依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)城市道路軟土地基處理效果

劉紅軍，錢(qián)大偉，李洪峰

(1.五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020；2.哈爾濱西部地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150086；3.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)城市道路軟土地基處理效果

劉紅軍1，錢(qián)大偉2，李洪峰*3

(1.五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020；2.哈爾濱西部地區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150086；3.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

為評(píng)價(jià)軟基處理效果，確定合理的卸載時(shí)間，選取典型監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降、超孔隙水壓力及十字板剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：在軟土地基總沉降量中，填土加載期占主要部分，接近于60%，預(yù)壓期的沉降量占總沉降量35%左右；推測(cè)軟土地基工后沉降的結(jié)果證明，預(yù)壓期前三個(gè)月，推測(cè)的工后沉降大于30 cm，此后隨著堆載預(yù)壓時(shí)間的增加，推測(cè)的工后沉降逐漸減少，但表現(xiàn)的并不十分明顯；整個(gè)填土加載期，超孔隙水壓力變化過(guò)程呈現(xiàn)出波浪型的變化，淺層大于深層的超孔隙水壓力，隨著堆載預(yù)壓時(shí)間的增加，軟土地基中，不同深度的超孔隙水壓力逐漸減小，并逐漸接近；軟土層經(jīng)過(guò)預(yù)壓排水固結(jié)，抗剪強(qiáng)度有個(gè)明顯增加的過(guò)程，預(yù)壓卸載前比排水固結(jié)前的十字板剪切強(qiáng)度增加6～8 kPa，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率會(huì)隨著剪切深度的增加而減少，增長(zhǎng)率在26.3%～91.0%之間。研究成果為今后本區(qū)域的軟基設(shè)計(jì)和施工提供可靠的依據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；軟基處理效果；地表沉降；超孔隙水壓力；十字板剪切強(qiáng)度

0 引 言

修建在軟土地基上的城市道路，施工的過(guò)程中要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①保證路堤填土過(guò)程中軟土地基的穩(wěn)定性；②在堆載預(yù)壓期間，各附屬工程施工中(如市政管道的施工、開(kāi)挖邊溝等)也要保證軟土地基的穩(wěn)定性；③超載預(yù)壓卸載時(shí)間的確定；④軟土地基工后沉降量的確定[4-5]。要解決上述問(wèn)題，僅靠工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析是難以滿足工程需求的，必須對(duì)軟土地基進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工過(guò)程，保證軟土地基的沉降與穩(wěn)定[6]。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

本項(xiàng)目所處區(qū)域位于江門(mén)市濱江新區(qū)新南路，地貌屬于三角洲邊緣與河流沖積地帶，地形較平坦，地勢(shì)較低，地形開(kāi)闊。沿線場(chǎng)地主要為魚(yú)塘、溝涌，少量農(nóng)田。根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)分布的地層主要有人工填土層、第四系沖積層和殘積層，下伏基巖為白堊系粉砂質(zhì)泥巖。本文結(jié)合工程實(shí)際，選取典型斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取路段為新南路西段一標(biāo)K2+370，監(jiān)測(cè)斷面的地質(zhì)條件及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，監(jiān)測(cè)斷面軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

軟基處理方法采用塑料排水板堆載預(yù)壓排水固結(jié)法[7]。排水板平面布置呈梅花形，間距為1.0 m，排水板長(zhǎng)度以下部穿透軟土層，上部高出施工期砂墊層頂部0.2 m為準(zhǔn)。

表1 K2+370監(jiān)測(cè)斷面軟土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The data of the basic physical mechanics of the soft soil from K2+370 monitoring section

圖1 k2+370監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及地質(zhì)條件剖面圖Fig.1 The monitoring site layout and geological condition profile of K2+370 monitoring section

2 監(jiān)測(cè)方案及技術(shù)要求

2.1 監(jiān)測(cè)方案

地表沉降監(jiān)測(cè)是在砂墊層整平驗(yàn)收后、施打排水板之前，在原地面埋設(shè)沉降板，分別布置在路堤橫斷面的中間和兩側(cè)路肩，具體位置如圖1所示?；鶞?zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)采用獨(dú)立高程網(wǎng)，與施工采用的高程系統(tǒng)相一致，按二級(jí)沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)要求，對(duì)3個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)的高程進(jìn)行聯(lián)測(cè)，以求得每個(gè)點(diǎn)的高程最可靠值。同時(shí)為確保觀測(cè)質(zhì)量，基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性宜一個(gè)月進(jìn)行一次聯(lián)測(cè)。沉降點(diǎn)的監(jiān)測(cè)根據(jù)基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)所采用的高程系統(tǒng)，按三等沉降監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行。

孔隙水壓力測(cè)試采用孔隙水壓力儀，為鋼弦式，特點(diǎn)：穩(wěn)定性好、靈敏度高，使用最多?？紫端畨毫ΡO(jiān)測(cè)采用鉆孔法布設(shè)，要求不能距離塑料排水板太近，且與附近的深(分層)沉降監(jiān)測(cè)孔距離不小于2 m?？紫端畨毫ΡO(jiān)測(cè)孔布設(shè)于道路中間，如圖1所示。監(jiān)測(cè)孔要求埋深進(jìn)入淤泥以下粘土層不少于0.5 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)孔安置3個(gè)孔隙水壓力計(jì)，分上、中、下平均分布于淤泥層。

4.1 病態(tài)行為 病態(tài)行為是一組癥狀群，這組癥狀群主要是由中樞或外周給予微生物、LPS、疫苗、促炎性細(xì)胞因子所誘導(dǎo)[38]。這些行為主要包括食欲與體重改變，社交、主動(dòng)行為、性行為下降，快感缺乏以及睡眠結(jié)構(gòu)的改變。這些行為和臨床干擾素誘導(dǎo)的抑郁癥狀類(lèi)似[39]。

十字板剪切試驗(yàn)在排水固結(jié)前和預(yù)壓卸載前各進(jìn)行一次，為便于對(duì)比固結(jié)效果，前后兩次的試驗(yàn)點(diǎn)位置及深度相同。

監(jiān)測(cè)頻率：土方填筑期間1次/d，間歇期1次/3d，滿載預(yù)壓期第一個(gè)月1次/2d，一個(gè)月后1次/7d，路面底層、面層施工期間每層施工結(jié)束觀測(cè)一次，運(yùn)營(yíng)期前半年每月觀測(cè)一次，以后每季度觀測(cè)一次。

2.2 技術(shù)要求

軟基監(jiān)測(cè)的主要目的是通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析，指導(dǎo)路基施工[8]，對(duì)可能出現(xiàn)的不利情況進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，保障路基的安全，確保正常的施工和后期項(xiàng)目的正常運(yùn)營(yíng)[9-10]。

填土速率和卸載標(biāo)準(zhǔn)：①在堆載預(yù)壓法處理段，路基填土速率的標(biāo)準(zhǔn)為：每天24小時(shí)內(nèi)道路中心位置垂直沉降不超過(guò)1 cm；每天24小時(shí)內(nèi)道路坡腳水平方向位移不超過(guò)0.5 cm；孔隙水壓力增長(zhǎng)值與一層路基填土所增加的附加應(yīng)力之比不大于0.6。②軟基卸載的標(biāo)準(zhǔn)為：經(jīng)過(guò)預(yù)壓處理后的淤泥層固結(jié)度要達(dá)到≥90%的設(shè)計(jì)要求；預(yù)壓期最后連續(xù)兩個(gè)月，沉降速率小于5 mm/月；根據(jù)沉降曲線推算工后沉降小于30 cm。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

表面沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律是路堤控制施工進(jìn)度和安排后期施工的最重要指標(biāo)，也是理論研究結(jié)果是否正確的最直接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和加固效果最直接的反映[11-12]。為了便于分析地表沉降的變化規(guī)律，表2給出了路堤施工各階段的起止日期及歷時(shí)天數(shù)。地表沉降(S)隨時(shí)間(t)的變化過(guò)程如圖2所示。

表2 K2+370監(jiān)測(cè)斷面各階段沉降量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The data of the settlement statistics of each period from K2+370 monitoring section

圖2 K2+370地表沉降與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 The data of surface subsidence and time curves from K2+370

由圖2中的曲線變化特征可知，在塑料排水板打設(shè)后，堆載開(kāi)始前，沉降曲線較為平緩，堆載開(kāi)始后，沉降曲線明顯變陡，說(shuō)明在軟基中施打塑料排水板只是增加土體的豎向排水通道，如果不配合堆載，土體總應(yīng)力不變，從本質(zhì)上達(dá)不到加速軟基固結(jié)的目的，所以，排水系統(tǒng)與加壓系統(tǒng)缺一不可[13]。在填土加載期曲線較陡，軟土地基沉降較快，停止填土后，逐漸趨于平緩，說(shuō)明土體主固結(jié)變化速率是一個(gè)漸變收斂的過(guò)程，到卸載前為止，各條曲線趨于水平，沉降趨于穩(wěn)定。對(duì)比三個(gè)沉降板沉降過(guò)程曲線可知，它們的沉降過(guò)程及沉降趨勢(shì)基本相同，從沉降量大小來(lái)看，中間沉降板的沉降量要比左右路肩處的大，出現(xiàn)了一個(gè)沉降盆，這也符合土力學(xué)當(dāng)中的附加應(yīng)力分布規(guī)律。

結(jié)合圖1和根據(jù)表2的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，填土高度為5.255 m，填土歷時(shí)為130 d，在軟土地基總沉降量中，填土加載期占主要部分，接近于60%，因此，填土期一定要控制軟土地基的沉降速率，保證軟土地基在每級(jí)荷載下排水固結(jié)和穩(wěn)定性，即填土荷載的增加一定要與軟土排水固結(jié)增長(zhǎng)的強(qiáng)度相匹配。本監(jiān)測(cè)斷面堆載預(yù)壓期為288 d，本期的沉降量占總沉降量35%左右。

圖3為堆載預(yù)壓后各月沉降量柱形圖，根據(jù)圖3柱狀圖的變化特征可知，滿載后，隨著堆載預(yù)壓時(shí)間的增加，各月的沉降量在逐漸減小，不同階段沉降減少的快慢不同。

根據(jù)大量實(shí)測(cè)資料分析，軟基路堤在荷載穩(wěn)定的條件下，沉降曲線均具有一定的線性變化規(guī)律[14]。所以工后沉降推算方法多采用擬合曲線法，常用的有沉降曲率法、星野法、三點(diǎn)法、雙曲線法和指數(shù)法等。具體采用哪種線性規(guī)律更為合理，它與荷載大小、地基條件和處理方法等多種因素有關(guān)，必須采用多種方法作出綜合判斷[15]。從有關(guān)資料反映我國(guó)目前采用雙曲線法較為普遍，在這方面積累的成熟經(jīng)驗(yàn)較多。本項(xiàng)工程采用雙曲線法推測(cè)工后沉降，工后沉降的預(yù)測(cè)按設(shè)計(jì)年限30 a計(jì)算。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，利用地表沉降曲線推算工后沉降要小于30 cm，才能滿足工程要求。

雙曲線法是假定下沉平均速度以雙曲線形式減少的經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法。從填土滿載開(kāi)始到任意時(shí)間t的沉降量st可用下式求得：

(1)

式中：s0為t=0時(shí)的初始沉降量，cm，千萬(wàn)注意要從最后一級(jí)恒載穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始計(jì)算；st為t時(shí)的沉降量，cm；t為經(jīng)過(guò)時(shí)間天；α和β是實(shí)測(cè)值經(jīng)過(guò)回歸求得的兩個(gè)常數(shù)。

根據(jù)公式(1)可得：

(2)

當(dāng)時(shí)t=∞，最終沉降量為：

利用公式(1)預(yù)測(cè)道路使用30 a的沉降量，減去t=0時(shí)的初始沉降量s0，即為軟基的工后沉降量。

為研究軟基工后沉降的變化規(guī)律，確定合理的卸載時(shí)間，也為今后該地區(qū)的軟基設(shè)計(jì)和施工提供可靠的依據(jù)，利用雙曲線法推算了滿載期后各月的工后沉降，推測(cè)結(jié)果如圖4所示。

依據(jù)圖4可知，隨著堆載預(yù)壓時(shí)間的增加，推測(cè)的軟土地基工后沉降在逐漸減少，堆載預(yù)壓期前三個(gè)月推測(cè)的工后沉降大于30 cm，還不能滿足卸載要求，以后推測(cè)的工后沉降雖然隨著預(yù)壓期的增加在逐漸減小，但表現(xiàn)的并不明顯，因此，結(jié)合卸載標(biāo)準(zhǔn)的另一指標(biāo)要求，同時(shí)考慮工期，最終確定，預(yù)壓期要達(dá)到9個(gè)月以上才能開(kāi)始卸載，整平路基后，進(jìn)行路面施工。

圖3 堆載預(yù)壓后各月沉降量柱形圖Fig.3 The data of the column chart of the monthly settlement after pre-loading

圖4 堆載預(yù)壓后不同時(shí)間推測(cè)的工后沉降Fig.4 The data of the concluded post-construction settlement of different time after pre-loading

3.2 超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

軟基超孔隙水壓力消散和增長(zhǎng)規(guī)律，反映了地基土的排水固結(jié)特性和有效應(yīng)力變化規(guī)律[16]，根據(jù)圖5所示超孔隙水壓力展布特征，可以看出：填土加載期，每填一層土，超孔隙水壓力都會(huì)升高，在填下一層土前，超孔隙水壓力會(huì)逐漸消散，表明間歇期，軟土地基在排水固結(jié)，有效應(yīng)力逐漸增大，整個(gè)填土加載期，超孔隙水壓力變化過(guò)程呈現(xiàn)出波浪型的變化，總體上呈現(xiàn)出逐漸消散的過(guò)程。堆載預(yù)壓期，超孔隙水壓力逐漸減小，個(gè)別出現(xiàn)反彈，主要受降雨影響，到了堆載預(yù)壓期的后期，超孔隙壓力出現(xiàn)負(fù)值，表明軟土地基已充分排水固結(jié)，固結(jié)效果較好。為研究軟土地基排水固結(jié)的深度效應(yīng)，筆者在同一位置，軟土地基不同深度的地方分別埋設(shè)了孔隙水壓力探頭，由圖5可知，淺層超孔隙水壓力反應(yīng)迅速，而深層反應(yīng)相對(duì)滯后，在填土期，淺層超孔隙水壓力明顯大于深層的超孔隙水壓力，而且相差比較大，這與附加應(yīng)力分布規(guī)律相吻合。堆載預(yù)壓期，超孔隙水壓力在逐漸減小，由于淺層超孔隙水壓力消散的快，隨著堆載預(yù)壓時(shí)間的增加，軟土地基中，不同深度的超孔隙水壓力逐漸減小，并且逐漸接近。

3.3 剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)情況分析

為了評(píng)價(jià)軟基加固前后強(qiáng)度的變化，測(cè)試堆載預(yù)壓軟基處理方法引起的地基強(qiáng)度的增長(zhǎng)，采用現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)軟基處理的效果[17-18]，在斷面中心點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，堆載預(yù)壓處理前后各進(jìn)行一次，試驗(yàn)深度根據(jù)地質(zhì)情況確定。表3統(tǒng)計(jì)了監(jiān)測(cè)斷面排水固結(jié)前與預(yù)壓卸載前測(cè)得的軟土層十字板剪切強(qiáng)度，由表3統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知，軟土層經(jīng)過(guò)預(yù)壓排水固結(jié)，抗剪強(qiáng)度有個(gè)明顯增加的過(guò)程，預(yù)壓卸載前比排水固結(jié)前的十字板剪切強(qiáng)度增加6～8 kPa?？辜魪?qiáng)度增長(zhǎng)率會(huì)隨著剪切深度的增加而減少，這是因?yàn)槁返烫钔猎诘鼗林挟a(chǎn)生的附加應(yīng)力隨著深度的增加而減小，埋深越小的軟土層，受路堤填土影響越顯著，排水固結(jié)就越強(qiáng)。

圖5 K2+370超孔隙水壓力與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 The data of the excess pore water pressure and time curves from K2+370

試驗(yàn)點(diǎn)深度/m2.03.04.05.06.0填土前十字板剪切強(qiáng)度/kPa7.811.88.516.025.5卸載前十字板剪切強(qiáng)度/kPa14.918.116.123.532.2十字板剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)率/%91.053.489.446.926.3

4 結(jié)論

(1)堆載開(kāi)始前，沉降曲線較為平緩，堆載開(kāi)始后，沉降曲線明顯變陡，停止填土后，逐漸趨于平緩，說(shuō)明土體主固結(jié)變化速率是一個(gè)漸變收斂的過(guò)程，到卸載前為止，各條曲線趨于水平，沉降趨于穩(wěn)定。對(duì)比三個(gè)沉降板沉降過(guò)程曲線可知，它們的沉降過(guò)程及沉降趨勢(shì)基本相同，從沉降量大小來(lái)看，中間沉降板的沉降量要比左右路肩處的大，出現(xiàn)了一個(gè)沉降盆，這也符合土力學(xué)當(dāng)中的附加應(yīng)力分布規(guī)律。

(2)在軟土地基總沉降量中，填土加載期占主要部分，接近于60%，堆載預(yù)壓期的沉降量占總沉降量35%左右，隨著堆載預(yù)壓時(shí)間的增加，推測(cè)的軟土地基工后沉降在逐漸減少，堆載預(yù)壓期前三個(gè)月推測(cè)的工后沉降大于30 cm，還不能滿足卸載要求，以后推測(cè)的工后沉降雖然隨著預(yù)壓期的增加在逐漸減小，但表現(xiàn)的并不明顯。

(3)整個(gè)填土加載期，超孔隙水壓力變化過(guò)程呈現(xiàn)出波浪型的變化，總體上呈現(xiàn)出逐漸消散的過(guò)程，隨著堆載預(yù)壓時(shí)間的增加，軟土地基中，不同深度的超孔隙水壓力逐漸減小，并逐漸接近。

(4)軟土層經(jīng)過(guò)預(yù)壓排水固結(jié)，抗剪強(qiáng)度有個(gè)明顯增加的過(guò)程，預(yù)壓卸載前比排水固結(jié)前的十字板剪切強(qiáng)度增加6～8 kPa，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率會(huì)隨著剪切深度的增加而減少，增長(zhǎng)率在26.3%～91.0%之間。

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EvaluationofSoftFoundationTreatmentofUrbanRoadBasedonFieldMonitoringData

Liu Hongjun1，Qian Dawei2，Li Hongfeng*3

(1.College of Civil Architecture，Wu Yi university，Jiangmen 529020； 2.The Western Region in Harbin Development and Construction Refco Ltd.Harbin 150086； 3.College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to evaluate the effect of soft foundation treatment and determine the reasonable unloading time，the surface settlement，excess pore water pressure and cross shear strength data typical monitoring section were selected and analyzed.Results show that：in the total settlement of soft soil foundation，the filling period was the main part，which was close to 60%，and the settlement of the preloading period accounts for about 35%.It was assumed that the post construction settlement of soft soil foundation proves that the settlement after construction was greater than 30cm in the first three months of the preloading period.Then，with the increase of the preloading time，the post-construction settlement decreased，but the performance was not very obvious.During the whole loading period，the change of excess pore water pressure showed a changed of the wave type，and the pressure in shallow layer was larger than that in deep layer.With the increase of surcharge preloading time，the excess pore water pressure at different depths decreased gradually and gradually approaches in soft soil foundation.In the soft soil layer，the shear strength increased obviously by preloading drainage consolidation，and the shear strength of the cross plate before preloading was increased by 6～8 kPa，compared with that before the drainage consolidation.The shear strength growth rate would decrease with the increase of shear depth，and the growth rate was between 26.3% and 91.0%.The research will provide a reliable basis for the design and construction of soft soil in this region.

Field monitoring data；the treatment effect of soft soil foundation；ground surface subsidence；excess pore water pressure；cross shear strength

U 416

A

1001-005X(2017)06-0077-06

2017-08-23

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2011-k5-36)；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2012C080)

劉紅軍，博士，教授。研究方向：巖土工程與道路工程。E-mail：liuhongjun_0821@163.com

*通信作者：李洪峰，博士，講師。研究方向：巖土工程與道路工程，lhfdoctor@163.com

劉紅軍，錢(qián)大偉，李洪峰.依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)城市道路軟土地基處理效果[J].森林工程，2017，33(6)：77-82.