太湖軟土地基沉降特性分析

張 濤 ，劉松玉 ，蔡國軍

（1. 東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096； 2. 東南大學(xué) 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

1 引 言

高速公路在我國沿海諸省建設(shè)非常集中，這些地區(qū)大多沉積了較深厚的淤泥和淤泥質(zhì)軟土，表層被受風(fēng)化、淋濾作用所形成的硬殼層所覆蓋。這些地區(qū)的軟土具有高含水、高壓縮、低強(qiáng)度、低滲透等特點(diǎn)，硬殼層具有中低壓縮性和較高的強(qiáng)度。在軟土地基上修建高速公路，地基將會(huì)產(chǎn)生較大沉降且沉降長期不能穩(wěn)定，從而引起路基、路面變形，影響高速公路的正常使用[1－3]。大規(guī)模的高速公路建設(shè)對(duì)地基承載力和工后沉降提出了更苛刻的要求，復(fù)雜地質(zhì)條件是高速公路建設(shè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[4－5]。本文以太湖流域某高速公路沖湖積相軟土路基沉降為例，通過原位取樣對(duì)軟土的壓縮特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，并整理分析不同建設(shè)期間的沉降觀測(cè)資料，探討地質(zhì)條件和填土高度等因素對(duì)沖湖積相軟土路基沉降的影響，最后針對(duì)不同處置方式路段的沉降特點(diǎn)，提出適用于估算太湖沖湖積相軟基沉降的公式及預(yù)測(cè)方法，研究結(jié)果對(duì)于類似工程實(shí)例的軟基沉降分析具有一定的借鑒意義。

2 工程概況

某高速公路全長49.88 km，雙向6車道，設(shè)計(jì)車輛運(yùn)行速度為120 km/h。全線軟基部分主要采用漿噴樁和預(yù)應(yīng)力管樁（以下簡稱管樁）兩種處理方案，（1）一般路段在欠載、等載或超載預(yù)壓方法不能滿足要求時(shí)，采用漿噴樁處理；（2）軟土厚度較大的橋頭路段，在漿噴樁試算中沉降、穩(wěn)定不能達(dá)標(biāo)或者計(jì)算樁長超過18 m的路段，采用管樁處理。漿噴樁和管樁樁位在平面上呈正三角形布置，漿噴樁樁間距為1.2～1.6 m，樁長5.0～18.0 m；管樁樁間距為2.0～2.4 m，樁長10.0～21.0 m。全線共布置了175個(gè)沉降觀測(cè)剖面，400個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。

高速公路所經(jīng)區(qū)域位于長江三角洲太湖沖湖積平原區(qū)，南北高差2.0 m左右，水系發(fā)達(dá)，河道稠密。地表被第四紀(jì)松散堆積層所覆蓋，如圖1所示。自上而下可分為：（1）硬殼層，主要為表層黏土層，厚0.5～4.8 m，硬塑～軟塑狀。（2）軟土層，主要為沖湖積黏土、亞黏土和淤泥質(zhì)土，夾雜粉砂，厚1.0～22.2 m，軟塑~流塑狀。（3）下臥層，為一般黏性土及粉砂，一般黏性土為亞砂土或亞黏土且以硬塑狀為主，粉砂飽和，多呈中密狀。地下水位埋深一般在0.50～1.50 m，地震基本烈度為Ⅵ度。

表 1為軟土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)。由表可見，此類土具有高含水率、高液限、高壓縮性、低密度、低強(qiáng)度等特點(diǎn)。路基土體十字板不排水抗剪強(qiáng)度 cu隨深度的變化如圖 2所示。從圖中可以看出，當(dāng)深度小于4 m時(shí)，cu隨著深度的增加而減小，最大值約為39 kPa；當(dāng)土層深4～12 m時(shí)，cu穩(wěn)定在15～22 kPa之間，與土層分布情況基本一致。

3 太湖沖湖積相軟土壓縮特征

太湖流域地表除存在極少數(shù)的基巖出露外，其余均為第四紀(jì)地層所覆蓋，地表下存在有較厚深度的沖湖積相軟土層。為了對(duì)該地區(qū)沖湖積相軟土的壓縮特性進(jìn)行研究分析，在工程現(xiàn)場(chǎng)采用內(nèi)徑為75 mm、長50 cm薄壁取土器進(jìn)行取樣，獲得地表不同深度下的原狀土樣。取樣過程中盡量避免人為對(duì)土樣的擾動(dòng)，對(duì)所取土樣進(jìn)行蠟封并及時(shí)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。所取土樣含水率等物理指標(biāo)隨土層深度變化如圖3所示。本次試驗(yàn)采用一維壓縮試驗(yàn)，土樣的初始高度為2 cm，橫截面積為30 cm2，加載等級(jí)為12.5～3 200 kPa，荷載增加率為1︰1，每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間為24 h。試驗(yàn)采用Butterfield[6]雙對(duì)數(shù)壓縮曲線法確定試樣的屈服壓力py′，如圖4所示。從圖中可以看出，除距離地表最近的4.7 m深度土樣外，土樣的屈服壓力py′隨土層深度的增加而增加。圖 5為土樣屈服壓力與上覆壓力之間的關(guān)系。從圖中可以看出，不同深度處土體的屈服壓力大多高于其上覆土壓力。根據(jù)工程勘察結(jié)果和該地區(qū)土體的沉積歷史得到，該地區(qū)軟土層基本為正常固結(jié)土，由此推斷，軟土層土體屈服壓力高于上覆壓力是由土體結(jié)構(gòu)性引起的。

圖3 軟土層基本物理指標(biāo)Fig.3 Basic physical indices of soft clay

圖4 軟土壓縮曲線Fig.4 Compressive curves of soft clay

圖5 屈服應(yīng)力與土層深度變化關(guān)系Fig.5 Relationships between yield stress vs. depth of soil

為了進(jìn)一步驗(yàn)證軟土層土體結(jié)構(gòu)性的存在，采用 Burland[7]提出的重塑土歸一化固有壓縮曲線（ICL）和天然沉積黏土的壓縮曲線（SCL）來評(píng)價(jià)土體結(jié)構(gòu)性。Burland認(rèn)為，若天然沉積結(jié)構(gòu)性黏土的室內(nèi)壓縮曲線越位于SCL線之上，土體結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，固結(jié)屈服后的曲線斜率越大于SCL線斜率。圖6為土樣歸一化孔隙指數(shù)Iv和lgp之間的關(guān)系。從圖中可以看出，4.7、7.2、9.7 m深度處土體的Iv-lgp曲線均位于SCL線之上，說明軟土層土體具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。對(duì)于結(jié)構(gòu)性土而言，其固結(jié)屈服前具有一定的架空結(jié)構(gòu)，大孔隙之間形成良好的排水通道；固結(jié)屈服后，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，大孔隙坍塌，變形較大。

圖6 軟土孔隙指數(shù)與固結(jié)壓力變化關(guān)系Fig.6 Relationships between void index vs.consolidation pressures

4 沉降特征及規(guī)律分析

圖7為該高速公路累計(jì)沉降曲線。2007年底道路施工基本完成，沉降觀測(cè)持續(xù)至2011年底，歷時(shí)近5年。從圖中可以看出，全線各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量具有以下特點(diǎn)：（1）全線各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量差異較大。至2007年底（施工期末）全線最大累計(jì)沉降量高達(dá)499 mm，最小僅有15 mm。（2）相鄰測(cè)點(diǎn)間的沉降量差異較大。2007年底（施工期末）K30+180點(diǎn)累計(jì)沉降量為167 mm，而K30+280點(diǎn)高達(dá)499 mm，圖中曲線表現(xiàn)為陡降，這主要是由于部分路段超載預(yù)壓引起的。（3）營運(yùn)期間沉降穩(wěn)定。該高速公路于2008年初正式通車，營運(yùn)2年間路基沉降趨于穩(wěn)定，沉降量較小，僅少數(shù)點(diǎn)如K42+060、K49+640等存在沉降異常現(xiàn)象。

圖7 路基累計(jì)沉降曲線Fig.7 Accumulative total settlement of ground

為了分析不同地質(zhì)條件、加載方式和處理方法下各測(cè)點(diǎn)的沉降隨時(shí)間變化規(guī)律，根據(jù)2006－2009年底路基沉降數(shù)據(jù)，繪出代表性斷面的時(shí)間-沉降曲線圖，如圖 8所示。圖中，各測(cè)點(diǎn)沉降曲線具有以下3個(gè)特點(diǎn)：（1）沉降速率逐漸減緩。據(jù)統(tǒng)計(jì)，路堤填筑期沉降速率高達(dá)2.84～5.32 mm/d，路面施工期降至 0.33～0.42 mm/d，運(yùn)營期減至 0～0.02 mm/d。2009年底全線月沉降量3 mm以下的分布頻率高達(dá) 98%。（2）時(shí)間-沉降曲線呈現(xiàn)緩降、陡降兩種類型。K25+750、K24+535、K42+060等測(cè)點(diǎn)沉降速率變化幅度較小，K29+200、K30+280等施工期變化幅度較大，后期趨于穩(wěn)定。沉降曲線的不同與加載方式和土體結(jié)構(gòu)性有著密切聯(lián)系。（3）少數(shù)點(diǎn)的沉降速率存在波動(dòng)K42+060等少數(shù)點(diǎn)在2008年出現(xiàn)升高的異常現(xiàn)象，主要是外部行車荷載等因素變化引起的。

圖8 時(shí)間-沉降曲線Fig.8 Time-settlement curves

5 沉降影響因素分析

5.1 硬殼層厚度

該高速公路各標(biāo)段沿線硬殼層和軟土層厚度變化均較大，多數(shù)路段硬殼層厚度在2.0 m左右，路堤沉降量隨土層厚度的變化而變化。由于管樁處理的軟基路段主要分布于橋頭，線路較短且實(shí)測(cè)沉降量較小，與土層厚度的關(guān)系不明顯，故本文主要就漿噴樁處理路段的路基沉降量與土層厚度的變化情況進(jìn)行分析。圖9為路基沉降量與土層厚度關(guān)系。漿噴樁處理段共布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰沉降點(diǎn)間相距約100 m，相應(yīng)的管樁處理段共布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距約100 m。從圖中可以看出，相似地質(zhì)條件下沉降量隨硬殼層厚度的增加而減小，隨軟土層厚度的增加而增加（如 K30+380），當(dāng)硬殼層厚度較小且軟土層厚度較大時(shí)，沉降量迅速增加（如K24+535）。這表明在路堤填筑過程中，一定厚度的硬殼層在與下部軟土層共同承擔(dān)上部荷載時(shí)能表現(xiàn)出一定的“板體效應(yīng)”[8]。但對(duì)于某些路段，如 K30+280，硬殼層較厚且軟土層較薄，但其路基沉降量卻較大，分析其原因可能與軟基處理方式和加載條件有關(guān)。

圖9 實(shí)測(cè)沉降量與土層厚度關(guān)系Fig.9 Relationships between monitored settlement vs. thickness of soil layer

5.2 軟土厚度與填土高度

雖然軟土路基沉降變形受眾多因素的影響，但是軟土厚度h和填土高度H仍是2個(gè)重要影響因素。為研究方便，采用路基軟土在路堤荷載作用下的沉降歸一化處理方法，計(jì)算出單位厚度軟土在單位填土高度作用下的沉降變形。圖10為路堤施工期單位填土高度下路基沉降量s/h與軟土層厚度H的關(guān)系曲線，其線性擬合的斜率表示單位厚度軟土在單位高度填土作用下的沉降變形量。

分析結(jié)果表明，漿噴樁處理時(shí)，樁間1.3 m和1.6 m對(duì)應(yīng)的單位厚度軟土在單位高度填土作用下的沉降變形分別為2.98 mm和4.07 mm；樁間距1.2、1.4 m的數(shù)據(jù)較少，不具有統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律，故不做分析。雖然管樁處理路段多集中于軟土厚度較大的橋頭路段，但其單位厚度軟土在單位高度填土作用下的沉降變形為1.41 mm。根據(jù)以上分析結(jié)果，可以得到軟土路基在路堤預(yù)壓期末的沉降變形估算公式：

圖10 軟土路基s/h-H關(guān)系Fig.10 Relationships between s/h vs. H plot of soft ground

式中：d為樁間距。影響軟基沉降的因素眾多，不同的處置方式對(duì)軟土的壓縮沉降影響顯著，如水泥摻量、水灰比和樁徑等，均會(huì)造成軟土壓縮系數(shù)發(fā)生改變。本文提出的沉降估算式（1）、（2）應(yīng)用于其他類似工程時(shí)，還需對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果并進(jìn)一步驗(yàn)證。

6 路基沉降預(yù)測(cè)

軟土的壓縮并不是瞬時(shí)完成的，需要時(shí)間排水固結(jié)、產(chǎn)生流變。實(shí)際工程中，雖然路堤填筑期的沉降對(duì)公路的使用沒有影響，但卻影響施工進(jìn)度和工程量，若是能較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)沉降變化，則可指導(dǎo)施工提高工作效率。施工結(jié)束后，工程上更關(guān)注的是工后沉降，即路面澆筑后的沉降，這就需要對(duì)最終沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)?？偟膩碚f，進(jìn)行軟土路基全過程沉降預(yù)測(cè)是十分必要的[9－10]。目前常用的軟土路基沉降預(yù)測(cè)方法主要有三類：（1）基于Terzaghi一維固結(jié)理論的計(jì)算方法。（2）結(jié)合土體本構(gòu)模型的數(shù)值分析方法。（3）根據(jù)現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推算沉降隨時(shí)間的發(fā)展變化，以推求最終沉降量。由于影響軟土路基沉降的因素眾多，現(xiàn)有的計(jì)算理論與工程實(shí)際存在一定的差異，沉降分析中的參數(shù)難以合理確定等，采用第三類方法進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)更接近于實(shí)際。根據(jù)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)軟土路基沉降常用的方法主要有雙曲線法、Logistic曲線法[11]、Gompertz曲線法[12]和指數(shù)曲線法等[13]。本文分別采用雙曲線法和Logistic曲線（L-曲線法）法對(duì)典型斷面的全過程沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析各計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖11、表2所示。

從圖11可以看出，兩種方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合度均較高，但雙曲線法對(duì)最終沉降量值預(yù)測(cè)結(jié)果偏大，而L-曲線法預(yù)測(cè)結(jié)果偏小。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較多且歷時(shí)較長，觀測(cè)數(shù)據(jù)已超過沉降曲線的反彎點(diǎn)，因此兩種預(yù)測(cè)方法均能有效擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。表2中列舉了6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降預(yù)測(cè)結(jié)果，雙曲線法對(duì)最終沉降量預(yù)測(cè)的誤差相對(duì)較大且偏于保守，L-曲線法則相反。因此，在擁有大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，特別是沉降曲線反彎點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)時(shí)，雙曲線法和L-曲線法均可有效預(yù)測(cè)全過程路基沉降量，但對(duì)于最終沉降量（本文假定道路運(yùn)營兩年后的沉降量為最終沉降量）的預(yù)測(cè)效果較差，可綜合兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果來估算路基最終沉降量。

圖11 路基沉降預(yù)測(cè)Fig.11 Settlement prediction of soft ground

表2 沉降預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of settlement prediction

7 結(jié) 論

（1）太湖沖湖積相軟土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。路堤荷載作用下的土體固結(jié)和變形均應(yīng)考慮土體結(jié)構(gòu)性的影響。道路沿線路基沉降量差異較大。工程地質(zhì)條件、地基處理方法和加載方式是影響路基沉降的重要因素，其中硬殼層的厚度對(duì)軟土層上路基的沉降量影響顯著，一定厚度的硬殼層可具有一定的“板體效應(yīng)”。

（2）通過歸一化指標(biāo)分析，得到太湖沖湖積相軟土在漿噴樁處理時(shí)，樁間距1.3 m和1.6 m對(duì)應(yīng)的單位厚度軟土在單位高度填土荷載下的沉降量分別為2.98 mm和4.06 mm，管樁沉降量為1.41 mm，并根據(jù)歸一化指標(biāo)下的路基沉降提出了簡單的沉降估算式，對(duì)該地區(qū)的類似工程具有一定的參考意義。

根據(jù)現(xiàn)有實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，比較了兩種常用的全過程沉降預(yù)測(cè)方法，指出預(yù)測(cè)方法存在的不足，并針對(duì)最終沉降量的預(yù)測(cè)提出較為實(shí)用的方法。

[1] 張誠厚, 袁文明, 戴濟(jì)群. 高速公路軟基處理[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1997.

[2] 趙九齋. 連云港軟土路基沉降研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2000, 22(6): 643－649.ZHAO Jiu-zhai. Research on settlement of soft clay ground in Lianyungang[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2000, 22(6): 643－649.

[3] 經(jīng)緋, 劉松玉, 邵光輝. 軟土地基上路堤沉降變形特性分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2001, 23(6): 728－730.JING Fei, LIU Song-yu, SHAO Guang-hui. The settlement of embankment on soft ground[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(6): 728－730.

[4] 謝勝華, 劉松玉, 杜廣印. 新型粉噴樁加固海相軟土地基的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2014, 27(1): 8－14.XIE Sheng-hua, LIU Song-yu, DU Guang-yin. Evaluation of application effect of soft marine clay foundation reinforced by new dry jet mixing piles[J]. China Journal of Highway and Transport, 2014, 27(1): 8－14.

[5] 吳立堅(jiān), 鄭甲佳, 鄧捷. 高液限土路基的沉降變形規(guī)律[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(增刊2): 351－355.WU Li-jian, ZHENG Jia-jia, DENG Jie. Settlement law of high liquid limit soil embankment[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(Supp.2): 351－355.

[6] BUTTERFIELD R A. A natural compression law for soils[J]. Geotechnique, 1979, 29(4): 469－480.

[7] BURLAND J B. On the compressibility and shear strength of natural clays[J]. Geotechnique, 1990, 40(3):329－378.

[8] 章定文, 劉松玉. 試論連云港海相軟土路堤沉降規(guī)律[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(2): 304－308.ZHANG Ding-wen, LIU Song-yu. Settlement features of embankment of Lianyungang marine clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(2): 304－308.

[9] 宰金珉, 梅國雄. 全過程的沉降量預(yù)測(cè)方法研究[J]. 巖土力學(xué), 2000, 21(4): 321－325.ZAI Jin-min, MEI Guo-xiong. Forecast method of settlement during the complete process of construction and operation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2000, 21(4):321－325.

[10] 王偉, 盧廷浩, 王曉妮. 軟土路基線性加載沉降曲線的研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(5): 791－794.WANG Wei, LU Ting-hao, WANG Xiao-ni. Study on settlement curve of ramp loading roadbed on soft ground[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(5): 791－794.

[11] 朱志鐸, 周禮紅. 軟土路基全過程沉降預(yù)測(cè)的 Logistic模型應(yīng)用研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2009, 31(6): 965－969.ZHU Zhi-duo, ZHOU Li-hong. Application of logistic model in settlement prediction duing complete process of embankment construction[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(6): 965－969.

[12] 余闖, 劉松玉. 路堤沉降預(yù)測(cè)的 Gompertz模型應(yīng)用研究[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(1): 82－86.YU Chuang, LIU Song-yu. A study on prediction of embankment settlement with the Gompertz model[J].Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(1): 82－86.

[13] 梅國雄, 宰金珉, 殷宗澤, 等. 沉降-時(shí)間曲線呈“S”型的證明——從一維固結(jié)理論角度[J]. 巖土力學(xué), 2005,25(1): 20－22.MEI Guo-xiong, ZAI Jin-min, YING Zong-ze, et al.Proof of s-t curve appearing “S” shape based on one-dimensinal consolidation theory[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 25(1): 20－22.