復雜沉積環境多層軟土地基固結沉降規律研究

摘要：云南省河谷區軟土地基受河流沖刷、山洪沖積、人類活動等因素影響，沉積環境復雜，地層分布極不均勻，呈現軟硬層互層交錯特征，其固結沉降形態會對高速公路建設的安全、工期與造價造成很大影響。依托云南西南地區某高速公路項目，通過現場監測試驗，分析了復雜沉積環境軟土地基沉降變形與孔壓消散、側向位移之間的關系，研究了經強夯處理的復雜沉積環境軟土地基固結變化特征；通過FLAC3D對軟土地基固結沉降進行了數值模擬分析，建立了孔壓-沉降曲線，研究了各階段軟土地基軟土層固結特征規律，推導了固結公式；計算了不同工況軟土地基的固結相關沉降參數，分析了強夯墊層聯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。

關鍵詞：軟土地基； 強夯加固； 固結沉降； 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、滑坡治理的設計、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、抗剪強度和承載力低的呈軟塑到流塑狀態的細粒土。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沉降的時間會對工程項目的質量、造價與工期等造成巨大影響。

對于軟土地基固結沉降的研究，目前主要針對于固結性質宏微觀試驗及機理研究［1-3］，固結系數與固結應力關系研究［4-7］，動力排水固結［8-10］以及真空堆載預壓［11-14］處理軟土地基固結規律研究等。

吳雪婷［3-4］對地基土層的豎向和徑向固結系數進行了室內試驗推算值的統計分析和基于現場實測沉降資料的參數反演分析。葉觀寶等［7］采用反演分析獲得了基于孔壓數據和沉降數據擬合的徑向固結系數Ch和地基的平均固結度，預測了地基沉降發展規律。孟慶山等［9-10］研究了動力排水固結法處理飽和軟黏土地基，發現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系。

本項目創新提出碎石墊層+強夯+堆載靜壓方法處理云南復雜沉積環境軟土地基，無論是對該種處理方法的加固效果與施工工藝參數，還是對該地區這類復雜多層軟土地基固結規律的研究都相對較少。因此，開展對強夯墊層聯合堆載靜壓法處理復雜沉積環境多層軟土地基固結沉降規律的研究意義重大。

1 工程概況地質特征

本項目位于云貴高原西南邊緣，橫斷山脈南麓。項目區域內水系分布較廣，地下水較發育，對項目影響較大。軟土地基不良地質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。復雜的沉積環境導致該段軟基在線路縱向與橫線范圍內分布非常不均勻，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，呈現軟土層夾砂礫石層或砂礫石層夾軟土層的復雜地質特征。土體力學參數見表1。

針對河谷地區特殊地質條件，項目組提出了碎石墊層+強夯+堆載預壓處理方案，經試驗段強夯墊層法加固效果試驗與研究，本項目強夯墊層法主要采用點夯2 500 kJ與滿夯800 kJ組合，施工前鋪設50 cm片塊石+15 cm碎石墊層，接著對處治范圍內進行點夯（4擊共1遍），夯擊能2 500 kN·m，夯點間距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。

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

2 軟土地基固結沉降規律

本項目自2019年6月—2020年11月持續對軟土地基在地基處理、路基填筑、堆載靜壓階段開展監測工作，本章針對本項目三號斷面地基沉降變形、孔隙水壓力與側向位移數據進行分析。本斷面于2019年7月進行強夯墊層法處理，2019年9月～12月開展路基填筑施工，之后進入堆載靜壓期。

圖2為三號斷面坡角位置3-3測點的累計分層沉降曲線圖，正值表示沉降。根據數據顯示：

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

（2）強夯處理后經歷了1個多月的靜置期，中深層土體沉降基本保持穩定，淺層土體由于之前強夯階段擠出隆起可以認為處于半松散狀態，因此在靜置期淺層土體發生約10 mm沉降變形。

（3）進入路基填筑階段后，隨著路基填筑高度不斷升高，地基沉降變形也隨之不斷發展，根據分層沉降顯示，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，數值約是其2倍。

（4）在2020年3—7月該地區進入雨季，降水量增大導致路基的固結沉降繼續發生。最終路基右側坡角位置最大累計沉降量達到77 mm，固結沉降基本保持穩定。

圖3記錄了在整個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。強夯處理階段最大超靜孔隙水壓力達74.9 kPa，出現在點夯之后2 m深度位置。隨后超靜孔隙水壓力在1個月的靜置期內迅速消散，基本已回落至初始值，其間也伴隨著地基土體的固結沉降。在路基填筑期孔壓也出現了小幅度的升高，由于施工單位在旱季進行路基填筑施工，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，地基固結沉降逐漸發生。

軟土地基側向位移方面，可以發現位于右側坡腳的3-3測點位置側向位移不斷呈現增大趨勢。經過強夯處理后地基土體最大側移量為69 mm，出現在2.5 m深度位置，該階段0.5～4 m深度范圍內地基土體的側向位移大小基本相近，說明在強夯處理階段地基淺層整體發生側移。在路基填筑加載階段側向位移繼續增長，并且2～4 m深度即軟土層位置側向位移增量明顯更大，說明在地基加載過程中軟土層的側移量更大存在側向滑移的趨勢，應引起重視。在堆載靜壓階段固結沉降與側向位移進一步發生，最大側移量達到152 mm，仍出現在2.5 m深度。7 m以下深度側移量基本很小，說明施工對于坡腳外側7 m以下深度影響較小。

3 FLAC3D模擬軟基固結沉降

為進一步研究復雜沉降環境軟土地基的固結沉降規律，本文采用FLAC3D有限差分軟件進行數值建模計算。數值計算最終沉降云圖如圖4所示。

本模型地基橫向寬度80 m，深度20 m，路基底部強夯處理范圍50 m，路面寬26 m。本模型設置了多種多層地層以符合實際軟土地基復雜的地層情況，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1 m厚碎石墊層，路基分4級填筑，每級2 m。

強夯荷載采用理論公式換算接觸時程應力并將其施加到接觸面網格處，夯錘與地基表面的接觸動應力由式（1）、式（2）計算：

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

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

FLAC3D中計算步Step與時間呈線性關系，本模型中8 000步約為1個月，2.5×104步時進行強夯處理，2.8×104～5.5×104步3個多月時間為路基分級填筑，之后的3×104步約4個月時間模擬路基堆載靜壓階段。

圖5為路基右側坡腳位置地基以下1～10 m深度土體分層沉降曲線，最大沉降量78.8 mm出現在淺層1 m深度處，與實測結果誤差2.3%。淺層土體在路基分級填筑階段出現隆起，最大隆起量10 mm，說明在加載過程中軟土地基發生了一定程度的擠出，這在圖7側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，說明其固結沉降發生較為緩慢。

圖6為右側路肩處地基以下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歷1個月時間軟土層固結度約能達到45%，砂土層基本可以達到90%以上固結度，說明主要的固結沉降發生在軟土層。堆載靜壓階段經歷3×104步約4個月后砂土層基本固結完成，軟土層固結度僅能達到約80%，根據后續計算，該復雜軟土地基完全固結需要經歷6×104步約8個月時間。

地基土體側向位移情況與實測結果也較為接近，2～3 m深度范圍內出現了最大側向位移186 mm。在加載前期地基整體側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深度土層側移量突升，說明地基固結度不到50%，超靜孔隙水壓力仍處于高位還未消散時，淺層軟土層容易發生較大側向位移，繼續填筑會接近臨界高度，可能將導致軟土地基滑移失穩（圖7）。

4 固結沉降規律研究

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

固結度指在某一固結應力作用下，經過一定時間后土體發生固結沉降或孔隙水壓力消散的程度。在圖8堆載靜壓土體固結階段（即最右側部分），發現該段基本呈一條近似直線，說明在壓縮固結階段，孔壓與沉降之間有顯著的相關性，隨著孔壓消散，固結度提高，固結沉降不斷發展，有式（3）。

說明固結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，且由于在某一固結應力不變的條件下，最終沉降量和土體受到的總應力基本可以認為是定值，因此沉降變化量和孔壓消散值成比例。若測得或計算出土體的總應力，或根據目前沉降量與固結度的關系，就可以大致預測出土體的最終固結沉降量見式（5）。

根據目前現有沉降資料及其固結度，推測右側坡角位置地基最終沉降量將達到98 mm，路基中心最終沉降量359 mm。

本文進一步考慮了無處理與碎石樁復合地基處理方法對該類復雜沉積環境軟土地基固結沉降的影響，通過數值計算，得出固結沉降相關數據見表3。

根據計算結果顯示，強夯墊層法聯合堆載靜壓明顯減少了地基土體最終沉降量與側向位移，并一定程度上加快了軟土地基的固結沉降，是一種經濟有效的加固方法。

碎石樁復合地基由于其碎石樁體優秀的工程力學性能，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復雜沉積環境軟土地基的加固效果最好，在有效控制沉降量的同時，極大縮短了軟土地基固結沉降時間。

天然軟土地基由于工程性質極差，直接進行路基填筑會發生巨大沉降變形，地基土體滲透性差導致固結沉降極為緩慢，高超靜孔壓難以消散可能進一步引起穩定性問題。

5 結束語

綜上所述，得出幾點結論：

（1）揭示了云南復雜沉積環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）研究了復雜沉積環境軟土強夯處理地基固結變化特征，通過現場監測試驗取得了軟土地基分層沉降、孔隙水壓力與側向位移數據，分析了復雜沉積環境軟土地基沉降變形與孔壓消散、側向位移之間的關系，進而判斷軟土地基固結沉降發展情況。

（3）通過FLAC3D有限差分軟件對軟土地基固結沉降進行了數值模擬，與實測數據進行對比分析驗證了模型的準確性，提出當軟土層處于高應力、高超靜孔壓、低滲透性條件下可能會發生較大側向位移，進而導致穩定性問題，在工程建設中應給予重視。

（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特征規律，推導了固結公式，并通過沉降數據與固結度預測了軟土地基的最終沉降量。

（5）通過數值計算，分析了強夯墊層法、碎石樁復合地基等不同地基加固方法的處理效果與適用性，結果表明強夯墊層法聯合堆載靜壓明顯減少了地基土體最終沉降量與側向位移，并一定程度上加快了軟土地基的固結沉降，是一種經濟有效的加固方法。

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