大面积软基处理过程中的沉降预测研究

谢赛军

（通号建设集团有限公司 长沙410205）

0 引言

随着乡县城市化的进程，城市公共建筑的建设发展如火如荼，土地资源变得越来越紧缺，这就使得一些大面积的软土地基不得不被利用起来。大面积的软土地基含水量极大，整体不均匀沉降现象非常严重，常常会出现地基坍塌的情况，严重影响了建筑物使用过程中的安全、适用与耐久性能。为了改善大面积软土地基的物理与力学性能，在真空预压方法的基础上，联合堆载预压的方法去提高软基承载力。真空联合堆载预压处理方法改善了土体的物理性质，具有更好的承载力［1］。

软基通过真空联合堆载预压方法处理，一般由实测的地基沉降数据去计算预测地基的沉降趋势曲线。目前，国内外学者对各种软土路基沉降观测数据处理以及预测方法进行了研究。段天骁［2］重点研究了时距与数据对预测精度的影响，发现时距越短，数据越多时，用双曲线法精度最高。Hu等人［3］发现以砂石作为路基填料，路基沉降在1 年后才能稳定。李群［4］利用最小二乘法求解提高Richards 模型的预测精度。刘珣［5］采用Midas 计算模型对软土地基进行沉降量预测分析，通过与实测值得对比分析，发现了Midas计算模型的适应条件。何小飞［6］通过经验系数计算取值的方法去计算软土地基的最终沉降量，发现双曲线函数法适用于经验系数推算沉降的方法。张文婷［7］通过双曲线方法计算基础沉降量的过程中，为软土地基承载卸载提供了施工依据。李治朋等人［8］通过对比双曲线法与三点法预测软基承载力，发现双曲线法预测沉降量与实测法更为接近。各学者对软基沉降的预测研究很多，但是对沉降预测的结果还存在很大的不确定性，不同的计算模型的沉降量预测精度有所不同，需要进行进一步的深入研究。

基于经验双曲线法、Asaoka 法、三点法3 种计算模型，结合最小二乘法求解参数的计算方法，分别研究3 种计算模型的地基沉降预测，对比分析实测值数据，发现3种计算模型地基沉降预测的精度有所差别，最小二乘法求解参数的计算方法能提高地基沉降预测精度。

1 工程概况

1.1 地基环境

某工程项目软基处理总面积为50 万m2，采用真空联合堆载预压的方法，由浅至深，由表往内进行地基处理。工程项目的地基含水率很高，约在1.5～2.0倍，无砂性颗粒含量50%左右，胶粒含量30%左右，矿物成份以石英、伊利石、蒙脱石为主，有机质含量约在1%。该层顶标高约在5 m 左右，平均厚度约为8.5 m。工程地基土的物理特性试验结果，如表1所示。

表1 吹填淤泥及真空联合堆载预压后淤泥物理试验结果Tab.1 Physical Test Results of Dredger Fill Silt and Sludge after Vacuum Combined with Surcharge Preloading

1.2 地基加固

1.2.1 真空联合堆载预压参数设置

采用真空联合堆载预压区的面积为276 178 m2的吹填淤泥区域。设计预压荷载在真空膜下1.5 m 厚砂垫层，以及膜上0.5 m 厚砂垫层及2.5 m 厚土石料堆载，抽真空膜下真空度不低于85 kPa，总的预压荷载为161.5 kPa，使用荷载为50 kPa。真空联合堆载预压抽真空有效时间为210 d。堆载卸载标准可按固结度不低于80%，且沉降速率不大于4 mm/d的要求后方可卸载。

1.2.2 加固后的物理试验结果

在进行真空联合堆载预压后取浅层的淤泥（或淤泥质土）进行土工试验，物理参数如表1所示。

对比分析表1，在加固后，土的工程物理性质有显著改善，主要表现在：

⑴含水率由181%降至约66.9%，湿密度由1.25上升至1.58左右，可见软弱吹填淤泥层得到有效加固；

⑵液性指数由4.08 下降至1.14 左右，说明其流动性越来越低；

⑶土体孔隙比由5.62 减小至1.88 左右，证明软土经排水加固后得到良好效果。

2 沉降预测分析模型

2.1 经验双曲线法

经验双曲线法是沉降速率以双曲线的形式逐渐变小的推导经验方法，是软基沉降量与时间的函数关系，预测的最终沉降量关系如式⑴所示［9］。

选择恒载后的第1 d的沉降数据为计算起点，第td对应的地基沉降量为St，软基沉降量关系如式⑵所示［9］。

式中：S∞为地基最终沉降量；S0为t=0 时的地基沉降量；St为对应t时刻的地基沉降量；α、β为与地基及荷载有关的常数，可按式⑷、式⑸计算；t为从恒时间T0开始的时间（d），下同。

计算参数α、β，可将式⑵转换成式⑶。

令y=1/（St-S0），x=1/t，则式⑶转换为y=β+αx，根据监测数据使用最小二乘法可以求出参数α、β：

式中；n为x的个数，即恒载T0之后沉降测量的次数，字母上横杠表示平均值。

计算相关性判定系数R式中：r为相关系数。

当式⑹中计算的R≥0.90 时，表明相关性好；当0.90＞R≥0.6 时，表明相关性一般；当R＜0.6 时，表明相关性差。

2.2 Asaoka法

Asaoka 法［10］就是利用沉降数据对参数进行求解，求得的参数推算出预测的沉降量。

⑴选择恒载后的第1 d（或随后2～7 d 中任意一天）的沉降数据为计算起点，令该时间对应的地基沉降量为初值S1。

⑵选择间隔时间段△t，一般7 d≤△t≤20 d。

⑶ 计算时间ti=t1+（i-1）×△t，对应的沉降量为Si（1≤i≤j），统计S共有j个数据。

令x=（S1，S2，…，Sj-1），y=（S2，S3，…，Sj），假定y=β+αx，根据沉降数据S使用最小二乘法可以求出参数α、β，同样采用式⑷、式⑸及式⑹可分别计算出α、β及拟合的相关性判定系数R（此处计算时取n=j-1，字母上的横杠表示平均值）。

则令y=x时，可计算得到最终沉降量：

2.3 三点法

三点法就是固结度对数配合法，三点法选取的沉降数据点不同，可能会造成固结度计算以及沉降预测的差异。

⑴选择恒载后的第1 d的t1（或随后2～7 d中任意1天）为计算起点，其对应的沉降量为S1。

⑵选择计算终点日期t3，并自动确定相应的沉降量S3。

⑶ 计算确定中间点t2=（t1+t3）/2，注意t2为日期值，取整数，并自动确定该时间相对应的沉降量为S2，推算出地基最终沉降量：

3 沉降预测与实测值对比分析

3.1 实测方法

软基表层沉降实测值通过测量地表沉降量及沉降过程，对软基安全风险进行分层分级应对［11］，同时掌握土体在荷载作用下的沉降变形，通过人工监测沉降板测得的沉降数据具体数据如表2所示。

表2 真空联合堆载预压期间地表沉降与时间关系曲线Tab.2 Relationship between Surface Settlement and Time during Vacuum Combined Surcharge Preloading

3.2 3种模型的预测值与实测值对比

根据软基在恒载预压210 d 的情况下，结合软基预压沉降数据实测值，通过最小二乘法求解经验双曲线法、Asaoka 法及三点法3 个模型的经验参数，最后通过模型预测的沉降值与实测值进行对比，如图1 所示，具体数据如表3所示。

图1 3种方法沉降预测值与沉降实测值拟合曲线Fig.1 Fitting Curve of Settlement Predicted Value and Settlement Measured Value by Three Methods

由图1 可知，3 种方法沉降的预测值拟合曲线与沉降实测值拟合曲线趋势较为一致，3 种方法都可以很好地预测后期沉降值。

由表3 可知，经验双曲线法的预测最终沉降值与实测最终沉降值较为接近，偏差率为4.2%，Asaoka 法沉降预测最终值与实测值最终沉降值相差最大，偏差率为7.3%，三点法沉降预测最终值与实测值最终沉降值相差较大，偏差率为6.3%。通过比较，此工程项目的大面积软基真空联合堆载预压的沉降预测精度上，经验双曲线法的沉降预测精度最高，三点法次之，As⁃aoka法沉降预测精度最差。

表3 3种模型沉降预测结果Tab.3 Settlement Prediction Results of Three Models

4 结论

结合某工程项目大面积软基的含水率很高，地基承载力差，地基土的物理特性不良的情况下，在真空预压的地基处理方法的基础上，联合堆载预压的方法去改善地基土的物理与力学性能，同时结合经验双曲线法、Asaoka 法以及三点法模型去预测软基的地表沉降，并与实测值进行分析对比，可以得到以下结论：

⑴真空联合堆载预压方法可以有效地处理大面积的软基，软弱吹填淤泥层得到有效加固，地基土的物理性能得到显著的改善。

⑵通过对比3种方法预测基础的沉降，可以发现3种方法预测沉降的拟合曲线与实测值拟合曲线较为一致，预测最终沉降值与实测最终沉降值偏差都相对较小，但经验双曲线法的沉降预测精度最高，三点法次之，Asaoka法沉降预测精度最差。