天府国际机场某压实填土地基沉降预测

2021-06-04陈华平王庭勇李科学

四川建筑 2021年2期

陈华平，王庭勇，李科学

(四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川成都 610000)

中国红层分布最广的是四川盆地，面积达26×104km2以上，主要为砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、砂质页岩、砾岩、砂砾岩等构成，红层总体上具有成岩时间短、固结程度较低、属于软化岩石、崩解速度快等特点。根据工程实践经验，红层地区大部分的高填方填料为砂岩、泥岩，其工程特性表现为巨大的差异性。本文依托详细勘察报告，对场地红层砂泥岩填料进行了工程特性和沉降分析，为后期工程建设提供参考。

1 工程概况

天府国际机场场址位于龙泉山东麓，四川盆地简阳市西部。工作区内原始地貌以浅丘宽谷地貌为主，地形起伏不大，丘坡圆缓，河谷呈宽缓对称“U”字型，缓坡地带多为旱地及荒坡，自然坡度10～30 °(图1)。

图1 天府国际机场原始地形下典型地质纵断面

场平后工作区内地层主要构成为：第四系全新统人工填土层(Q4ml)、第四系全新统坡洪积层(Q4pl+dl)及侏罗系上统蓬莱镇组中段(J3p2)基岩。

根据详勘资料压实填土(场平回填土经过分层碾压)场地内厚度可达16.1 m，地基处理土(对场地软弱土进行地基处理，场地内主要处理方式为插板预压、碎石桩处理)厚度可达8.1 m，其下部为强—中风化泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩。

场地内压实填土分为块石土和碎石土，块石土中块石粒径一般为200～500 mm之间，最大可达1 000 mm，块石成分以砂质岩(泥质砂岩和砂岩)为主，少量的泥质岩(泥岩、砂质泥岩)，其中砂质岩风化程度低，局部泥质岩风化较为明显，黏性土及粉质土、碎石土充填，局部有架空现象；碎石土中碎石粒径一般为20～50 mm之间，碎石成分以砂质岩和泥质岩为主，其中砂质岩不易风化一般呈细颗粒状，泥质岩多风化呈土状及细颗粒状，黏性土和粉质土充填。

2 沉降分析

高填方机场地基比较复杂，能够影响到沉降的因素比较多，相互关联，理论计算沉降的方法无法周全的考虑到各种因素的影响。各种因素原因分析见表1：

表1 压实填土沉降影响因素[1]

2.1 经验公式法

(1)劳顿和列斯特公式：S=0.001H3/2

(2)顾慰慈公式：St顾=KHne-m/t

(3)戈戈别里德捷公式：St戈=-0.453(1-e-0.08H)e0.693/t1.157

(4)除模型外，很多国家建立了经验公式，比较有代表性的是德国和日本的公式：S工=H2/3000

计算结果见表2：

总体上，以上公式中只考虑了填方体高度这个唯一指标，而没有考虑到填方体材料的变形模型和工程加载速率以及下部地基处理土的自重固结沉降等因素，因此用该方法计算的结果是非常粗略，同时结合监测资料其结果总体偏小。

表2 经验公式法计算压实填土工后沉降量

2.2 回归分析法

2.2.1 指数曲线法[2]

根据太沙基的固结理论，孔隙水压力随时间变化过程呈指数曲线关系，对于线弹性土体，应力定义固结度U6。等于应变定义固结度Us.所以，土体的压缩过程理论也符合指数曲线关系。曾国熙建议地基固结度用式(1)计算:

U=1-αexp(-βt)

(1)

2.2.2 双曲线法

Sridharan等指出，当60 %

任意t时刻的沉降量计算公式为式(2)：

(2)

选取场地4个点位进行回归分析，选取的点位为BC327、BC328和BC352、BC355，其中各个点位基本情况见表3。计算结果见图2～图5。

表3 拟合监测点基本情况 m

基于上表指数函数和双曲线函数的拟合结果，总结于表4。

表4 各监测点剩余沉降量预测拟合结果 mm

(a)沉浮曲线

(b)回归图图2 BC328变形监测表层沉降曲线及回归图

(a)沉浮曲线

(b)回归图图3 BC327变形监测表层沉降曲线及回归图

根据地表沉降监测曲线，去年强降雨期间(6～8月)沉降量都有陡降的趋势，说明强降雨对填土区的沉积作用影响尤为明显，地表水渗入压实填土，填充土体孔隙，使填土逐渐变成饱和土，在地下水的作用下，土体会发生“软化” 。对于填土地基，若土体密实度过小，降雨或者地下水对于沉降的影响作用就较大，短时间内产生的沉降量就较大些；若土体密实度较大，降雨对地基沉降的影响作用就较小，每一次降雨过后，在上部荷载压缩作用下密实度就大幅度提高，同时也削弱了下一次降雨对地基沉降的影响，因为填土体越来越难以被压缩。

(a)沉浮曲线

(b)回归图图4 BC352变形监测表层沉降曲线及回归图

(a)沉浮曲线

(b)回归图图5 BC355变形监测表层沉降曲线及回归图

本次地基检测勘察对BC328、BC327、BC352、BC355的拟合结果，无论是采用双曲线拟合还是指数函数拟合，总体上监测点还有较大的沉降趋势，最大的拟合结果剩余沉降量可达80.9 mm左右，虽然拟合结果仅为暂估值，但还是具有一定的参考意义。

2.3 建筑规范法

2.3.1 地基沉降量计算[3]

土中的孔隙数排出，孔隙水压力转换成有效应力，土体组件压密产生的体积压缩变形。根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》所推荐的最终沉降计算公式见式(3)：

(3)

2.3.2 填筑体自身重力固结

高填方填筑体是逐层填上去的，填筑体自身在重力作用下固结。假设i层填筑体厚度hi，压缩模量Esi，第i+1层厚度hi+1，压缩模量Esi+1，以此类推(图6)：

图6 填筑体自身固结沉降示意

当第i层填筑完成后，填筑第i+1层。第i层在第i+1层的重力作用下固结，竖向固结量为式(4)：

(4)

填筑完第i+2层后，第i层在第i+2层的重力作用下固结，竖向固结量为式(5)：

(5)

式中:ri为第i层容重。

填筑完第i+3层后，第i层在第i+3层的重力作用下固结，竖向固结量为式(6)：

Si(3)=ψshi+3+rir+3[(hi+hi+1+hi+2)αi(3)-

(hi+1+hi+2)αi+2]

(6)

填筑完第i+k层后，第i层在第i+k层的重力作用下固结，竖向固结量为式(7)：

(hi+1+hi+2+A+hi+k-1)αi+k-1]

(7)

第i层在上覆k层土的重力作用下固结沉降的总量为式(8)：

(8)

则整个填筑体自身总的沉降量为式(9)：

(9)

式中：n为填方区段填筑体总的层数。

根据详勘报告以及利用详勘报告的参数，选取场地内的一个典型剖面，从各剖面原地基覆盖层左端点开始，每隔10 m设定一个沉降点，得原地基覆盖层沿剖面线方向上的沉降规律。

场地内填方后典型剖面见图7。

图7 场地内填方后典型剖面地质模型概化

根据分层总和法原理，填筑体总沉降量为原地基总沉降量与填土自身沉降量之和，结果如图8所示。

图8 分层总和法沉降分析(单位：mm)

如图8，5号点地基处理土厚度为6.29 m，上部压实填土厚度为14.75 m，根据分层总和法计算得到的沉降量可达829.9 mm，整体上，总沉降量与原地基土层和压实填土厚度呈对称分布，剖面左侧和右侧与中部的沉降量差别较大，主要由于左右和右侧的填方高度较小，没有原地基土。在压缩模量相同的条件下，按照规范法计算的填筑体自身沉降、总沉降等与实测的工后沉降之间没有相关关系，总体上按照规范法计算的总沉降量较为偏大，主要可能由于取值偏小，但要采取准确的参数值，对于填土地基在工程上是一大难题。

2.4 各种方法实用性及优缺点

经验公式法主要是预测填方地基工后的总沉降量，需要大量的相似工程实践作为依据才能保证其准确行在尚没有积累大量经验的情况下，运用经验公式，是非常容易出现偏差的。

曲线拟合方法是根据已有的观测数据来推算未来沉降的一种方法，但是实际观测的数据并不像理论上那么一致，往往观测的数据存在偏差，或者由于前期观测量周期的不足，造成曲线的拟合度较差，所以这两种方法对观测数据量的要求非常大，在观测周期不够长的情况下，也容易存在较大误差的。

分层总和法计算沉降是计算的填土分层沉降和下部地基处理土自重固结沉降之和，并不受观测数据的影响，但是分层总和法的计算过程中需要用到反算的压缩模量，而压缩模量的反算也是存在一定的误差，由于压缩模量的取值偏小，于是造成在计算过程中沉降量过大。实验相对于实际工程而言，最大的问题就是应力的相似性，而仅仅的压缩实验，并不能够完全保证其与实际工程中的一致性，总体上分层总和法不太实用非饱和粗粒土计算，实际计算值存在很大误差。

总体而言，各种方法均存在其优点和缺点，只有积累更多是工程经验，运用多种方法相互比较，才能科学合理的评价和预测高填方地基的沉降。另外，在实际过程中，应该以地表观测点的数据作为最基本的推算和参考依据，故曲线拟合法相对具有一定的参考意义。当地表的预测数据产生较大偏差时，再深究其分层沉降和原地基沉降的数据分析其原因。