堆載預壓在深厚人工填土地基處理中的應用

凌忠誠

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州730030）

隨著國家經濟的不斷發展，國家基礎設施建設的步伐日益加快。由于受到地形限制，人工填土地基不得不用于公路和鐵路建設，尤其是在地形起伏較大的西南山區，填土厚度較大時，其處理難度較大，如果處理不到位，在運營過程中可能會發生地基沉降或不均勻沉降的病害，從而威脅其正常運營。人工填土是因人類活動形成的堆積土，主要分為素填土和雜填土，一般雜填土含有大量的建筑垃圾和生活垃圾，工程中往往采用挖除換填處理、強夯處理、樁土復合地基處理等措施，從而可以有效避免地基發生沉降或不均勻沉降等病害。素填土主要由黏性土、碎石等組成，雜物含量很少，有機質含量不超過10%，根據堆積年限可分為新素填土和老素填土2類，其中新素填土填筑時間較短，其密實度較差、壓縮性高，尤其是均勻性較差，如果直接用作地基，后期發生不均勻沉降的可能性較大，對于厚度較小的人工填土，可采用翻挖回填壓實處理，但是對于厚度較大的人工填土，挖除換填處理和樁土復合地基處理不經濟。堆載預壓通過在施工階段將上部荷載預先作用在地基上，使其沉降在施工期間完成，從而可以有效減少基底后期的不均勻沉降。然而，在堆載預壓作用下，堆載多長時間可以使工后沉降滿足設計要求？因此，預測堆載預壓作用下的地基沉降，從而控制地基工后沉降具有重要的工程意義。

1 工程概況

中石油云南石化某廠區鐵路專用線位于云南省安寧市境內，場地長880 m，寬135 m，廠區屬滇中高原構造侵蝕低中山緩丘與沖溝地貌，地形起伏較大，相對高差27.0 m，沖溝較發育。2013年在廠區采用移挖作填的方式完成了場地平整，并已經填筑至設計標高，最大人工填土厚度約20 m，填筑時未采用分層碾壓的施工工藝，僅采取一兩遍強夯措施進行了處理，填料類別混雜，土體物理力學性質差異較大，且填方基底分布有1～10 m厚粉質黏土層。廠區上覆第四系全新統人工填筑土、粉質黏土，下伏基巖為寒武系下統筇竹寺組石巖頭段的粉砂巖，節理裂隙較發育。區內地表水系不發育，線路區內無河流及溝水，測區地下水主要為孔隙潛水與基巖裂隙水。孔隙水主要賦存于第四系坡殘積及沖洪積地層中，主要受大氣降水補給。基巖裂隙水主要賦存于粉砂巖中，富水性弱～中等，表水及地下水對混凝土結構無侵蝕性。測區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期0.45 s，相應地震基本烈度為Ⅶ度。

由于廠區人工填土厚度較大，為解決路基工后沉降以及不均勻沉降，2013-11-15，在廠區設置長140 m、寬40 m的堆載預壓試驗段開始堆載，堆載高度6 m，埋設了10套（C1～C10）沉降觀測板，并進行了系統的沉降觀測；2014-11-26結合試驗段的預壓結果，對廠區進行了全面堆載，2015-05-08進行二次堆載。

2 沉降預測法介紹

目前，路基沉降的預測方法主要有3大類[1-4]：第一類為分層總和法，第二類為基于固結理論的數值模擬法，第三類為根據實測數據推算沉降量與時間關系的回歸擬合法。王小剛等[5]采用雙曲線法、三點法以及A.saoka法對武廣鐵路的沉降進行預測，預測結果表明，雙曲線法的預測效果更好，預測沉降量與實測沉降更接近；馬石城等[6]結合某高鐵沉降數據，采用雙曲線法、星野法、GM（1，1）模型對其沉降進行預測分析，分析結果表明，雙曲線法預測結果誤差較小，擬合相關系數較高，預測擬合線與實際沉降數據的重合度較高。雙曲線法地基沉降擬合公式為：

式（1）中：S0為拐點沉降量，即擬合起點沉降量；t0為拐點時間，即擬合起點時間。

3 沉降觀測結果

中石油云南石化廠區鐵路裝卸場整體道床區設計范圍為JDK0+370—+880.51段，長510.51 m，采用超載預壓對地基進行處理，同時埋設沉降觀測板對地基進行沉降觀測，以評估鋪軌前地基沉降是否滿足整體道床區的沉降控制標準，即工后沉降不大于20 mm。試驗段分為小里程試驗段和大里程試驗段，小里程試驗段采用1.0 m堆載高度，大里程試驗段采用1.5 m堆載高度。試驗段于2013-11-15開始堆載預壓，并埋設了10套沉降觀測板，其中小里程區域埋設了4套沉降觀測板（C1～C4），大里程區域埋設了6套沉降觀測板（C5～C10），2013-11-15開始堆載，2013-11-16開始對小里程區域內的C1～C4沉降板進行觀測，2013-11-21開始對大里程區域內的C5～C10沉降板進行觀測，之后間隔4～6 d進行一次觀測。截至2014-04-25，共監測了30組沉降數據，監測結果如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，堆載完成后20 d之內，地基沉降的規律比較紊亂，堆載完成20 d后，地基開始以雙曲線的規律下沉，表明C1～C10沉降觀測點的拐點沉降量在堆載完成第20天左右。各個觀測點的沉降量相差較大，表明沉降觀測板處的填土厚度不同，與現場實際情況也是相符的。

圖1 沉降板C1～C4沉降觀測數據

圖2 生產過程中各工序線寬比對

圖2 沉降板C5～C10沉降觀測數據

4 沉降預測分析

結合實測數據，采用Matlab雙曲線法對地基沉降進行預測，其中C1～C4沉降觀測板的時間拐點取t0=22 d，C5～C10沉降觀測板的時間拐點取t0=21 d，經過對實測數據的擬合，可以得到相關參數，如表1所示。地基沉降預測結果如表2所示。

表1 擬合參數一覽表

表2 雙曲線法沉降預測一覽表

從表1可以看出，時間拐點和拐點沉降量對擬合參數a、b的影響較大，擬合曲線相關系數較高，最小值為0.994，平均值為0.996，最大值達到0.998，表明雙曲線法與實測數據比較吻合。從表2可以看出，采用雙曲線法預測的最終沉降量最大值為455.00 mm，最小值155.12 mm，堆載預壓7個月的沉降量最大值為435.32 mm；堆載預壓7個月以后，地基的殘余沉降均小于20 mm，殘余沉降最大值為19.68 mm，最小值為7.01 mm，滿足整體道床的沉降控制標準。

沉降預測值與實測值對比圖如圖3所示。

圖3 沉降預測值與實測值對比圖

從圖3可以看出，采用雙曲線法預測的沉降曲線與實測沉降基本重合，隨著堆載時間的增加，沉降趨于穩定，表明采用雙曲線法預測地基沉降是可行的。

5 結語

堆載預壓是一種施工簡單、工程造價低的地基處理方式，可用于深厚人工填土地基處理；采用雙曲線法預測堆載預壓地基的沉降是可行的，擬合曲線的相關系數較高，預測結果與實測值比較接近，堆載預壓工期可通過雙曲線法預測沉降來計算；時間拐點和觀點沉降量的選取對雙曲線法的擬合參數影響較大；堆載預壓施工過程中，應加強對地基沉降的觀測和分析，確保觀測數據可靠。