謝賽軍
(通號建設(shè)集團(tuán)有限公司 長沙410205)
隨著鄉(xiāng)縣城市化的進(jìn)程,城市公共建筑的建設(shè)發(fā)展如火如荼,土地資源變得越來越緊缺,這就使得一些大面積的軟土地基不得不被利用起來。大面積的軟土地基含水量極大,整體不均勻沉降現(xiàn)象非常嚴(yán)重,常常會出現(xiàn)地基坍塌的情況,嚴(yán)重影響了建筑物使用過程中的安全、適用與耐久性能。為了改善大面積軟土地基的物理與力學(xué)性能,在真空預(yù)壓方法的基礎(chǔ)上,聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法去提高軟基承載力。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理方法改善了土體的物理性質(zhì),具有更好的承載力[1]。
軟基通過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法處理,一般由實(shí)測的地基沉降數(shù)據(jù)去計算預(yù)測地基的沉降趨勢曲線。目前,國內(nèi)外學(xué)者對各種軟土路基沉降觀測數(shù)據(jù)處理以及預(yù)測方法進(jìn)行了研究。段天驍[2]重點(diǎn)研究了時距與數(shù)據(jù)對預(yù)測精度的影響,發(fā)現(xiàn)時距越短,數(shù)據(jù)越多時,用雙曲線法精度最高。Hu等人[3]發(fā)現(xiàn)以砂石作為路基填料,路基沉降在1 年后才能穩(wěn)定。李群[4]利用最小二乘法求解提高Richards 模型的預(yù)測精度。劉珣[5]采用Midas 計算模型對軟土地基進(jìn)行沉降量預(yù)測分析,通過與實(shí)測值得對比分析,發(fā)現(xiàn)了Midas計算模型的適應(yīng)條件。何小飛[6]通過經(jīng)驗系數(shù)計算取值的方法去計算軟土地基的最終沉降量,發(fā)現(xiàn)雙曲線函數(shù)法適用于經(jīng)驗系數(shù)推算沉降的方法。張文婷[7]通過雙曲線方法計算基礎(chǔ)沉降量的過程中,為軟土地基承載卸載提供了施工依據(jù)。李治朋等人[8]通過對比雙曲線法與三點(diǎn)法預(yù)測軟基承載力,發(fā)現(xiàn)雙曲線法預(yù)測沉降量與實(shí)測法更為接近。各學(xué)者對軟基沉降的預(yù)測研究很多,但是對沉降預(yù)測的結(jié)果還存在很大的不確定性,不同的計算模型的沉降量預(yù)測精度有所不同,需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。
基于經(jīng)驗雙曲線法、Asaoka 法、三點(diǎn)法3 種計算模型,結(jié)合最小二乘法求解參數(shù)的計算方法,分別研究3 種計算模型的地基沉降預(yù)測,對比分析實(shí)測值數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)3種計算模型地基沉降預(yù)測的精度有所差別,最小二乘法求解參數(shù)的計算方法能提高地基沉降預(yù)測精度。
某工程項目軟基處理總面積為50 萬m2,采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法,由淺至深,由表往內(nèi)進(jìn)行地基處理。工程項目的地基含水率很高,約在1.5~2.0倍,無砂性顆粒含量50%左右,膠粒含量30%左右,礦物成份以石英、伊利石、蒙脫石為主,有機(jī)質(zhì)含量約在1%。該層頂標(biāo)高約在5 m 左右,平均厚度約為8.5 m。工程地基土的物理特性試驗結(jié)果,如表1所示。
表1 吹填淤泥及真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后淤泥物理試驗結(jié)果Tab.1 Physical Test Results of Dredger Fill Silt and Sludge after Vacuum Combined with Surcharge Preloading
1.2.1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓參數(shù)設(shè)置
采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓區(qū)的面積為276 178 m2的吹填淤泥區(qū)域。設(shè)計預(yù)壓荷載在真空膜下1.5 m 厚砂墊層,以及膜上0.5 m 厚砂墊層及2.5 m 厚土石料堆載,抽真空膜下真空度不低于85 kPa,總的預(yù)壓荷載為161.5 kPa,使用荷載為50 kPa。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓抽真空有效時間為210 d。堆載卸載標(biāo)準(zhǔn)可按固結(jié)度不低于80%,且沉降速率不大于4 mm/d的要求后方可卸載。
1.2.2 加固后的物理試驗結(jié)果
在進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后取淺層的淤泥(或淤泥質(zhì)土)進(jìn)行土工試驗,物理參數(shù)如表1所示。
對比分析表1,在加固后,土的工程物理性質(zhì)有顯著改善,主要表現(xiàn)在:
⑴含水率由181%降至約66.9%,濕密度由1.25上升至1.58左右,可見軟弱吹填淤泥層得到有效加固;
⑵液性指數(shù)由4.08 下降至1.14 左右,說明其流動性越來越低;
⑶土體孔隙比由5.62 減小至1.88 左右,證明軟土經(jīng)排水加固后得到良好效果。
經(jīng)驗雙曲線法是沉降速率以雙曲線的形式逐漸變小的推導(dǎo)經(jīng)驗方法,是軟基沉降量與時間的函數(shù)關(guān)系,預(yù)測的最終沉降量關(guān)系如式⑴所示[9]。
選擇恒載后的第1 d的沉降數(shù)據(jù)為計算起點(diǎn),第td對應(yīng)的地基沉降量為St,軟基沉降量關(guān)系如式⑵所示[9]。
式中:S∞為地基最終沉降量;S0為t=0 時的地基沉降量;St為對應(yīng)t時刻的地基沉降量;α、β為與地基及荷載有關(guān)的常數(shù),可按式⑷、式⑸計算;t為從恒時間T0開始的時間(d),下同。
計算參數(shù)α、β,可將式⑵轉(zhuǎn)換成式⑶。
令y=1/(St-S0),x=1/t,則式⑶轉(zhuǎn)換為y=β+αx,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)使用最小二乘法可以求出參數(shù)α、β:
式中;n為x的個數(shù),即恒載T0之后沉降測量的次數(shù),字母上橫杠表示平均值。
計算相關(guān)性判定系數(shù)R式中:r為相關(guān)系數(shù)。
當(dāng)式⑹中計算的R≥0.90 時,表明相關(guān)性好;當(dāng)0.90>R≥0.6 時,表明相關(guān)性一般;當(dāng)R<0.6 時,表明相關(guān)性差。
Asaoka 法[10]就是利用沉降數(shù)據(jù)對參數(shù)進(jìn)行求解,求得的參數(shù)推算出預(yù)測的沉降量。
⑴選擇恒載后的第1 d(或隨后2~7 d 中任意一天)的沉降數(shù)據(jù)為計算起點(diǎn),令該時間對應(yīng)的地基沉降量為初值S1。
⑵選擇間隔時間段△t,一般7 d≤△t≤20 d。
⑶ 計算時間ti=t1+(i-1)×△t,對應(yīng)的沉降量為Si(1≤i≤j),統(tǒng)計S共有j個數(shù)據(jù)。
令x=(S1,S2,…,Sj-1),y=(S2,S3,…,Sj),假定y=β+αx,根據(jù)沉降數(shù)據(jù)S使用最小二乘法可以求出參數(shù)α、β,同樣采用式⑷、式⑸及式⑹可分別計算出α、β及擬合的相關(guān)性判定系數(shù)R(此處計算時取n=j-1,字母上的橫杠表示平均值)。
則令y=x時,可計算得到最終沉降量:
三點(diǎn)法就是固結(jié)度對數(shù)配合法,三點(diǎn)法選取的沉降數(shù)據(jù)點(diǎn)不同,可能會造成固結(jié)度計算以及沉降預(yù)測的差異。
⑴選擇恒載后的第1 d的t1(或隨后2~7 d中任意1天)為計算起點(diǎn),其對應(yīng)的沉降量為S1。
⑵選擇計算終點(diǎn)日期t3,并自動確定相應(yīng)的沉降量S3。
⑶ 計算確定中間點(diǎn)t2=(t1+t3)/2,注意t2為日期值,取整數(shù),并自動確定該時間相對應(yīng)的沉降量為S2,推算出地基最終沉降量:
軟基表層沉降實(shí)測值通過測量地表沉降量及沉降過程,對軟基安全風(fēng)險進(jìn)行分層分級應(yīng)對[11],同時掌握土體在荷載作用下的沉降變形,通過人工監(jiān)測沉降板測得的沉降數(shù)據(jù)具體數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓期間地表沉降與時間關(guān)系曲線Tab.2 Relationship between Surface Settlement and Time during Vacuum Combined Surcharge Preloading
根據(jù)軟基在恒載預(yù)壓210 d 的情況下,結(jié)合軟基預(yù)壓沉降數(shù)據(jù)實(shí)測值,通過最小二乘法求解經(jīng)驗雙曲線法、Asaoka 法及三點(diǎn)法3 個模型的經(jīng)驗參數(shù),最后通過模型預(yù)測的沉降值與實(shí)測值進(jìn)行對比,如圖1 所示,具體數(shù)據(jù)如表3所示。
圖1 3種方法沉降預(yù)測值與沉降實(shí)測值擬合曲線Fig.1 Fitting Curve of Settlement Predicted Value and Settlement Measured Value by Three Methods
由圖1 可知,3 種方法沉降的預(yù)測值擬合曲線與沉降實(shí)測值擬合曲線趨勢較為一致,3 種方法都可以很好地預(yù)測后期沉降值。
由表3 可知,經(jīng)驗雙曲線法的預(yù)測最終沉降值與實(shí)測最終沉降值較為接近,偏差率為4.2%,Asaoka 法沉降預(yù)測最終值與實(shí)測值最終沉降值相差最大,偏差率為7.3%,三點(diǎn)法沉降預(yù)測最終值與實(shí)測值最終沉降值相差較大,偏差率為6.3%。通過比較,此工程項目的大面積軟基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的沉降預(yù)測精度上,經(jīng)驗雙曲線法的沉降預(yù)測精度最高,三點(diǎn)法次之,As?aoka法沉降預(yù)測精度最差。
表3 3種模型沉降預(yù)測結(jié)果Tab.3 Settlement Prediction Results of Three Models
結(jié)合某工程項目大面積軟基的含水率很高,地基承載力差,地基土的物理特性不良的情況下,在真空預(yù)壓的地基處理方法的基礎(chǔ)上,聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法去改善地基土的物理與力學(xué)性能,同時結(jié)合經(jīng)驗雙曲線法、Asaoka 法以及三點(diǎn)法模型去預(yù)測軟基的地表沉降,并與實(shí)測值進(jìn)行分析對比,可以得到以下結(jié)論:
⑴真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法可以有效地處理大面積的軟基,軟弱吹填淤泥層得到有效加固,地基土的物理性能得到顯著的改善。
⑵通過對比3種方法預(yù)測基礎(chǔ)的沉降,可以發(fā)現(xiàn)3種方法預(yù)測沉降的擬合曲線與實(shí)測值擬合曲線較為一致,預(yù)測最終沉降值與實(shí)測最終沉降值偏差都相對較小,但經(jīng)驗雙曲線法的沉降預(yù)測精度最高,三點(diǎn)法次之,Asaoka法沉降預(yù)測精度最差。