沿海淤泥質(zhì)土真空預(yù)壓沉降規(guī)律研究

◎ 熊輝 李雪松

1.中交二航局第一工程有限公司；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司

1.引言

廣州南沙區(qū)橫瀝島尖地層以飽和淤泥質(zhì)土為主，適合采用真空預(yù)壓進(jìn)行地基處理。大量沿海工程采用真空預(yù)壓法進(jìn)行地基處理。王長法[1]結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)測分析長三角軟基真空預(yù)壓監(jiān)測值，得到沉降及孔隙水壓力的變化規(guī)律。張明等[2]對比了三種真空預(yù)壓的預(yù)壓時(shí)間預(yù)測方法，并應(yīng)用于深圳地區(qū)真空預(yù)壓工程，研究其適用性。孫立強(qiáng)等[3]、程琪等[4]分別研究了天津和連云港的軟基真空預(yù)壓插板期間沉降，得到插板期間地基沉降特性。何濤等[5]對比了三點(diǎn)法和雙曲線法，認(rèn)為雙曲線法更適合珠海橫琴地區(qū)的真空預(yù)壓沉降分析?？拙V強(qiáng)等[6]、曹杰等[7]分析了真空預(yù)壓工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓分層沉降和側(cè)向位移與預(yù)壓時(shí)間成正比，與深度成反比，總沉降速率減小。王國興等[8]分析威海地區(qū)真空預(yù)壓效果。廣州地區(qū)有南沙港真空預(yù)壓的相關(guān)研究[8-11]。

不同地區(qū)真空預(yù)壓地基變形曲線存在較大差異，表明不同地區(qū)的真空預(yù)壓效果存在差異。目前廣州南沙的軟基的研究并不多見，僅有關(guān)于本文分析橫瀝島尖真空預(yù)壓沉降特性。

2.工程概況

2.1 真空預(yù)壓區(qū)域

真空預(yù)壓區(qū)域位于橫瀝島尖，真空預(yù)壓面積26240m2。

真空預(yù)壓施工工序依次為密封溝施工、鋪砂墊層、插打塑料排水板、鋪密封膜、安裝水泵等。塑料排水板平均插入深度為18.2m。泵體采用水汽分離式真空泵。真空預(yù)壓區(qū)域四周鋪筑臨時(shí)擋水土袋圍堰，用于收集抽出的地下水，增大預(yù)壓荷載的同時(shí)保護(hù)真空膜。計(jì)算分析未考慮插板期間施工沉降。

2.2 地質(zhì)與水文

真空預(yù)壓區(qū)域地層分布及地層的土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

3.監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 真空度變化

真空預(yù)壓真空泵啟動后，膜下真空度迅速升高，15天真空度從0kPa升至87.6kPa。真空度穩(wěn)定在90kPa左右。

3.2 水位變化

現(xiàn)場水位監(jiān)測結(jié)果顯示，前23d水位平均下降速率達(dá)到280mm/d，23d后水位下降速率迅速衰減至8.75mm/d。110d左右水位存在短期波動。

真空負(fù)壓從上向下傳遞是水位下降主要的主因，地下水在壓力差驅(qū)動下沿排水板向上流動。地表下6.5m處真空負(fù)壓與水壓達(dá)到平衡，地下水不再向上流動。

3.3 沉降變化

前20d真空預(yù)壓作用下的平均沉降速率達(dá)到40mm/d，20d之后，20d～78d沉降速度迅速衰減至較低速率，78d之后沉降速率衰減至1mm/d以下。

同一區(qū)域不同測點(diǎn)的實(shí)測沉降值離散性較大，最大最小分別為1 0 3 7.4 m m(D D 2 0-6)和755.6mm(DD21-5)。區(qū)域地層起伏及真空度損失不同可能是引起沉降變化的原因。

3.4 真空度、水位、沉降的關(guān)系

歸一化處理平均水位、平均真空度和平均沉降。水位、真空度和沉降變化趨勢基本一致，總體呈2階段變化：近乎線性的快速增長，拐點(diǎn)后基本保持水平。

表明橫瀝島尖含砂軟基對真空負(fù)壓較為敏感，沉降和水位的變化緊跟真空度，滯后時(shí)間非常短。該特性與其他工程[4,7,9]有所不同。

4.沉降預(yù)測對比

4.1 雙曲線法

雙曲線法的表達(dá)式為：

式中，St為t時(shí)刻的沉降(mm)；Si為i時(shí)刻的沉降(mm)；α、β為雙曲線的系數(shù)。

式(1)可寫為：

當(dāng)t→∞，計(jì)算最終沉降量Sf為：

4.2 三點(diǎn)法

在沉降曲線上，取真空穩(wěn)壓區(qū)域內(nèi)時(shí)間間隔相同的三點(diǎn)沉降S1、S2和S3，使△t=t3-t2=t2-t1，計(jì)算沉降表達(dá)式為：

4.3 兩種方法計(jì)算結(jié)果比較

分析8組數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，最終計(jì)算結(jié)果與計(jì)算參數(shù)的時(shí)間間隔成正比，即時(shí)間跨度越大，沉降計(jì)算值逐漸增大。同樣條件下，三點(diǎn)法計(jì)算結(jié)果小于雙曲線法計(jì)算結(jié)果。雙曲線法計(jì)算的最終沉降量大于實(shí)測沉降，為實(shí)測沉降的110%～120%。恒載的前2個(gè)月，三點(diǎn)法計(jì)算沉降量略小于實(shí)測沉降，恒載的后2個(gè)月，計(jì)算沉降量略大于實(shí)測沉降，計(jì)算沉降與實(shí)測沉降之比約為94%～110%。

真空穩(wěn)壓3個(gè)月時(shí)，測點(diǎn)DD19-4三點(diǎn)法計(jì)算的沉降量與實(shí)測值之比達(dá)到230%，78d左右該測點(diǎn)沉降曲線的突變是導(dǎo)致該誤差的原因。公式（4）中令△S1=S2-S1，△S2=S3-S2，則公式（4）可寫為：

從式（5）可看出，△S2沉降突變，則計(jì)算沉降突變。

沉降變化較平順的情況下，三點(diǎn)法計(jì)算結(jié)果更精確。雙曲線法對沉降突變具有較好的適應(yīng)性。

不同測點(diǎn)不同時(shí)間跨度計(jì)算沉降見表2，不同測點(diǎn)不同時(shí)間跨度計(jì)算沉降與實(shí)測沉降比見表3。

表2 不同測點(diǎn)不同時(shí)間跨度計(jì)算沉降

表3 不同測點(diǎn)不同時(shí)間跨度計(jì)算沉降與實(shí)測沉降比

三點(diǎn)法計(jì)算沉降顯示，卸載時(shí)的土體固結(jié)度均達(dá)到90%以上。雙曲線法計(jì)算沉降顯示，卸載時(shí)固結(jié)度不滿足90%的要求。雙曲線法推測結(jié)果，131天的加載期仍不能滿足固結(jié)度要求，不符合該工程實(shí)際情況。圖3的實(shí)際沉降速率顯示，78d之后的測點(diǎn)沉降速率均小于1mm/d，已達(dá)到卸載標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 真空度、水位和沉降關(guān)系

圖2 八個(gè)測點(diǎn)沉降曲線

圖3 各個(gè)測點(diǎn)沉降速率

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，穩(wěn)定真空度后預(yù)壓時(shí)間不宜低于90d。三點(diǎn)法預(yù)測的穩(wěn)壓3個(gè)月后固結(jié)度達(dá)到95%，沉降速率均小于1mm/d，達(dá)到卸載條件。此后繼續(xù)抽真空，效果并不明顯。

5.結(jié)論與建議

（1）沿海橫瀝地區(qū)真空預(yù)壓下水位和沉降變化趨勢基本一致，即預(yù)壓前期快速變化，拐點(diǎn)后變化速率迅速衰減：20d內(nèi)平均沉降速率高達(dá)40mm/d；沉降速率分布離散性較大；20d之后，平均沉降速率衰減至不足2mm/d；78d后的沉降速率進(jìn)一步降低，趨近于0。

（2）采用雙曲線法和三點(diǎn)法計(jì)算預(yù)測沉降，最終計(jì)算沉降與參數(shù)的時(shí)間跨度成正比。數(shù)據(jù)較平順的前提下，三點(diǎn)法比雙曲線法更精確。雙曲線法對沉降突變的適應(yīng)性更好。實(shí)際工程中，可結(jié)合雙曲線法和三點(diǎn)法的計(jì)算結(jié)果預(yù)測最終沉降。