濱海軟弱土地基處理沉降監測預測與數值模擬

李 偉 朱兵見 盧玉華 熊 浩

1. 方遠建設集團股份有限公司 浙江 臺州 318000；2. 臺州學院建筑工程學院 浙江 臺州 318000

浙東南沿海地區屬于典型的軟土地區，軟土含水量高、孔隙比大、滲透系數小、壓縮性高、強度低[1]。在深厚軟黏土上建造建（構）筑物必須進行地基處理，否則會造成沉降量過大或者不均勻沉降，影響安全和正常使用。地基處理的方法主要有置換法、排水固結法、復合地基法、特殊結構法[2]。置換法適合處理淺層軟弱地基，在深厚軟黏土地區不適用；排水固結法處理深度一般在20～30 m，存在預壓排水處理效果的不確定性和次固結沉降變形的影響；復合地基采用豎向或者水平向增強體和土體共同受力，可以提高地基承載力和壓縮模量，降低工后沉降量，加固深度受到豎向增強樁體材料影響。

排水固結聯合復合地基法處理軟弱土地基[3]，既可以通過排水降低含水量，提高土體抗剪強度和地基承載力，又可以提高施工速度，減少工后沉降，應用十分廣泛。由于工程地質條件復雜，理論計算與工程實際相差比較大。因此在地基處理過程中，地基沉降監測和預測十分重要。隨著計算機科學的發展，數值模擬可以考慮不同的施工條件進行分析，輔助指導工程設計和施工。

本文通過溫嶺S1線場坪地基處理后13個月的沉降監測數據，利用Asaoka法預測最終沉降量，計算地基固結度，對工后沉降進行預測。同時，根據Boussinesq彈性理論計算地基最終沉降量。另外，利用Plaxis有限元軟件進行數值計算，模擬了軟土地基中不打設水泥攪拌樁和塑料排水板、只打設水泥攪拌樁、打設水泥攪拌樁和塑料排水板這3種情況。所得到的結論用于指導軟土地基處理設計、沉降預測與計算，為后續施工提供可靠依據。

1 工程概況

臺州市域鐵路S1線一期工程城南車輛段（16工區）位于溫嶺市城南鎮S226省道東側、鳴鶴路對面安置小區的南側、沿海高速公路西側地塊，緊靠S226省道東側的河道，在城南站南端咽喉正線間接軌。工程所在區域為海積平原，地形平坦。

地層巖性：表層為厚1.5～2.0 m的軟塑、可塑黏土；淺部為海相淤泥，流塑，厚度6～15 m，壓縮模量為1.94～4.00 MPa；以下為沖海積軟塑黏土，厚度10 m左右，壓縮模量為2.83～5.56 MPa；再以下為沖海積黏性土、圓礫土。

該工段場坪工后沉降要求不超過30 cm。場坪區采用水泥攪拌樁和塑料排水板加固，如圖1所示。水泥攪拌樁和塑料排水板均采用正方形布置，間距1.4 m。水泥攪拌樁樁徑500 mm，樁長分別為15、12、10 m這3種類型。采用“二噴四攪”工藝，樁身膠凝劑采用水泥和粉煤灰，采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級或以上粉煤灰。水泥摻入量不小于加固土體質量的15%，水灰比宜采用0.45，粉煤灰摻入量宜為水泥質量的17%。塑料排水板應在水泥攪拌樁施工后進行，為了板機行走方便，先將第1層砂墊層施工完，再打塑料排水板。

圖1 地基處理方案

2 基底沉降監測

2.1 基底沉降監測方案

工區路堤段與場坪段共布置基底沉降板62個，沉降板由鋼板、金屬測桿（φ20 mm鍍鋅鐵管）和保護套管（φ49 mmPVC管）組成，鋼底板尺寸為30 cm×30 cm×0.8 cm，測桿垂直焊接固定在底板中心，接頭方式采用管箍連接，測桿每節接高長度不超過1 m。測桿略高于套管頂，用頂帽封住管口。沉降板在設計位置埋設，埋設時要注意底板放置水平，可以在埋設位置處墊10 cm砂墊層找平，埋設時確保測桿與地面垂直。埋設完畢后，測量沉降板測桿桿頂標高讀數作為初始讀數。其中，里程CNDK0＋720位于場坪區中部位置，依次布置有5個沉降板，如圖2中綠色標識所示。

圖2 路基底沉降監測布置示意

2.2 基底沉降監測數據

經過13個月的沉降觀測，里程CNDK0＋720處5個測點的沉降如圖3所示。

圖3 里程CNDK0＋720路基底沉降

受疫情影響，2020年1月14日—3月14日，沉降數據沒有觀測和記錄。由圖3可以看到，測點3的沉降量最大，達到981.70 mm。該測點大致位于場坪的中心位置，基底及地基中附加應力最大，所以基底沉降量最大。由于施工原因，測點1的沉降監測時間滯后，數值不準確，但沉降數據后期變化規律與其他4個測點基本相同。

3 地基最終沉降量預測

Asaoka法是通過一維線性方程模擬一維條件下的固結過程，使用該表達式并利用圖解的方法來求解最終沉降值[4]。Asaoka法推算過程如下：

1）從現場實測數據中選取一系列沉降值S1，S2，…，Si，其中Si表示i時刻地基沉降值，如表1所示。

表1 JDCK0＋720各測點后期沉降量

2）分別以Si、Si-1為縱軸和橫軸建立直角坐標系，將沉降值S1，S2，…，Si繪制在直角坐標系中，并擬合成一條直線，該直線同y＝x直線相交，所得交點的橫坐標或縱坐標對應值即為最終沉降量。

如圖4所示，根據JDCK0＋720-3沉降監測數據作圖并預測最終沉降量，其他各測點使用同樣的方法。

圖4 JDCK0＋720-3最終沉降量預測

各測點的沉降預測如表2所示。測點JDCK0＋720-4固結度只有47.91%，數據不具備參考價值。其他4個測點固結度均達80%以上，預測工后沉降也滿足后續施工的要求。

表2 Asaoka法沉降預測

4 地基固結沉降理論計算

基礎最終沉降量計算方法有彈性理論法、分層總和法、應力歷史法、應力路徑法等。根據Boussinesq彈性理論[4]，均布荷載作用下，地基中心點下表面最終沉降量按式（1）進行計算：

根據本工程實際情況，中心沉降影響系數ω0取1.12，土的泊松比μ取0.2，置換率m＝0.10，基礎寬度b取200 m，利用軟土厚度加權平均計算得到樁間土的壓縮模量，依據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》計算復合地基的壓縮模量，同時考慮水泥攪拌樁處理范圍以下土的厚度，彈性模量E取15 MPa，按照大面積堆載考慮，均布荷載p0取54 kPa，經計算求得最終沉降量為774 mm，比監測預測最終沉降量要小30%左右。

5 地基處理有限元分析

場坪地基處理采用打設塑料排水板和水泥攪拌樁進行，塑料排水板長25 m，水泥攪拌樁長10 m，間距均為1.4 m。路堤堆載3 m，分2次施工，每次施工時間2 d。X方向取99.4 m，Y方向取1.4 m，土層厚度取50 m，根據現場地質條件簡化為3層，分別是淤泥質黏土、黏土、黏土。計算至超靜孔隙水壓力達到1 kPa時為止，固結度基本上達到100%。有限元模型及網格劃分分別如圖5、圖6所示。

圖5 有限元模型

圖6 網格劃分

有限元分析分3種計算條件：不打設水泥攪拌樁和塑料排水板、只打設水泥攪拌樁、打設水泥攪拌樁和塑料排水板，以下分別記作工況A、B、C。

1）沉降量分析。分別對工況A、B、C進行計算分析，得到不同施工階段的沉降量最大值，如表3和圖7所示。對于工況A，由于軟土地基中沒有打設水泥攪拌樁和塑料排水板，最終沉降量達到2 343 mm，明顯大于工況B和C。工況B和C最終沉降量相當，分別是756.4 mm和772.5 mm，與理論計算值很接近。說明打設水泥攪拌樁形成復合地基，可以提高地基土壓縮模量和地基承載力，減少最終沉降量。同時也看出塑料排水板起到加快施工期地基固結沉降進程，減小工后沉降的作用[5]，但對最終沉降量幾乎沒有影響。

圖7 有限元沉降量計算

表3 有限元沉降量計算

2）固結分析。不同施工階段的超孔隙水壓力最大值及固結時間如表4所示。超靜孔隙水壓力變化如圖8～圖10所示。

圖8 工況A下超靜孔隙水壓力變化

圖9 工況B下超靜孔隙水壓力變化

圖10 工況C下超靜孔隙水壓力變化

表4 有限元固結計算

對于工況A，N1點位于0 m處，N10點位于最深50 m處，超靜孔隙水壓力很小，幾乎為零，中間的幾個點孔隙水壓力比較大，最大達到47.32 kPa。主要是因為土層上下兩面排水，中間點排水路徑最長，超靜孔隙水壓力很難快速消散。有限元程序計算顯示，最終固結時間需要641.4 d。

對于工況B，土層中部超靜孔隙水壓力最大達到52.69 kPa，比工況A大5.37 kPa，主要原因是考慮水泥攪拌樁施工的影響，導致超靜孔隙水壓力增加，固結時間132.8 d。

對于工況C，由于分析時只設置了排水線，軟件認為排水線范圍土體超靜孔隙水壓力消散很快。排水線以下土體超靜孔隙水壓力最大達到34.62 kPa，后期消散時間很短，與實際情況不符，主要原因是有限元程序的排水線過于理想。

6 結語

1）通過基底沉降監測數據分析，利用Asaoka法預測了基底最終沉降量、固結度及工后沉降，與工程實際比較吻合，可以為后續施工決策提供參考。

2）利用彈性理論計算的最終沉降量和數值模擬的結果比較接近，比工程監測預測值要小30%左右，因此，本文提出的預測方法可以應用于未來的類似工程中。對比工況B和C，發現塑料排水板可以縮短地基土固結時間，但對最終沉降量影響不大。

3）水泥攪拌樁聯合塑料排水板進行地基處理，可以有效提高地基承載力和壓縮模量，大幅度降低基底沉降量，是一種有效的濱海軟土地基處理方法。