荷載作用下珠三角海陸交互相深層土體水平位移變化規(guī)律分析

張偉鋒，郭澤鋒，韋 未

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣州510642）

0 引言

地基深層土體產(chǎn)生較大的水平位移會導(dǎo)致上部建筑物開裂，整體偏移傾斜，危害公眾安全。2009 年6月發(fā)生在上海市閔行區(qū)的13 層建筑物倒覆事件［1］，正是因為土體的水平位移過大，導(dǎo)致樁基失效引起的。由此可見，控制地基深層土體的水平位移是確保建筑物安全的重要一環(huán)。

珠三角地區(qū)位于珠江入?？?，是珠江入海時沖擊沉淀形成的三角洲，軟土分布廣泛，土層多為含水量豐富的淤泥、淤泥質(zhì)粘土和粉細(xì)砂［2］。珠三角地區(qū)的軟土由于其壓縮性強(qiáng)、含水率高、孔隙比高、滲透性能差、抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高和承載力小等不良工程特性，更容易產(chǎn)生地基水平位移過大的危險。

李飛等人［3，4］針對軟土地基實際情況，提出了預(yù)測模型，并有一定效果。陳繼彬等人［5，6］對碎石樁和排水板（PVD）兩種處理地基方式的土體側(cè)向變形規(guī)律進(jìn)行研究，使用菲爾哈斯模型對側(cè)向水平位移量沿時間分布規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，并提出了這兩種處理方式下土體沉降和土體側(cè)向位移的發(fā)展規(guī)律。閻鈳等人［7］結(jié)合海滄大道路堤的實際例子，總結(jié)出土體側(cè)向位移規(guī)律、軟土地基上填土高度與填筑速率對側(cè)向變形的影響。王志豐等人［8］針對水泥攪拌樁施工時引起的土體水平位移進(jìn)行了驗算，使用Chai 方法計算分析得出單根水泥攪拌樁施工的影響范圍。

本文結(jié)合廣東省中山市某正在建設(shè)的變電站，對軟土地基土體進(jìn)行長時間監(jiān)測，分析先堆載后打樁和先打樁后堆載2 種地基處理方式下的土體水平位移的規(guī)律，為日后軟土地基處理提供參考。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 現(xiàn)場試驗的地質(zhì)情況

本文依托廣東省中山市某220 kV 變電站施工現(xiàn)場。試驗場地位于變電站旁，地層屬于典型的軟土地區(qū)，該區(qū)域土體含水量較高，壓縮性強(qiáng)，強(qiáng)度較低，滲透性較差，大部分屬于淤泥質(zhì)土。其土層分布如下：①淤泥，該土層厚度大約3.4 m；②含淤泥粉砂，該土層厚度大約7.9 m；③粘土，該土層厚度大約4.9 m；④粉質(zhì)粘土，該土層厚度大約17.4 m。

1.2 現(xiàn)場試驗布置

試驗區(qū)域分為兩部分，兩區(qū)域均打入排水板（PVD），一區(qū)域先進(jìn)行預(yù)壓堆載后打入攪拌樁（以下簡稱堆載區(qū)），另一區(qū)域先打入攪拌樁后堆載（以下簡稱樁區(qū)），堆載區(qū)域提前進(jìn)行約30 d 的堆載，堆載高度為2.5 m。樁區(qū)完成攪拌樁施工后，進(jìn)行2.5 m 高的堆載，此部分堆載起到控制變量的作用，使兩區(qū)荷載作用相同。攪拌樁打入土體深度約為18 m。攪拌樁樁徑為0.6 m，樁心之間的間隔為2 m。兩個區(qū)域均埋設(shè)3條測斜管，D-X1 和Z-X1 在樁體群中央，埋深為18 m，D-X2 和Z-X2 在堆載土體的邊界，埋深為18 m，D-X3和Z-X3 遠(yuǎn)離堆載土體，埋深為13 m。具體樁體布置如圖1 所示。為避免兩區(qū)相互影響，在兩區(qū)之間打設(shè)了4排攪拌樁，作為兩區(qū)的分界。施工流程如圖2 所示。

圖1 現(xiàn)場試驗布置Fig.1 Field Test

圖2 技術(shù)路線Fig.2 Technical Roadmap

2 荷載作用下兩區(qū)深層土體水平位移變化規(guī)律分析

2.1 土體最大水平位移速率

表1 和圖3 是兩區(qū)土體最大水平位移速率。

表1 土體最大水平位移速率Tab.1 Maximum Horizontal Displacement Rate of Each Inclined Hole

圖3 土體最大水平位移速率Fig.3 Maximum Horizontal Displacement Rate of Each Inclined Hole

從表1 中看出，打樁后7 d 堆載區(qū)最大水平位移速率均大于樁區(qū)，但打樁30 d 后Z-X1 的最大水平位移速率大于D-X1，說明先打樁后堆載的地基處理方式，在加載后較短時間內(nèi)，水平位移速率會有明顯的增大，土體主要產(chǎn)生的水平位移集中在50 d 內(nèi)發(fā)生，50 d 后，樁區(qū)的水平位移速率存在很大程度的降低。

2.2 最大水平位移與沉降關(guān)系

表2 和圖4 是每個測斜孔所測出的最大水平位移數(shù)值與沉降量的比值，能夠直觀地觀察到水平位移量與沉降量的關(guān)系。

表2 打樁后120d 土體最大水平位移與土體沉降比值Tab.2 Ratio of Maximum Horizontal Displacement to Soil Settlement during 120 Days after Piling

圖4 打樁后120d 土體最大水平位移與土體沉降比值Fig.4 Ratio of Maximum Horizontal Displacement to Soil Settlement during 120 Days after Piling

據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，堆載區(qū)不同位置的沉降量和水平位移量比值相差較大，D-X1 最大水平位移與沉降量的比值達(dá)到3.39，相同時間內(nèi)，D-X1 的沉降量只有Z-X1 沉降量的40.7%。說明先堆載后打樁的地基處理方式能有效地限制土體沉降，但對土體水平位移的限制作用較小。因為前期的預(yù)壓堆載使土體內(nèi)水分排出，土體內(nèi)孔隙水壓力較低，土體有效應(yīng)力較高，因此深層土體的沉降受到限制，土體受到荷載作用時，介于表層土體和深層土體之間的土體向兩側(cè)膨脹，土體向周邊有效應(yīng)力較小的地區(qū)位移，導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大的水平位移。而D-X2 和D-X3 位于堆載區(qū)周邊的數(shù)據(jù)只有0.17 和0.18，這與陳繼斌等人［5］所測值接近。

樁區(qū)不同位置的沉降量和水平位移量比值相差不大，Z-X1 只有0.07，數(shù)值偏少，說明不同的施工方式對堆載中心處水平位移與土體沉降的關(guān)系影響不同，先打樁后堆載能有效地限制土體水平位移的發(fā)展，但對于限制土體沉降的作用較小。因為土體沒有受到預(yù)壓堆載的處理，土體有效應(yīng)力較低，在荷載作用下，樁體與樁間土形成了整體，土體產(chǎn)生了較大的沉降，但由于土體兩側(cè)受力較為平衡，受到荷載作用時，地基土整體下沉，土體的水平位移量較小。樁區(qū)Z-X2，Z-X3 位置的水平位移與沉降比值相近，都在0.15～0.20 之間，與堆載區(qū)相同位置的比值相近。

2.3 平均水平位移量沿時間發(fā)展情況

土體水平位移的情況分為3 種：①土體往荷載外部偏移；②土體往荷載內(nèi)部偏移；③表層土體往荷載內(nèi)部偏移，深層土體往荷載外部偏移。大部分位于荷載中心處的土體水平位移情況都屬于情況③，不同測斜管中不同深度水平位移量和位移方向不同，難以直接對比沿時間方向的發(fā)展情況。因此，引入文獻(xiàn)［9］提出的平均側(cè)向位移量的概念，簡化了分析過程中深度因素的影響，根據(jù)式⑴計算平均側(cè)向位移量。

式中：A1、A2是測斜管位移曲線與垂直測斜管形成的面積，有正負(fù)之分；HL是測斜管處理深度，圖5 為平均水平位移量計算的參數(shù)示意圖。

圖5 平均水平位移量示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Average Horizontal Displacement

由于平均水平側(cè)向位移量所計算的數(shù)值差值較小，因此，平均水平側(cè)向位移量主要用作定性分析，分析土體的水平位移趨勢。

表3 和圖6 是按照式⑴計算出來的不同測斜管平均側(cè)向位移量。

表3 兩區(qū)平均水平位移量Tab.3 Average Horizontal Displacement of Two Regions （mm）

圖6 平均水平位移量變化Fig.6 Change of Average Lateral Displacement

從圖6 和表3 可以看出，D-X1 處土體側(cè)向位移隨著時間的增加而減少，Z-X1 處土體側(cè)向位移同樣隨著時間的增加而減少，D-X2 處的土體側(cè)向位移量變化很小，Z-X2 處的土體側(cè)向位移量則一直減少，DX3 和Z-X3 最終的側(cè)向位移量差別很小，但兩者的位移變化速率有所不同，D-X3 在樁后的2 d 的平均側(cè)向位移已經(jīng)達(dá)到了4.22 mm，后期的變形速率比前期要低，而Z-X3 整個觀測期間的土體側(cè)向變形速率要較為均勻。

3 結(jié)論與建議

⑴ 先堆載后打樁處理的方式下，土體最大水平位移量與沉降量比值達(dá)到3.39，對比兩區(qū)堆載區(qū)中心位置土體的沉降量，堆載處理區(qū)沉降量只有樁區(qū)的40.7%，限制沉降效果明顯。

⑵ 先打樁再堆載的地基處理方式下，土體所產(chǎn)生的水平位移較小，先打樁區(qū)域的最大水平位移量只有預(yù)壓堆載區(qū)域的5.3%，施工場地周邊若沒有其他較大的荷載，直接打樁的施工方式能夠有效地減少土體水平位移。

⑶ 兩區(qū)測斜管所測土體水平位移速率均滿足《公路軟土地基路堤設(shè)計規(guī)范（浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)）：DB 33/T 904-2013》要求的各地基水平位移小于5 mm/24 h。兩區(qū)土體沉降量亦滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：GB 50007-2002》要求的小于200 mm。在工期緊張的情況下，直接進(jìn)行攪拌樁再堆載能滿足工程質(zhì)量要求，還可縮短工期。

⑷ 與先打樁后堆載的方式相比，先堆載后打樁處理下，土體的形變發(fā)生時間更長。堆載區(qū)在打樁后100 d 仍有緩慢的水平位移發(fā)生，而樁區(qū)在打樁后50 d 所產(chǎn)生的水平位移已非常小。

⑸ 先預(yù)壓堆載后打樁處理地基方式沉降量較小更適合上部荷載較大的工程，而先打入攪拌樁再堆載能夠更好地控制土體水平位移，適用于上部荷載較小的工程。