高压缩性黏性土高填方工程沉降控制试验研究

孙鸿玲　王涛　林山东　胥云　王世玉　刘秋林

【摘 要】近年来，页岩气开采力度逐渐加大，平台井建设过程中出现了越来越多的高填方工程。但是，由于页岩气开采平台建设工期紧张，做好回填土体的沉降控制是高填方工程需要重点解决的问题。文章介绍试验探究了土工格栅方法在高压缩性黏性土高填方工程中的加固效率，通过对回填土沉降量的观测，发现在回填过程中分层铺设土工格栅并逐层压实回填土能够有效控制高填方工程的沉降量，并总结了土工格栅法在高填方工程中的加固效率计算公式，为工程实践提供理论依据。

【关键词】高填方; 沉降控制; 高压缩性黏性土; 土工格栅法

【中图分类号】TU433【文献标志码】A

随着我国不断地大力推进页岩气的开采，以满足人们对于页岩气能源日益增长的需求，页岩气的勘探和开发的进程不断地推进，钻前工程的规模也越来越大，由于平台井的建设需占用大面积的场地，且钻前工程位置大多处于山区，井场经常采用半挖半填的方式，填方高度通常达到10 m余。就这些高填方项目的工期需求而言，施工方需要在很短的时间之内完成场地平整，倘若单纯采用传统碾压夯实的方法对高填方工程进行处理，会导致回填土未经充分压实，回填土深厚且不均匀，性质很不稳定，极容易形成地基的不均匀沉降。在此类场地上进行工程建设，有很大的风险。就页岩气的勘探开发而言，如何在保证高填方工程的沉降控制达标的基础上，施工得又好又快显得尤为重要。

众多学者对软土地基的不同加固方式[1-6]开展了大量的研究。张豫川等[7]通过数值模拟的方式研究了黄土蠕变试验条件下的高填方基础沉降，指出高填方基础的沉降稳定期为3～4 a，通常情况下工后沉降主要出现于回填完成后的1 a。殷建华等[8]通过理论研究总结了土工布加筋基础的一维非线性模型方程式的差分迭代格式，同时分析了夹有土工布的砂层对荷载传递的影响以及模型参数对加筋基础的沉降和土工布拉力的影响。张民[9]通过ABAQUS软件模拟高填方路堤，研究了土工格栅铺设间距、配筋长度以及地基土类型等因素对高填方填筑路基的影响，他提出铺设土工格栅能显著提高路堤的承载能力，且加筋间距越小，地基土的稳定性也越好。侯立成等[10]在基于ABAQUS的土工格栅对高填方路堤稳定性和变形特性分析的基础上，分析了土工格栅长度、拉伸模量和层数对路堤坡脚位移、安全系数和潜在滑动面的影响规律。他提出土工格栅加筋效应随着回填土的高度的增加，逐渐明显，同时土工格栅加筋后路堤的竖向位移和水平位移均有减小，且随着土工格栅长度、拉伸模量和层数的增加，高填方路堤滑动面位置上移。滑动土体体积减小，安全系数也逐渐呈上升趋势。Zhang等[11]通过模型试验和数值模拟，对比研究了强夯法和土工格栅加筋对改善填土地基力学性能的优缺点，并对模型进行了参数优化。吴敏[12]通过研究土工格栅层间距对地基承載力影响，提出地基承载力随着土工格栅布置间距的减小而增大，但随着土工格栅布置间距的减小，增长幅度逐渐减小，布置4层最为合适。

土工格栅的加固机理：

（1）分散应力机理：土工格栅韧性较强，在回填土中铺设土工格栅能使土工格栅与基础土体形成一个整体。同时在上部荷载作用下，土工格栅可以有效地控制基础土体的侧向变形，并进行荷载的分散，具备产生板体效应的能力，从而很大程度上减小了基础回填土的不均匀沉降。

（2）加筋补强机理：土工格栅具有较强的抗拉强度，同时土工格栅的网眼对土横向移动有制约作用，再加之土工格栅表面和土体之间的摩擦和对土工格栅以及相关节点的被动抗阻作用，从而促使土工格栅和土体能够形成结实的复合基地，促使回填土地基的抗剪切能力大大增强，能够有效防止基础土体出现疲劳破坏以及过大永久变形等问题。

本研究基于某地区页岩气钻前工程项目，通过土工格栅加固方式进行试验，分析上述土工格栅加固方式在模拟荷载作用下的加固效率，为高填方工程的加固提供理论依据。

1 试验概况

本次试验是基于某地区页岩气钻前工程项目开展的，该平台是一个典型的半挖半填工程，填方量超过10 000 m3，填土高度达10 m余。根据前期现场踏勘所取土样，西南石油大学土木工程与测绘学院土工实验室根据GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》（2008年6月确认继续有效）和YS/T 5225-2016《土工试验规程》进行了土工实验，得出现场土的物理性质、物理状态以及物理力学指标。经检测，现场土为饱和黏性土，疏松状态、高或中压缩性土、可塑状态、低灵敏度、抗剪强度低。

通过方案优选，综合施工效率、经济性以及绿色环保等各项因素，最终选用土工格栅为加固材料，按照要求给出高填方工程的地基试验方式如表1所示。

2 高填方工程加固模式

边坡设计采用土工格栅加筋并对护坡土工格栅进行包边，宽3 m，层间距0.6 m，达到稳定边坡的目的。土工格栅加筋护坡采用现场挖方、土体填土，每层填土经碾压夯实后加铺一层土工布，填土厚度由下往上逐渐增加，底层填土厚度为30 cm。采用土工布包边，边坡的坡率设置为1∶1，土工布加筋宽度为5 m。高填方加固模式设置具体如图1所示。

3 数据采集

本次试验沉降数据观测与采集采用静力水准仪终端沉降自动监测系统。静力水准仪测量系统由测量点、基准点、连通管、采集仪、数据存储及无线传输等部分组成，具有量程大、精度高、安装简便、体积小、重复使用以及智能化等特点（图2）。

本次试验共设置6个测点，其中编号为CH1～CH3的为经土工格栅加固的试验组测点，编号为CH4～CH6的为未经任何处理的对照组测点。测量系统由基准点、测点构成。其中基准点水准仪置于不动处作为基准点，测点位于高填方土体顶面。测点的沉降观测数据可远程传输到PC端，可实现全天候24 h不间断无人观测。通过观测测点的电压变化，计算出测点对应的沉降量，电压每变化0.08 V则表示土体发生了1 mm的沉降。

4 试验结果与分析

根据式（1）可以推算出测点处高填方土体的沉降量S：

式中：U1为测点起始电位差，U2为测点最终电位差，aS表示沉降量与电位差的相关系数，取12.5 mm/V。

根据式（2）可以推算出土工格栅对混凝土的加固效率η：

式中：S1为经土工格栅加固后的沉降量，S0为未经任何处理的土体沉降量。

根据表2计算可得，CH1～CH6测点最终沉降量分别为：1.56 mm、0.31 mm、0.44 mm、4.69 mm、5.125 mm、4.75 mm，加固后的1、2、3测点平均沉降量为0.77 mm，未经加固的4、5、6测点平均沉降量为4.86 mm。经加固后的高填方土体沉降量较未加固的减少了4.09 mm，沉降控制η效果高达84.16 %，达到预期沉降控制目标。

5 结论与建议

本文通过对某地区页岩气钻前工程平台的高填方工程沉降监测数据的统计、分析和比较验证，提出了一种适用于高压缩性黏性土高填方工程中控制土体沉降量的地基加固方法，总结如下：

（1）运用土工格栅法来控制高压缩性黏性土高填方沉降量效果显著。土工格栅法对高填方地基的加固效率高达84.16 %。

（2）总结了土工格栅对高填方工程的加固效率的计算公式，为未来工程实践提供理论依据。

（3）在高填方工程中，需确保填筑层的厚度、压实度等全部满足相关要求。在进行填筑施工时不能使用劣质土和含有杂质的土，而且进行填料时需要将透水性比较差的土质填筑在下层，上层使用透水性和强度都比较高的土质。

参考文献

[1]王锃，郑凌逶，罗嗣海，等.砂土地基强夯室内模型试验及加固特性分析[J].科学技术与工程，2020，20（18）：7394-7400.

[2]潘宇雄，杨永康，黄照雄.强夯+强夯置换法处理淤泥质土及上覆厚层填土试验研究[J].广东土木与建筑，2020，27（5）：15-20.

[3]李斌，赵健雄，胡建华，等.CFG桩复合地基施工过程的沉降数值模拟与分析[J].土工基础，2011，25（5）：31-34.

[4]王志勇.电渗法在软土路基处理中的应用[J].铁道勘察，2010（4）：54-57.

[5]焦丹，龚晓南，李瑛.电渗法加固软土地基试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011（S1）：3208-3216.

[6]黄涛，刘辉.强夯结合碾压控制高填方沉降的机理研究[J].西南交通大学学报，2007，42（2）：158-162.

[7]张豫川，高飞，吕国顺，等.基于黄土蠕变试验的高填方地基沉降的数值模拟[J].科学技术与工程，2018，18（30）：220-227.

[8]殷建华，李廷芥.土工布加筋基础的沉降和土工布拉力[J].岩土力学，1998，19（1）：20-26.

[9]张民.高填方土工格栅加筋路堤稳定性分析[J].天津建设科技，2020，30（5）：12-14.

[10]侯立成，靳静，路华丽，等.土工格栅加筋对高填方路堤稳定性的影响因素研究[J].公路交通科技：应用技术版，2020，16（8）：62-66+82.

[11]Zhang G L， Yang Y Y， Su F. Parameter Optimization of Geogrid-Reinforced Foundations Based on Model Experiments and Numerical Simulations. 2019， 9（17）：236-244.

[12]吳敏.土工格栅层间距对地基承载力影响细观研究[J].陕西水利，2018，（2）：187-200.

[定稿日期]2020-12-29

[基金项目]西南石油大学课外开放实验重点项目基金资助（项目编号：KSZ1980）

[作者简介]孙鸿玲（1973～），女，硕士，副教授，研究方向为抗震高层建筑结构抗震性能分析、建筑结构防灾减灾、岩土工程防灾等。