回填土地基沉降計算分析

摘要：為研究回填土地基沉降的計算方法，結合實際工程，采用理論推導方法提出了一種計算回填土地基沉降的模型。分析結果表明：（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，計算中合理選取軟弱下臥層的壓縮模量是計算結果正確與否的關鍵性因素；（2）以某一工程實例為依托，沉降計算表明，傳統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年實際觀測結果沉降值為57.3 cm，證明本方法比傳統方法更為合理。

關鍵詞：回填土地基； 沉降計算； 壓縮曲線； 壓縮模量

中國分類號：TU433A

［定稿日期］2022-08-10

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

0 引 言

回填土地基是工程建設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，因此工程應用中必須要進行地基處理和加固［1-2］。既有很多相關研究對回填土地基的加固和處理措施進行了研究。蔡德慶［3］采用室內土工試驗和現場動力觸探試驗研究了強夯法對回填土地基的加固效果。結果表明，隨著擊能或夯擊數增加強夯加固效能影響深度增加。趙宇［4］對比分析了強夯法、強夯置換法和水泥土攪拌樁復合地基法在某回填土地基處理中的優劣性。結果表明，強夯法對于軟土地基的加固效果最優。王總［5］研究了重慶某回填土地基加固設計方案，給出了適合軟土地基的合理加固措施。唐金仕［6］基于現場實測數據，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，需要根據地質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回填土的力學性能。結果表明，工程棄渣土的力學特性較差，壓實度低，并在此基礎上給出了工程棄渣回填土地基的沉降計算方法和加固措施。胡瑞庚等［8］采用現場試驗研究了高填方夯實地基樁側負摩阻力受力性狀。結果表明，樁周土的密實度對樁側最大負摩阻力有較大的影響。孔洋等［9］通過室內人工配制試樣的回填土壓縮固結試驗，并在此基礎上改進了沉降計算方法，分析了不同計算方法的差異，為工程應用提供了參考。穆磊等［10］分析了強夯技術處理回填土的效果。結果證明，強夯施工工藝處理回填土是合理、可行的。馬曉光等［11］依托一實際工程，研究了基礎沉降原因，并根據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背路基沉降形成的原因。結果表明，不均勻沉降趨于穩定的時間一般為1～2年，且隨著路基高度的增加，穩定的時間越長。郭斌［13］針對地層分層不明顯的特點，提出了采用計算每個微薄層的壓縮量再全部相加得到地基總沉降量的計算方法，并將提出的方法應用于實際工程，驗證了模型的可靠性。

實際工程應用中，地基沉降計算過程中，壓縮模量的選取至關重要，其決定了沉降計算結果的正確與否。目前相關的研究比較匱乏，基于此，開展了軟弱地基采用回填處理后，地基的沉降計算研究與分析。所提出的計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為典型的軟土場地回填土地基形成的形成的上下層結構。既有研究表明，地基沉降主要由3部分組成：①建、構筑物自重引起的地基沉降Sa；②回填土層固結和自密實引起的沉降Sb；③建、構筑物和回填土自重共同作用下，軟弱層產生的沉降Sc。

通常，實際工程中如果分別考慮3部分沉降是最為全面的，但實際應用中，受限于計算的復雜性或軟件計算中不合理的假定，很多情況下，沉降計算僅僅考慮了Sa和Sb 2部分，這必然會導致計算結果和實際結果產生較大的差異，甚至引起建構筑物穩定性問題。針對Sc沉降計算過程中軟弱下臥層壓縮模量選取問題進行詳細分析。

2 回填層地基下軟弱下臥層沉降計算

通常，天然地基的沉降計算可采用分層總和法近似求解，計算過程中，在上部結構荷載一定的條件下，根據土層所受到的總應力選取適合的壓縮模量，最后可根據規范計算沉降總和。但對于圖1所示的結構，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，壓縮模量的選取比較輔助。一般而言，實際工程中可根據室內土體e-p曲線選取壓縮模量，即回填完成后，下臥層計所受到總應力段所對應的壓縮模量值。也就是圖2中e-p曲線上a點的切線模量。但實際操作中，由于回填土自重大，導致選取的下臥層的壓縮模量會比較大。此外，由于軟弱下臥層隨回填荷載增大而壓縮，進一步導致選取的壓縮模量處于高應力段，從而導致沉降計算結果比實際情況小的多。

本文考慮回填過程中，軟弱下臥層在未回填上部土時，壓縮模量較小，隨著上部荷載增大，壓縮模量不斷固結增大。實際計算中，可假定先施加一薄土層，當下臥層固結完成后，再施加下一土層，重復以上過程，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，分層強夯壓實。站房建成后不久出現了出現了多處沉降，導致變電所地面開裂、電纜溝下沉，立體倉庫貨架傾斜、貨架軌道變形、柱腳拉斷，使用受到嚴重影響。如圖3所示。

圖3 地面開裂下沉根據現場調查沉降原因發現，沉降大多數都是因為回填土夯筑不當引起的，在使用過程中土體自然沉降導致回填土逐漸形成空洞，空隙增大。再加之震動、液體浸泡等外界因素干擾，加劇了土體不均勻沉降，最終出現上部結構失穩破損、開裂、傾斜等各種設備病害。

根據鉆孔資料顯示，場地地層見表1，典型地質剖面見圖4。室內土工試驗測得，強夯處理后地基回填層的重度約為20 kN/m3。

3.2 沉降計算

按照上述的分析方法進行地基沉降計算，基礎回填厚度按照30 m計算，下臥軟弱淤泥質黏土厚度為4 m。

（1）回填層Sa沉降值：按照設計規范計算表明，沉降影響深度為10 m，上部建構筑引起的沉降值Sa=5.41 cm；實際工程中，回填層采用分層強夯法處理，因此近似地可認為Sb=0。

（2）軟弱下臥層Sc沉降值：根據式（2），將回填層分為6層，分別進行加載至軟弱下臥層。室內土工試驗得到軟弱下臥層物理力學參數和室內壓縮曲線匯總于表2和圖5。可以看出，淤泥質粉質黏土的抗剪強度指標非常小，屬于典型的軟弱土層。根據室內壓縮曲線，最終計算得到軟弱下臥層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ψ=1。按式（2）計算，Sc=56.2 cm。

（3）硬土層的沉降值：由于強分化花崗巖的標準貫擊數大于50，因此近似的認為該層沉降值為0。

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

如果按照傳統方法進行沉降計算，根據室內壓縮曲線得到下臥層所受600 kPa荷載時，對應切點處的壓縮模量為10.1 MPa，進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算結果差別巨大。此外，該場地為期2年的沉降觀測表明，實際沉降值為57.3 cm，與本方法計算結果接近。

此外，由于回填土層經過了強夯法進行加固處理，但由于土體自身屬性影響，仍有部分自密實導致的沉降不能完全消除，分化的基巖層，如本文中的強風化花崗巖，在上部堆載作用下仍會產生較小的沉降，但與其他2部分相比，花崗巖產生的沉降基本可以忽略。在沉降計算中，把這2部分的沉降近似簡化為0，也是一種對結果影響較小的合理簡化手段。

4 結論

本文采用理論推導的手段分析了鐵路回填土地基沉降計算分方法，得到幾點結論：

（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，計算中合理選取軟弱下臥層的壓縮模量是計算結果正確與否的關鍵性因素。

（2）提出了一種分層加載方法，對室內壓縮曲線進行壓縮模量的合理選擇，并在此基礎上進行沉降值計算。

（3）以某一工程實例為依托，沉降計算表明，傳統方法計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年觀測結果沉降值為57.3 cm，證明本方法更合理。

參考文獻

［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.粉質粘土回填土地基強夯加固效果現場試驗研究［J］.科技創新與應用，2022，12（11）：84-87+90.

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

［5］ 王總.某深厚回填土地基建筑物基礎加固設計［J］.建筑結構，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］.工程技術研究，2020，5（22）：60-61.

［7］ 蘇夏征，程峰，謝廷勇.工程渣土場回填土的力學性能及擴容分析［J］.工程地質學報，2022（7）：1-11.

［8］ 胡瑞庚，時偉，水偉厚，等.高填方夯實地基樁側負摩阻力受力性狀試驗研究［J］.建筑結構學報，2020，41（4）：160-169.

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

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

［11］ 馬曉光，王敬勛，王宇.填土地基設備基礎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.高等級公路橋頭臺背路基回填處理研究［J］.公路交通科技，2004（6）：25-27.

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