滨海软弱土地基处理沉降监测预测与数值模拟

李 伟 朱兵见 卢玉华 熊 浩

1. 方远建设集团股份有限公司 浙江 台州 318000；2. 台州学院建筑工程学院 浙江 台州 318000

浙东南沿海地区属于典型的软土地区，软土含水量高、孔隙比大、渗透系数小、压缩性高、强度低[1]。在深厚软黏土上建造建（构）筑物必须进行地基处理，否则会造成沉降量过大或者不均匀沉降，影响安全和正常使用。地基处理的方法主要有置换法、排水固结法、复合地基法、特殊结构法[2]。置换法适合处理浅层软弱地基，在深厚软黏土地区不适用；排水固结法处理深度一般在20～30 m，存在预压排水处理效果的不确定性和次固结沉降变形的影响；复合地基采用竖向或者水平向增强体和土体共同受力，可以提高地基承载力和压缩模量，降低工后沉降量，加固深度受到竖向增强桩体材料影响。

排水固结联合复合地基法处理软弱土地基[3]，既可以通过排水降低含水量，提高土体抗剪强度和地基承载力，又可以提高施工速度，减少工后沉降，应用十分广泛。由于工程地质条件复杂，理论计算与工程实际相差比较大。因此在地基处理过程中，地基沉降监测和预测十分重要。随着计算机科学的发展，数值模拟可以考虑不同的施工条件进行分析，辅助指导工程设计和施工。

本文通过温岭S1线场坪地基处理后13个月的沉降监测数据，利用Asaoka法预测最终沉降量，计算地基固结度，对工后沉降进行预测。同时，根据Boussinesq弹性理论计算地基最终沉降量。另外，利用Plaxis有限元软件进行数值计算，模拟了软土地基中不打设水泥搅拌桩和塑料排水板、只打设水泥搅拌桩、打设水泥搅拌桩和塑料排水板这3种情况。所得到的结论用于指导软土地基处理设计、沉降预测与计算，为后续施工提供可靠依据。

1 工程概况

台州市域铁路S1线一期工程城南车辆段（16工区）位于温岭市城南镇S226省道东侧、鸣鹤路对面安置小区的南侧、沿海高速公路西侧地块，紧靠S226省道东侧的河道，在城南站南端咽喉正线间接轨。工程所在区域为海积平原，地形平坦。

地层岩性：表层为厚1.5～2.0 m的软塑、可塑黏土；浅部为海相淤泥，流塑，厚度6～15 m，压缩模量为1.94～4.00 MPa；以下为冲海积软塑黏土，厚度10 m左右，压缩模量为2.83～5.56 MPa；再以下为冲海积黏性土、圆砾土。

该工段场坪工后沉降要求不超过30 cm。场坪区采用水泥搅拌桩和塑料排水板加固，如图1所示。水泥搅拌桩和塑料排水板均采用正方形布置，间距1.4 m。水泥搅拌桩桩径500 mm，桩长分别为15、12、10 m这3种类型。采用“二喷四搅”工艺，桩身胶凝剂采用水泥和粉煤灰，采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，Ⅱ级或以上粉煤灰。水泥掺入量不小于加固土体质量的15%，水灰比宜采用0.45，粉煤灰掺入量宜为水泥质量的17%。塑料排水板应在水泥搅拌桩施工后进行，为了板机行走方便，先将第1层砂垫层施工完，再打塑料排水板。

图1 地基处理方案

2 基底沉降监测

2.1 基底沉降监测方案

工区路堤段与场坪段共布置基底沉降板62个，沉降板由钢板、金属测杆（φ20 mm镀锌铁管）和保护套管（φ49 mmPVC管）组成，钢底板尺寸为30 cm×30 cm×0.8 cm，测杆垂直焊接固定在底板中心，接头方式采用管箍连接，测杆每节接高长度不超过1 m。测杆略高于套管顶，用顶帽封住管口。沉降板在设计位置埋设，埋设时要注意底板放置水平，可以在埋设位置处垫10 cm砂垫层找平，埋设时确保测杆与地面垂直。埋设完毕后，测量沉降板测杆杆顶标高读数作为初始读数。其中，里程CNDK0＋720位于场坪区中部位置，依次布置有5个沉降板，如图2中绿色标识所示。

图2 路基底沉降监测布置示意

2.2 基底沉降监测数据

经过13个月的沉降观测，里程CNDK0＋720处5个测点的沉降如图3所示。

图3 里程CNDK0＋720路基底沉降

受疫情影响，2020年1月14日—3月14日，沉降数据没有观测和记录。由图3可以看到，测点3的沉降量最大，达到981.70 mm。该测点大致位于场坪的中心位置，基底及地基中附加应力最大，所以基底沉降量最大。由于施工原因，测点1的沉降监测时间滞后，数值不准确，但沉降数据后期变化规律与其他4个测点基本相同。

3 地基最终沉降量预测

Asaoka法是通过一维线性方程模拟一维条件下的固结过程，使用该表达式并利用图解的方法来求解最终沉降值[4]。Asaoka法推算过程如下：

1）从现场实测数据中选取一系列沉降值S1，S2，…，Si，其中Si表示i时刻地基沉降值，如表1所示。

表1 JDCK0＋720各测点后期沉降量

2）分别以Si、Si-1为纵轴和横轴建立直角坐标系，将沉降值S1，S2，…，Si绘制在直角坐标系中，并拟合成一条直线，该直线同y＝x直线相交，所得交点的横坐标或纵坐标对应值即为最终沉降量。

如图4所示，根据JDCK0＋720-3沉降监测数据作图并预测最终沉降量，其他各测点使用同样的方法。

图4 JDCK0＋720-3最终沉降量预测

各测点的沉降预测如表2所示。测点JDCK0＋720-4固结度只有47.91%，数据不具备参考价值。其他4个测点固结度均达80%以上，预测工后沉降也满足后续施工的要求。

表2 Asaoka法沉降预测

4 地基固结沉降理论计算

基础最终沉降量计算方法有弹性理论法、分层总和法、应力历史法、应力路径法等。根据Boussinesq弹性理论[4]，均布荷载作用下，地基中心点下表面最终沉降量按式（1）进行计算：

根据本工程实际情况，中心沉降影响系数ω0取1.12，土的泊松比μ取0.2，置换率m＝0.10，基础宽度b取200 m，利用软土厚度加权平均计算得到桩间土的压缩模量，依据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》计算复合地基的压缩模量，同时考虑水泥搅拌桩处理范围以下土的厚度，弹性模量E取15 MPa，按照大面积堆载考虑，均布荷载p0取54 kPa，经计算求得最终沉降量为774 mm，比监测预测最终沉降量要小30%左右。

5 地基处理有限元分析

场坪地基处理采用打设塑料排水板和水泥搅拌桩进行，塑料排水板长25 m，水泥搅拌桩长10 m，间距均为1.4 m。路堤堆载3 m，分2次施工，每次施工时间2 d。X方向取99.4 m，Y方向取1.4 m，土层厚度取50 m，根据现场地质条件简化为3层，分别是淤泥质黏土、黏土、黏土。计算至超静孔隙水压力达到1 kPa时为止，固结度基本上达到100%。有限元模型及网格划分分别如图5、图6所示。

图5 有限元模型

图6 网格划分

有限元分析分3种计算条件：不打设水泥搅拌桩和塑料排水板、只打设水泥搅拌桩、打设水泥搅拌桩和塑料排水板，以下分别记作工况A、B、C。

1）沉降量分析。分别对工况A、B、C进行计算分析，得到不同施工阶段的沉降量最大值，如表3和图7所示。对于工况A，由于软土地基中没有打设水泥搅拌桩和塑料排水板，最终沉降量达到2 343 mm，明显大于工况B和C。工况B和C最终沉降量相当，分别是756.4 mm和772.5 mm，与理论计算值很接近。说明打设水泥搅拌桩形成复合地基，可以提高地基土压缩模量和地基承载力，减少最终沉降量。同时也看出塑料排水板起到加快施工期地基固结沉降进程，减小工后沉降的作用[5]，但对最终沉降量几乎没有影响。

图7 有限元沉降量计算

表3 有限元沉降量计算

2）固结分析。不同施工阶段的超孔隙水压力最大值及固结时间如表4所示。超静孔隙水压力变化如图8～图10所示。

图8 工况A下超静孔隙水压力变化

图9 工况B下超静孔隙水压力变化

图10 工况C下超静孔隙水压力变化

表4 有限元固结计算

对于工况A，N1点位于0 m处，N10点位于最深50 m处，超静孔隙水压力很小，几乎为零，中间的几个点孔隙水压力比较大，最大达到47.32 kPa。主要是因为土层上下两面排水，中间点排水路径最长，超静孔隙水压力很难快速消散。有限元程序计算显示，最终固结时间需要641.4 d。

对于工况B，土层中部超静孔隙水压力最大达到52.69 kPa，比工况A大5.37 kPa，主要原因是考虑水泥搅拌桩施工的影响，导致超静孔隙水压力增加，固结时间132.8 d。

对于工况C，由于分析时只设置了排水线，软件认为排水线范围土体超静孔隙水压力消散很快。排水线以下土体超静孔隙水压力最大达到34.62 kPa，后期消散时间很短，与实际情况不符，主要原因是有限元程序的排水线过于理想。

6 结语

1）通过基底沉降监测数据分析，利用Asaoka法预测了基底最终沉降量、固结度及工后沉降，与工程实际比较吻合，可以为后续施工决策提供参考。

2）利用弹性理论计算的最终沉降量和数值模拟的结果比较接近，比工程监测预测值要小30%左右，因此，本文提出的预测方法可以应用于未来的类似工程中。对比工况B和C，发现塑料排水板可以缩短地基土固结时间，但对最终沉降量影响不大。

3）水泥搅拌桩联合塑料排水板进行地基处理，可以有效提高地基承载力和压缩模量，大幅度降低基底沉降量，是一种有效的滨海软土地基处理方法。