基于Asaoka法的軟基處理動態(tài)設(shè)計

謝萬東

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230)

在排水固結(jié)法軟基處理工程中，可采用Asaoka法根據(jù)實測沉降數(shù)據(jù)進行最終沉降和固結(jié)度的推算。但由于該方法未被納入國內(nèi)設(shè)計規(guī)范[1-2]，在國內(nèi)工程實踐中的應(yīng)用并不多；而在海外工程中，Asaoka法的應(yīng)用則更為普遍，如香港海港工程設(shè)計手冊[3]就推薦采用Asaoka法對實測沉降數(shù)據(jù)進行分析。當(dāng)前對Asaoka法的應(yīng)用和研究主要是進行最終沉降和固結(jié)度的推算，個別有進行土體固結(jié)系數(shù)的反演分析。王志亮等[4]系統(tǒng)地介紹了Asaoka法的基礎(chǔ)知識；鄧永鋒等[5]以Asaoka法為基礎(chǔ)，根據(jù)Terzaghi一維固結(jié)理論推導(dǎo)了豎直向固結(jié)系數(shù)的推算方法，但未涉及水平向固結(jié)系數(shù)的推算。利用實測沉降數(shù)據(jù)進一步進行土體壓縮參數(shù)的反演分析、預(yù)壓時間和卸載時機的預(yù)測等的研究和應(yīng)用并不多，對動態(tài)設(shè)計的指導(dǎo)意義有限。

以Asaoka法為基礎(chǔ)，可以建立軟基處理動態(tài)設(shè)計的完整流程，包括推算預(yù)壓荷載下的最終沉降、固結(jié)度、固結(jié)系數(shù)、壓縮指數(shù)，預(yù)測預(yù)壓時間和卸載時機等，實現(xiàn)精細化設(shè)計，有利于積累工程經(jīng)驗。

1 軟基處理動態(tài)設(shè)計的工作流程

1.1 最終沉降、固結(jié)度和固結(jié)系數(shù)的推算

采用Asaoka法推算沉降、固結(jié)度和固結(jié)系數(shù)的方法如下：

第1步：將時間-沉降曲線劃分成相等的時間段Δt，讀出在t1=Δt，t2=2Δt，…，tj=jΔt，…時的沉降量s1，s2，…，sj，…，見圖1a)。對設(shè)置有豎向排水體的地基，Δt可取5～10 d。

第2步：在以軸sj-1和sj建立的坐標(biāo)系中，將沉降s1，s2，…，sj，…以點(sj-1，sj)畫出，并作出過坐標(biāo)系原點的sj=sj-1的45°直線，見圖1b)。

第3步：在圖1b)中作一條盡量通過這些點的直線，可用最小二乘法確定。設(shè)圖1b)中過這些點的直線的斜率為β1，在縱軸上的截距為b。這條直線與過坐標(biāo)系原點的45°直線相交的點就是最終沉降s∞。當(dāng)前沉降與最終沉降的比值為當(dāng)前的土體固結(jié)度。

圖1 Asaoka沉降預(yù)測圖解法

在實踐中，可以用Microsoft Excel中的Slope和Intercept函數(shù)分別計算β1和b，并用下式計算施工預(yù)壓荷載下的最終沉降s∞：

s∞=b/(1-β1)

(1)

第4步：通過這些點的直線的斜率β1與固結(jié)系數(shù)ch的關(guān)系為：

(2)

式中：ch為水平向固結(jié)系數(shù)；cv為垂直向固結(jié)系數(shù)；de為砂井有效影響范圍的直徑；F為與井徑比有關(guān)的參數(shù)；H為土層厚度。F和de的具體定義見JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》。

在設(shè)置塑料排水板的深厚地基中，由于豎向固結(jié)對總固結(jié)度的貢獻度很小，對水平向固結(jié)系數(shù)ch的推算影響也很小，因此式(2)可以采取如下3種方法處理：1)垂直向固結(jié)系數(shù)取原勘察報告中的數(shù)值；2)垂直向固結(jié)系數(shù)與水平向固結(jié)系數(shù)相等，即cv=ch；3)忽略垂直向固結(jié)的影響。

需要注意的是，Asaoka法只適用于進行軟基處理恒載期的沉降和固結(jié)度推算，不適用于加載期。

1.2 軟基處理設(shè)計動態(tài)調(diào)整的方法

第1步：假定軟土層為正常固結(jié)土，在求得土層在施工荷載下的最終壓縮沉降量s∞后，對土層的壓縮指數(shù)進行調(diào)整。調(diào)整后的土層壓縮指數(shù)Cc值為：

(3)

式中：e0為初始孔隙比；p0為初始有效應(yīng)力或有效自重應(yīng)力；p2為施工期預(yù)壓荷載。

由于土體沉降是采用分層總和法進行計算的，因此在實踐中不能直接用式(3)計算壓縮指數(shù)，需要進行試算；也可以采用更簡便的算法，將設(shè)計計算時采用的壓縮指數(shù)乘以最終沉降推算值與原計算值的比值即可。

第2步：用調(diào)整后的壓縮指數(shù)Cc值對使用荷載下的沉降進行重新計算。

第3步：為滿足殘余沉降要求，在軟基處理施工期應(yīng)完成的沉降為：

(4)

式中：s為土層在施工期需要完成的沉降量；Ut為土層在施工期需要達到的固結(jié)度；H為土層厚度；p1為使用期永久荷載;sc為次固結(jié)沉降；sa為殘余沉降允許值。

在估算次固結(jié)沉降sc時，非有機質(zhì)軟土的次固結(jié)系數(shù)可按下式選取[6]：

Cα=(0.04±0.01)Cc

(5)

式中：Cα為次固結(jié)系數(shù)。

第4步：在式(4)中，可算出土層滿足殘余沉降要求所需達到的最終固結(jié)度Ut，然后計算出自當(dāng)前固結(jié)度至最終固結(jié)度Ut之間的時間差，判斷原來預(yù)測的預(yù)壓時間是否足夠。如預(yù)測的工期不滿足要求，則提出處理建議，如加大預(yù)壓荷載、變更合同工期等。

如果沉降計算采用的是e-p曲線法，可以通過調(diào)整沉降修正系數(shù)實現(xiàn)上述過程，對式(3)和式(4)進行適當(dāng)修改即可。

如果有分層沉降觀測數(shù)據(jù)，也可以采用上述方法進行分析。從理論上來講，對分層沉降數(shù)據(jù)進行分析是更為準(zhǔn)確的。

1.3 動態(tài)設(shè)計流程

目前設(shè)計單位少有對軟基處理進行全過程跟蹤，對日常監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理主要是由監(jiān)測單位進行的，但設(shè)計是軟基處理動態(tài)設(shè)計的核心技術(shù)力量，應(yīng)當(dāng)更多地參與到對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析中來，才能達到積累工程經(jīng)驗、改進設(shè)計的目的。

軟基處理動態(tài)設(shè)計流程見圖2。

圖2 軟基處理動態(tài)設(shè)計流程

2 工程案例分析

2.1 項目概況

廣東省惠州市某碼頭屬中港合資項目，設(shè)置了一個面積約1.1萬m2的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗區(qū)，場地表層有總厚度約20 m的回填流泥、原狀流泥-淤泥。場地內(nèi)插打塑料排水板，間距1 m，正方形布置；設(shè)計預(yù)壓總荷載約153 kPa，預(yù)計預(yù)壓時間約150 d，要求殘余沉降不大于250 mm。在預(yù)壓區(qū)內(nèi)布置了6個表層沉降觀測點，業(yè)主要求采用Asaoka法對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析并指導(dǎo)施工。

2.2 最終沉降和固結(jié)度推算結(jié)果

場地在預(yù)壓150 d后，6個觀測點的實測沉降為2 867～3 502 mm，沉降速率為4.8～7.0 mm/d，見圖3。

圖3 場地實測沉降曲線

以觀測點2為例，按1.1節(jié)中所述方法繪制圖4。

在圖4中，經(jīng)過由實測沉降數(shù)據(jù)組成的點的直線斜率為0.944 5，在縱軸上的截距為204.65 mm，則按照式(1)計算該點在施工期預(yù)壓荷載作用下的最終沉降為3 686 mm。

圖4 監(jiān)測點2最終沉降圖解結(jié)果

所有觀測點根據(jù)實測沉降數(shù)據(jù)按前述流程推算的沉降和固結(jié)度見表1，結(jié)果顯然不滿足卸載要求。

表1 預(yù)壓150 d后的沉降和固結(jié)度

2.3 固結(jié)系數(shù)和壓縮指數(shù)推算結(jié)果

2.3.1固結(jié)系數(shù)

勘察報告中提供的垂直向和水平向固結(jié)系數(shù)平均值分別為cv=0.48×10-3cm2/s、ch=0.41×10-3cm2/s。

按照1.1節(jié)中所述3種方法推算的水平向固結(jié)系數(shù)見表2，這3種方法推算的結(jié)果幾乎是完全一致的。因此，在實踐中可以采用最簡單的處理方式，即忽略豎直向固結(jié)的貢獻。此外，推算的水平向固結(jié)系數(shù)小于地質(zhì)勘察報告中提供的數(shù)值，這也是土層固結(jié)緩慢、無法按設(shè)計預(yù)定時間卸載的原因。

表2 根據(jù)實測沉降推算的水平固結(jié)系數(shù)

2.3.2壓縮指數(shù)

勘察報告中提供的壓縮指數(shù)平均值為0.667。 根據(jù)實測沉降數(shù)據(jù)反算得到的6個觀測點的壓縮指數(shù)分別為0.746、0.755、0.785、0.709、0.733和0.758，平均值為0.748。這意味著場地沉降量將超出原設(shè)計計算值，沉降速率也偏大。

2.4 后續(xù)地基處理方案

雖然場地實際沉降將大于原設(shè)計計算值，但評估后認為施工仍能維持一定的超載比，且如果增大預(yù)壓荷載，沉降、固結(jié)度的推算工作需要推倒重來。因此，后續(xù)地基處理以延長預(yù)壓時間為主。

根據(jù)推算，為滿足殘余沉降不大于250 mm的要求，抽真空時間需要延長至167～253 d，平均約221 d。

在后續(xù)施工中，卸載前場地沉降量為3.0～3.2 m，沉降速率3～4 mm/d，卸載前的固結(jié)度為85%～94%，實際預(yù)壓時間約210 d，與預(yù)測結(jié)果基本相當(dāng)。

3 結(jié)論

1)Asaoka法除用于推算最終沉降和固結(jié)度以外，還可以進一步用于反演分析，推算土體的固結(jié)系數(shù)、壓縮指數(shù)等，預(yù)測地基處理的預(yù)壓工期和卸載時機。

2)以Asaoka法為基礎(chǔ)的反演分析對設(shè)計和施工有較強的指導(dǎo)意義，可對施工中碰到的問題進行定量分析，實現(xiàn)設(shè)計的精細化。