某工程厚層紅黏土素填土處理方案優化設計

薛 祥 侯東利 馬秉務

（北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

近年來，在工程建設過程中，屢屢出現工程建成后室內地坪下沉、開裂及墻體裂縫等現象。此外，為充分利用有限土地資源，在工程建設前進行場地形成（地形改造、堆填整平）后開展工程建設的項目越來越多，由于前期設計施工考慮不當，導致后期處理困難及投資增加，甚至因回填土局部或大面積下沉造成地坪面層空鼓、開裂及塌陷破壞，導致后期墻體開裂、管線系統破壞、設備無法運行等眾多工程事故，給建筑運營階段造成了重大經濟損失。如寧波市寧海縣寧東區某2012年建成廠房[1]，框架結構，樁基礎，廠房地坪沒有采取處理措施，因建筑場地整體回填雜填土厚約2.5 m，外加下部為軟弱地基，導致設備尚未安裝就位，廠房室內素混凝土地坪便產生了明顯的盆形沉降，嚴重處室內混凝土地坪已同地基脫開；2014年國家某Ⅰ級鐵路近4000 m2的某站房[2]，房心土回填（最厚約6 m）完工6 個月后觀測到站房地面基層混凝土局部開裂并下沉，沉陷深度最大達12 cm左右；上海某倉庫軟土上厚層新近填土出現較大的地面沉降以及差異沉降的問題而不得不采用預制方樁對結構加固[3]。2019年遼寧東港市某醫院（房心填土厚度約2 m）正在使用的門診大廳等室內地坪出現大面積下沉且越來越嚴重，嚴重影響醫院正常運營。此類事件不勝枚舉，因此應在勘察設計施工階段應進行合理的處置，避免后期出現工程及運營問題。

根據地基處理的加固原理，地基處理方法主要有置換、排水固結、灌入固化物、振密擠密、加筋和冷熱處理等六類[4-5]。隨著新型城鎮化建設的進展，將開展更多的挖山造地項目，而地基處理理論研究落后于工程實踐[6]，特殊性巖土的地基處理理論更是缺乏。山區半挖半填工程、大面積深厚填土工程地基處理方法日趨復雜[7-9]。由于處理對象的復雜化，近年來也出現了較多的組合地基處理方案，如陳建民等[10]將強夯與CFG 樁復合地基組合處理超深回填砂石坑，豆紅強等[11]采用剛柔組合樁復合地基處理基底為厚層淤泥質土的高21.6 m 填方路基，并進行了優化設計，其將較高抗彎及抗剪強度的剛性樁布設在超高填方路堤潛在的滑裂面剪入口或剪出口位置，其余位置布置造價較低的柔性樁，增加了路堤的穩定性及安全性，同時又兼顧工程造價經濟合理。地基處理不僅要解決好地基承載力問題，地基沉降和差異沉降問題往往是導致工程后期運營階段出現問題的關鍵，尤其是工后沉降。韓乾坤等[12]對采用碎石樁處理的復合地基的沉降規律和應力變化進行了現場監測，得到了路堤施工過程中及施工完成后的地基沉降，研究了路堤在施工過程中與工后的地基沉降規律和現場施工條件下復合地基沉降變形影響因素。盧 諒[13]采用置換減載與加筋復合處理方法對路基不均勻沉降控制效果進行了研究，針對不同的處理對象取得了較好的效果。除了地基承載力和沉降，地基的穩定性也相當重要。來春景[14]研究了黃土丘陵溝壑區高填方建設場地變形與穩定性。由于地基處理理論發展的相對滯后，近年來有限元分析方法也在地基處理沉降、差異沉降和穩定性分析等方面獲得了一定的應用，定性地指導了工程設計中的工程判斷。王發玲等[15]利用Midas GTS 有限元軟件分別對采用分能級強夯+DJP 樁+注漿的變剛度復合地基處理和采用強夯進行同剛度地基處理的效果進行數值分析對比研究，較好地指導了工程設計。

巖土工程的獨特性要求相應處理措施具有很高的針對性，且往往是工程實踐先行而理論研究才逐步完善。本文基于某工程大面積厚層房心紅黏土素填土案例，結合地方工程經驗、現場實際情況、地層地下水、沉降及工后沉降估算、施工工藝及檢測因素等對其地基處理進行優化設計，為類似工程實踐或理論研究提供參考。

1 某工程房心土問題及處理方案優化

1.1 工程問題

某地上1F 醫藥廠房工程位于云南省昆明市，總建筑面積約2.8×104m2，采用樁基礎。項目位于淺山區，地勢高低不平，詳細勘察前已進行了場地形成工作（挖填整平至設計正負零標高），一般填筑厚度2.0～6.4 m，局部厚度7.9 m，典型填筑厚度等值線圖見圖1（局部）。由于房心填土較厚且厚薄不均，且填筑時間短（約1年），填筑質量不可控，欠固結，在自重固結、地下管道滲漏或地表水下滲時易發生沉陷，需處理。建設單位發現需進行房心土處理時，擬建場地基樁及承臺梁工程已基本完成，承臺底埋深-2.0～-2.5 m。

圖1 典型填筑厚度等值線圖

1.2 地基處理方案優化及存在的問題

類似工程常采用擠密樁和非擠密樁復合地基、微型樁或迷你樁（Minipiles）復合地基、注漿加固及換填處理等方案。結合工程實際情況，經反復研究和對比分析，形成方案比選分析成果（見表1）。綜合表1中各處理方案的適宜性及優缺點、施工可行性、工期及造價等因素，最終確定了換填處理方案。采用換填處理方案時，結合填土厚度空間分布及樁基工程承臺埋深等情況，擬采用換填部分厚度方案，即換填厚度一般為1.6～2.1 m，一方面消除換填部分原填土本身的固結沉降，另一方面換填后形成2.1 m 厚剛性硬層（換填1.6 m 厚部分已換填至老土層），以調節不均勻沉降。換填材料根據既有承臺梁及承臺疏密情況、施工設備及工藝保證等選擇羊矸石或水穩料，施工作業面小的區域采用水穩料換填至承臺頂標高，施工作業面具備的區域采用羊矸石換填至承臺頂標高，然后統一采用羊矸石換填至設計標高。根據已有勘察、補充勘察及上述設計方案分析，換填后場地內仍存在大面積填筑厚度不均勻的未換填掉的填土（如1#樓一般剩余厚度0.0～3.0 m，局部3.1～3.9 m），且原地面下分布約5～10 m 厚的壓縮性較高的黏土，因此仍會產生沉降和不均勻沉降，主要有兩個方面：一是人工填土（高填方區最大厚度約6.4 m，相當于壓力P約115 kPa）作為荷載對其下原狀紅黏土②、黏土③層甚至黏土混碎石④層土產生壓縮，由于土層厚度的不均，雖已預壓近一年，但仍存在一定的后期沉降和差異沉降。二是雖經換填的1.6～2.1 m 人工填土可不考慮其本身沉降，但其下未進行換填的部分仍會產生一定的沉降和差異沉降。需充分考慮上述兩部分主固結沉降和工后沉降，以評估換填處理效果和指導其它相關設計（地坪或管道等）。

表1 地基處理方案優選分析

2 高填方區地基沉降估算

預壓荷載下地基的變形包括瞬時變形、主固結變形和次固結變形三部分。次固結變形大小和土的性質有關。該工程房心土填墊已經完成、原自然地面下天然土層部分瞬時變形已經發生，若忽略次固結變形，則只剩余主固結變形。

對大面積荷載下的主固結變形，工程上通常采用單向壓縮分層總和法計算，只有當荷載面積的寬度或直徑大于受壓土層的厚度時才較符合計算條件，否則應對變形計算值進行修正以考慮三向壓縮的效應。但研究結果表明，對于正常固結或稍超固結土（本工程填土下的天然地基土）地基，三向修正是不重要的，因此，仍按單向壓縮計算。沉降估算主要是考慮人工填土作為荷載對其下原狀黏性土產生壓縮及其下未進行換填的部分（平均約3.0 m）產生壓縮的總和，并考慮土的欠固結、超固結及非飽和土的固結度等問題。由于計算較為復雜且無成熟經驗及公式，為使得計算結果更為可靠，擬現采用e-p曲線法[16]、考慮應力歷史的e-lgp曲線法[4]及基于三軸K0固結沉降曲線估算的方法對場區的典型不利位置沉降進行估算。

2.1 紅黏土素填土物理力學性質

場地勘察揭示房心土為紅黏土素填土①層，褐紅、褐黃色，稍濕，松散-稍密狀，以黏性土為主，局部含少許植物根系，土體結構松散，土質不均勻，欠固結，強度低。該土為場區地面整平時人工填筑而成，屬新近填土。所有鉆孔均有揭露，揭露層厚0.3～8.2 m，平均層厚3.35 m。換填處理后典型地層見圖2。

圖2 典型地層

2.2 e-p 曲線法

預壓荷載下地基最終豎向變形量的計算可取附加應力與土自重應力的比值為0.2 的深度作為壓縮層的計算深度，總變形可按式（1）計算：

式中：sf為最終豎向變形量，m；e0i為第i層中點土自重應力所對應的孔隙比，由室內固結試驗e-p曲線查得；e1i為第i層中點土自重應力與附加應力之和所對應的孔隙比，由室內固結試驗e-p曲線查得；hi為第i層土層厚度，m； ξ為經驗系數，可按地區經驗確定，無經驗時正常固結飽和黏性土地基可取 ξ＝1.1～1.4；荷載較大或地基軟弱土層厚度大時應取較大值。

根據上述方法，1#樓（最大換填厚度2.5 m）及4#樓（最大換填厚度1.2 m）過程及成果見表2。表中紅黏土②、黏土③層沉降計算經驗系數（ ξ）為經驗值。

根據表2，1#樓從堆載至最終的最大總沉降sf=Σsi= 47.3+48.0+28.5=123.8 mm。4#樓的最大總沉降sf=Σsi=146.2+35.4+65.5=247.1 mm。

表2 e-p 曲線法沉降計算

2.3 考慮應力歷史的e-lgp 曲線法

根據勘察成果，場地紅黏土②層及黏土③層均為超固結土，紅黏土素填土①層為欠固結土。對于超固結土，其沉降計算應考慮應力歷史，分兩個階段進行：第一階段為當壓力P小于先期固結壓力Pc時，按再壓縮段（或回彈段）線性直線段計算，其斜率為Cs；第二階段為當壓力P大于先期固結壓力Pc時，按正常固結的原始壓縮段直線段計算。

（1）當超固結土層中的p0i+pzi≤pci時，該土層的固結沉降量可按式（2）估算：

式中：si為第i層土的固結沉降量，mm；hi為第i層土的平均厚度，mm；e0i為第i層土的初始孔隙比平均值；Csi為第i層土的回彈再壓縮指數（回彈指數）平均值；pzi為第i層土的有效自重壓力平均值，kPa；p0i為對應于荷載效應準永久組合時，第i層土的有效附近壓力平均值，kPa；pci為第i層土的先期固結壓力平均值，kPa。

（2）當超固結土層中的p0i+pzi>pci時，該土層的固結沉降量可按式（3）估算：

式中：Cci為第i層土的壓縮指數平均值。

對于超固結土，沉降計算采用上述方法，參數見表3，對欠固結土紅黏土素填土①層，采用2.2 節估算方法。綜合計算成果見表4。1#樓從堆載至最終的總沉降sf=Σsi=47.3+18.7+13.3=79.3 mm；4#樓從堆載至最終的最大總沉降

表3 超固結土沉降計算相關參數

表4 e-lgp 曲線法沉降計算

sf=Σsi=146.2+15.6+30.1=191.9 mm

2.4 基于三軸K0 固結變形曲線估算的方法

本工程采用換填地基處理時，原天然土層上已進行了填筑，填筑時間約1年，詳勘與補勘均在場平后進行，即沉降計算不是從加載（填筑）時間零點計算，詳勘與補勘階段獲得的計算參數與沉降計算工況不一致，這將帶來沉降估算誤差。為了更好地估算沉降、沉降隨時間的發展關系及工后沉降，本工程采用室內三軸壓縮試驗，模擬現場實際填筑堆載過程及工況，獲得圍壓狀態下的土樣固結隨時間變化的關系，由此來估算紅黏土②層及黏土③層的最終沉降及工后沉降。

2.4.1 三軸K0固結變形曲線

試驗通過常規固結儀和三軸固結儀兩種方法求取試樣的靜止側壓力系數（K0），以確定三軸固結壓縮試驗的圍壓。經試驗及對比分析，本工程沉降變形估算采用三軸固結儀確定靜止側壓力系數的固結壓縮的方法進行。三軸K0固結變形部分典型時間對數曲線見圖3。

由圖3，施加圍壓后及軸壓后，土樣在短時間（1～2 min）內基本完成了瞬時變形，因為加載相當于現狀土樣自重壓力，這個變形主要為取樣卸載引起的彈性變形。根據試驗成果，這個瞬時變形約0.42～4.85 mm，與土樣擾動情況、密實度、含水率等有關。瞬時變形發生后，土樣在現狀荷載下（大面積堆載）的固結開始進行，直至變形穩定。

圖3 典型K0 固結變形曲線

2.4.2 變形估算

根據固結原理，計算公式如下：

根據土樣三軸固結變形曲線，剔除異常曲線成果，扣除瞬時變形后，相關地層沉降的計算過程及結果見表5。結合工程經驗分析，②紅黏土沉降取大值，則有1#樓從堆載至最終的總沉降為sf=Σsi=47.3+47.2+35.9=130.4 mm；

表5 K0 固結曲線法沉降計算過程及成果

4#樓從堆載至最終的最大總沉降：

sf=Σsi=146.2+27.3+64.0=237.5 mm

3 工后沉降

由于本工程房心土采用換填處理時，原天然土層已進行了填筑，填筑時間約1年，實際現場土體（原天然土及新近填筑紅黏土素填土①層）已發生了部分沉降，為了建設、設計及施工單位更可靠地評估房心土換填處理后的工后沉降，指導后期設計和施工，需估算工后沉降。

3.1 非飽和土固結度估算

由于場地土為非飽和土，其固結度計算相當復雜，且理論尚不成熟，本工程結合K0固結變形曲線、類似工程實測沉降曲線及工程經驗進行綜合分析估計。一般來說，大面積荷載施加后，土體孔隙中的氣體可立即壓縮或溶解于水，水滲流和土骨架變形，產生瞬時沉降。隨著孔隙氣的排除和孔隙水的滲流，土骨架進一步壓縮，非飽和土較飽和土相對較快地進行固結沉降至穩定狀態。由于試驗室進行的是飽和后的土的K0固結，因此，對現場土體采用飽和狀態的物理指標來估算固結度，是偏于安全保守的。相同固結度的情況下，現場土固結1年（365 d）的固結狀態（固結度），相當于試驗室固結的時間t（min）可按式（6）估算：

式中：H1為室內試驗土樣的試驗高度，80 mm，雙面排水；H2為現場土層厚度，mm，按單面排水考慮；t1為室內試驗在與現場土層相同固結度的固結時間，min；t2為現場土層已固結時間，本工程已固結時間1年，按365×24×60 min 考慮。

由式（6），對紅黏土②層及黏土③層，現場固結1年相當于室內固結的時間、固結度情況見表6。表中固結度系室內試驗獲得某一時間點的變形與最終穩定變形的比值。

表6 室內K0 固結壓縮試驗估算的土層固結度

雖三軸K0固結試驗力求模擬與現場受力狀態相一致的固結壓縮成果，但由于土樣擾動、側限狀態、飽和與排水條件的差異、計算分析模型等因素影響，使得上述分析結果與實際仍有一定的差異。結合已有非飽和土層上與上述填土荷載相當的大面積填土荷載作用下土層沉降觀測及固結度估算成果經驗，建議紅黏土②層及黏土③層固結1年后的固結度U取值為0.60。

3.2 場地工后沉降估算

根據2.2-2.4 節對場地變形的估算及上述固結度估算成果，對場地工后沉降估算見表7。

表7 場地工后沉降估算

針對1#樓，根據估算成果，擬建場地在場地形成填筑厚度約5.5 m，對淺層（約3.0 m）房心土采用羊矸石、水穩料等進行換填，不考慮深部含碎石黏土的變形，場地工后沉降約41~62 mm。針對4#樓，在場地形成填筑厚度約7.8 m，對淺層（約1.2 m）房心土采用水穩料進行換填，不考慮深部含碎石黏土及圓礫的變形，場地固結時間1年后的工后沉降約106～124 mm。根據上述估算成果，為設計對管道、設備基礎、上部結構及地基基礎設計提供了關鍵依據。

4 結論

（1）地基處理需結合豐富的工程經驗和判斷，根據處理方案的適宜性、施工可行性、處理方案的優缺點、工期及預估造價等進行優選，以確定技術可行、經濟合理的處理方案。

（2）場地形成地基處理方案需考慮形成部分、原狀地基及處理部分的變形，并應考慮土的應力歷史、固結狀態，采用適宜的變形計算方法，并宜采用多種方法估算成果進行對比，尤其是經驗不足或計算方法缺乏情況（如本案例紅黏土素填土），以驗證估算成果的可靠性。案例采用e-p曲線法、考慮應力歷史的elgp曲線法和基于三軸K0固結變形曲線法估算、對比換填處理后的總沉降和工后沉降，獲得了較好的成果。

（3）本文提出的基于三軸K0固結變形曲線估算沉降的方法用于模擬工程實際受力狀態（工況），并可用于估算非飽和土的固結度，以方便估算工后沉降，計算結果與e-p曲線法、考慮應力歷史的e-lgp曲線法相近，對沉降估算結果進行了相互驗證，提高了沉降估算成果的可靠性。