劉維利，李立新，尹長(zhǎng)權(quán)*

（1.天津港港務(wù)設(shè)施管理中心，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

軟土地基加固通常采用經(jīng)濟(jì)有效的排水固結(jié)法，而排水固結(jié)法中應(yīng)用最為廣泛的是真空預(yù)壓法。真空預(yù)壓加固地基方法由瑞典學(xué)者杰爾曼（W.Kjellman）于1952年提出，但由于施工工藝問題未能很好解決，提出后很長(zhǎng)一段時(shí)間未得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初期，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和工程單位研究出了合適的抽真空設(shè)備和鋪膜工藝，并對(duì)真空預(yù)壓機(jī)理進(jìn)行了深入研究[1]。在實(shí)踐和理論方面的主要問題解決后，真空預(yù)壓得到了廣泛的應(yīng)用。真空預(yù)壓作為一種排水固結(jié)法，卸載時(shí)的固結(jié)度是控制施工質(zhì)量的重要參數(shù)。在具體的工程實(shí)踐中，為控制卸載時(shí)的固結(jié)度，設(shè)計(jì)方一般都對(duì)卸載時(shí)的沉降速率及固結(jié)度做出明確的規(guī)定。實(shí)際工程中常常采用三點(diǎn)法、經(jīng)驗(yàn)雙曲線法、Asaoka法等反分析方法推算固結(jié)度，最終給出卸載建議[2-6]。上述反分析方法中，三點(diǎn)法是基于經(jīng)典固結(jié)理論的方法，但由于其僅基于3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析，而這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的選取又對(duì)分析結(jié)果有直接影響，因此該方法隨意性較大，需要較豐富的經(jīng)驗(yàn)才能較好的應(yīng)用。沉降速率法也是基于經(jīng)典固結(jié)理論的方法，其基于整個(gè)沉降過程，因此離散性較小，對(duì)使用者經(jīng)驗(yàn)要求較低，而且該方法可以用來確定最終沉降量，又可以確定卸載時(shí)的沉降速率，更為方便。

1 沉降速率法

1.1 基本理論

地基在某時(shí)刻的沉降速率可以表示為：

t時(shí)刻的沉降量St與時(shí)間的關(guān)系可以用式（2）表示：

式中：Ut為加固到t時(shí)刻時(shí)土體的平均固結(jié)度；Sc為土體的主固結(jié)最終沉降量。

式中：e0，av分別為初始孔隙比和壓縮系數(shù)；e1為主固結(jié)完成時(shí)的孔隙比；p為預(yù)壓荷載；H為被加固軟土層的厚度。

對(duì)真空預(yù)壓加固來說，地基土的固結(jié)可視為瞬時(shí)加荷的軸對(duì)稱問題，用式（4）表示t時(shí)刻土體具有的固結(jié)度：

式中：α，β為排水固結(jié)參數(shù)。在打設(shè)排水板的情況下，地基土主要是徑向固結(jié)。如果忽略垂直向固結(jié)，只考慮徑向固結(jié)，則：

而Fn與垂直排水通道的間距d、垂直排水通道的直徑dw和等效排水圓柱體直徑de有關(guān)，ch是軟土的水平向固結(jié)系數(shù)，其中：

將 （3）、（4） 代入 （2），并對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)后得到：

由（2） 和 （4），可以得到：

將（10） 兩邊同時(shí)乘以 β

由 （9）、 （11） 可以得到：

式（12）表明，在主固結(jié)階段，地基沉降速率與沉降量呈線性關(guān)系。

1.2 應(yīng)用方法

沉降量與沉降速率間存在的這種線性關(guān)系，可以應(yīng)用于真空預(yù)壓停止抽氣穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)中，既可以用于確定最終沉降量，又可以用來確定卸載時(shí)的沉降速率。

確定最終沉降量的方法如下：因?yàn)槌两邓俾孰S著沉降量的增大而線性變小，因此，當(dāng)沉降速率達(dá)到最小值時(shí)必然對(duì)應(yīng)著沉降量的最大值，即最終沉降量。在圖1中，最終沉降量就是直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)。在實(shí)際工程中，根據(jù)加固開始后的沉降觀測(cè)結(jié)果，又可以確定一系列的（St，V）點(diǎn)。理論上，只需要兩個(gè)點(diǎn)（St1，V1）和點(diǎn)（St2，V2）即可確定沉降量與沉降速率關(guān)系直線，但由于存在不可避免的測(cè)量誤差，因此可以采用多個(gè)點(diǎn)（St，V）來擬合沉降量與沉降速率關(guān)系直線。實(shí)際操作中，可以采用滿載后的所有時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行該直線的擬合，因此這種方法是基于整個(gè)沉降曲線的。

確定卸載時(shí)沉降速率的方法如下：根據(jù)建筑物的使用特點(diǎn)，確定允許的工后沉降量Sr或要求達(dá)到的固結(jié)度，然后結(jié)合最終沉降量Sc確定所需要完成的沉降量St。根據(jù)St，在沉降量與沉降速率關(guān)系直線上，找到與St對(duì)應(yīng)的沉降速率，此沉降速率即為卸載時(shí)的沉降速率。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某堆場(chǎng)軟基加固工程，天然地基為第四紀(jì)沉積土層，天然泥面以上采用吹填方式形成陸域，具有滲透系數(shù)小、沉積歷史短的特點(diǎn)，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)，屬軟土地基。為滿足使用要求，需進(jìn)行預(yù)壓加固，該區(qū)采用真空預(yù)壓加固方法。

真空預(yù)壓加固技術(shù)要求：

1） 設(shè)計(jì)預(yù)壓荷載80 kPa；

2）加固后地基平均固結(jié)度＞90%；

3） 卸載時(shí)要滿足連續(xù)10 d的沉降速率＜ mm/d。

根據(jù)鉆孔資料，各土層自上而下的土質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土質(zhì)參數(shù)Table1 Soil parameters

加固前地表標(biāo)高為+1.5 m，塑料排水板底標(biāo)高-12.5 m，排水板間距1.5 m，呈正方形布置。

2.2 沉降分析

共抽氣加載130 d，產(chǎn)生總沉降量為1 384 mm，沉降過程見圖1。

圖1 沉降曲線Fig.1 Settlement curve

根據(jù)沉降過程，可以計(jì)算出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的沉降速率，進(jìn)而得到沉降量與沉降速率擬合直線，見圖2。

圖2 沉降量～沉降速率直線Fig.2 Settlement-settlement rate straight-line

根據(jù)圖2，可以計(jì)算出最終沉降量為1 468 mm。固結(jié)度為90%時(shí)，對(duì)應(yīng)的沉降量為1 321 mm，對(duì)應(yīng)的沉降速率為3.6 mm/d。

為進(jìn)一步驗(yàn)證沉降速率法的正確性，本研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)雙曲線法對(duì)此沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了反分析，擬合直線見圖3。

圖3 雙曲線法沉降擬合直線Fig.3 Settlement fitting straight-lineby hyperbolic method

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)雙曲線法得到的最終沉降量為1 451 mm（圖3中直線斜率為6.894×10-3），與沉降速率法結(jié)果基本吻合，證明了按此兩種方法推算最終沉降量比較符合實(shí)際。

本方法提出的卸載時(shí)沉降速率大于設(shè)計(jì)方提出的沉降速率2.0 mm/d。主要原因有兩點(diǎn)：①本研究方法是按經(jīng)典固結(jié)理論得出的，因此僅僅考慮主固結(jié)沉降，但軟土地基的次固結(jié)沉降也是比較顯著的。工程中往往最關(guān)心的是工后沉降，為更好控制工后沉降，采用更嚴(yán)格的沉降速率標(biāo)準(zhǔn)偏于安全。②按卸載時(shí)沉降量1 384 mm推算卸載時(shí)，地基的實(shí)際固結(jié)度為94%，大于設(shè)計(jì)方提出的90%的卸載標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方提出的卸載速率是偏保守的。

卸載速率2.0 mm/d這一標(biāo)準(zhǔn)是JTJ 250—98《港口工程地基規(guī)范》采用的，近年來已有不少學(xué)者對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了討論，指出卸載速率受加固土層厚度、排水板間距、壓縮模量等諸多因素的影響，對(duì)所有工程采用這一固定標(biāo)準(zhǔn)是不合適的[7]，因此JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》修改為由設(shè)計(jì)方根據(jù)工程實(shí)際情況選擇。

雖然如此，由于沉降速率屬于通過監(jiān)測(cè)獲取的直接指標(biāo)，因此它對(duì)于實(shí)際工程中控制加固質(zhì)量仍然具有很重要的意義。沉降速率法不但可以推算最終沉降量，還能得到卸載速率，因此具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。而且，沉降速率法是基于固結(jié)理論提出的，概念明確，易于為工程技術(shù)人員理解和應(yīng)用。

3 結(jié)語

沉降速率法為基于固結(jié)理論的方法，與三點(diǎn)法在理論基礎(chǔ)上是相同的，因此易于工程技術(shù)人員理解與應(yīng)用。與三點(diǎn)法不同的是，該方法是基于整個(gè)沉降過程進(jìn)行反分析，因此計(jì)算結(jié)果離散性較小。

沉降速率法不但可以推算最終沉降量，還能得到卸載速率，對(duì)控制加固質(zhì)量有利。

工程實(shí)例表明，基于沉降速率法的反分析結(jié)果比較符合工程實(shí)際，具有較好的應(yīng)用前景。

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