淤泥土场地沉降处理方法研究

罗伟伟

（江苏省新能源开发股份有限公司，江苏 南京 210000）

1 工程概述

深厚淤泥土场地沉降是工程设计的热点问题，重点是采用何种方案处理场地以及如何模拟预测场地沉降过程[1-2]。以某淤泥土场地为研究对象，淤泥土层厚度约20m，场地上部回填土层设计高度为5.7m，场地概况如图1 所示。目前，场地已回填35 个月，回填高度为4.9m，回填历史过程曲线如图2 所示。场地岩土参数见表1。

表1 场地各土层材料参数

图1 场地概况示意图

图2 场地回填过程曲线

2 场地沉降计算原理

2.1 沉降计算原理

在荷载作用下，随着时间的推移，淤泥土层中孔隙水逐渐排出，孔隙体积逐渐变小，这类土层压实导致体积变形而导致的竖向沉降称为主固结沉降量[1]，如公式（1）所示。

式中：n为场地沉降计算分层的层数；eoi为第i层中点土自重应力所对应的孔隙比，由室内固结试验e～p曲线查得；eli为第i层中点土自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比，由室内固结试验e～p曲线查得；Δhi为第i层土层厚度。

考虑经验系数，场地的最终沉降量如公式（2）所示。

式中：S为场地最终沉降量；m为沉降修正系数，与地基条件、荷载强度和加荷速率等因素有关，一般为1.1～1.7。

场地任意时刻t的沉降如公式（3）所示[3]。

式中：（Si）t为第i层土在任意时刻t的场地沉降；（Ui）t为第i层土在任意时刻t的固结度；（Si）c为第i层土的最终沉降量。

第i层土在任意时刻t的固结度（Ui）t可通过微分方程计算，如公式（4）所示。

式中：u为土层中某点的超静水压力；Z为该点到天然地面的高度；cv为该点所在土层的垂直固结系数。

上述微分方程的边界条件如公式（5）所示。

根据该微分方程，可计算第i层土在任意时刻t的固结度（Ui）t，如公式（6）所示。

式中：（Ui）0为第i层土原始的超静水压力；（Ui）t第i层土在任意时刻t的超静水压力。

2.2 模拟场地沉降过程

根据沉降计算原理和场地的回填过程，模拟沉降过程，场地沉降计算经验系数取值1.1，在回弹过程中场地的沉降—时间曲线如图3 所示。可以看出，前5 个月和24～29 个月的沉降过程较快，与图2 中土方回填过程相对应，场地前35 个月的总沉降量约0.99m，根据计算结果，场地最终总沉降量约2.7m。

图3 场地回填过程中沉降—时间曲线

前期监测数据较少，根据施工记录，在场地回填过程中，6～22 个月的实际沉降量为0.35m，30～35 个月的实际沉降量为0.13m，35～36 个月的实际沉降量为0.019m；根据沉降计算曲线，6～22 个月的计算沉降量为0.29m，30～35 个月的计算沉降量为0.09m，35～36 个月的计算沉降量为0.012m。对比监测和计算沉降量数据，二者结果比较接近，因此可按该方式计算场地沉降。

根据计算结果，如果场地不进行处理，后期场地沉降—时间曲线如图4 所示。当沉降满足固结度要求时，需要时间约500 个月，时长超过工期要求，为保障工程需要和后期建筑物的安全，须对场地进行处理，从而消除沉降对建筑物的不良影响。

图4 场地不处理沉降—时间曲线

3 场地处理方案和沉降分析方法

3.1 场地处理方案

该工程的场地情况存在以下难点：1）原始地面上无水平排水层且场地四周搭建一圈石墙，土体的水平排水通道被阻断，导致淤泥土中的孔隙水只能从场地顶部排出。2）目前，场地标高比原始地面高出约3.5m，原状土层顶部无法铺设水平排水层，场地顶部的填土高3.5m，即使打排水竖井，土体中孔隙水也很难从场地顶部排出。3） 场地无堆载预压的条件。如果在现有场地标高的基础上进行堆载，向外扩散的堆载压力和推力可能导致石墙破裂。

基于上述不利因素，为降低工程费用，减少工期，根据堆载预压原理，将已有回填土作为堆载土方，设置振冲碎石桩穿透淤泥层，建立排水通道，并设置竖井将水排出，达到堆载预压方式的目的。场地排水处理方案如图5 所示。振冲碎石桩由3 号砂土层底至8 号土层，桩长21m，直径800mm，中心间距2.5m；利用砂土的排水特性，回填土顶至3 号土层，设置排水竖井收集碎石桩排水通道排出的水，排水竖井长约10m，中心间距7.5m，竖井中水可通过排水泵抽至场外沟道。

图5 场地排水处理方案示意图

3.2 场地处理沉降分析方法

处理场地沉降后，设计难点是定量控制场地沉降过程和排水时长。由于场地先在没有建立排水通道的情况下堆载了35 个月，再建立排水通道进行排水沉降，因此场地沉降计算过程需要考虑无排水和有排水通道两个阶段。

根据场地沉降计算原理，不能同时考虑2 个不同阶段，需要单独计算排水或不排水情况下的堆载沉降过程。因此，该排水方案实现定量控制的关键是在场地排水处理后的沉降计算结果中，排除场地不排水沉降过程的影响部分，从而得到不排水沉降一段时间后再进行排水处理的后续沉降过程。

该文采用固结度等效的方法，通过并行计算的方式，同时计算场地不排水和排水沉降2 种情况，再根据场地前期不排水沉降结果，在排水沉降的计算过程中，减去与不排水的沉降量相同的时间，后续的沉降过程就是排水处理后的实际沉降过程曲线。处理流程如下：1）按不处理的情况，根据场地回填过程，计算场地回填至4.90m 时的沉降量S4.9。2）按排水处理情况，1 天完成堆载1.20m～4.90m，2 个月完成4.90m～5.70m，计算场地的最终沉降量为SZ，计算满足固结度0.9 的沉降量S5.7。3）按排水处理情况，计算沉降量达到S4.9时所需时间T1。4）按排水处理情况，计算沉降量达到S5.7时所需时间T2。5）当计算固结度满足要求时，场地在5.70m 时，须堆载时长为T=T2-T1。

根据上述原理和计算流程，计算不排水情况。根据场地回填过程，计算场地回填至5.70m 时的沉降曲线，如图6 所示，当场地回填至4.90m 时，回填时长35个月，得出对应的沉降量为0.99m。按排水处理情况进行计算，假设1 天完成堆载1.20m～4.90m，2个月完成堆载4.90m～5.70m，那么计算场地回填至5.70m 时的沉降曲线如图7 所示，当场地回填至5.70m 时，最终沉降量为2.74m，满足固结度90%的沉降量至少为2.46m，此时对应的沉降时长为4.5 个月；根据不排水情况计算结果，当排水情况沉降量为0.99m 时，对应的沉降时长为1个月，排水处理后所需实际时长为4.5 个月-1 个月=3.5 个月。根据2 种工况计算，设计采用直径800mm、中心间距2.5m 的振冲碎石桩，场地回填至5.70m。当固结度满足90%要求时，需要堆载的时长为3.5 个月，处理后的沉降—时间过程曲线如图7 所示。

图6 场地不处理的沉降—时间曲线

图7 场地排水处理的沉降—时间曲线

4 结论

该文对某淤泥土场地沉降问题进行研究，详细分析了场地沉降过程、处理方案以及沉降预测，得出结论：1）根据场地回填过程，可采用固结沉降理论设计并模拟场地沉降过程，从而根据工期判断场地是否需要进行处理。2）对已进行回填土的工程场地，该文结合场地特性，提出将已有回填土作为堆载，建立排水通道，采用排水固结的施工方案。3）排水处理后场地沉降分析要考虑不排水处理沉降过程的影响，对此该文提出了合理的分析方法和分析流程，并预测了完成沉降所需的工期。