天府國際機場某壓實填土地基沉降預測

陳華平， 王庭勇， 李科學

(四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川成都 610000)

中國紅層分布最廣的是四川盆地，面積達26×104km2以上，主要為砂巖、粉砂巖、泥巖、頁巖、砂質頁巖、礫巖、砂礫巖等構成，紅層總體上具有成巖時間短、固結程度較低、屬于軟化巖石、崩解速度快等特點。根據工程實踐經驗，紅層地區大部分的高填方填料為砂巖、泥巖，其工程特性表現為巨大的差異性。本文依托詳細勘察報告，對場地紅層砂泥巖填料進行了工程特性和沉降分析，為后期工程建設提供參考。

1 工程概況

天府國際機場場址位于龍泉山東麓，四川盆地簡陽市西部。工作區內原始地貌以淺丘寬谷地貌為主，地形起伏不大，丘坡圓緩，河谷呈寬緩對稱“U”字型，緩坡地帶多為旱地及荒坡，自然坡度10～30 °(圖1)。

圖1 天府國際機場原始地形下典型地質縱斷面

場平后工作區內地層主要構成為：第四系全新統人工填土層(Q4ml)、第四系全新統坡洪積層(Q4pl+dl)及侏羅系上統蓬萊鎮組中段(J3p2)基巖。

根據詳勘資料壓實填土(場平回填土經過分層碾壓)場地內厚度可達16.1 m，地基處理土(對場地軟弱土進行地基處理，場地內主要處理方式為插板預壓、碎石樁處理)厚度可達8.1 m，其下部為強—中風化泥巖、砂質泥巖、泥質砂巖、砂巖。

場地內壓實填土分為塊石土和碎石土，塊石土中塊石粒徑一般為200～500 mm之間，最大可達1 000 mm，塊石成分以砂質巖(泥質砂巖和砂巖)為主，少量的泥質巖(泥巖、砂質泥巖)，其中砂質巖風化程度低，局部泥質巖風化較為明顯，黏性土及粉質土、碎石土充填，局部有架空現象；碎石土中碎石粒徑一般為20～50 mm之間，碎石成分以砂質巖和泥質巖為主，其中砂質巖不易風化一般呈細顆粒狀，泥質巖多風化呈土狀及細顆粒狀，黏性土和粉質土充填。

2 沉降分析

高填方機場地基比較復雜，能夠影響到沉降的因素比較多，相互關聯，理論計算沉降的方法無法周全的考慮到各種因素的影響。各種因素原因分析見表1：

表1 壓實填土沉降影響因素[1]

2.1 經驗公式法

(1)勞頓和列斯特公式：S=0.001H3/2

(2)顧慰慈公式：St顧=KHne-m/t

(3)戈戈別里德捷公式：St戈=-0.453(1-e-0.08H)e0.693/t1.157

(4)除模型外，很多國家建立了經驗公式，比較有代表性的是德國和日本的公式：S工=H2/3000

計算結果見表2：

總體上，以上公式中只考慮了填方體高度這個唯一指標，而沒有考慮到填方體材料的變形模型和工程加載速率以及下部地基處理土的自重固結沉降等因素，因此用該方法計算的結果是非常粗略，同時結合監測資料其結果總體偏小。

表2 經驗公式法計算壓實填土工后沉降量

2.2 回歸分析法

2.2.1 指數曲線法[2]

根據太沙基的固結理論，孔隙水壓力隨時間變化過程呈指數曲線關系，對于線彈性土體，應力定義固結度U6。等于應變定義固結度Us.所以，土體的壓縮過程理論也符合指數曲線關系。曾國熙建議地基固結度用式(1)計算:

U=1-αexp(-βt)

(1)

2.2.2 雙曲線法

Sridharan等指出，當60 %

任意t時刻的沉降量計算公式為式(2)：

(2)

選取場地4個點位進行回歸分析，選取的點位為BC327、BC328和BC352、BC355，其中各個點位基本情況見表3。計算結果見圖2～圖5。

表3 擬合監測點基本情況 m

基于上表指數函數和雙曲線函數的擬合結果，總結于表4。

表4 各監測點剩余沉降量預測擬合結果 mm

(a)沉浮曲線

(b)回歸圖圖2 BC328變形監測表層沉降曲線及回歸圖

(a)沉浮曲線

(b)回歸圖圖3 BC327變形監測表層沉降曲線及回歸圖

根據地表沉降監測曲線，去年強降雨期間(6～8月)沉降量都有陡降的趨勢，說明強降雨對填土區的沉積作用影響尤為明顯，地表水滲入壓實填土，填充土體孔隙，使填土逐漸變成飽和土，在地下水的作用下，土體會發生“軟化” 。對于填土地基，若土體密實度過小，降雨或者地下水對于沉降的影響作用就較大，短時間內產生的沉降量就較大些；若土體密實度較大，降雨對地基沉降的影響作用就較小，每一次降雨過后，在上部荷載壓縮作用下密實度就大幅度提高，同時也削弱了下一次降雨對地基沉降的影響，因為填土體越來越難以被壓縮。

(a)沉浮曲線

(b)回歸圖圖4 BC352變形監測表層沉降曲線及回歸圖

(a)沉浮曲線

(b)回歸圖圖5 BC355變形監測表層沉降曲線及回歸圖

本次地基檢測勘察對BC328、BC327、BC352、BC355的擬合結果，無論是采用雙曲線擬合還是指數函數擬合，總體上監測點還有較大的沉降趨勢，最大的擬合結果剩余沉降量可達80.9 mm左右，雖然擬合結果僅為暫估值，但還是具有一定的參考意義。

2.3 建筑規范法

2.3.1 地基沉降量計算[3]

土中的孔隙數排出，孔隙水壓力轉換成有效應力，土體組件壓密產生的體積壓縮變形。根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》所推薦的最終沉降計算公式見式(3)：

(3)

2.3.2 填筑體自身重力固結

高填方填筑體是逐層填上去的，填筑體自身在重力作用下固結。假設i層填筑體厚度hi，壓縮模量Esi，第i+1層厚度hi+1，壓縮模量Esi+1，以此類推(圖6)：

圖6 填筑體自身固結沉降示意

當第i層填筑完成后，填筑第i+1層。第i層在第i+1層的重力作用下固結，豎向固結量為式(4)：

(4)

填筑完第i+2層后，第i層在第i+2層的重力作用下固結，豎向固結量為式(5)：

(5)

式中:ri為第i層容重。

填筑完第i+3層后，第i層在第i+3層的重力作用下固結，豎向固結量為式(6)：

Si(3)=ψshi+3+rir+3[(hi+hi+1+hi+2)αi(3)-

(hi+1+hi+2)αi+2]

(6)

填筑完第i+k層后，第i層在第i+k層的重力作用下固結，豎向固結量為式(7)：

(hi+1+hi+2+A+hi+k-1)αi+k-1]

(7)

第i層在上覆k層土的重力作用下固結沉降的總量為式(8)：

(8)

則整個填筑體自身總的沉降量為式(9)：

(9)

式中：n為填方區段填筑體總的層數。

根據詳勘報告以及利用詳勘報告的參數，選取場地內的一個典型剖面，從各剖面原地基覆蓋層左端點開始，每隔10 m設定一個沉降點，得原地基覆蓋層沿剖面線方向上的沉降規律。

場地內填方后典型剖面見圖7。

圖7 場地內填方后典型剖面地質模型概化

根據分層總和法原理，填筑體總沉降量為原地基總沉降量與填土自身沉降量之和，結果如圖8所示。

圖8 分層總和法沉降分析(單位：mm)

如圖8，5號點地基處理土厚度為6.29 m，上部壓實填土厚度為14.75 m，根據分層總和法計算得到的沉降量可達829.9 mm，整體上，總沉降量與原地基土層和壓實填土厚度呈對稱分布，剖面左側和右側與中部的沉降量差別較大，主要由于左右和右側的填方高度較小，沒有原地基土。在壓縮模量相同的條件下，按照規范法計算的填筑體自身沉降、總沉降等與實測的工后沉降之間沒有相關關系，總體上按照規范法計算的總沉降量較為偏大，主要可能由于取值偏小，但要采取準確的參數值，對于填土地基在工程上是一大難題。

2.4 各種方法實用性及優缺點

經驗公式法主要是預測填方地基工后的總沉降量，需要大量的相似工程實踐作為依據才能保證其準確行在尚沒有積累大量經驗的情況下，運用經驗公式，是非常容易出現偏差的。

曲線擬合方法是根據已有的觀測數據來推算未來沉降的一種方法，但是實際觀測的數據并不像理論上那么一致，往往觀測的數據存在偏差，或者由于前期觀測量周期的不足，造成曲線的擬合度較差，所以這兩種方法對觀測數據量的要求非常大，在觀測周期不夠長的情況下，也容易存在較大誤差的。

分層總和法計算沉降是計算的填土分層沉降和下部地基處理土自重固結沉降之和，并不受觀測數據的影響，但是分層總和法的計算過程中需要用到反算的壓縮模量，而壓縮模量的反算也是存在一定的誤差，由于壓縮模量的取值偏小，于是造成在計算過程中沉降量過大。實驗相對于實際工程而言，最大的問題就是應力的相似性，而僅僅的壓縮實驗，并不能夠完全保證其與實際工程中的一致性，總體上分層總和法不太實用非飽和粗粒土計算，實際計算值存在很大誤差。

總體而言，各種方法均存在其優點和缺點，只有積累更多是工程經驗，運用多種方法相互比較，才能科學合理的評價和預測高填方地基的沉降。另外，在實際過程中，應該以地表觀測點的數據作為最基本的推算和參考依據，故曲線擬合法相對具有一定的參考意義。當地表的預測數據產生較大偏差時，再深究其分層沉降和原地基沉降的數據分析其原因。

2.5 沉降預測

場地內填方地基暫經歷了1個完整的雨季，后期還有一定的蠕變變形，對場地內后期沉降主要通過曲線擬合方法，結合遂寧機場、樂山機場等類似工程經驗，預估場地內填方區剩余最大自重固結沉降還有100～120 mm，不均勻沉降量相差可達60～80 mm。

3 結論

(1)對于紅層砂泥巖地區高填方物質組分復雜，砂泥巖工程特性表現為巨大的差異性，泥質巖易崩解風化，砂質巖不宜崩解風化。沉降受地形、水文地質條件、土的類別、地質條件等多種因素共同作用，特別是填方期間人為以及施工工藝影響特別大，尚未有較為準確計算高填方沉降量的方法。

(2)本文通過經驗公式法、回歸分析法、分層總和法對場地地基的總沉降和剩余沉降進行分析，結合周邊工程經驗，預估場地內填方區剩余最大自重固結沉降還有100～120 mm，不均勻沉降量相差可達60～80 mm。

(3)該高填方案例根據分析總沉降量，預估后期剩余沉降量，指導設計對地基進行風險評估具有相對有代表性，可為類似工程提供參考。