回填土地基沉降計(jì)算分析

摘要：為研究回填土地基沉降的計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際工程，采用理論推導(dǎo)方法提出了一種計(jì)算回填土地基沉降的模型。分析結(jié)果表明：（1）回填土地基的回填層荷載作用于軟弱下臥層是造成地基沉降的主要因素，計(jì)算中合理選取軟弱下臥層的壓縮模量是計(jì)算結(jié)果正確與否的關(guān)鍵性因素；（2）以某一工程實(shí)例為依托，沉降計(jì)算表明，傳統(tǒng)方法得到的最終沉降值為28.91 cm，而本方法得到的沉降值為61.61 cm，2年實(shí)際觀測(cè)結(jié)果沉降值為57.3 cm，證明本方法比傳統(tǒng)方法更為合理。

關(guān)鍵詞：回填土地基； 沉降計(jì)算； 壓縮曲線； 壓縮模量

中國分類號(hào)：TU433A

［定稿日期］2022-08-10

［作者簡介］程鳳蕾（1975—），女，本科，工程師，主要從事運(yùn)營高鐵房建、客運(yùn)設(shè)備管理工作。

0 引 言

回填土地基是工程建設(shè)中常見的一種軟弱地基，由于該類地基承載力較小、壓縮性較大，因此工程應(yīng)用中必須要進(jìn)行地基處理和加固［1-2］。既有很多相關(guān)研究對(duì)回填土地基的加固和處理措施進(jìn)行了研究。蔡德慶［3］采用室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力觸探試驗(yàn)研究了強(qiáng)夯法對(duì)回填土地基的加固效果。結(jié)果表明，隨著擊能或夯擊數(shù)增加強(qiáng)夯加固效能影響深度增加。趙宇［4］對(duì)比分析了強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯置換法和水泥土攪拌樁復(fù)合地基法在某回填土地基處理中的優(yōu)劣性。結(jié)果表明，強(qiáng)夯法對(duì)于軟土地基的加固效果最優(yōu)。王總［5］研究了重慶某回填土地基加固設(shè)計(jì)方案，給出了適合軟土地基的合理加固措施。唐金仕［6］基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了大跨淺埋路基回填土隧道變形控制措施，并指出在地基處理施工前，需要根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適的處理方式。蘇夏征等［7］等研究了工程渣土場(chǎng)回填土的力學(xué)性能。結(jié)果表明，工程棄渣土的力學(xué)特性較差，壓實(shí)度低，并在此基礎(chǔ)上給出了工程棄渣回填土地基的沉降計(jì)算方法和加固措施。胡瑞庚等［8］采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了高填方夯實(shí)地基樁側(cè)負(fù)摩阻力受力性狀。結(jié)果表明，樁周土的密實(shí)度對(duì)樁側(cè)最大負(fù)摩阻力有較大的影響。孔洋等［9］通過室內(nèi)人工配制試樣的回填土壓縮固結(jié)試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了沉降計(jì)算方法，分析了不同計(jì)算方法的差異，為工程應(yīng)用提供了參考。穆磊等［10］分析了強(qiáng)夯技術(shù)處理回填土的效果。結(jié)果證明，強(qiáng)夯施工工藝處理回填土是合理、可行的。馬曉光等［11］依托一實(shí)際工程，研究了基礎(chǔ)沉降原因，并根據(jù)沉降原因提出合理的加固措施。溫高峰等［12］采用理論分析法研究了臺(tái)背路基沉降形成的原因。結(jié)果表明，不均勻沉降趨于穩(wěn)定的時(shí)間一般為1～2年，且隨著路基高度的增加，穩(wěn)定的時(shí)間越長。郭斌［13］針對(duì)地層分層不明顯的特點(diǎn)，提出了采用計(jì)算每個(gè)微薄層的壓縮量再全部相加得到地基總沉降量的計(jì)算方法，并將提出的方法應(yīng)用于實(shí)際工程，驗(yàn)證了模型的可靠性。

實(shí)際工程應(yīng)用中，地基沉降計(jì)算過程中，壓縮模量的選取至關(guān)重要，其決定了沉降計(jì)算結(jié)果的正確與否。目前相關(guān)的研究比較匱乏，基于此，開展了軟弱地基采用回填處理后，地基的沉降計(jì)算研究與分析。所提出的計(jì)算思路和方法可為類似工程提供參考。

1 回填土地基沉降分析

圖1為典型的軟土場(chǎng)地回填土地基形成的形成的上下層結(jié)構(gòu)。既有研究表明，地基沉降主要由3部分組成：①建、構(gòu)筑物自重引起的地基沉降Sa；②回填土層固結(jié)和自密實(shí)引起的沉降Sb；③建、構(gòu)筑物和回填土自重共同作用下，軟弱層產(chǎn)生的沉降Sc。

通常，實(shí)際工程中如果分別考慮3部分沉降是最為全面的，但實(shí)際應(yīng)用中，受限于計(jì)算的復(fù)雜性或軟件計(jì)算中不合理的假定，很多情況下，沉降計(jì)算僅僅考慮了Sa和Sb 2部分，這必然會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生較大的差異，甚至引起建構(gòu)筑物穩(wěn)定性問題。針對(duì)Sc沉降計(jì)算過程中軟弱下臥層壓縮模量選取問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 回填層地基下軟弱下臥層沉降計(jì)算

通常，天然地基的沉降計(jì)算可采用分層總和法近似求解，計(jì)算過程中，在上部結(jié)構(gòu)荷載一定的條件下，根據(jù)土層所受到的總應(yīng)力選取適合的壓縮模量，最后可根據(jù)規(guī)范計(jì)算沉降總和。但對(duì)于圖1所示的結(jié)構(gòu)，由于存在回填土下臥軟弱地層，其中回填土從回填開始至回填完成是不斷變化的，此時(shí)，壓縮模量的選取比較輔助。一般而言，實(shí)際工程中可根據(jù)室內(nèi)土體e-p曲線選取壓縮模量，即回填完成后，下臥層計(jì)所受到總應(yīng)力段所對(duì)應(yīng)的壓縮模量值。也就是圖2中e-p曲線上a點(diǎn)的切線模量。但實(shí)際操作中，由于回填土自重大，導(dǎo)致選取的下臥層的壓縮模量會(huì)比較大。此外，由于軟弱下臥層隨回填荷載增大而壓縮，進(jìn)一步導(dǎo)致選取的壓縮模量處于高應(yīng)力段，從而導(dǎo)致沉降計(jì)算結(jié)果比實(shí)際情況小的多。

本文考慮回填過程中，軟弱下臥層在未回填上部土?xí)r，壓縮模量較小，隨著上部荷載增大，壓縮模量不斷固結(jié)增大。實(shí)際計(jì)算中，可假定先施加一薄土層，當(dāng)下臥層固結(jié)完成后，再施加下一土層，重復(fù)以上過程，直至回填堆載完成。最終，按照微積分思想，軟弱下臥層的沉降量等于每級(jí)單元薄土層荷載下的沉降量之和。用公式可表示為式（1）。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

以某鐵路站房為例，地基采用回填土處理，回填厚度為30 m，分層強(qiáng)夯壓實(shí)。站房建成后不久出現(xiàn)了出現(xiàn)了多處沉降，導(dǎo)致變電所地面開裂、電纜溝下沉，立體倉庫貨架傾斜、貨架軌道變形、柱腳拉斷，使用受到嚴(yán)重影響。如圖3所示。

圖3 地面開裂下沉根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查沉降原因發(fā)現(xiàn)，沉降大多數(shù)都是因?yàn)榛靥钔梁恢划?dāng)引起的，在使用過程中土體自然沉降導(dǎo)致回填土逐漸形成空洞，空隙增大。再加之震動(dòng)、液體浸泡等外界因素干擾，加劇了土體不均勻沉降，最終出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破損、開裂、傾斜等各種設(shè)備病害。

根據(jù)鉆孔資料顯示，場(chǎng)地地層見表1，典型地質(zhì)剖面見圖4。室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得，強(qiáng)夯處理后地基回填層的重度約為20 kN/m3。

3.2 沉降計(jì)算

按照上述的分析方法進(jìn)行地基沉降計(jì)算，基礎(chǔ)回填厚度按照30 m計(jì)算，下臥軟弱淤泥質(zhì)黏土厚度為4 m。

（1）回填層Sa沉降值：按照設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算表明，沉降影響深度為10 m，上部建構(gòu)筑引起的沉降值Sa=5.41 cm；實(shí)際工程中，回填層采用分層強(qiáng)夯法處理，因此近似地可認(rèn)為Sb=0。

（2）軟弱下臥層Sc沉降值：根據(jù)式（2），將回填層分為6層，分別進(jìn)行加載至軟弱下臥層。室內(nèi)土工試驗(yàn)得到軟弱下臥層物理力學(xué)參數(shù)和室內(nèi)壓縮曲線匯總于表2和圖5。可以看出，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)非常小，屬于典型的軟弱土層。根據(jù)室內(nèi)壓縮曲線，最終計(jì)算得到軟弱下臥層0～100 kPa壓力段下，壓縮模量為1.90 MPa、在100～200 kPa壓力段下，壓縮模量為3.7 MPa、在200～300 kPa壓力段下，壓縮模量為4.20 MPa、在300～400 kPa壓力段下，壓縮模量為6.5 MPa、在400～500 kPa壓力段下，壓縮模量為8.4 MPa、在500～600 kPa壓力段下，壓縮模量為11.3 MPa。修正系數(shù)ψ=1。按式（2）計(jì)算，Sc=56.2 cm。

（3）硬土層的沉降值：由于強(qiáng)分化花崗巖的標(biāo)準(zhǔn)貫擊數(shù)大于50，因此近似的認(rèn)為該層沉降值為0。

最終，地基的總沉降量S=Sa+Sb+Sc=5.41+0+56.2=61.61 cm。

如果按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行沉降計(jì)算，根據(jù)室內(nèi)壓縮曲線得到下臥層所受600 kPa荷載時(shí)，對(duì)應(yīng)切點(diǎn)處的壓縮模量為10.1 MPa，進(jìn)一步得到最終沉降值S=Sa+Sb+Sc=5.41+0+23.5=28.91 cm。與提出的分層加載沉降計(jì)算結(jié)果差別巨大。此外，該場(chǎng)地為期2年的沉降觀測(cè)表明，實(shí)際沉降值為57.3 cm，與本方法計(jì)算結(jié)果接近。

此外，由于回填土層經(jīng)過了強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處理，但由于土體自身屬性影響，仍有部分自密實(shí)導(dǎo)致的沉降不能完全消除，分化的基巖層，如本文中的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，在上部堆載作用下仍會(huì)產(chǎn)生較小的沉降，但與其他2部分相比，花崗巖產(chǎn)生的沉降基本可以忽略。在沉降計(jì)算中，把這2部分的沉降近似簡化為0，也是一種對(duì)結(jié)果影響較小的合理簡化手段。

4 結(jié)論

本文采用理論推導(dǎo)的手段分析了鐵路回填土地基沉降計(jì)算分方法，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）回填土地基的回填層荷載作用于軟弱下臥層是造成地基的主要因素，計(jì)算中合理選取軟弱下臥層的壓縮模量是計(jì)算結(jié)果正確與否的關(guān)鍵性因素。

（2）提出了一種分層加載方法，對(duì)室內(nèi)壓縮曲線進(jìn)行壓縮模量的合理選擇，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行沉降值計(jì)算。

（3）以某一工程實(shí)例為依托，沉降計(jì)算表明，傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的最終沉降值為28.91 cm，而本方法得到的沉降值為61.61 cm，2年觀測(cè)結(jié)果沉降值為57.3 cm，證明本方法更合理。

參考文獻(xiàn)

［1］ Feng S J， Shi Z M， Shen Y ， et al. Elimination of loess collapsibility with application to construction and demolition waste during dynamic compaction［J］. Environmental Earth Sciences， 2015， 73（9）：5317-5332.

［2］ Zhou C， Jiang H， Yao Z， et al. Evaluation of dynamic compaction to improve saturated foundation based on the fluid-solid coupled method with soil cap model［J］. Computers and Geotechnics， 2020， 125（2）：103686.

［3］ 蔡德慶.粉質(zhì)粘土回填土地基強(qiáng)夯加固效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（11）：84-87+90.

［4］ 趙宇.合肥市龍泉山項(xiàng)目回填土地基處理方法比較［J］.工程技術(shù)研究，2021，6（16）：24-25.

［5］ 王總.某深厚回填土地基建筑物基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（S1）：1827-1830.

［6］ 唐金仕.大跨淺埋路基回填土隧道變形控制分析［J］.工程技術(shù)研究，2020，5（22）：60-61.

［7］ 蘇夏征，程峰，謝廷勇.工程渣土場(chǎng)回填土的力學(xué)性能及擴(kuò)容分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2022（7）：1-11.

［8］ 胡瑞庚，時(shí)偉，水偉厚，等.高填方夯實(shí)地基樁側(cè)負(fù)摩阻力受力性狀試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2020，41（4）：160-169.

［9］ 孔洋，阮懷寧，黃雪峰.黃土丘陵溝壑區(qū)壓實(shí)回填土地基沉降計(jì)算方法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（S1）：218-223.

［10］ 穆磊，李連營，郭猛.強(qiáng)夯技術(shù)處理回填土的效果分析［J］.巖土工程技術(shù)，2016，30（4）：189-192.

［11］ 馬曉光，王敬勛，王宇.填土地基設(shè)備基礎(chǔ)沉降原因分析及處理措施［J］.中國科技信息，2007（13）：48-49.

［12］ 溫高峰.高等級(jí)公路橋頭臺(tái)背路基回填處理研究［J］.公路交通科技，2004（6）：25-27.

［13］ 郭斌.復(fù)雜地基沉降計(jì)算方法探討［J］.鐵道建筑技術(shù)，2004（4）：50-52.