珠海横琴超深软土排水固结沉降计算方法研究

刘峰

刘国楠

1 引言

我国沿海地区广泛分布着海相沉积的软土层，其特点是含水率大、压缩性高、强度低、透水性差且不少情况下埋藏深厚。一方面，这种软土层在上部荷载作用下会产生很大的沉降，而且沉降的延续时间很长，影响上部建（构）筑物的正常使用；另一方面，软土层地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求。排水固结法就是处理软土地基的有效方法，主要包括堆载预压法、真空预压法以及真空联合堆载预压法。排水固结法处理软基既可以解决沉降问题，也可解决稳定问题。

深厚的淤泥地层采用排水固结方法处理时，一般以消除沉降作为地基处理的主要目的，以沉降作为地基处理的控制标准。虽然软基处理的最终沉降量、工后沉降量等沉降的参数可以通过观测沉降值，采用有关方法进行推算确定，但是设计阶段的沉降量估算仍然是十分重要的。在珠海横琴开发区，海积淤泥层的厚度深度普遍超过20m，最大深度达到40m，排水固结处理时地基发生的沉降量超过3.0m，与常规计算方法确定的地基处理沉降相差甚大。同时深厚层淤泥层有插板打穿和不打穿两种不同的情况，沉降和工后沉降的计算更加复杂。所以，有必要结合横琴开发区软土的性质，研究排水固结处理软基的沉降计算方法。

2 排水固结法处理软基的沉降计算方法

2.1 常用计算方法

排水固结法处理软土地基时，地基总沉降主要包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降。其中，瞬时沉降一般按弹性理论公式计算，固结沉降目前工程上通常采用单向压缩分层总和法计算，次固结沉降计算则以经验公式为主。

2.2 规范计算方法

目前，常用的地基处理规范对预压荷载下地基最终竖向变形量的计算均采用单向压缩分层总和法计算，根据土的侧限压缩试验e—p曲线所得的土层压缩变形量与土的孔隙比变化关系，得到计算公式如下：

式中 s_f——最终竖向变形量，m；

e_0i——第i层土中点土自重应力所对应的孔隙比，由e—p曲线查得；

e_1i——第i层土中点土自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比，由e—p曲线查得；

h_i——第i层土层厚度，m；

ξ——经验系数。

2.3 软基沉降计算中e—p曲线和e—lgp曲线的区别

从土的侧限压缩试验e—p曲线可求得土层一维压缩变形量的基本公式（1），如将侧限压缩试验的结果用e—lgp曲线表示，并定义曲线近似直线段的斜率为压缩指数C_c，式（1）可以改写为：

式中 C_ci——第i层土的压缩指数；

p_0i——第i土层的有效自重应力，kPa；

p_i——附加荷载，kPa。

采用e—lgp曲线表示的优点是，在压力较大部分，e—lgp关系接近直线，其斜率即压缩指数为常量，不随压力p的增大而变化。

此外，式（2）应用于欠固结土、超固结土沉降计算时，可以作相应的调整。以欠固结软土层如吹填淤泥沉降计算为例，式（2）相应调整为：

式中 p_ci——第i土层的先期有效自重应力，对欠固结土而言，小于其有效自重应力。

以上说明，计算软土地基沉降量时，选取以e—lgp曲线为基础的计算公式（3）能够更加明确的反应软土层的应力历史；压缩指数指标受土的扰动影响较小，数值的稳定性好，且精度较高；工程实践也证明其计算结果较e—p曲线法更准确。

3 横琴超深软土沉降计算

3.1 工程概况

横琴新区市政道路BT项目非示范段位于珠海市横琴岛，主要为该范围内主干道路网及配套设施，拟建主干道主要位于小横琴山和大横琴山之间的中心沟地区。场地原始地貌为海漫滩—海滩，经人工围垦形成鱼塘、河涌。场地普遍分布深厚的淤泥层20.0～40.0m，呈饱和、流塑状态，部分地段有淤泥混砂透镜体分布。根据勘察报告，场地内软土层（淤泥、淤泥混砂层）及其下卧层主要力学性质指标如表1所示，软土层固结系数如表2所示。

软基处理技术标准如下：

（1）路面设计使用年限（沥青路面15年）内工后沉降不大于30cm；

（2）管廊等小型构筑物（箱涵、人行通道）工后沉降不大于20cm。

软基处理方案主要采用真空联合堆载预压方案，软基处理断面图如图1所示。

3.2 固结沉降计算

3.2.1 最终沉降计算方法

软基沉降计算模式如图2所示。原始地面标高-1.5m，道路路面标高3.7m，真空预压荷载80kPa，淤泥总厚度h，插板深度h₁，下卧为处理淤泥厚度h₂。

道路地基可能发生的总沉降量为：

式中 s₁——插板处理深度范围的固结总沉降量；

s₂——下卧淤泥层的固结总沉降量；

s₃——其他土层的沉降和瞬时沉降之和；

s_a——次固结沉降。

计算公式分别为：

s₃=0.05（s₁+s₂）

式中 c_a——次固结系数；

t₁——施工期时间；

t₂——使用期时间。

软基处理阶段，插板处理区卸载时的固结度达到U₁，插板处理的下卧未处理淤泥层在软基处理结束时的固结度为U₂，则软基处理施工沉降量为：

道路软基的理论工后沉降量为：

式中——插板处理层相对于使用荷载条件下的软基固结度，真空联合预压时，应属于超载预压，大于1，计算取1。

实际上要求的工后沉降指标是指15年使用期可能发展的工后沉降，在施工结束后至15年使用期满，可能发生的工后沉降为：

式中 U₃——施工完成后至十五年使用期下卧层排水产生的固结度。

考虑到真空预压施工的特点，在计算下卧层固结度时，施工期属于双面排水条件，使用期属于单面排水条件。

对于新近沉积的软土层，次固结沉降因素不可忽视。参照相邻的深圳、珠海及香港地区有关资料和工程经验，珠江口海积淤泥的次固结系数为c_a=0.01～0.02，堆载预压处理后的软土层次固结系数减小，取0.5c_a，施工期定为1.5年，15年使用期的次固结沉降可用下式计算：

3.2.2 沉降计算结果

按不同的软土层深度，软基处理施工沉降、工后沉降的计算结果如表3所列。

从表3所列的计算结果可知，由于本工程海积淤泥为主的软土层厚度较大，根据经验公式预计的该土层软基处理后次固结沉降量相当可观。据此实际条件，本工程排水固结软基处理设计按固结沉降小于30cm作为控制指标，并确定软基处理插板的深度。

3.3 软基处理监测结果

根据软基处理监测结果，不同软土层深度对应的实测沉降量如表4所示，场地典型地块软基处理期间沉降—荷载—时间曲线如图3所示（图中编号4-1、4-2的沉降板对应的软土层厚度18.0～22.0m，4-3～4-5沉降板对应的软土层厚度28.0～30.0m），根据实测沉降曲线推算的工后固结沉降量列入表4。

3.4 对比与分析

根据勘察报告提供的场地淤泥层压缩试验e—p曲线（如图4所示），按照规范计算公式（1）分别计算淤泥层厚度为20m、25m和30m时淤泥层最终沉降量，计算结果与表3计算结果及监测结果对比列于表5。

由式（4）可知，表5中本文计算方法计算所得的最终沉降量相当于采用式（4）计算所得的淤泥层沉降量乘以系数ξ=1.05。表5所列规范计算方法中，由监测结果与理论计算结果比值所得的沉降修正系数ξ因淤泥层厚度不同而差异较大，介于1.1～1.4之间。因此，采用规范计算方法设计计算时沉降修正系数ξ的取值难以精确确定，而采用本文计算方法所得结果与监测结果更接近，且不存在沉降修正系数ξ的取值问题。

4 结语

（1）通过比较压缩试验e—p曲线与e—lgp曲线，确定深厚软土地基排水固结处理时的沉降计算方法采用基于e—lgp曲线的计算公式，其优点在于压力较大部分的e—lgp关系接近直线，其斜率即压缩指数为常量，不随压力p的增大而变化。

（2）通过珠海横琴道路软基处理工程实例的沉降计算结果与实际监测结果比较，采用基于e—lgp曲线的沉降计算公式较规范公式（基于e—p曲线的沉降计算公式）的计算结果更接近于实际监测值，表明在深厚软土层排水固结沉降计算方法中，基于e—lgp曲线的沉降计算公式更准确。

（3）采用规范计算方法设计计算时沉降修正系数ξ的取值难以精确确定，采用基于e—lgp曲线的沉降计算方法所得结果与监测结果更接近，且不存在沉降修正系数ξ的取值问题。

（4）深厚软土地基处理工程中，软土层次固结沉降量较大，如何准确计算并采取工程措施有效消除，对工后沉降控制具有重要意义，有待进一步研究。

参考文献

［1］陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［M］.北京：清华大学出版社，1994.

［2］JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］JTS 147-1—2010港口工程地基规范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［4］JTS 147-2—2009真空预压加固软土地基技术规程［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［5］珠海横琴新区市政基础工程设施BT项目非示范段一期工程道路、市政管线、共同沟工程中心北路、DX-16路地质勘察报告（详细勘察阶段）［R］.武汉：中冶集团武汉勘察研究院有限公司，2011.

［6］珠海横琴新区市政基础工程设施BT项目非示范段一期工程道路、市政管线、共同沟工程中心北路软基处理工程第三方监测现场卸载分析报告［R］.武汉：中冶集团武汉勘察研究院有限公司，2013.