天津港地區(qū)超軟土地基長期沉降機(jī)理研究

孟凡強(qiáng)，陳運濤，王世寧

（1.天津生態(tài)城泰達(dá)海洋技術(shù)開發(fā)有限公司，天津 300467；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222；5.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地資源日益緊張，利用港池和航道疏浚土吹填造陸后再進(jìn)行地基加固已經(jīng)成為緩解土地資源緊張的主要手段。受吹填土源情況的影響，吹填形成的陸域多為吹填軟土，同時由于水力分選的原因，常常在局部一定范圍內(nèi)形成一定厚度的含水率大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低和滲透性差的淤泥、流泥等超軟土[1-3]。吹填形成的吹填超軟土工程特性差，需進(jìn)行地基處理才能作為堆場、道路碼頭等路基使用。

目前對超軟土的工程性質(zhì)、抗剪強(qiáng)度及地基固結(jié)沉降分析的研究多數(shù)仍停留在工程實踐階段[4]。經(jīng)過多年的探索與積累經(jīng)驗，目前地基處理方法不斷發(fā)展，龔曉南院士根據(jù)地基處理工藝及材料的不同，將地基處理方法歸納為如下幾類：置換法、振沖擠密法、排水固結(jié)法、加筋處理、灌漿法、托換法、糾傾與遷移法[5]。軟基處理常用方法為排水固結(jié)法，包括堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓以及真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法等[6-10]。超軟土地基在地基處理時的沉降量巨大，且超軟土地基的工后長期沉降也不容忽視。目前對超軟土地基工后長期沉降的產(chǎn)生機(jī)理仍需探討。

本文依托天津港南疆港區(qū)規(guī)劃三路超軟土地基工程，分別從數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗兩方面對超軟土地基的施工過程中的沉降變形及長期沉降變形進(jìn)行深入分析，以期得到天津港地區(qū)道路超軟土地基長期沉降特性，并深入分析工后長期沉降的產(chǎn)生機(jī)理及關(guān)鍵影響因素，為天津港地區(qū)超軟土地基工程提供一定的理論指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 工程概況

規(guī)劃三路工程位于天津港南疆港區(qū)，規(guī)劃為城市支路，道路北起南航路，自北向南延伸。規(guī)劃三路工程為南疆港區(qū)南部液體散貨儲罐區(qū)地塊的配套工程，工程建設(shè)的主要目的是為道路兩側(cè)的液體散貨儲罐區(qū)服務(wù)。

本工程的軟基處理面積約為24 161 m2，其中岸坡地基處理區(qū)采用真空預(yù)壓法進(jìn)行地基處理，要求膜下真空度穩(wěn)定保持在85 kPa以上，有效抽真空天數(shù)在110 d以上，真空預(yù)壓水平排水通道采用400 mm厚中粗砂墊層，豎向排水通道采用塑料排水板，間距800 mm，正方形布置，打板深度為15 m。其中真空預(yù)壓法卸載標(biāo)準(zhǔn)為按實測沉降曲線計算的地基土的平均固結(jié)度大于85%，且連續(xù)5 d實測沉降速率不大于3.0 mm/d。

1.2 地質(zhì)條件

本工程的地基土為Q4后期沉積土和近期人工吹填土，主要土層有淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及黏土。這種土沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性差等特點，同時地基土在自重作用下未達(dá)到完全固結(jié)，處于欠固結(jié)狀態(tài)。

根據(jù)加固前的鉆孔資料，本工程地基土層由上到下依次為：

①粉細(xì)砂：近期人工吹填而成的工作墊層，以粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土和粉土為主，灰色。場區(qū)普遍分布，厚度較小。

②淤泥：近期人工吹填而成，灰褐色，高壓縮性，流塑。由人工吹填形成，該層分布極不均勻，部分鉆孔含有較多淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土，厚度約為6.1 m。

③淤泥質(zhì)黏土：海相沉積土層，以淤泥質(zhì)黏土為主，部分鉆孔夾有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，灰褐色，高壓縮性，流塑，場區(qū)普遍分布，厚度約為2.2 m。

④淤泥、淤泥質(zhì)黏土海相沉積土層，灰褐色，高壓縮性，流塑。場區(qū)普遍較厚，厚度約為10.5 m。

⑤黏土：海相沉積土層，主要為黏土及淤泥質(zhì)黏土，灰褐色，中壓縮性，軟塑，場區(qū)普遍分布，富含貝殼，厚度約為6.2 m。

淤泥、淤泥質(zhì)黏土物理力學(xué)性質(zhì)較差，該地基為超軟土地基，未經(jīng)處理不能滿足使用要求。

1.3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

現(xiàn)場監(jiān)測工作共分為2個階段進(jìn)行，第1個階段為軟土地基處理階段監(jiān)測，第2階段為地基處理工后地基路面修筑及道路使用期沉降監(jiān)測。

1.3.1 處理階段監(jiān)測結(jié)果分析

地基處理過程中，現(xiàn)場實測位置的地表沉降量如圖1所示。

圖1 地基處理施工期地表沉降實測曲線Fig.1 Measured curve of ground surface settlement during ground improvement

插板期為12 d，真空預(yù)壓期為130 d，真空預(yù)壓荷載為85 kPa。其中插板期過程的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果缺失。

在布設(shè)排水板期間，地基沉降量為918 mm，隨即進(jìn)行抽真空，期間地基沉降量為1 670 mm，最終地基處理施工期間地基總沉降量為2 588 mm。地基卸載時沉降速率為2.5 mm/d，固結(jié)度為85.1%，表明該地基固結(jié)達(dá)到了工程設(shè)計要求。

1.3.2 工后階段監(jiān)測結(jié)果分析

在地基處理后的沉降觀測點中選取具有代表性的測點進(jìn)行觀測分析，圖2為所選取沉降觀測點的沉降曲線。由圖2可知，在地基處理施工后地基仍然有明顯的沉降發(fā)生，在地基處理完成后530 d內(nèi)，地基出現(xiàn)了135 mm的沉降，且各測點工后沉降量平均值也高達(dá)114 mm。而地基在使用過程中受到的荷載小于地基處理期間的真空預(yù)壓荷載，即地基在使用期仍保持預(yù)壓超載，出現(xiàn)如此明顯的沉降，就需要對道路地基在使用期內(nèi)發(fā)生整體沉降的深層原因展開進(jìn)一步分析，研究天津港地區(qū)超軟土地基長期累積變形特性和發(fā)生機(jī)理，為天津港地區(qū)超軟土地基工程提供一定的理論指導(dǎo)。

圖2 工后地基地表沉降實測曲線Fig.2 Measured curve of ground surface settlement after ground improvement

2 數(shù)值分析

軟土地基長期沉降特性與軟土地基的土層特性及地層分布有關(guān)，同時也與軟土地基處理施工過程及工藝密切相關(guān)，根據(jù)數(shù)值模型模擬軟土地層特性及分布情況，并還原現(xiàn)場施工的一系列過程，觀察分析地基在施工過程中應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程，是深入分析軟土地基沉降及長期沉降機(jī)理的基礎(chǔ)。同時，針對所分析的工程實例，展開現(xiàn)場實測工作，將數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果相比較，從而驗證及修正數(shù)值模擬的關(guān)鍵參數(shù)的選取，使數(shù)值分析結(jié)果盡可能的反映現(xiàn)場實際情況，是現(xiàn)有數(shù)值分析過程所必不可少的程序。

于是，在天津港南疆港區(qū)規(guī)劃三路道路地基長期沉降現(xiàn)場實測試驗的基礎(chǔ)上，基于有限差分軟件FLAC3D，建立地基長期沉降數(shù)值模型分析超軟土地基的長期沉降特性，探討長期沉降的產(chǎn)生機(jī)理。

2.1 模型建立

圖3（a）為地基示意圖，因其為軸對稱結(jié)構(gòu)，為提高計算效率，采用半路基結(jié)構(gòu)數(shù)值模型進(jìn)行計算分析，如圖3（b）所示。數(shù)值模型的邊界條件設(shè)置為頂部自由，其余3個側(cè)面為固定邊界。數(shù)值模型參數(shù)如表1所示。

圖3 數(shù)值模型建立示意圖Fig.3 Schematic diagram of numerical model

表1 數(shù)值模型參數(shù)Table 1 Numerical model parameters

2.2 模型驗證

圖4為地基抽真空后的地基沉降云圖。軟土地基在進(jìn)行地基處理過程中經(jīng)歷了真空預(yù)壓的過程，軟土地基經(jīng)過排水固結(jié)，土體沉降明顯，數(shù)值計算得到施工期內(nèi)地表總沉降量為2.607 m，地基整體壓縮沉降主要集中在表層吹填淤泥層及下部原沉積淤泥層，地表沉降曲線（如圖5所示）顯示在加載后期，土體已接近完全固結(jié)。

圖4 抽真空完成后地基沉降云圖Fig.4 Cloud image of ground settlement after vacuuming

圖5 地基處理過程中地表沉降實測與計算值對比圖Fig.5 Comparison of measured and calculated surface settlement during ground improvement

同時，施工期間數(shù)值計算地表沉降曲線與現(xiàn)場實測曲線對比，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果擬合良好，曲線接近，說明數(shù)值計算結(jié)果可充分反映地基處理施工期現(xiàn)場地基變形實際情況，數(shù)值模型各項參數(shù)指標(biāo)取值合理。

2.3 長期沉降機(jī)理分析

2.3.1 地基處理期數(shù)值分析

觀察抽真空結(jié)束時地基內(nèi)孔隙水壓力分布云圖（如圖6所示），真空區(qū)插板區(qū)范圍土體孔壓由于真空荷載的施加，相對于靜水孔壓呈現(xiàn)顯著的降低特性，由表層的抽真空壓力-85 kPa向下呈梯度式均勻增大，符合真空預(yù)壓降低土體孔隙水應(yīng)力以增大有效應(yīng)力的原理。而在排水板深度以下，即下臥粉質(zhì)黏土層內(nèi)部分布有較多的正的超靜孔壓，說明在抽真空結(jié)束時，排水板下部的下臥層部分仍處于一定程度上的欠固結(jié)狀態(tài)。

圖6 地基處理結(jié)束后孔隙水壓力云圖Fig.6 Cloud image of pore water pressure after ground improvement

圖7為地基處理過程中排水板區(qū)域內(nèi)不同深度孔隙水壓力消散曲線。如圖7所示，排水板深度范圍內(nèi)不同深度（地表向下-3 m、-7 m、-11 m、-15 m）處孔壓在抽真空施工過程中呈典型的固結(jié)消散趨勢，至真空預(yù)壓加固后期，孔壓消散固結(jié)度均已達(dá)到較高水平，說明排水板深度范圍內(nèi)軟土加固效果顯著。

圖7 地基處理過程中排水板區(qū)域內(nèi)不同深度孔隙水壓力消散曲線Fig.7 Dissipation curves of pore water pressure at different depths in the PVD-installed area during ground improvement

圖8為下臥層（23 m深度）處孔壓在地基處理施工期間消散曲線，在抽真空期間，下臥粉質(zhì)黏土層在加載的前期由于土體內(nèi)不具備快速排水通道，滲透系數(shù)較低，孔隙水來不及排出。受上部孔壓減小的影響，下臥層土體內(nèi)孔壓呈逐漸增大的趨勢，直至抽真空達(dá)到70 d左右時孔壓達(dá)到最大，其后逐漸降低消散，至抽真空加固期結(jié)束，孔壓消散至362 kPa，明顯高于其靜水孔壓230 kPa，超靜孔壓達(dá)到了132 kPa，在抽真空持續(xù)作用下呈現(xiàn)明顯的欠固結(jié)狀態(tài)。比較上部排水板區(qū)域內(nèi)土層孔壓消散情況，如果維持荷載持續(xù)加載下去，抽真空后期沉降的主要組成部分將由排水板下端土層及下臥層排水固結(jié)引起。

圖8 地基處理過程中下臥層（-23 m深度）孔隙水壓力消散曲線Fig.8 Dissipation curve of pore water pressure in the underlying layer（-23 m）during ground improvement

2.3.2 地基工后期數(shù)值分析

地基處理結(jié)束后，進(jìn)入工后使用期，由于地基荷載，真空卸載后的地基將重新進(jìn)行固結(jié)排水，在抽真空施工結(jié)束時，地基內(nèi)部淺層土體（打設(shè)排水板區(qū)域）的固結(jié)度已達(dá)到了很高的狀態(tài)，但下部下臥層地基土體仍處于明顯的欠固結(jié)狀態(tài)。那么，地基內(nèi)部土體的應(yīng)力應(yīng)變過程則需進(jìn)一步分析。

圖9為包含抽真空地基處理期和工后使用期的數(shù)值模型地表沉降隨時間發(fā)展曲線。可以發(fā)現(xiàn)，在抽真空結(jié)束，上部卸除抽真空壓力后，地基繼續(xù)產(chǎn)生緩慢的沉降現(xiàn)象。圖10為工后地表沉降數(shù)值計算值與實測值對比，由圖10可知，數(shù)值曲線與實測曲線趨勢一致，曲線較為接近，也表現(xiàn)出數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

圖9 地表沉降隨時間發(fā)展曲線Fig.9 Development curve of ground surface settlement with time

圖10 工后地表沉降計算值與實測值對比Fig.10 Comparison of calculated and measured ground surface settlement after construction

圖11、圖12分別為排水板范圍內(nèi)不同深度處和下臥層處孔壓抽真空及工后使用期隨時間消散曲線。由圖11可知，在排水板范圍內(nèi)的軟土地基在真空卸載后的短時間內(nèi)孔壓回升至接近靜水孔壓，隨后在使用期荷載（路床施工荷載及路面行車荷載）的作用下，土體內(nèi)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，但在排水板的作用下，超靜孔壓得到了快速消散，說明在排水板范圍內(nèi)的土體可在受到使用荷載作用后迅速完成固結(jié)。

圖11 排水板區(qū)域內(nèi)不同深度孔隙水壓力長期消散曲線Fig.11 Long-term dissipation curve of pore water pressure at different depths in the PVD-installed area

圖12 下臥層-23 m處孔隙水壓力長期消散曲線Fig.12 Long-term dissipation curve of pore water pressure at-23 m in the underlying layer

對比排水板下部下臥層土體在工后使用荷載作用下的情況，如圖12所示，下臥層由于未打設(shè)排水板，層內(nèi)孔壓在抽真空地基處理期間直至抽真空結(jié)束仍遠(yuǎn)未達(dá)到完全固結(jié)，后經(jīng)過真空卸載孔壓迅速降低，隨后在使用荷載作用下，在層內(nèi)出現(xiàn)明顯的超靜孔壓，并且孔壓消散緩慢，在使用荷載作用下整體消散至接近完全固結(jié)時至少需要約1 a時間。這也就說明了，該地基在工后長期持續(xù)沉降產(chǎn)生的主要原因即為排水板下臥層黏土（或軟黏土）的持續(xù)固結(jié)沉降變形。

因此，從天津港地區(qū)軟土地基的分布特點和普遍處理及使用過程情況上來看，排水板未打設(shè)到的下臥黏土層（天津港地區(qū)普遍為典型的粉質(zhì)黏土層）是決定軟土地基工后長期沉降的關(guān)鍵因素，其固結(jié)排水性能決定了整體地基長期沉降的發(fā)展趨勢。在一些對工后長期沉降比較敏感的項目建設(shè)過程中，需要在設(shè)計及施工過程中對該層土進(jìn)行重點關(guān)注。

3 結(jié)語

1）天津港地區(qū)軟土地基處理期沉降量大且工后長期沉降明顯。采用真空預(yù)壓法對天津港地區(qū)軟土地基進(jìn)行處理，地基處理施工期間地基總沉降量為2 588 mm，在地基處理完成后的532 d內(nèi)，該軟土地基仍產(chǎn)生了114 mm的沉降。

2）排水板范圍內(nèi)土體在受到地基荷載作用下固結(jié)迅速。排水板范圍內(nèi)的軟土地基在真空卸載后孔壓回升至靜水孔壓附近，隨后在地基荷載作用下，土體內(nèi)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，但在排水板的作用下，超靜孔壓快速消散。

3）排水板下部下臥層土體在持續(xù)抽真空作用下呈現(xiàn)明顯的欠固結(jié)狀態(tài)。下臥層內(nèi)孔壓在抽真空地基處理期間呈逐漸增大的趨勢，直至抽真空達(dá)到70 d左右時孔壓達(dá)到峰值，隨后逐漸降低消散，至抽真空加固期結(jié)束時層內(nèi)仍存在132 kPa的超靜孔壓，在地基荷載作用下消散至接近完全固結(jié)時至少需1 a時間。

4）從天津港地區(qū)軟土地基的分布特點和普遍處理及使用過程情況來看，排水板下方的下臥黏土層是決定軟土地基工后長期沉降的關(guān)鍵因素，其固結(jié)排水性能決定了整體地基長期沉降的發(fā)展趨勢。

5）在一些對工后長期沉降比較敏感的項目建設(shè)過程中，需要在設(shè)計及施工過程中對排水板下方的下臥黏土層進(jìn)行重點關(guān)注。