諶遜龍,陳 震,戴忠陽,陳云欽,劉建寧

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

建設(shè)工程過程中常常會(huì)遭遇軟土型地基,這種地基對(duì)工程的正常施工帶來一定的負(fù)面影響,需要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的勘察,在獲得豐富的勘察信息之后,就能為工程施工質(zhì)量、進(jìn)度提供重要保障。在對(duì)這類地基進(jìn)行勘察之際,需要提升管理工作的科學(xué)、有效性,這樣可以保障勘察信息具有較高的精準(zhǔn)性和可靠性,最大限度降低這類地基的負(fù)面影響,更好保障工程有效實(shí)施。不過在具體實(shí)踐環(huán)節(jié),這類勘察管理工作水平還處于低位。勘察企業(yè)需要對(duì)自身的局限性進(jìn)行發(fā)掘,并給予針對(duì)性優(yōu)化,積極引入先進(jìn)技術(shù),同時(shí)還需要提升管理水平,從而真正的實(shí)現(xiàn)高水平的勘察,為后續(xù)的施工提供重要支持。在本次研究中,以某預(yù)壓地基處理工程為案例,將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值計(jì)算進(jìn)行結(jié)合,立足于粘彈性理論對(duì)地基工程領(lǐng)域的孔隙水壓力、基礎(chǔ)沉降等時(shí)間關(guān)聯(lián)性加以深入剖析。首先剖析了這類地基的特點(diǎn),然后基于這類地基的巖土工程詳細(xì)分析與總結(jié)勘察信息,接著對(duì)軟土帶巖土勘察粘彈性,從而為行業(yè)專業(yè)人員,或者專業(yè)公司提供一定的借鑒。

1 軟土地基特性分析

1.1 觸變性

觸變性為軟土地基頗具顯著性的特點(diǎn),之所以存在著此特點(diǎn),其核心因素就是在外力影響之下,尤其是在施工環(huán)節(jié),容易受到振動(dòng)、擠壓等作用力影響,使得軟土地基在遭受相關(guān)力的影響下,會(huì)使得有關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了損壞與變形,進(jìn)而導(dǎo)致軟土層產(chǎn)生整體滑坡、沉降等問題,這必然會(huì)影響到軟土層穩(wěn)定性。由于軟土地基在結(jié)構(gòu)上缺乏足夠穩(wěn)定性,為此,在土壤結(jié)構(gòu)遭受一定破壞之后,就會(huì)使得土層承載力明顯的減小,強(qiáng)度也會(huì)顯著下降,乃至徹底喪失[1]。這類地基為高、極靈敏性圖,倘若軟土地基產(chǎn)生了振動(dòng),就可能產(chǎn)生滑動(dòng)或者擠出。

1.2 流變性

軟土地基還存在著土地結(jié)構(gòu)疏松特點(diǎn),其土壤密度也相對(duì)較低,而且存在著豐富的水分。由于這類特點(diǎn)的問題,會(huì)讓軟土在水分結(jié)構(gòu)的改變下而出現(xiàn)顯著變化。通過外力作用,讓這類地基會(huì)產(chǎn)生水分,并呈現(xiàn)出或集中、或分散特點(diǎn)。正是這種變化,使得地基產(chǎn)生了相應(yīng)的剪切力,導(dǎo)致軟土地基產(chǎn)生相應(yīng)的剪切變形問題。雖然在某些情形下,這種變形的表現(xiàn)并不是十分顯著,然而由于連續(xù)作用時(shí)間較長(zhǎng),很難對(duì)其是否有效承載進(jìn)行確認(rèn),甚至?xí)a(chǎn)生孔隙水壓力,這必然會(huì)對(duì)地基承載力帶來頗為顯著的負(fù)面影響[2]。

1.3 高壓縮性

相較于其他土層,軟土地基結(jié)構(gòu)存在著富水、松散特征,若是受到了外力作用,就容易使得土層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著改變,進(jìn)而降低其穩(wěn)定性,倘若不能對(duì)其進(jìn)行防護(hù),就會(huì)在作用力影響下,使得軟土層受到壓縮變形,進(jìn)而使得地基上方建筑體產(chǎn)生顯著沉降問題,進(jìn)而顯著影響到建筑工程的穩(wěn)定與安全性[3]。在液限的增長(zhǎng)下,軟土壓縮性就會(huì)顯著提升,為此,軟土亦為典型的高壓縮土。通常,該壓縮系數(shù)最低為0.5 Mpa-1,最高可達(dá)到1.5 Mpa-1;若是軟土壓縮性較高,則為4.5 Mpa-1,該指數(shù)最低為0.35,最高則是0.75。正是如此,處于該地基之上的建筑工程,就容易產(chǎn)生嚴(yán)重的沉降事故[4-6]。

1.4 低強(qiáng)度

通常,建筑體對(duì)地基的要求相對(duì)較高,尤其是要求地基需要具有較高穩(wěn)定性,而且地基還需要具有較高的承載力,使得建筑體具有較高的穩(wěn)定與安全性。然而,地基存在著頗多水分,通常很難對(duì)其全面排出,而且也沒有高效方法提升這種地基的抗剪能力,為此,就容易使得地基強(qiáng)度產(chǎn)生持續(xù)降低,該地基的承載力與穩(wěn)定性都較難滿足工程需求[7]。倘若在此地基上進(jìn)行施工,就容易產(chǎn)生塌方、邊坡移位等問題,其安全風(fēng)險(xiǎn)較為突出。

1.5 不均勻性

軟土層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出非規(guī)律與復(fù)雜屬性,由于此特點(diǎn)會(huì)讓軟土層強(qiáng)度不能均勻性分布。若是建筑施工工程的結(jié)構(gòu)相對(duì)較大,那么在此軟土地基影響下,就更容易因?yàn)楹奢d的分布缺乏均勻性,進(jìn)而使得地基剪切力變得缺乏穩(wěn)定性,使得地基不再具有穩(wěn)定性。簡(jiǎn)而言之,因?yàn)槌练e環(huán)境具有較高的復(fù)雜性,這容易使得軟土層空間分布、物理力學(xué)性質(zhì)容易產(chǎn)生改變,具體呈現(xiàn)出地層缺乏均勻性[8]。在進(jìn)行作業(yè)施工之際,工程由于結(jié)構(gòu)缺乏均勻性,使得地基承載力受到顯著負(fù)面影響。

2 軟土地基巖土工程勘察技術(shù)結(jié)合

2.1 確定軟土的力學(xué)性質(zhì)

工程建設(shè)設(shè)計(jì)、施工需要得到勘察的鼎力支持,作為設(shè)計(jì)人員需要對(duì)地基巖層的力學(xué)特性的充分了解,為此,對(duì)軟土地基進(jìn)行勘察,就需要科學(xué)判斷其力學(xué)性質(zhì)。該性質(zhì)通常和固結(jié)度具有顯著關(guān)聯(lián)性,軟土固結(jié)度存在差異,就容易出現(xiàn)壓力、性能等領(lǐng)域有所不同。對(duì)軟土固結(jié)歷史進(jìn)行剖析,分析對(duì)工程建設(shè)所帶來的積極意義,因此在勘察之際,需要對(duì)軟土固結(jié)歷史進(jìn)行重點(diǎn)勘察,分析與評(píng)價(jià)軟土的正常、欠、超固結(jié)現(xiàn)象。軟土地基會(huì)因地、因?qū)?使得相應(yīng)的性質(zhì)產(chǎn)生一定的改變,很難對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)[9-11]。在具體勘察之際,可以將原位測(cè)試、上下底層、當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)等方法與鉆探進(jìn)行科學(xué)結(jié)合,從而對(duì)軟土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行明確。在對(duì)軟土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行明確之際,需要對(duì)施工條件進(jìn)行許可,而且要借助于靜力觸探的方式,對(duì)傳統(tǒng)的鉆探進(jìn)行取代,利用十字板剪切試驗(yàn),對(duì)軟土的無側(cè)限靈敏度、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),通過扁鏟測(cè)脹試驗(yàn)登對(duì)軟土承載力、壓縮模量等參量進(jìn)行明確,借助于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)軟土的回彈指數(shù)、固結(jié)壓力、固結(jié)與壓力系數(shù)等進(jìn)行明確。

2.2 探測(cè)土層分布

對(duì)建筑體范圍之內(nèi)的軟土分布區(qū)間、成因類型、厚度、埋深、縱向均勻性等因素進(jìn)行勘察,同時(shí)還需要勘察下伏硬土層埋深、地表硬殼層的厚度等進(jìn)行勘察。對(duì)軟土分布均勻性、范圍、厚度等進(jìn)行勘察,這些都是對(duì)軟土地基性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ),同時(shí)也是在處理軟土地基時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素。由于山前地帶或者山區(qū)的軟土成層條件有著較高的復(fù)雜性,顯著受到基巖頂板起伏、坡度的控制,土層層理、厚度在垂直、水平分布層面上有著顯著改變,也容易導(dǎo)致地基非均勻性沉降,同時(shí)還會(huì)影響到地基抗滑穩(wěn)定性。

2.3 判別軟土震陷和地基液化

軟土屬于典型的特殊性土,具有顯著流動(dòng)性與觸變形,若是抗震烈度為7度,或者超過7度,施工場(chǎng)地軟土倘若分布較厚,就需要對(duì)軟土產(chǎn)生震陷的幾率進(jìn)行估算,同時(shí)還需要評(píng)估震陷量,這不僅為當(dāng)前勘察標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也是軟土地基勘察的關(guān)鍵點(diǎn)。軟土帶來的震陷涉及到較多的要素,例如在振動(dòng)效應(yīng)下產(chǎn)生的觸變,地震帶來的動(dòng)剪應(yīng)力、排氣帶來的軟土體積下降,豎向地震力值得地基應(yīng)力顯著上升等[12]。對(duì)軟土是不是會(huì)導(dǎo)致震陷進(jìn)行評(píng)價(jià),需要結(jié)合軟土厚度、等效剪切波速、上覆非軟土層厚度等進(jìn)行綜合性明確。軟土分布區(qū)常常涉及到粉土、飽和砂土等,這些土層需要結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行液化分析,明確其液化級(jí)別與指數(shù)。在使用標(biāo)準(zhǔn)貫入法對(duì)其進(jìn)行液化分析時(shí),可以使用泥漿護(hù)壁等技術(shù),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遵守,確保該試驗(yàn)的錘擊數(shù)量能夠反應(yīng)出底層的具體情況,確保液化判別具有較高的準(zhǔn)確性。

2.4 地下水

在巖土工程勘察、設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié),地下水需要引起足夠的關(guān)注,它常常對(duì)巖土的工程性狀帶來直接作用。為此,在勘察之際,需要基于施工與設(shè)計(jì)要求,為施工、設(shè)計(jì)提供豐富的地下水資料,同時(shí)還需要對(duì)地下水的功能與影響進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),對(duì)其中可能帶來的后果進(jìn)行預(yù)測(cè),進(jìn)而提出可行性的建議與舉措。軟土雖非含水層,然而軟土地帶的地下水位相對(duì)較高,這使得軟土力學(xué)與工程性質(zhì)就和地下水產(chǎn)生緊密關(guān)聯(lián)性。倘若大規(guī)模抽取地下水,或者降低地下水位,就容易對(duì)軟土應(yīng)力狀態(tài)、壓縮性等產(chǎn)生改變,進(jìn)而帶來非均勻性沉降,從而導(dǎo)致工程面臨更大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 勘察技術(shù)的合理選擇及實(shí)踐

在勘察軟土地基之際,需要借助于場(chǎng)地條件、勘察任務(wù)要求等,遴選合適的勘察技術(shù),其中典型的為:靜力觸探、工程地質(zhì)測(cè)繪、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等,以下對(duì)主要的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

(1)工程地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪。該勘察技術(shù)通常應(yīng)用于勘察初步與可行性研究階段。主要是對(duì)待勘測(cè)地區(qū)、周圍地貌特征、構(gòu)造、氣象水文條件、周邊環(huán)境條件等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)研,從而對(duì)勘測(cè)地區(qū)整體性情況進(jìn)行宏觀層面的把控;

(2)鉆探技術(shù)。該技術(shù)在巖土工程勘察領(lǐng)域較為常見,主要是借助于專業(yè)工具、鉆機(jī),通過人力作用,向地下鉆孔,從而得到相應(yīng)的地質(zhì)資料。借助于鉆探取芯,對(duì)軟土進(jìn)行直觀性觀察,從而展現(xiàn)其厚度、結(jié)構(gòu)、厚度、狀態(tài)、顏色等性質(zhì);利用鉆探技術(shù)完成取樣,然后借助于室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)軟土的孔隙比、含水率、先期固結(jié)壓力、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行觀察。當(dāng)然,還可以借助于鉆探技術(shù)對(duì)地下水埋藏條件、水位變化等進(jìn)行探明。這些直觀技術(shù)可以為軟土工程地質(zhì)性能評(píng)價(jià)等提供重要的依據(jù)支持;

(3)靜力觸探技術(shù)。該技術(shù)在工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用較廣,特別是在軟土地基領(lǐng)域的應(yīng)用更為契合。這種技術(shù)就是借助于靜探機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)探頭采用勻速的方式,將其置入到土層之中,從而對(duì)探頭的力學(xué)特性、阻力等進(jìn)行測(cè)定。然后利用靜探曲線,同時(shí)根據(jù)鄰近的鉆孔地層,就可以將其細(xì)分成底層,而且,借助于該靜探曲線與對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn),就能對(duì)軟土壓縮性、密實(shí)度、地基承載力等級(jí)進(jìn)行估算;

(4)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。軟土本身兼具觸變、流變屬性,在室內(nèi)試驗(yàn)、取樣、運(yùn)輸土樣制備等環(huán)節(jié),由于涉及到振動(dòng)、擠壓等問題,容易產(chǎn)生土樣中的水份流失,進(jìn)而使得室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生失真問題,也就是說,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)存在著一定差距。為此,在對(duì)軟土地基進(jìn)行勘察之際,還需要進(jìn)一步運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)法對(duì)軟土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)。常見檢測(cè)方法為:靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等[13]。

3 粘彈性模型以及粘彈性系數(shù)優(yōu)化

3.1 粘彈性模型

流變性態(tài)一般可以用沿海軟土地基長(zhǎng)期沉降來表示。如果考慮地基的長(zhǎng)期沉降時(shí),則其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由一種粘彈性模型可以用以下公式表示:

式中:ε為應(yīng)變;J(t)為蠕變能量;σ為應(yīng)力。

上式表明:J(t)是時(shí)間t的函數(shù),其值的大小與材料的應(yīng)力無關(guān),在應(yīng)力不變的情況下,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),應(yīng)變也不斷增加,一旦取定時(shí)間后,則其變?yōu)槎ㄖ怠?/p>

3.2 粘彈性系數(shù)反演

在粘彈性模型中,彈性模量和粘性系數(shù)與位移的相關(guān)性較強(qiáng),宜采用位移反分析模型。位移反分析分為正反分析法和逆反分析法兩類,其中正反分析計(jì)算是一種優(yōu)化逼近過程,一般通過不斷修正未知數(shù)的試算值逼近求得優(yōu)化解,可利用原有程序計(jì)算,適應(yīng)性強(qiáng)[14-16]。本文采用正反分析法,用以約束優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)為:

3.3 工程實(shí)例

某道路地處砂區(qū)軟土地帶,自上而下第1層為16 m左右的淤泥質(zhì)粘土、第2層為10 m以上的亞粘土。對(duì)原有路基進(jìn)行加固,填土高度達(dá)2.6 m,在道路中央不同深度和道路兩側(cè)設(shè)定反演觀測(cè)點(diǎn)。為保證較好反演效果,亞粘土層采用彈性模型,參數(shù)不進(jìn)行反演分析。加固層和淤泥質(zhì)粘土層,不同觀測(cè)時(shí)間反演得到的參數(shù)值如表2所示。

表1 不同觀測(cè)時(shí)間反演所得參數(shù)值Tab.1 Parameter values obtained by inversion of different observation times

由表2可知,在0 146、0 209、0 292、0 361 d這幾個(gè)時(shí)段觀測(cè)信息所反演計(jì)算出的參數(shù)值差異明顯,但整體上趨于某一穩(wěn)定值。最后2個(gè)時(shí)段的參數(shù)值已基本趨于一致,對(duì)此采用0 292 d時(shí)間段觀測(cè)信息反演所得粘彈性模型參數(shù)值代替原始計(jì)算參數(shù),再用粘彈性有限元程序預(yù)測(cè)軟土地基后期沉降,生成預(yù)測(cè)沉降曲線圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn),地表沉降觀測(cè)曲線和反演預(yù)測(cè)沉降曲線相當(dāng)吻合,重合度較高,反演預(yù)測(cè)沉降經(jīng)過一段時(shí)間后趨向穩(wěn)定,最終所得預(yù)測(cè)地表沉降在32 cm 左右,2個(gè)曲線的發(fā)展趨勢(shì)基本一致[19]。為此,認(rèn)為該方法在砂區(qū)軟土地基沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用是可行的、適用的,粘彈性模型反演分析能夠有效反映工程實(shí)際。

4 結(jié)語

高速公路橋梁加固施工技術(shù)具有綜合、復(fù)雜性,在分析橋梁?jiǎn)栴}之際,就需要對(duì)其施工可行、可靠性進(jìn)行充分考慮,而且還需要選用科學(xué)、規(guī)范施工工藝,對(duì)有關(guān)方案進(jìn)行優(yōu)化之際,還需要提升工程的耐久與安全性。在此環(huán)節(jié)還需要保障進(jìn)度要求,在加固方案之中,通過對(duì)原先的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,或者使用創(chuàng)新結(jié)構(gòu),借助于科學(xué)方法加快施工進(jìn)度,實(shí)現(xiàn)成本的有效降低,同時(shí)還能滿足加固要求。對(duì)飽和軟粘土結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究,可以得出團(tuán)粒內(nèi)部較為細(xì)小的孔隙排水固結(jié)即為次固結(jié),而且開始于主固結(jié)階段。次固結(jié)的演變速度與地基粘彈性參量有著密切關(guān)聯(lián)性,同時(shí)和地基處理參量有著關(guān)聯(lián)性[20]。引入次固結(jié)概念,對(duì)工后沉降的控制與預(yù)測(cè)有著顯著效果。