軟基真空預壓工后殘余沉降量空間分布預測分析

龔文宗 鄒海峰 查俊

摘要：工后殘余沉降量是真空預壓法處理軟土地基的主要控制標準之一。然而受到土體非均質性的影響，填海工程中軟基的工后殘余沉降量往往表現出很大的空間變異性。文章對廣州某填海工程試驗區(qū)內軟基的工后殘余沉降量進行了分析，采用條件隨機場預測了整個空間區(qū)域內工后殘余沉降量的空間分布圖，并據此計算出了工后殘余沉降量超過允許值的概率分布圖。根據該分布圖，指出了真空預壓需要延長加荷時間的區(qū)域，為真空預壓卸荷方案設計提供了指導意見。

關鍵詞：軟基;真空預壓;空間插值;條件隨機場

0 引言

真空預壓法是處理軟土地基的常用方法之一，近年來在我國沿海填海工程如廣州南沙港和溫州歐飛工程中得到了大量的應用。真空預壓法通過持續(xù)對工程場地施加真空荷載和設置排水井，使得軟土內部的孔隙水被排出，土的有效應力增大而強度增長，壓縮性降低，從而達到增強軟基的穩(wěn)定性和降低工后殘余沉降的目的[1-2]。與傳統(tǒng)的超載預壓相比，真空預壓方法能夠避免荷載過大或分布不均勻導致的地基失穩(wěn)問題，同時工程成本更低[1]。因此，真空預壓法在國內外軟基工程中得到了廣泛的應用[2]。

真空預壓質量控制的標準一般包含兩項內容：（1）固結度達到90%以上;（2）主固結殘余沉降量在允許范圍內。這兩項標準都可從現場的沉降觀測資料中獲得。然而，在填海工程中，填料一般為疏浚淤泥或黏土，夾有部分砂土和粉土等。在疏浚過程中土的結構和層理被破壞，土體不再具有均質性，其物理力學性質具有顯著的空間變異性。在此情況下，場地的沉降量可能表現出顯著的差異性。因此，有必要根據有限的沉降觀測資料推測整個場地的工后殘余沉降量，然后決定卸荷的方案。

隨機場是模擬土體固有空間變異性的一種有效方法，建立在該理論基礎上的條件隨機場方法提供了一種根據有限資料插值預測巖土工程參數空間分布的有效手段[3-7]。本研究以廣州填海工程場地為例，將條件隨機場方法應用于該工程的工后殘余沉降量區(qū)域預測中，給出了殘余沉降量超出質量控制標準的概率空間分布圖，從而為后續(xù)設計提供更為準確、可靠的設計資料。為實現這一目的，本文首先介紹了場地的基本工程地質條件，然后分析了該項目的沉降監(jiān)測資料，從而推斷出了各個沉降監(jiān)測點的工后殘余沉降量。在此基礎上結合空間變異性分析和條件[JP]插值方法，得到了整個工程場地的工后殘余沉降量分布圖，并計算出工后殘余沉降量超過允許值的概率大小，最終為真空預壓卸荷方案提供了指導性建議。

1 試驗資料

1.1 工程概況

監(jiān)測場地位于廣州南沙港區(qū)。場區(qū)原地層主要為沖積、沖洪積沉積，主要土層自上而下為：（1）第四系全新統(tǒng)人工填土地層，包括中粗砂、粉細砂、素填土和淤泥-淤泥質土;（2）第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積地層，包括淤泥（混砂）、淤泥質土（混砂）、中粗砂和粉細砂;（3）第四系上更新統(tǒng)沖積-洪積、海相沉積地層，包括黏土-粉質黏土、中粗砂和粉細砂。該區(qū)域場地的淤泥和淤泥質土屬于超軟土，含水量極高、壓縮性大、強度及承載力極低，因此需要進行地基處理。

1.2 真空預壓設計方案

為降低場區(qū)軟基的工后殘余沉降量并提高承載力，對該區(qū)域進行了大面積的真空預壓。為配合真空預壓，在該場區(qū)搭設了大量的塑料排水板。塑料排水板間距為1m，呈正方形布設。場區(qū)上覆砂墊層，形成排水通道。在真空預壓方案中，膜下真空度維持不低于85kPa，抽真空有效時間約為85d。在抽真空過程中，持續(xù)監(jiān)測地表沉降量、分層沉降量、土中孔隙水壓力和土體側向位移。卸荷標準為，按地表沉降曲線推算的固結度≥90%，且主固結殘余沉降量≤25cm。

1.3 地表沉降量監(jiān)測

在研究區(qū)域設置了144個地表沉降監(jiān)測點，記錄不同預壓期間的地表沉降量。監(jiān)測點的平面分布圖見圖1（a），相鄰監(jiān)測點之間的最小間距為37m，最大間距為66m。這些間距保證地表的差異沉降能夠被準確監(jiān)測出來。典型的沉降監(jiān)測曲線見圖1（b），從該圖中可以看出，在鋪設砂墊層以后，未施加真空荷載之前，地下土體即開始產生沉降。且1個月內的沉降量變化區(qū)間很大，低至20cm，最大可達80cm左右。在施加真空荷載之后，沉降速率顯著增加，沉降-時間曲線變化速率顯著加快。這表明，真空預壓法顯著加快了地基的固結排水過程。此后隨著時間的增長，沉降量的增加趨于緩慢。在經歷3個月的真空預壓之后，沉降量趨于穩(wěn)定。然而，不同監(jiān)測點的沉降量仍然存在顯著的差異，最低約為0.5m，最大可達2.1m左右。這一差異是由于土體的非均質性所引起的。為得到更加全面的土體沉降量分布規(guī)律，應采用空間插值方法得到整個區(qū)域的沉降量分布圖，從而更好地指導工程實踐。

2 軟基工后殘余沉降量空間分布預測

工后殘余沉降量為最終沉降量與當前沉降量之差。軟基最終沉降量可以根據沉降曲線推算得到，也可以采用Asaoka方法預測得到[8]。圖2給出了根據各個沉降監(jiān)測點沉降曲線預測的工后殘余沉降量分布圖，從該圖中可以看出，所有的殘余沉降量都介于0～35cm之間。在144個監(jiān)測點中，僅9個點位處的殘余沉降量超過允許值25cm，其余都低于這一允許值。這表明，大部分的工后殘余沉降量都達到了卸荷標準。

此外，殘余沉降量表現出了由南向北逐漸增大的整體趨勢，根據這些數據擬合的三維趨勢面也在下頁圖2中給出?？臻g插值需要移除這些趨勢項，對殘差進行統(tǒng)計分析和預測，以得到更加合理的預測結果。殘余沉降量的殘差定義為殘余沉降量與趨勢項之間的差。在此假定殘差服從正態(tài)分布，擬合直方圖也在圖2中給出。從圖2中可以看出，正態(tài)分布能夠對殘余沉降量的殘差形成較好的擬合，其均值約為0，標準差約為8.00cm。

在工程實踐中，沉降量分布具有空間相關性，也即某個觀測點位附近的沉降量趨于接近該觀測點位附近的觀測值，而隨著觀測點與預測點之間距離的增大，這一接近程度會逐漸降低。當距離達到某個范圍時，無法用觀測點的沉降量去預測未觀測點的沉降量。在隨機場理論中，這一最大的距離被稱為波動范圍[3-7]。波動范圍的估計方法有多種，其中較為可靠的是極大似然估計方法，即在假定殘余沉降量的殘差服從正態(tài)分布的情況下，可以極為方便地估計出這一波動范圍，在得到波動范圍之后，可以通過條件插值得到殘余沉降量的殘差在試驗區(qū)域的空間分布規(guī)律，然后采用概率計算方法得到各個空間位置處殘余沉降量高出某個范圍的概率。具體計算方法見已有文獻[3-7]。本研究即是采用了這一方法。

采用該方法得到殘余沉降量的空間分布圖見圖3（a），相應殘余沉降量超過25cm的概率見圖3（b）。在圖3中，沉降量觀測點的坐標及根據Asaoka方法推算的殘余沉降量值以離散的點表示。從圖3中可以看出，整體上，試驗場地的殘余沉降量介于0～35cm之間，這是由于條件隨機場是一種內插方法，所預測的結果并不會超出觀測數據的最小值與最大值范圍。大部分殘余沉降量超過25cm的概率均低于10%，表明真空預壓已經可靠地達到卸載標準。

然而，根據該分布圖，試驗區(qū)的西北、東北和東南四個角落的殘余沉降量相對較大，平均約為23cm，局部變化范圍為10～35cm。這表明該局部區(qū)域的殘余沉降量仍然較為顯著，有可能會超過允許值25cm。根據圖3（b）給出的概率分布圖，可以看出該區(qū)域西北角殘余沉降量超過25cm的概率最高，達70%以上;東北角殘余沉降量超過25cm的概率次之，然而也達到50%以上;東南角殘余沉降量超過25cm的概率略微低一些，然而也達到25%以上。

上述分析表明，試驗區(qū)的殘余沉降量分布并不均勻，這可能是由于土體的非均質性所引起的。真空預壓的加荷時間應當與軟土的厚度和土體內部排水通道分布等因素密切相關。軟土越厚，排水固結所需要的時間越長，則真空預壓時間應當越長。當土體內部分布大量砂夾層時，真空預壓期間易形成排水通道，則排水固結所需要的時間越短，真空預壓時間也就越短。這些因素都受到土體固有空間變異性的影響，填海項目所涉及的疏浚土往往具有顯著的非均質性，故在相關的工程項目中，宜以空間插值方法所得到的區(qū)域分布圖作為參考，為工程實踐提供指導。根據圖3的結果，可以得到的結論是，試驗區(qū)域內，西北、東北和東南這三個角落的真空預壓時間應延長一些，以更進一步降低工后殘余沉降量，達到地基處理設計標準。

3 結語

本文通過將條件隨機場應用于廣州某填海工程試驗區(qū)域內的工后殘余沉降量預測中，得到了整個區(qū)域內殘余沉降量的分布，并計算出了殘余沉降量超過允許值概率的大小。主要結論如下：

（1）試驗區(qū)土體工后殘余沉降量的變化范圍很大，可能是土體空間變異性非常顯著所致。

（2）試驗區(qū)西北、東北和東南三個角落的殘余沉降量相對較大，超過允許值的概率偏高，其真空預壓時間應相對更長一些，以更進一步降低工后殘余沉降量，達到地基處理設計標準。

（3）條件隨機場提供了一種推算地表沉降量區(qū)域分布的可靠方法，宜在填海工程中得到使用，為工程實踐提供指導。

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