软土地基填海机场堆载预压沉降预测分析方法

刘光庆 葛红斌 刘海旺 涂 园 王奎华

(1.福建兆翔机场建设有限公司, 福建厦门 361001； 2.浙江大学建筑工程学院， 杭州 310058)

近年来，我国的民用航空行业发展迅速，尤其在近海海域的民航机场建设方面发展迅猛。在近海海域机场工程的建设过程中，地基沉降问题需要特别关注，这将影响到机场的设计、施工和运营阶段全过程的安全性[1]。当前，近海海域机场建设中地基工程主要有以下几个难点：1)近海海域的大规模填海工程带来大量填土荷载引起的地基沉降问题；2)近海海域地基中常存在淤泥层等物理力学性质较差的土层，其固结较慢，引起的工后沉降和差异沉降过大等问题；3)机场建设面积大，各功能区的沉降要求不同，地层分布差异大，不易全面准确地预测和掌握全场区的地基沉降情况。为了解决这些问题，对机场建设过程中的沉降进行预测显得尤为重要。

目前，研究人员在机场建设的地基沉降问题上主要从实测沉降曲线拟合分析[2-5]、模型试验[6]、理论解析法[7-8]以及有限元模拟[9-10]等方面开展研究，并已取得一定的成果。吴彪等在理论计算方面，通过简化参与沉降计算的岩土层数量与总沉降的计算方法，得出软土地基机场合适的沉降修正系数值，并得出符合沉降控制标准的堆载预压参数[11]；韩培锋等通过强夯试验模拟飞机起飞降落时荷载循环冲击，研究了软土地区机场跑道沉降变形对机场安全运行造成影响，并发现随着冲击荷载次数加，软土的沉降量开始快速增大，随后沉降量增速减缓[12]；吴王刚等研究了三种实测沉降曲线拟合法(指数曲线、对数曲线和双曲线) 预测软土地基的效果，并将预测结果与成都天府国际机场某试验段监测点数据对比，发现在监测周期内不同监测时间段和不同软土厚度，三种预测方法的误差规律不同[13]；潘林有等分析比较了四种曲线拟合法的基本原理及其特点，并根据多个工程实测沉降资料，研究了这四种方法的适用条件以及优缺点，提出了应用曲线拟合方法预测实际工程地基沉降的具体技术思路[14]；何春保等通过试验研究了潮汕机场软土地基处理效果及沉降规律，并提出了适用于潮汕机场软土地基处理沉降估算算式[15]；孙晨等以重庆机场为例建立理论模型并进行数值分析，得到地形影响沉降变形的基本特征，并开展离心机模型试验，研究高填方填筑体沉降变形的特点，为后续的高填方工程提供指导等[16]；张云冬等研究了真空预压地基土体的沉降发展规律等[17]。

然而，在已有的研究中，对机场施工建设过程中的沉降预测方面缺乏系统的研究，在沉降预测时一般采用单一的计算预测方法，尤其在软土地基机场建设方面的沉降预测方面缺乏有效的计算方法。基于厦门某在建软土地基填海机场工程，根据实测沉降，分别从曲线拟合法、理论解析法和有限元数值模拟法三个方面对机场建设过程中的沉降量和工后沉降进行预测，并对三种计算方法的预测沉降量对比分析，得出机场不同功能区的沉降分布特点，对类似填海机场的沉降预测方面提供一些借鉴。

1 工程概况

某机场位于厦门本岛以东海域、翔安区东南方向，北与泉州南安相望，南与台湾省金门岛一衣带水，西与厦门本岛远眺，东与角屿岛相近。场区范围包括大嶝岛东部部分陆地、大小嶝岛间的浅滩区及大嶝岛周边的部分海域。距离厦门岛市中心直线距离约25 km，距泉州约44 km，距漳州约72 km，机场主要为填海造地形成，填海区域分布有厚薄不一的软土层，而机场建设范围大，机场范围内存在大面积软土分布。软土本身具有高压缩性、低强度等特性，易产生较大的沉降和不均匀沉降。

1.1 工程地质条件

图1 机场跑道地基的典型剖面

机场范围内的软土厚度分布情况如图2所示。为加速地基软土固结，达到机场建设沉降设计标准，在填海完成后，采用插板排水堆载预压加强夯的方式进行地基处理，并在地基预压阶段在全场区设置沉降板进行沉降监测。

图2 淤泥厚度分布情况

1.2 功能分区和计算测点

新机场计划分两期实施建设，首期将建设北一跑道、南一跑道两条远距平行跑道和T1航站楼及配套交通工程，远期将建设北二、南二跑道和T2、T3航站楼及配套交通工程。为了掌握不同功能区的地基处理效果和沉降特性，按照不同功能区将全场区的土地标准进行功能区划分，分别为飞行跑道区(北一跑道、北二跑道)、联络道和站坪区、土面区和建筑区四个主要部分，其中建筑区(航站楼)设计采用桩基础，工后沉降易控制到较小程度，未进行沉降预测。表 1给出了不同功能区代表性测点预压阶段监测沉降量。

表1 不同功能区典型测点预压阶段监测沉降量

2 沉降计算预测方法

2.1 实测沉降曲线拟合法

研究发现，地基的沉降量与沉降时间表现出一定的规律性。基于此，可以借助曲线拟合的方法来处理地基沉降数据，最终得到地基沉降的预测算式，来对未来的沉降发展趋势进行预测，此沉降计算方法即为基于实测沉降观测资料的曲线拟合沉降预测方法。

目前的预测方法都是以式(1)为基础：

st=sd+(s∞-sd)f(t)

(1)

式中：st为时间t时的沉降量；sd为瞬时沉降量；s∞为最终沉降量(由沉降曲线推算的沉降量)；f(t)为与时间t有关的函数。

根据f(t)的函数形式，可分为不同的预测模型，经过对场区内大量测点的实测沉降-时间曲线拟合后，认为最适合机场地基中的预测模型为指数曲线法。此时的f(t)为：

f(t)=1-e-α(t-t0)

(2)

式中：α为拟合系数，取值与沉降数据有关，利用MATLAB编程可直接返回该值，然后利用该值对进一步的沉降发展作预测；t0是指最后一级荷载开始的时间(天数)。

2.2 理论解析方法

2.2.1一维固结理论和流变模型

采用一维固结理论进行固结沉降分析，计算原理采用Yin-Granham等效时间线流变模型[18](图3)，在等效时间线模型中，弹性应变与有效应力的关系构成瞬时时间线，用方程表示为：

图3 平行等效时间线流变模型示意

(3)

弹性应变与塑性应变之和为弹塑性应变，其与有效应力的关系构成参考时间线，用方程表示为：

(4)

黏性应变与时间的关系构成平行的等效时间线族，用方程表示为：

(5)

(6)

式中：te为计算时间。

2.2.2排水板等效一维固结

在地基处理设计方案中采用打设竖向排水板的方法加速地基固结速率，在一维固结理论中为考虑排水板对固结速率的影响，以等效的竖向渗透系数进行计算分析。

考虑将淤泥层的三维固结系数等效为一维固结系数，其计算式如式(7)，其他相关计算参数值如表2所示。

(7)

其中对于理想井:

考虑井阻和涂抹作用:

式中：cv和ch分别为竖向和水平向固结系数；n为井径比；kh为土体水平向渗透系数；ks为砂井材料渗透系数；de为砂井影响区直径；h为土体最大竖向排水高度。

表3给出了排水板等材料的相关计算参数。表2中的渗透指数是在描述土体孔隙比与渗透系数之间的非线性关系中所使用的过程参数，由于堆载过程中的土体孔隙比在变化，所引起的渗透性也发生变化[18]。

表2 一维固结沉降计算相关地质参数取值

表3 排水板计算参数

2.3 有限元模型分析

采用ABAQUS有限元法对预压土体的固结问题进行分析，ABAQUS可以对土体的渗流和变形进行耦合分析，研究土体的固结问题。ABAQUS进行土的固结分析时，可以考虑土的非线性，即可以采用土的任何本构关系，可以考虑土体的大变形固结，进行饱和土体的固结计算。以北一跑道A区附近区域为例详细说明建模过程，其余区域的建模与之相似。北一跑道A区位于机场填海二期区域，软土厚度范围0～3 m。选择监测点SS13-84(距跑道轴线15 m)、SP1-5(距跑道轴线35 m)，位于同一横断面上，如图4所示。

图4 北一跑道上勘探孔位置示意

由该沉降监测点附近的勘探资料(勘探孔SZ186，勘探断面16—16)可以得到地层分布，淤泥厚度为2.64 m，粉质黏土厚为3.7 m，残积砂质黏土厚为10.3 m，全风化花岗岩厚为11.3 m(只考虑到全风化岩层以上)。土体屈服准则采用摩尔-库仑土体模型，并考虑土体理想弹塑性变形，填土区域选择平面应变CPE单元，地基区域选择孔压单元CPE4P。所建地基及填土模型有限元网格图如图5所示。

图5 地基及填土模型有限元网格

利用ABQUS单元生死功能，可实现对地基分级加载。各级堆载下的地基沉降变形情况见图6，为显示地基变形效果，图中的地基变形设置显示比例较大。

a—第一级堆载; b—第二级堆载;c—第三级堆载; d—第四级堆载。

3 沉降计算结果与对比

3.1 曲线拟合法预测效果

指数曲线实测沉降拟合法可在MATLAB程序中完成，图7是部分拟合测点与实测沉降结果的对比情况，其中起始拟合时间为最后一级预压荷载填土完成开始，一直到沉降监测停止结束。

a—P2-3点； b—P2-5点； c—P2-28点； d—P2-37点。

3.2 理论分析法预测结果

由于同一勘探孔附近的地基上的填土荷载基本相同，因此理论分析得到的地基沉降结果仅与地层条件有关，部分勘探孔及附近的测点沉降理论计算结果与实测沉降曲线的对比情况如图8所示。

a—探孔P2-31、P2-7； b—探孔SP1-8、SP1-9、SP1-10； c—探孔P2-40、P2-42。

3.3 有限元分析预测结果

有限元计算基于单个测点的荷载及地层条件进行的，考虑了荷载的分级加载过程。部分测点的计算结果与实测曲线对比情况见图9～11。

图9 测点P2-39沉降计算结果与实测对比(淤泥厚度10.9 m)

图10 测点P2-31沉降计算结果与实测对比(软土厚度11.3 m)

4 沉降预测计算结果对比

根据上述三种沉降计算方法，对机场全场区的堆载预压期的沉降现状进行计算，并根据堆载预压期的沉降计算结果，对堆载预压期固结度的计算结果进行对比，分析三种方法的结果的准确程度，用于指导机场后续施工及运行荷载作用下的工后沉降。堆载预压期的固结度，是指在最后一级填土荷载作用下，地基土体的平均固结度，用以判断堆载预压期主固结沉降是否达到稳定，检验是否达到地基处理的预期效果。按JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》要求，一般堆载预压处理地基设计的平均固结度不宜低于90%。以下给出了各功能区部分测点在堆载预压期的固结度，固结度预测的时间统一至2019年6月1日，即该时间点下的各区域堆载期的平均固结度。结果表明，不同沉降测点的预测沉降和平均固结度的计算结果差异不大，而且主固结基本完成。

表4 部分测点沉降预测结果对比情况

5 结束语

依托厦门某在建机场项目，通过指数曲线拟合法、考虑流变模型的一维理论解析法和有限元数值法三种沉降预测计算方法，计算了填海机场软土地基预压固结期的沉降量及平均固结度，并与实测沉降曲线进行对比分析，得出的主要结论如下：

1)三种预测方法计算得到的沉降量及固结度差异不大，能够较为准确地说明机场地基堆载预压效果。

2)三种预测方法的计算结果与实测沉降曲线较为一致，其结果可以相互比较，以用于研究软土地区沉降发展规律。

3)机场在建区域已有部分测点在最后一级堆载预压荷载作用下的平均固结度超过90%，主固结沉降已基本完成。