不同處理方法下的軟土地基沉降監(jiān)測(cè)分析

郭 峰

(珠海富山工業(yè)園投資開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000)

1 概述

軟土地基發(fā)生沉降會(huì)使道路整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，從而降低地基承載力。目前，針對(duì)軟土地基沉降變形問(wèn)題，處治技術(shù)層出不窮，其中，排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法及水泥攪拌樁復(fù)合地基處治技術(shù)是比較有效的措施。為了確保施工過(guò)程中的地基穩(wěn)定性，通常對(duì)軟土地基進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)[1-3]，通過(guò)監(jiān)測(cè)收集的數(shù)據(jù)，對(duì)不同軟土地基處治方法的效果進(jìn)行對(duì)比分析。

到目前為止，軟土地基處治的研究已持續(xù)近百年，針對(duì)不同情況的軟基，其處治方法也不相同，因此軟土地基的處治方法也比比皆是，其中排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法以及水泥攪拌樁復(fù)合地基處治技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)當(dāng)中。

排水固結(jié)法是當(dāng)表面敷設(shè)砂墊層后，軟基在荷載或施加的沖擊能作用下，土體內(nèi)部的水分從排水通道排出土體內(nèi)部，土的有效應(yīng)力隨著土孔隙水量減少而增加，超孔隙水壓力逐漸消散，從而達(dá)到地基固結(jié)的目的[4]。

強(qiáng)夯法是在軟土中加入碎石的同時(shí)采用夯實(shí)機(jī)械進(jìn)行夯實(shí)，進(jìn)而形成碎石墩，土體與碎石以及碎石墩會(huì)形成復(fù)合地基，從而提高承載力和降低沉降[5]。

水泥攪拌樁是一種技術(shù)成熟的軟基處理方法，處理后的地基屬于柔性樁復(fù)合地基[6]。加固機(jī)理是在鉆好的地基孔內(nèi)灌入水泥水合物等固化劑，與周圍的原位土混合發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)形成強(qiáng)度較大的復(fù)合土體，多個(gè)鉆孔的復(fù)合土體形成的復(fù)合地基可提高軟土地基的整體穩(wěn)定性和承載力，且可降低基礎(chǔ)的沉降和變形量[7]。

2 監(jiān)測(cè)斷面布置

某港口大道全線軟土地基處理方式主要為固結(jié)排水、拋石強(qiáng)夯和水泥攪拌樁復(fù)合地基處治技術(shù)，其中排水固結(jié)法為軟土地基處理的最基本方法，其包括：堆載預(yù)壓法、塑料排水板聯(lián)合超載預(yù)壓法和袋裝砂井聯(lián)合超載預(yù)壓法。

在本工程中，工程監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置分為一般斷面和典型斷面兩種，一般斷面布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面為表面沉降(3個(gè)，線路中心及兩側(cè)路肩)、邊樁(8個(gè)，路基坡腳兩側(cè))；典型斷面布設(shè)表面沉降(3個(gè)，線路中心及兩側(cè)路肩)、邊樁(8個(gè)，路基坡腳兩側(cè))、分層沉降(1孔，線路中心處不同深度、4個(gè)磁環(huán))、孔隙水壓力計(jì)(4個(gè)，線路中心處不同深度)；部分監(jiān)測(cè)布設(shè)點(diǎn)如表1所示。

表1 軟土路基路段部分監(jiān)測(cè)布點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

在監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)后經(jīng)調(diào)試，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足要求，并經(jīng)多次測(cè)試后獲取其初始值。本工程采用的主要儀器如表2所示。

表2 軟土路基監(jiān)測(cè)主要儀器一覽表

3 監(jiān)測(cè)成果及分析

3.1 地表沉降與分層沉降

地表沉降反映了路基在上覆荷載作用下，地基土豎向壓縮變形的情況。施工監(jiān)測(cè)中進(jìn)行表面沉降監(jiān)測(cè)的主要目的有兩個(gè)：一是根據(jù)表面沉降速率大小大致判斷地基的穩(wěn)定狀態(tài)，指導(dǎo)填土速率；二是根據(jù)表面沉降發(fā)展趨勢(shì)和組成預(yù)測(cè)工后沉降，指導(dǎo)卸載時(shí)間。軟土路基路段加載時(shí)間總計(jì)達(dá)21個(gè)月之久，達(dá)到加載時(shí)間后全線軟土路基段卸載。在軟土路基處理過(guò)程中，選取監(jiān)測(cè)地點(diǎn)K2+520處為代表，實(shí)測(cè)填土高度—時(shí)間—沉降的關(guān)系曲線，如圖1所示，結(jié)果表明：隨著填土厚度和加載時(shí)間的增加，中沉降板與左沉降板的沉降量增加，當(dāng)填土厚度達(dá)到40 dm，加載天數(shù)達(dá)到270 d時(shí)，中、左沉降板的沉降量幾乎達(dá)到峰值，之后沉降量增長(zhǎng)極其緩慢。

分層沉降是指不同深度以下土體總壓縮量，通過(guò)分層沉降測(cè)試，可以了解地基沉降的組成情況。選取K12+210處為代表，實(shí)測(cè)典型分層沉降—荷載—時(shí)間曲線圖如圖2所示。由圖2可知，隨著時(shí)間和荷載的增加，不同深度處的磁環(huán)沉降量總體上逐漸增加，磁環(huán)埋深越淺，其沉降越顯著；填筑期各曲線斜率較大，說(shuō)明各磁環(huán)沉降速率較大；填筑結(jié)束，進(jìn)入恒載期后，曲線形狀逐漸趨于平緩。

3.2 排水固結(jié)法處理的沉降監(jiān)測(cè)

鋪設(shè)砂墊層之后，開始填筑第1層碾壓土?xí)r，沉降發(fā)展較快，體現(xiàn)了軟土地基的松軟特征，該沉降主要包含砂墊層密實(shí)壓縮和瞬時(shí)沉降。后續(xù)加載過(guò)程中，沉降量隨荷載的增加而迅速增大，加荷間歇期和停荷恒載期沉降繼續(xù)增加，但全線不同路段在加荷過(guò)程中的沉降量增加是不均衡的，由于地質(zhì)條件、處理方法及施工情況不同，路基縱向沉降比較大，累計(jì)沉降量為0.112 m～1.548 m。從路基沉降橫向大小分布情況來(lái)看，路基中心沉降量比兩側(cè)大，沿路線橫截面方向形成沉降盆，主要是因?yàn)樘钔梁奢d在路基中心處各土層中產(chǎn)生的附加應(yīng)力較兩側(cè)路肩大，導(dǎo)致中心處地基土排水固結(jié)變形較大而造成。

填土期間沉降速率增大，在預(yù)壓土填筑期間各路段均出現(xiàn)最大值，部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)顯示各軟土路基路段最大沉降速率在25 mm/d～70 mm/d之間。其中，最大沉降速率對(duì)應(yīng)K2+800～K2+300路段(測(cè)試斷面樁號(hào)為K3+080，K3+215)，該處原為大水塘，先采用吹填砂(深度約10 m)形成路基，后采用塑料排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓處理，但沉降速率衰減較快，在停載7 d～9 d內(nèi)，沉降速率減小至10 mm/d以下。在填土施工間歇期，沉降速率逐漸減小，表明在恒載條件下地基土排水固結(jié)，沉降速率減緩。在預(yù)壓期間，沉降速率隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低：恒載開始階段最大沉降速率為47.0 mm/d，預(yù)壓期至2個(gè)月時(shí)沉降速率為0.2 mm/d～1.5 mm/d，卸載前沉降速率為0.1 mm/d～1.0 mm/d。

表3 排水固結(jié)法處理軟土部分路基段沉降統(tǒng)計(jì)表

3.3 拋石強(qiáng)夯法及水泥攪拌樁復(fù)合地基處治技術(shù)

與排水固結(jié)法處理軟土路基相比，拋石強(qiáng)夯法和水泥攪拌樁復(fù)合地基處治技術(shù)的處治效果更好，水泥攪拌樁復(fù)合地基最大沉降量為14.1 cm，實(shí)測(cè)沉降歷時(shí)曲線見(jiàn)圖3，最大沉降速率約為6.0 mm/d；拋石強(qiáng)夯路段最大沉降量為9.6 cm，最大沉降速率約為9.0 mm/d，沉降速率均滿足垂直位移不大于10 mm/d的要求。

4 孔隙水壓力及地表變形

4.1 孔隙水壓力

地基中孔隙水壓力是指在路堤填土荷載(附加應(yīng)力)作用下的孔隙水壓力增量—超孔隙水壓力，其增長(zhǎng)與消散規(guī)律反映了軟土路基的排水固結(jié)特性和有效應(yīng)力的變化規(guī)律，分析孔壓資料可以掌握探頭所處深度土體的固結(jié)狀態(tài)和所處的變形階段(彈性階段或塑性階段)，據(jù)此判斷土體是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，用以指導(dǎo)填土速率，合理安排施工進(jìn)度。圖4為實(shí)測(cè)較為典型的孔隙水壓力隨填土荷載與時(shí)間變化過(guò)程關(guān)系曲線。

4.2 地表水平位移與深層側(cè)向位移

地表水平位移及垂直變形情況反映了路基坡腳外一定范圍內(nèi)地表變形情況，其位移特征與路基穩(wěn)定性存在密切關(guān)系，實(shí)測(cè)代表性的路堤填高—時(shí)間—邊樁位移時(shí)程曲線如圖5所示，從圖5中可以看出，在加荷初期，隨著荷載增加，邊樁位移亦向外增大，靠近坡腳處邊樁位移變化較為明顯，邊樁位移大小與地形特征有關(guān)，臨河或臨水塘處邊樁位移較大。

深層側(cè)向位移直觀地反映了地基不同深度土體在路堤填土荷載作用下沿水平方向的位移量大小，是判斷地基是否穩(wěn)定最直觀、最有效的方法。采用排水固結(jié)法處理軟土路基過(guò)程中實(shí)測(cè)典型的側(cè)向變形隨深度變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，側(cè)向位移主要發(fā)生在深度20 m范圍內(nèi)，考慮軟土路基的處理深度，最大側(cè)向位移發(fā)生在地下4 m～9 m范圍內(nèi)。側(cè)向位移隨時(shí)間(荷載)增加而逐漸增加，且填土期間側(cè)向位移增加，填土間歇期及恒載預(yù)壓期側(cè)向位移發(fā)展速率逐漸減小，甚至出現(xiàn)回縮，表明路基在路堤加載全過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟土地基的沉降監(jiān)測(cè)，結(jié)合軟基處理常用的三種處理方法，對(duì)路基施工過(guò)程中和完工后的軟基沉降情況進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)在排水固結(jié)法處理軟基中，從路基沉降橫向大小分布情況來(lái)看，路基中心沉降量比兩側(cè)大，沿線路橫截面方向形成沉降盆；分析路基沉降變形速率曲線，得出施工前期軟基沉降變形速度快，后期逐步趨于穩(wěn)定。

2)分析全線斷面中的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出與排水固結(jié)法處理軟土路基相比，拋石強(qiáng)夯法和水泥攪拌樁復(fù)合地基處治技術(shù)在軟土地基沉降控制中效果更好。

3)根據(jù)地表沉降速率大小可以大致判斷地基的穩(wěn)定狀態(tài)，指導(dǎo)填土速率；且根據(jù)表面沉降發(fā)展趨勢(shì)和組成可預(yù)測(cè)工后沉降，指導(dǎo)卸載時(shí)間；通過(guò)分層沉降測(cè)試，可以掌握地基沉降組成情況。

4)孔隙水壓力的增長(zhǎng)與消散規(guī)律反映了軟土路基的排水固結(jié)特性和有效應(yīng)力的變化規(guī)律，分析孔壓資料可以得到探頭所處深度土體的固結(jié)狀態(tài)和所處的變形階段(彈性階段或塑性階段)，由此判斷土體是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，以便指導(dǎo)填土速率，合理安排進(jìn)度。