大面積填土下超固結土的沉降研究

孫東明+張弘

【摘 要】在建設工程中，場地經常需要進行大面積填土，此時對工期要求嚴格的工程來說原地面的沉降量及固結時間問題就成為了關鍵。本文對大量原狀土試驗數據進行統計分析，對超固結土場地進行了沉降計算，并與實測沉降觀測數據進行對比，工程實踐效果良好，對類似大面積填土下超固結土的沉降計算具有啟示和借鑒意義。

【關鍵詞】大面積填土；地基沉降；超固結土；沉降觀測

0 引言

地基沉降一直是土力學中的一項重要研究課題，也是一直困擾工程界的一項難題。自1923年Terzaghi提出一維固結理論[1]以來，地基沉降的理論研究不斷取得進展。1936年Rendulic又將Terzaghi的一維固結理論推廣到二維和三維情況，得出Terzaghi—Rendulic固結理論。1941年Boit以Terzaghi一維固結理論的假定條件，從彈性理論出發導出了三維固結理論方程。1967年Gibson等人提出了一維有限非線性應變固結理論[2]。土的固結理論主要用于解決任意時刻土的變形，工程中計算土的最終固結沉降量使用最普遍、最基礎的方法就是分層總和法。1936年A.Casagrande將壓縮試驗結果的表示方法，從e～P曲線改為e～lgP曲線，并根據后者發現了尋找前期固結壓力Pc作圖方法[3]，后期學者根據這一理論推導出考慮土體應力歷史影響的一維沉降計算公式。本文正是利用這一公式，采取分層總和法計算大面積填土下超固結土的沉降。

1 工程概況及場地工程地質條件

長春龍嘉機場位于長春市約21公里處，長吉高速公路北側，交通方便，其行政轄區為九臺市龍家堡鎮，擬建T2航站樓場地地貌單元為波狀臺地，地勢西高東低，地勢較平坦。設計室內地坪的絕對標高比現有場地高出約6m，為高填方區域，且填土范圍廣闊，為大面積填土。室內地面的使用荷載約為15～20kPa。由于工期緊張，預估填土后原地面的最終沉降量和沉降固結時間就成為了決定上層建筑設計及施工方案的關鍵問題。

場地處于相對穩定地段，場地地震動峰值加速度值為0.10g，地震基本烈度為Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.35s，場地等效剪切波速Vse=164～181m/s，為中軟土，覆蓋層厚度約25.5m，場地類別為Ⅱ類，屬建筑抗震一般地段，土層均勻、穩定，層面坡度小于10%，為均勻地基。氣候屬于溫帶大陸性季風氣候區，地下穩定水位8.8m，地基土為季節性凍土，標準凍深1.6m，③層粉質黏土凍脹類別為弱凍脹，④層粉質黏土凍脹類別為凍脹。

場地鉆孔控制深度范圍內，上部主要為第四系中更新統（Q2apl）沖洪積地層，下伏為白堊系下統（K1q）泉頭組的紅褐色的泥巖及砂巖，具體地層分布見表1：

2 沉降計算分析

現場采用鉆探設備取原狀土樣2108件，根據場區地層分布規律劃分地層，充分考慮了取樣、試驗操作等因素對測試成果的影響，認真篩選土層測試、試驗指標，剔除明顯不合理數據后，采用數理統計方法得出參數的最大值、最小值、平均值、變異系數、標準值等統計指標，各土層參數見表2。

根據先期固結壓力判別場地土的壓密狀態，見表3。

由表2可知本場地土屬超固結土（OCR>1），假定大面積填土厚度6m，道面荷載20kPa，上部填土與道面荷載產生的附加應力為無限大，對計算土層各個深度點所產生的平均附加應力相等pz=20×6+20=140kPa。根據《工程地質手冊》（第四版），地基沉降量按考慮應力歷史計算，公式如下：

由于粉質黏土層下為中砂、粗砂層，連續性、貫通性較好，按雙面排水考慮。對第②層耕植土做清表處理，各土層按時間節點的豎向固結度及沉降量見表4。

由計算得知，土層最終沉降量為19.5cm，加載3個月的沉降量為11.3cm。

隨后我們在場地內進行了沉降觀測試驗，填土高度約7.0m，填土過程持續2個月完成，后續觀測持續至4個月，期間共觀測36次，沉降監測點共埋設5個，填土范圍中間1個，其余4個按照東西南北四個方向間隔中心點15米埋設，沉降監測點距離填土邊緣不小于20米。通過對數據整理分析，剔除粗差后，數據結果符合精度要求，觀測結果可靠。累計沉降量與時間關系曲線圖見圖1。

由圖中可看到，各觀測點最大沉降差1.6mm，無不均勻沉降出現。開始填土的一個月期間，沉降持續發展，沉降速率約1.64mm·d-1，填土1.3-1.8月沉降速率最大，達2.76mm·d-1，然后沉降速率減緩，進入相對穩定階段。從開始填土到沉降3個月，沉降量為10.6cm，這與理論計算得出的3個月沉降量11.3cm非常相近。但理論計算最終沉降量為19.5cm，由觀測試驗得到的最終沉降量經擬合分析預估為12cm，存在一定誤差，分析原因是土層參數統計和觀測數據初處理擬合引起的弱化[4]。但從總體分析來看，此次沉降理論計算值還是與實際較吻合的，為基礎形式及地基處理提供了比較貼切的設計依據，達到了解決實際問題的目的。

3 結論

本文通過對大量原狀土試驗數據進行統計分析，得到比較準確的土層參數，利用超固結土沉降計算公式對場地進行了沉降計算，并與實測沉降觀測數據進行對比，填土三個月的沉降數據是比較符合的，從長期效果來看存在一定誤差，這與理論計算參數的選取和觀測數據初處理擬合誤差存在一定的關系，但從總體來看，沉降理論計算值對基礎形式及地基處理提供了比較貼切的設計依據，達到了解決實際問題的目的，對類似大面積填土下超固結土的沉降計算具有啟示和借鑒意義。

【參考文獻】

[1]洪毓康.土質學與土力學（第二版）[M].北京：人民交通出版社，1999：32-88.

[2]折學森.軟土地基沉降計算[M].北京：人民交通出版社，1998：15-66.

[3]王猛.軟土地基沉降量組成及其計算方法分析[J].工程力學增刊，2003：958-961.

[4]姚天宇，單煒.軟土地基路堤沉降計算與反演分析[D].碩士學位論文.2006：40-46.

[責任編輯：朱麗娜]