软弱地基上满堂式支架施工与地基沉降量预估方法探索现状

郗磊

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

地基，通常是指在基础以下承受源自上部结构物荷载的部分。因此，地基在有效保障构筑物的安全使用等方面起着至关重要的作用。理想的地基应该具有足够的承重能力，足够的抗剪、抗拉强度等，但实质上，组成地基的岩土却是一种非均质的各向异性且具有流变特性的复杂介质[1]。所以当地基土受到上部结构物传递而来的荷载时，其将无可避免地产生一定的形变，从而导致上部结构物随之发生不均匀沉降甚至是发生倾斜。并且地基在发生沉降的过程中所涉及到的力学知识极其复杂，地基沉降还是一个动态的过程而并非是一成不变的。同时由于国家发展需要，现有工程通常涉及到在软土地基上架设满堂支架进行桥梁施工。考虑到地基沉降过程的复杂性与地基沉降可能导致的严重后果，以及架设满堂支架进行桥梁施工过程中的安全性与稳定性问题，地基在施工乃至后期使用过程中的沉降问题是不容忽视的[2]。

而软体地基相较于普通地基而言更容易发生不均匀沉降，进而发生安全事故的概率也会有所增长，在满堂支架所加荷载作用下则更容易出现失稳等安全性问题。为了较好地避免软土地基发生不均匀沉降而导致满堂支架被破坏继而发生安全事故，导致不必要的经济损失，有关研究者们提出了各种预测软土地基沉降量的方法，以预先发现软土地基因不均匀沉降所招致的灾害。

长期以来，大量专家学者都致力于研究软土地基上满堂支架的稳定性问题和软土地基沉降问题，在大家的共同努力之下也取得了诸多研究成果。本文将依托实际工程，结合学者们所做的研究对目前常用的一些软土地基满堂支架施工方法和软土地基沉降预测方法进行展开介绍。

1 工程概况

在建的石阡到玉屏的高速公路某标段，起讫桩号K40+700—K46+250，主线全长5.55 km，青阳互通采用单喇叭A 型互通，互通范围主线长1 380 m，匝道A、B、C、D、L，共5 道，总长1 755.6 m，L 匝道下穿主线，LK0+585 设置3 入5 出匝道收费站。连接线共17 km，连接岑巩县客楼乡与青阳互通。全线共有桥梁16 座；何家坡大桥右线第四联（3×20 m）、榔树沟大桥右幅第六联（3×20 m）、A 匝道桥（4×20 m）、B匝道桥（8×20 m）、C 匝道桥（12×20 m）、D 匝道桥（9×20 m）、L1 匝道桥（3×20 m）为20 m 普通钢筋混凝土连续箱梁。该标段的其中一部分便需要在软土地基段进行满堂支架现浇混凝土梁施工，因此软土地基的沉降问题也是本项目亟待解决的关键问题之一。

2 软土地基满堂支架施工方法

朱文通等[3]依托汕头至揭阳高速公路某段的5 座现浇连续箱梁展开了研究，该桥位于榕江冲积平原，属于软土地基，承载力较差，故其根据现场情况，结合施工经验提出地表硬化的地基加固处理方法，待其承载力满足施工要求之后再搭设支架进行后续施工，结果表明该方法能有效降低施工成本、缩短工期、提高安全性，具有较高实用价值。孙东[4]依托揭普高速赤岗跨线桥进行了研究，该桥位穿越水田，地质条件较差，大部分为软土地基，因此其在搭设满堂支架之前采取了排水固接、填土施工、铺设水泥稳定层等措施进行地基加固，待承载力满足要求后再进行满堂支架搭设工作，并用人工堆码砂包进行预压，以确保满堂支架具有足够的安全性与稳定性，并提出地基加固施工时应严禁破坏地表板壳、严禁扰动原状土、填土密实度务必达到90%以上、应采用透水性较好的砂性土或粗砂回填并以分层夯实为宜。

3 软土地基沉降预测方法

考虑到软土地基的沉降会受到时间、地基承载能力参数、地基处理方法、填料性质以及施工时间等多种因素的影响和制约[5]，因此仅用一个数学显式来表述软土地基沉降的自然变化规律具有较大难度[6]。因此，尹利华等[7]基于神经网络方法提出了考虑多因素影响的BP 神经网络模型。神经网络方法不同于建立传统的函数因变量与自变量之间的关系，其是将传统的函数关系进行转换进而形成维度更高的非次线性映射问题，并以此来取代数学显式，使得多因素影响下的软土地基所表现的沉降规律得以展现。此外，该方法用于处理非线性问题时具有其独一无二的长处。该预测模型的建立过程主要包括输入及输出参量的选取、模型构造的选定、对模型进行训练与检验等。经研究检验发现，该模型的输入参量既包括影响地基沉降的公共因素，即剖面的形桩与态势、工程性质、施工时长等，又将施工方式、置换率乃至加载方式等因素对沉降量的影响考虑了进去，并且其训练参数选取自不同的点位，因此该模型的适用范围广泛，可用于绝大多数情况下的沉降量预测。

有学者则提出理论方法计算所得数据与实际情况之间存在较大差别，有限元及有限差分等数值模拟方法则存在考虑因素不全面、不易快速掌握以及参数确定具有较大难度等不足，而神经网络方法和灰色理论法又不具有推理过程与推理依据，缺乏理论基础；通过实测沉降数据并进行曲线拟合反倒具有较高的真实可靠性[8]。考虑到曲线拟合法具有使用便捷、预测精度高等特点，而常用的拟合曲线有双曲线法、对数曲线法以及指数曲线法等，吴王刚等[9]则采用上述3 种拟合曲线方法对原始沉降量数据进行预测，并在分析比较各种方法预测结果与各影响因素的基础上提出了改进双曲线法。研究发现，使用双曲线法进行预估时存在初期预测量略大、末期则较小的问题，同时后期沉降量预测值的偏差还受到监测点原位置处软土厚度数值的影响，二者近似呈正线性关系，即监测点原位置处软土厚度越大，末期沉降量预估的数值与实际值之间的差值便越大。在此基础上，考虑监测时间序列与软土厚度2 个因素，对原有的双曲线拟合法进行改良，即在原有模型加入幂函数u，并通过不同的软弱地基厚度与不同的时间序列对u进行调整，从而导致预测值也随之发生变化。对比发现，改进后的方法误差更小、精度更佳，更能达到现实施工过程中的沉降量预估精确度的标准。

卢飞强[10]指出，在实际工程中影响地基沉降的因素主要分为自然与人为两大类。自然因素主要是指土的可压缩性、软弱地基土的渗透性以及地下水的分布等，人为因素则是指外荷载的施加方式、荷载加上去的速率以及地基处理方式等。在众多影响因素中，对地基沉降量影响最大的便是外加荷载，但外加荷载与沉降量之间的关系是极其复杂的。而这种复杂的关系也严重制约着地基沉降量计算的准确性，因此便有学者提出了利用时间序列分析法进行地基沉降量的预测。时间序列分析法是根据既有监测数据所建立的一个最优模型，其不用考虑外加荷载与沉降量之间到底是什么关系，因此很大程度上使软土地基的沉降量预测问题得到了简化。软弱土地基的沉降大致可以划分为瞬时发生阶段、主固结阶段与次固结阶段等3 个阶段，并且地基沉降的3 个阶段均是在受到外加荷载时同步发生的，只是在某些特定阶段是以某种沉降方式为主导，而且3 个阶段所产生的沉降量与主导沉降的时间会根据土体性质以及土体内部的受力情况发生变化。

牛欣欣[11]指出，在进行地基沉降量预测时通常会因为理论层面或经验措施自身的不足、干扰因素的复杂性以及岩土材料自身性质的随机性而导致预测值与实际值之间存在较大偏差。而目前常用的灰色预测模型、线性回归模型以及变权组合模型等又会因为模型缺乏明确物理意义或是公式复杂参数杂糅等而导致求解困难。于是便在研究GM（2，1）模型与Asaoka 公式之间关系的基础上采用数理统计方法进行优化分析，并提出了基于模式搜索算法的参数优化方法。研究发现，GM（2，1）模型与Asaoka 法在一定程度上具有高度相似性，这就很好地解决了软土地基沉降量预估模型无法给出明确物理含义的窘境，并将该模型与实际工程中的参数结合进行对比分析，结果为GM（2，1）模型的预估结果明显优于双曲线法和Asaoka法的预估结论，同时通过与其他预估方法的结果对比和分析，体现了该模型适用范围的普遍性。

黄仁东等[12]指出，在诸多地基沉降预测方法中，回归分析法是静态数据模型，而地基沉降是随时间序列变化的动态过程，因此该方式不能较好地体现地基受力与时间变化关系之间的动态效果；神经网络法则需要足够的监测数据作为样本给予支撑，以确保预测结果的准确性，但现实工程中可提供的数据样本往往是十分有限的，因此必然会在一定程度上对预测结果产生不良影响；而灰色预测模型则要求用于进行估算的数据具有较强的趋势性。根据上述方法的不足之处，于是提出了基于自记忆原理的软弱地基沉降量预估模型。该模型的原理是一种解决非线性系统的统计-动力方法，其始于系统动力模式，引入记忆函数，将历史监测数据与动力计算方法结合起来，进而达到精准预估软弱土地基沉降量的目标。将该方法的预测结果与传统预测模型的预测结果分析对比得知，该方法预测结果的误差得到了很好的控制，从而保证了其预测精度，在实际工程中拥有良好的适用性。但是该方法主要通过试算确定，这将是无法避免的弊端。

刘先林等[13]依托广西贵港至合浦高速公路项目中的花岗岩软土地基段就花岗岩软土地基沉降量预测方法和承载能力展开了研究。针对花岗岩残积土抗剪强度以及沉降计算模型精度欠佳等不足，其根据土体参数的空间随机变异性特征并结合蒙特卡洛随机理论进行了研究分析，解决了沉降与地基承载力计算中的变异性及不确定性问题并采用上下限法进行随机场下的沉降及极限承载力分析。传统方法中仅考虑了土体的随机性，而并未重视土体的结构性特点。基于此，为考虑土体结构性等特点，并提出适用性强的趋势函数，以达到对土体参数随机场模型进行去趋势化处理的目的，其基于随机场理论在实际工程中的应用展开了分析与讨论。经研究发现，软土参数E、c、φ服从对数正态分布，预测地基沉降时考虑地基土的空间变异性可以更准确地得到地基沉降区间；花岗岩残积土参数Su服从对数正态分布，仅取该参数的平均值则将高估地基承载力，因此进行地基承载力评价时应当考虑地基土参数的空间变异性。

4 结论

综上所述，软土地基上的满堂支架施工以及软土地基的沉降量预测问题之所以一直在工程界都是“待解之题”，是因为现有的各种施工及预测方法都还具有其不容忽视的弊端。虽然有关学者通过自己的研究都取得了一些进步与成果，但就目前而言尚未得到业内广泛认可的施工及预测方法，因此软弱土地基的满堂支架施工与地基沉降量预测问题方面的研究仍然是非常重要的。