荷载作用下珠三角海陆交互相深层土体水平位移变化规律分析

张伟锋，郭泽锋，韦 未

（华南农业大学 广州510642）

0 引言

地基深层土体产生较大的水平位移会导致上部建筑物开裂，整体偏移倾斜，危害公众安全。2009 年6月发生在上海市闵行区的13 层建筑物倒覆事件［1］，正是因为土体的水平位移过大，导致桩基失效引起的。由此可见，控制地基深层土体的水平位移是确保建筑物安全的重要一环。

珠三角地区位于珠江入海口，是珠江入海时冲击沉淀形成的三角洲，软土分布广泛，土层多为含水量丰富的淤泥、淤泥质粘土和粉细砂［2］。珠三角地区的软土由于其压缩性强、含水率高、孔隙比高、渗透性能差、抗剪强度低、灵敏度高和承载力小等不良工程特性，更容易产生地基水平位移过大的危险。

李飞等人［3，4］针对软土地基实际情况，提出了预测模型，并有一定效果。陈继彬等人［5，6］对碎石桩和排水板（PVD）两种处理地基方式的土体侧向变形规律进行研究，使用菲尔哈斯模型对侧向水平位移量沿时间分布规律进行预测，并提出了这两种处理方式下土体沉降和土体侧向位移的发展规律。阎钶等人［7］结合海沧大道路堤的实际例子，总结出土体侧向位移规律、软土地基上填土高度与填筑速率对侧向变形的影响。王志丰等人［8］针对水泥搅拌桩施工时引起的土体水平位移进行了验算，使用Chai 方法计算分析得出单根水泥搅拌桩施工的影响范围。

本文结合广东省中山市某正在建设的变电站，对软土地基土体进行长时间监测，分析先堆载后打桩和先打桩后堆载2 种地基处理方式下的土体水平位移的规律，为日后软土地基处理提供参考。

1 现场试验

1.1 现场试验的地质情况

本文依托广东省中山市某220 kV 变电站施工现场。试验场地位于变电站旁，地层属于典型的软土地区，该区域土体含水量较高，压缩性强，强度较低，渗透性较差，大部分属于淤泥质土。其土层分布如下：①淤泥，该土层厚度大约3.4 m；②含淤泥粉砂，该土层厚度大约7.9 m；③粘土，该土层厚度大约4.9 m；④粉质粘土，该土层厚度大约17.4 m。

1.2 现场试验布置

试验区域分为两部分，两区域均打入排水板（PVD），一区域先进行预压堆载后打入搅拌桩（以下简称堆载区），另一区域先打入搅拌桩后堆载（以下简称桩区），堆载区域提前进行约30 d 的堆载，堆载高度为2.5 m。桩区完成搅拌桩施工后，进行2.5 m 高的堆载，此部分堆载起到控制变量的作用，使两区荷载作用相同。搅拌桩打入土体深度约为18 m。搅拌桩桩径为0.6 m，桩心之间的间隔为2 m。两个区域均埋设3条测斜管，D-X1 和Z-X1 在桩体群中央，埋深为18 m，D-X2 和Z-X2 在堆载土体的边界，埋深为18 m，D-X3和Z-X3 远离堆载土体，埋深为13 m。具体桩体布置如图1 所示。为避免两区相互影响，在两区之间打设了4排搅拌桩，作为两区的分界。施工流程如图2 所示。

图1 现场试验布置Fig.1 Field Test

图2 技术路线Fig.2 Technical Roadmap

2 荷载作用下两区深层土体水平位移变化规律分析

2.1 土体最大水平位移速率

表1 和图3 是两区土体最大水平位移速率。

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

图3 土体最大水平位移速率Fig.3 Maximum Horizontal Displacement Rate of Each Inclined Hole

从表1 中看出，打桩后7 d 堆载区最大水平位移速率均大于桩区，但打桩30 d 后Z-X1 的最大水平位移速率大于D-X1，说明先打桩后堆载的地基处理方式，在加载后较短时间内，水平位移速率会有明显的增大，土体主要产生的水平位移集中在50 d 内发生，50 d 后，桩区的水平位移速率存在很大程度的降低。

2.2 最大水平位移与沉降关系

表2 和图4 是每个测斜孔所测出的最大水平位移数值与沉降量的比值，能够直观地观察到水平位移量与沉降量的关系。

表2 打桩后120d 土体最大水平位移与土体沉降比值Tab.2 Ratio of Maximum Horizontal Displacement to Soil Settlement during 120 Days after Piling

图4 打桩后120d 土体最大水平位移与土体沉降比值Fig.4 Ratio of Maximum Horizontal Displacement to Soil Settlement during 120 Days after Piling

据表2 数据可知，堆载区不同位置的沉降量和水平位移量比值相差较大，D-X1 最大水平位移与沉降量的比值达到3.39，相同时间内，D-X1 的沉降量只有Z-X1 沉降量的40.7%。说明先堆载后打桩的地基处理方式能有效地限制土体沉降，但对土体水平位移的限制作用较小。因为前期的预压堆载使土体内水分排出，土体内孔隙水压力较低，土体有效应力较高，因此深层土体的沉降受到限制，土体受到荷载作用时，介于表层土体和深层土体之间的土体向两侧膨胀，土体向周边有效应力较小的地区位移，导致土体产生较大的水平位移。而D-X2 和D-X3 位于堆载区周边的数据只有0.17 和0.18，这与陈继斌等人［5］所测值接近。

桩区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，数值偏少，说明不同的施工方式对堆载中心处水平位移与土体沉降的关系影响不同，先打桩后堆载能有效地限制土体水平位移的发展，但对于限制土体沉降的作用较小。因为土体没有受到预压堆载的处理，土体有效应力较低，在荷载作用下，桩体与桩间土形成了整体，土体产生了较大的沉降，但由于土体两侧受力较为平衡，受到荷载作用时，地基土整体下沉，土体的水平位移量较小。桩区Z-X2，Z-X3 位置的水平位移与沉降比值相近，都在0.15～0.20 之间，与堆载区相同位置的比值相近。

2.3 平均水平位移量沿时间发展情况

土体水平位移的情况分为3 种：①土体往荷载外部偏移；②土体往荷载内部偏移；③表层土体往荷载内部偏移，深层土体往荷载外部偏移。大部分位于荷载中心处的土体水平位移情况都属于情况③，不同测斜管中不同深度水平位移量和位移方向不同，难以直接对比沿时间方向的发展情况。因此，引入文献［9］提出的平均侧向位移量的概念，简化了分析过程中深度因素的影响，根据式⑴计算平均侧向位移量。

式中：A1、A2是测斜管位移曲线与垂直测斜管形成的面积，有正负之分；HL是测斜管处理深度，图5 为平均水平位移量计算的参数示意图。

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

由于平均水平侧向位移量所计算的数值差值较小，因此，平均水平侧向位移量主要用作定性分析，分析土体的水平位移趋势。

表3 和图6 是按照式⑴计算出来的不同测斜管平均侧向位移量。

表3 两区平均水平位移量Tab.3 Average Horizontal Displacement of Two Regions （mm）

图6 平均水平位移量变化Fig.6 Change of Average Lateral Displacement

从图6 和表3 可以看出，D-X1 处土体侧向位移随着时间的增加而减少，Z-X1 处土体侧向位移同样随着时间的增加而减少，D-X2 处的土体侧向位移量变化很小，Z-X2 处的土体侧向位移量则一直减少，DX3 和Z-X3 最终的侧向位移量差别很小，但两者的位移变化速率有所不同，D-X3 在桩后的2 d 的平均侧向位移已经达到了4.22 mm，后期的变形速率比前期要低，而Z-X3 整个观测期间的土体侧向变形速率要较为均匀。

3 结论与建议

⑴ 先堆载后打桩处理的方式下，土体最大水平位移量与沉降量比值达到3.39，对比两区堆载区中心位置土体的沉降量，堆载处理区沉降量只有桩区的40.7%，限制沉降效果明显。

⑵ 先打桩再堆载的地基处理方式下，土体所产生的水平位移较小，先打桩区域的最大水平位移量只有预压堆载区域的5.3%，施工场地周边若没有其他较大的荷载，直接打桩的施工方式能够有效地减少土体水平位移。

⑶ 两区测斜管所测土体水平位移速率均满足《公路软土地基路堤设计规范（浙江省地方标准）：DB 33/T 904-2013》要求的各地基水平位移小于5 mm/24 h。两区土体沉降量亦满足《建筑地基基础设计规范：GB 50007-2002》要求的小于200 mm。在工期紧张的情况下，直接进行搅拌桩再堆载能满足工程质量要求，还可缩短工期。

⑷ 与先打桩后堆载的方式相比，先堆载后打桩处理下，土体的形变发生时间更长。堆载区在打桩后100 d 仍有缓慢的水平位移发生，而桩区在打桩后50 d 所产生的水平位移已非常小。

⑸ 先预压堆载后打桩处理地基方式沉降量较小更适合上部荷载较大的工程，而先打入搅拌桩再堆载能够更好地控制土体水平位移，适用于上部荷载较小的工程。