不同处理方法下的软土地基沉降监测分析

郭 峰

(珠海富山工业园投资开发有限公司，广东 珠海 519000)

1 概述

软土地基发生沉降会使道路整体结构出现破坏，从而降低地基承载力。目前，针对软土地基沉降变形问题，处治技术层出不穷，其中，排水固结法、强夯法及水泥搅拌桩复合地基处治技术是比较有效的措施。为了确保施工过程中的地基稳定性，通常对软土地基进行稳定性监测[1-3]，通过监测收集的数据，对不同软土地基处治方法的效果进行对比分析。

到目前为止，软土地基处治的研究已持续近百年，针对不同情况的软基，其处治方法也不相同，因此软土地基的处治方法也比比皆是，其中排水固结法、强夯法以及水泥搅拌桩复合地基处治技术被广泛应用于工程建设当中。

排水固结法是当表面敷设砂垫层后，软基在荷载或施加的冲击能作用下，土体内部的水分从排水通道排出土体内部，土的有效应力随着土孔隙水量减少而增加，超孔隙水压力逐渐消散，从而达到地基固结的目的[4]。

强夯法是在软土中加入碎石的同时采用夯实机械进行夯实，进而形成碎石墩，土体与碎石以及碎石墩会形成复合地基，从而提高承载力和降低沉降[5]。

水泥搅拌桩是一种技术成熟的软基处理方法，处理后的地基属于柔性桩复合地基[6]。加固机理是在钻好的地基孔内灌入水泥水合物等固化剂，与周围的原位土混合发生物理化学反应形成强度较大的复合土体，多个钻孔的复合土体形成的复合地基可提高软土地基的整体稳定性和承载力，且可降低基础的沉降和变形量[7]。

2 监测断面布置

某港口大道全线软土地基处理方式主要为固结排水、抛石强夯和水泥搅拌桩复合地基处治技术，其中排水固结法为软土地基处理的最基本方法，其包括：堆载预压法、塑料排水板联合超载预压法和袋装砂井联合超载预压法。

在本工程中，工程监测断面设置分为一般断面和典型断面两种，一般断面布设监测断面为表面沉降(3个，线路中心及两侧路肩)、边桩(8个，路基坡脚两侧)；典型断面布设表面沉降(3个，线路中心及两侧路肩)、边桩(8个，路基坡脚两侧)、分层沉降(1孔，线路中心处不同深度、4个磁环)、孔隙水压力计(4个，线路中心处不同深度)；部分监测布设点如表1所示。

表1 软土路基路段部分监测布点统计表

在监测元件埋设后经调试，各项技术指标满足要求，并经多次测试后获取其初始值。本工程采用的主要仪器如表2所示。

表2 软土路基监测主要仪器一览表

3 监测成果及分析

3.1 地表沉降与分层沉降

地表沉降反映了路基在上覆荷载作用下，地基土竖向压缩变形的情况。施工监测中进行表面沉降监测的主要目的有两个：一是根据表面沉降速率大小大致判断地基的稳定状态，指导填土速率；二是根据表面沉降发展趋势和组成预测工后沉降，指导卸载时间。软土路基路段加载时间总计达21个月之久，达到加载时间后全线软土路基段卸载。在软土路基处理过程中，选取监测地点K2+520处为代表，实测填土高度—时间—沉降的关系曲线，如图1所示，结果表明：随着填土厚度和加载时间的增加，中沉降板与左沉降板的沉降量增加，当填土厚度达到40 dm，加载天数达到270 d时，中、左沉降板的沉降量几乎达到峰值，之后沉降量增长极其缓慢。

分层沉降是指不同深度以下土体总压缩量，通过分层沉降测试，可以了解地基沉降的组成情况。选取K12+210处为代表，实测典型分层沉降—荷载—时间曲线图如图2所示。由图2可知，随着时间和荷载的增加，不同深度处的磁环沉降量总体上逐渐增加，磁环埋深越浅，其沉降越显著；填筑期各曲线斜率较大，说明各磁环沉降速率较大；填筑结束，进入恒载期后，曲线形状逐渐趋于平缓。

3.2 排水固结法处理的沉降监测

铺设砂垫层之后，开始填筑第1层碾压土时，沉降发展较快，体现了软土地基的松软特征，该沉降主要包含砂垫层密实压缩和瞬时沉降。后续加载过程中，沉降量随荷载的增加而迅速增大，加荷间歇期和停荷恒载期沉降继续增加，但全线不同路段在加荷过程中的沉降量增加是不均衡的，由于地质条件、处理方法及施工情况不同，路基纵向沉降比较大，累计沉降量为0.112 m～1.548 m。从路基沉降横向大小分布情况来看，路基中心沉降量比两侧大，沿路线横截面方向形成沉降盆，主要是因为填土荷载在路基中心处各土层中产生的附加应力较两侧路肩大，导致中心处地基土排水固结变形较大而造成。

填土期间沉降速率增大，在预压土填筑期间各路段均出现最大值，部分统计数据见表3，数据显示各软土路基路段最大沉降速率在25 mm/d～70 mm/d之间。其中，最大沉降速率对应K2+800～K2+300路段(测试断面桩号为K3+080，K3+215)，该处原为大水塘，先采用吹填砂(深度约10 m)形成路基，后采用塑料排水板联合堆载预压处理，但沉降速率衰减较快，在停载7 d～9 d内，沉降速率减小至10 mm/d以下。在填土施工间歇期，沉降速率逐渐减小，表明在恒载条件下地基土排水固结，沉降速率减缓。在预压期间，沉降速率随时间延长而逐渐降低：恒载开始阶段最大沉降速率为47.0 mm/d，预压期至2个月时沉降速率为0.2 mm/d～1.5 mm/d，卸载前沉降速率为0.1 mm/d～1.0 mm/d。

表3 排水固结法处理软土部分路基段沉降统计表

3.3 抛石强夯法及水泥搅拌桩复合地基处治技术

与排水固结法处理软土路基相比，抛石强夯法和水泥搅拌桩复合地基处治技术的处治效果更好，水泥搅拌桩复合地基最大沉降量为14.1 cm，实测沉降历时曲线见图3，最大沉降速率约为6.0 mm/d；抛石强夯路段最大沉降量为9.6 cm，最大沉降速率约为9.0 mm/d，沉降速率均满足垂直位移不大于10 mm/d的要求。

4 孔隙水压力及地表变形

4.1 孔隙水压力

地基中孔隙水压力是指在路堤填土荷载(附加应力)作用下的孔隙水压力增量—超孔隙水压力，其增长与消散规律反映了软土路基的排水固结特性和有效应力的变化规律，分析孔压资料可以掌握探头所处深度土体的固结状态和所处的变形阶段(弹性阶段或塑性阶段)，据此判断土体是否处于稳定状态，用以指导填土速率，合理安排施工进度。图4为实测较为典型的孔隙水压力随填土荷载与时间变化过程关系曲线。

4.2 地表水平位移与深层侧向位移

地表水平位移及垂直变形情况反映了路基坡脚外一定范围内地表变形情况，其位移特征与路基稳定性存在密切关系，实测代表性的路堤填高—时间—边桩位移时程曲线如图5所示，从图5中可以看出，在加荷初期，随着荷载增加，边桩位移亦向外增大，靠近坡脚处边桩位移变化较为明显，边桩位移大小与地形特征有关，临河或临水塘处边桩位移较大。

深层侧向位移直观地反映了地基不同深度土体在路堤填土荷载作用下沿水平方向的位移量大小，是判断地基是否稳定最直观、最有效的方法。采用排水固结法处理软土路基过程中实测典型的侧向变形随深度变化曲线如图6所示。

由图6可知，侧向位移主要发生在深度20 m范围内，考虑软土路基的处理深度，最大侧向位移发生在地下4 m～9 m范围内。侧向位移随时间(荷载)增加而逐渐增加，且填土期间侧向位移增加，填土间歇期及恒载预压期侧向位移发展速率逐渐减小，甚至出现回缩，表明路基在路堤加载全过程中处于稳定状态。

5 结语

通过对软土地基的沉降监测，结合软基处理常用的三种处理方法，对路基施工过程中和完工后的软基沉降情况进行分析，得到以下结论：

1)在排水固结法处理软基中，从路基沉降横向大小分布情况来看，路基中心沉降量比两侧大，沿线路横截面方向形成沉降盆；分析路基沉降变形速率曲线，得出施工前期软基沉降变形速度快，后期逐步趋于稳定。

2)分析全线断面中的沉降监测数据，得出与排水固结法处理软土路基相比，抛石强夯法和水泥搅拌桩复合地基处治技术在软土地基沉降控制中效果更好。

3)根据地表沉降速率大小可以大致判断地基的稳定状态，指导填土速率；且根据表面沉降发展趋势和组成可预测工后沉降，指导卸载时间；通过分层沉降测试，可以掌握地基沉降组成情况。

4)孔隙水压力的增长与消散规律反映了软土路基的排水固结特性和有效应力的变化规律，分析孔压资料可以得到探头所处深度土体的固结状态和所处的变形阶段(弹性阶段或塑性阶段)，由此判断土体是否处于稳定状态，以便指导填土速率，合理安排进度。