成很大影響。依托云南西南地區(qū)某高速公路項(xiàng)目，通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，分析了復(fù)雜沉積環(huán)境軟土地基沉降變形與孔壓消散、側(cè)向位移之間的關(guān)系，研究了經(jīng)強(qiáng)夯處理的復(fù)雜沉積環(huán)境軟土地基固結(jié)變化特征；通過FLAC3D對軟土地基固結(jié)沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，建立了孔壓-沉降曲線，研究了各階段軟土地基軟土層固結(jié)特征規(guī)律，推導(dǎo)了固結(jié)公式；計(jì)算了不同工況軟土地基的固結(jié)相關(guān)沉降參數(shù)，分析了強(qiáng)夯墊層聯(lián)合堆載靜壓法與碎石樁法的加固效果與適用性，為類似工程提供了參考借鑒。

關(guān)鍵詞：軟土地基； 強(qiáng)夯加固； 固結(jié)沉降； 孔隙水壓力； FLAC3D

中國分類號：TU433A

［定稿日期］2022-06-05

［作者簡介］支有（1975—），男，本科，高級工程師，主要從事公路工程特殊路基處治、高處坡防護(hù)、滑坡治理的設(shè)計(jì)、施工、管理等工作。

0 引言

軟土是指在濱海、湖泊、谷地、河灘沉積的天然含水率高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度和承載力低的呈軟塑到流塑狀態(tài)的細(xì)粒土。在軟土路基上修筑高速公路，沉降變形與孔隙水壓力變化以及固結(jié)沉降的時(shí)間會對工程項(xiàng)目的質(zhì)量、造價(jià)與工期等造成巨大影響。

對于軟土地基固結(jié)沉降的研究，目前主要針對于固結(jié)性質(zhì)宏微觀試驗(yàn)及機(jī)理研究［1-3］，固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系研究［4-7］，動力排水固結(jié)［8-10］以及真空堆載預(yù)壓［11-14］處理軟土地基固結(jié)規(guī)律研究等。

吳雪婷［3-4］對地基土層的豎向和徑向固結(jié)系數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)推算值的統(tǒng)計(jì)分析和基于現(xiàn)場實(shí)測沉降資料的參數(shù)反演分析。葉觀寶等［7］采用反演分析獲得了基于孔壓數(shù)據(jù)和沉降數(shù)據(jù)擬合的徑向固結(jié)系數(shù)Ch和地基的平均固結(jié)度，預(yù)測了地基沉降發(fā)展規(guī)律。孟慶山等［9-10］研究了動力排水固結(jié)法處理飽和軟黏土地基，發(fā)現(xiàn)同一深度土體超靜孔隙水壓力的消散與變形具有一致性關(guān)系。

本項(xiàng)目創(chuàng)新提出碎石墊層+強(qiáng)夯+堆載靜壓方法處理云南復(fù)雜沉積環(huán)境軟土地基，無論是對該種處理方法的加固效果與施工工藝參數(shù)，還是對該地區(qū)這類復(fù)雜多層軟土地基固結(jié)規(guī)律的研究都相對較少。因此，開展對強(qiáng)夯墊層聯(lián)合堆載靜壓法處理復(fù)雜沉積環(huán)境多層軟土地基固結(jié)沉降規(guī)律的研究意義重大。

1 工程概況地質(zhì)特征

本項(xiàng)目位于云貴高原西南邊緣，橫斷山脈南麓。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)水系分布較廣，地下水較發(fā)育，對項(xiàng)目影響較大。軟土地基不良地質(zhì)段主要為河流侵蝕堆積地貌。其成因主要為河流侵蝕沉積、山洪堆積、人類活動包括耕作、灌溉、魚塘沉積等。復(fù)雜的沉積環(huán)境導(dǎo)致該段軟基在線路縱向與橫線范圍內(nèi)分布非常不均勻，軟土層厚度2～10 m不等，埋藏深度也是淺埋深埋夾層均有，軟硬層交替不斷變化，呈現(xiàn)軟土層夾砂礫石層或砂礫石層夾軟土層的復(fù)雜地質(zhì)特征。土體力學(xué)參數(shù)見表1。

針對河谷地區(qū)特殊地質(zhì)條件，項(xiàng)目組提出了碎石墊層+強(qiáng)夯+堆載預(yù)壓處理方案，經(jīng)試驗(yàn)段強(qiáng)夯墊層法加固效果試驗(yàn)與研究，本項(xiàng)目強(qiáng)夯墊層法主要采用點(diǎn)夯2 500 kJ與滿夯800 kJ組合，施工前鋪設(shè)50 cm片塊石+15 cm碎石墊層，接著對處治范圍內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)夯（4擊共1遍），夯擊能2 500 kN·m，夯點(diǎn)間距5 m，等邊三角形布置；滿夯處理（2擊共1遍）采用搭夯處理，要求1/4錘印相交，單點(diǎn)夯擊能800 kN·m，最后以兩擊平均沉降差不大于100 mm作為控制指標(biāo)。

為監(jiān)測軟土地基在強(qiáng)夯墊層處理、路基填筑以及堆載靜壓過程中地基情況，項(xiàng)目組根據(jù)軟土層分布深度、厚度，軟硬地層交疊情況和地基處理方法，選取了10個(gè)斷面埋設(shè)儀器開展監(jiān)測研究。其中典型三號淺層軟土地基橫斷面與儀器布置見圖1。該斷面在路基兩側(cè)坡腳均設(shè)有分層沉降測點(diǎn)與側(cè)向位移測點(diǎn)，路基中心線右側(cè)12 m位置分別在地基以下10 m范圍內(nèi)埋設(shè)有孔隙水壓力、土壓力監(jiān)測測點(diǎn)。

2 軟土地基固結(jié)沉降規(guī)律

本項(xiàng)目自2019年6月—2020年11月持續(xù)對軟土地基在地基處理、路基填筑、堆載靜壓階段開展監(jiān)測工作，本章針對本項(xiàng)目三號斷面地基沉降變形、孔隙水壓力與側(cè)向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本斷面于2019年7月進(jìn)行強(qiáng)夯墊層法處理，2019年9月～12月開展路基填筑施工，之后進(jìn)入堆載靜壓期。

圖2為三號斷面坡角位置3-3測點(diǎn)的累計(jì)分層沉降曲線圖，正值表示沉降。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示：

（1）強(qiáng)夯處理期間，深層土體發(fā)生30 mm的沉降，淺層土體收到擠壓而發(fā)生約10 mm的隆起，側(cè)向隆起量不大說明強(qiáng)夯墊層法的夯沉量主要轉(zhuǎn)換為了軟土地基自身的固結(jié)沉降量，強(qiáng)夯加固效果較為理想。

（2）強(qiáng)夯處理后經(jīng)歷了1個(gè)多月的靜置期，中深層土體沉降基本保持穩(wěn)定，淺層土體由于之前強(qiáng)夯階段擠出隆起可以認(rèn)為處于半松散狀態(tài)，因此在靜置期淺層土體發(fā)生約10 mm沉降變形。

（3）進(jìn)入路基填筑階段后，隨著路基填筑高度不斷升高，地基沉降變形也隨之不斷發(fā)展，根據(jù)分層沉降顯示，淺層土體沉降量明顯大于深層土體，2～5 m軟土層的沉降量較其余深度位置土層更大，數(shù)值約是其2倍。

（4）在2020年3—7月該地區(qū)進(jìn)入雨季，降水量增大導(dǎo)致路基的固結(jié)沉降繼續(xù)發(fā)生。最終路基右側(cè)坡角位置最大累計(jì)沉降量達(dá)到77 mm，固結(jié)沉降基本保持穩(wěn)定。

圖3記錄了在整個(gè)軟土地基在地基處理、路基填筑與堆載靜壓過程中地基超靜孔隙水壓力變化情況。強(qiáng)夯處理階段最大超靜孔隙水壓力達(dá)74.9 kPa，出現(xiàn)在點(diǎn)夯之后2 m深度位置。隨后超靜孔隙水壓力在1個(gè)月的靜置期內(nèi)迅速消散，基本已回落至初始值，其間也伴隨著地基土體的固結(jié)沉降。在路基填筑期孔壓也出現(xiàn)了小幅度的升高，由于施工單位在旱季進(jìn)行路基填筑施工，因此孔隙水壓力整體升高幅度不大。隨著孔隙水壓力的消散，地基固結(jié)沉降逐漸發(fā)生。

軟土地基側(cè)向位移方面，可以發(fā)現(xiàn)位于右側(cè)坡腳的3-3測點(diǎn)位置側(cè)向位移不斷呈現(xiàn)增大趨勢。經(jīng)過強(qiáng)夯處理后地基土體最大側(cè)移量為69 mm，出現(xiàn)在2.5 m深度位置，該階段0.5～4 m深度范圍內(nèi)地基土體的側(cè)向位移大小基本相近，說明在強(qiáng)夯處理階段地基淺層整體發(fā)生側(cè)移。在路基填筑加載階段側(cè)向位移繼續(xù)增長，并且2～4 m深度即軟土層位置側(cè)向位移增量明顯更大，說明在地基加載過程中軟土層的側(cè)移量更大存在側(cè)向滑移的趨勢，應(yīng)引起重視。在堆載靜壓階段固結(jié)沉降與側(cè)向位移進(jìn)一步發(fā)生，最大側(cè)移量達(dá)到152 mm，仍出現(xiàn)在2.5 m深度。7 m以下深度側(cè)移量基本很小，說明施工對于坡腳外側(cè)7 m以下深度影響較小。

3 FLAC3D模擬軟基固結(jié)沉降

為進(jìn)一步研究復(fù)雜沉降環(huán)境軟土地基的固結(jié)沉降規(guī)律，本文采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值建模計(jì)算。數(shù)值計(jì)算最終沉降云圖如圖4所示。

本模型地基橫向?qū)挾?0 m，深度20 m，路基底部強(qiáng)夯處理范圍50 m，路面寬26 m。本模型設(shè)置了多種多層地層以符合實(shí)際軟土地基復(fù)雜的地層情況，自上而下土層依次是0～1 m硬殼層，1～3 m粉砂，3～7 m軟塑狀粉質(zhì)黏土軟土層，7～10 m粗砂，10 m以下為卵礫石。地基表面以上鋪設(shè)1 m厚碎石墊層，路基分4級填筑，每級2 m。

強(qiáng)夯荷載采用理論公式換算接觸時(shí)程應(yīng)力并將其施加到接觸面網(wǎng)格處，夯錘與地基表面的接觸動應(yīng)力由式（1）、式（2）計(jì)算：

式中：v為夯錘經(jīng)過自由落體下落接觸到地基表面時(shí)的速度；M為夯錘質(zhì)量；S為彈性常數(shù)；a為夯錘半徑；t為時(shí)間；E為地基土體彈性模量；μ為土體泊松比。

根據(jù)上述公式，在數(shù)值模擬強(qiáng)夯動力分析時(shí)，通過在FLAC中采用fishdefinewave命令，定義一個(gè)正弦fish函數(shù)，將強(qiáng)夯的沖擊荷載簡化為0～π之間的半個(gè)正弦波施加到地基表面，模型的動力學(xué)參數(shù)見表2。

FLAC3D中計(jì)算步Step與時(shí)間呈線性關(guān)系，本模型中8 000步約為1個(gè)月，2.5×104步時(shí)進(jìn)行強(qiáng)夯處理，2.8×104～5.5×104步3個(gè)多月時(shí)間為路基分級填筑，之后的3×104步約4個(gè)月時(shí)間模擬路基堆載靜壓階段。

圖5為路基右側(cè)坡腳位置地基以下1～10 m深度土體分層沉降曲線，最大沉降量78.8 mm出現(xiàn)在淺層1 m深度處，與實(shí)測結(jié)果誤差2.3%。淺層土體在路基分級填筑階段出現(xiàn)隆起，最大隆起量10 mm，說明在加載過程中軟土地基發(fā)生了一定程度的擠出，這在圖7側(cè)向位移中同樣反映出來。分層沉降方面，3～7 m深度變形沉降曲線間距明顯更大，這是由于該段正處于軟土層分布位置，壓縮系數(shù)大，軟土層壓縮量超過40 mm，占總沉降量50%以上。此外，軟土層在堆載靜壓階段曲線斜率較其余土層明顯更緩，說明其固結(jié)沉降發(fā)生較為緩慢。

圖6為右側(cè)路肩處地基以下1～10 m深度孔隙水壓力變化曲線，需把圖6中孔壓減去初始孔壓即為超靜孔隙水壓力，最大超靜孔隙水壓力80 kPa出現(xiàn)在5～6 m深度，軟土層孔壓整體升高幅度較大且消散緩慢。在分級填筑階段每級經(jīng)歷1個(gè)月時(shí)間軟土層固結(jié)度約能達(dá)到45%，砂土層基本可以達(dá)到90%以上固結(jié)度，說明主要的固結(jié)沉降發(fā)生在軟土層。堆載靜壓階段經(jīng)歷3×104步約4個(gè)月后砂土層基本固結(jié)完成，軟土層固結(jié)度僅能達(dá)到約80%，根據(jù)后續(xù)計(jì)算，該復(fù)雜軟土地基完全固結(jié)需要經(jīng)歷6×104步約8個(gè)月時(shí)間。

地基土體側(cè)向位移情況與實(shí)測結(jié)果也較為接近，2～3 m深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了最大側(cè)向位移186 mm。在加載前期地基整體側(cè)移量都較小并且較為接近，但到加載后期特別是第四級加載階段，1～5 m深度土層側(cè)移量突升，說明地基固結(jié)度不到50%，超靜孔隙水壓力仍處于高位還未消散時(shí)，淺層軟土層容易發(fā)生較大側(cè)向位移，繼續(xù)填筑會接近臨界高度，可能將導(dǎo)致軟土地基滑移失穩(wěn)（圖7）。

4 固結(jié)沉降規(guī)律研究

圖8為軟基5 m深軟土層填筑階段固結(jié)孔壓-沉降曲線，路基填筑的初期，孔隙水壓力飆升很快，迅速達(dá)到峰值，隨后孔壓持續(xù)保持較高水平，此時(shí)地基發(fā)生瞬時(shí)沉降。孔壓在附加應(yīng)力突然增大地基土體發(fā)生瞬時(shí)沉降后有一定的回落，但之后隨著瞬時(shí)沉降穩(wěn)定，排水通道關(guān)閉，短期內(nèi)孔壓不能消散，超靜孔隙水壓力再次達(dá)到一個(gè)峰值。以上從孔壓飆升到回落之后再次達(dá)到一個(gè)峰值的過程在實(shí)際過程中很短，之后的孔壓消散與地基土體固結(jié)沉降占了絕大部分時(shí)間。

固結(jié)度指在某一固結(jié)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時(shí)間后土體發(fā)生固結(jié)沉降或孔隙水壓力消散的程度。在圖8堆載靜壓土體固結(jié)階段（即最右側(cè)部分），發(fā)現(xiàn)該段基本呈一條近似直線，說明在壓縮固結(jié)階段，孔壓與沉降之間有顯著的相關(guān)性，隨著孔壓消散，固結(jié)度提高，固結(jié)沉降不斷發(fā)展，有式（3）。

說明固結(jié)度的增長與沉降量的增長和孔隙水壓力的消散值密切相關(guān)，且由于在某一固結(jié)應(yīng)力不變的條件下，最終沉降量和土體受到的總應(yīng)力基本可以認(rèn)為是定值，因此沉降變化量和孔壓消散值成比例。若測得或計(jì)算出土體的總應(yīng)力，或根據(jù)目前沉降量與固結(jié)度的關(guān)系，就可以大致預(yù)測出土體的最終固結(jié)沉降量見式（5）。

根據(jù)目前現(xiàn)有沉降資料及其固結(jié)度，推測右側(cè)坡角位置地基最終沉降量將達(dá)到98 mm，路基中心最終沉降量359 mm。

本文進(jìn)一步考慮了無處理與碎石樁復(fù)合地基處理方法對該類復(fù)雜沉積環(huán)境軟土地基固結(jié)沉降的影響，通過數(shù)值計(jì)算，得出固結(jié)沉降相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，強(qiáng)夯墊層法聯(lián)合堆載靜壓明顯減少了地基土體最終沉降量與側(cè)向位移，并一定程度上加快了軟土地基的固結(jié)沉降，是一種經(jīng)濟(jì)有效的加固方法。

碎石樁復(fù)合地基由于其碎石樁體優(yōu)秀的工程力學(xué)性能，以及打開了排水通道加速了孔隙水壓力的消散，因此該方法對河谷區(qū)復(fù)雜沉積環(huán)境軟土地基的加固效果最好，在有效控制沉降量的同時(shí)，極大縮短了軟土地基固結(jié)沉降時(shí)間。

天然軟土地基由于工程性質(zhì)極差，直接進(jìn)行路基填筑會發(fā)生巨大沉降變形，地基土體滲透性差導(dǎo)致固結(jié)沉降極為緩慢，高超靜孔壓難以消散可能進(jìn)一步引起穩(wěn)定性問題。

5 結(jié)束語

綜上所述，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）揭示了云南復(fù)雜沉積環(huán)境多層軟土地基軟硬層交替分布特征，其沉積成因主要有河流侵蝕沉積、山洪堆積、人類活動包括耕作、灌溉、魚塘沉積等。

（2）研究了復(fù)雜沉積環(huán)境軟土強(qiáng)夯處理地基固結(jié)變化特征，通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)取得了軟土地基分層沉降、孔隙水壓力與側(cè)向位移數(shù)據(jù)，分析了復(fù)雜沉積環(huán)境軟土地基沉降變形與孔壓消散、側(cè)向位移之間的關(guān)系，進(jìn)而判斷軟土地基固結(jié)沉降發(fā)展情況。

（3）通過FLAC3D有限差分軟件對軟土地基固結(jié)沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬，與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，提出當(dāng)軟土層處于高應(yīng)力、高超靜孔壓、低滲透性條件下可能會發(fā)生較大側(cè)向位移，進(jìn)而導(dǎo)致穩(wěn)定性問題，在工程建設(shè)中應(yīng)給予重視。

（4）通過建立孔壓-沉降曲線，研究了各階段軟土地基軟土層固結(jié)特征規(guī)律，推導(dǎo)了固結(jié)公式，并通過沉降數(shù)據(jù)與固結(jié)度預(yù)測了軟土地基的最終沉降量。

（5）通過數(shù)值計(jì)算，分析了強(qiáng)夯墊層法、碎石樁復(fù)合地基等不同地基加固方法的處理效果與適用性，結(jié)果表明強(qiáng)夯墊層法聯(lián)合堆載靜壓明顯減少了地基土體最終沉降量與側(cè)向位移，并一定程度上加快了軟土地基的固結(jié)沉降，是一種經(jīng)濟(jì)有效的加固方法。

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