軟土地基病害與沉降預(yù)測(cè)方法研究現(xiàn)狀

廖 鵬，孫世達(dá)

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

軟土地基是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中十分普遍地質(zhì)類型之一。顧名思義，軟土地基具有強(qiáng)度低、含水量高、壓縮性高、工程性質(zhì)差等特性。鑒于軟土地基的特性，其涉及到的工程實(shí)際問題主要有穩(wěn)定性、不均勻沉降導(dǎo)致的變形、動(dòng)荷載引起的地基土液化等3 個(gè)方面。軟弱地基的穩(wěn)定性問題主要是由于地基土承載力低、強(qiáng)度低，而使得路基受上部荷載的影響較大，一旦軟土地基出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度降低或承載能力不足的情況，便會(huì)在路基內(nèi)部形成裂隙，導(dǎo)致路基破壞，甚至出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

沉降、變形問題主要是由于軟土的含水量通常都較高、壓縮性也高，同時(shí)受到附加荷載的作用，從而會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)沉降變形。沉降導(dǎo)致的均勻變形所產(chǎn)生的負(fù)面影響是可以忽略的。但實(shí)質(zhì)上，路基下方土層的厚度是非統(tǒng)一的，土是非均質(zhì)的，所以會(huì)導(dǎo)致在施工過程或后期使用過程中出現(xiàn)軟土地基不均勻沉降的情況，從而出現(xiàn)“起伏路”。除此之外，還有一種情況便是不均勻沉降出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)物與路基的交界面處，這種現(xiàn)象發(fā)生是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)施工過程中結(jié)構(gòu)物和路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)致構(gòu)筑物與路基之間往往會(huì)有不容忽略的沉降差產(chǎn)生。不均勻沉降的產(chǎn)生時(shí)常會(huì)引起路面凹陷、路面裂縫以及路面積水等問題，給后期的投入使用埋下了一定的安全隱患。

動(dòng)荷載所導(dǎo)致的軟弱地基土液化，主要是由于溫度改變以及外界水循環(huán)狀況發(fā)生變化等導(dǎo)致的凍融或管涌等，使得地基承載力與形變出現(xiàn)明顯變化，進(jìn)而產(chǎn)生路面凹陷、路面裂縫等，對(duì)道路的安全性以及適用性都造成了一定的負(fù)面影響。

綜上所述，軟弱路基無論在工程設(shè)計(jì)還是現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)都會(huì)對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。因此，本文將依托工程著重介紹現(xiàn)有的關(guān)于軟弱地基沉降所導(dǎo)致的病害與沉降量預(yù)測(cè)方法。

1 工程概況

在建的貴州省內(nèi)石阡到玉屏的高速公路是貴州省新增重要工程項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目起終點(diǎn)分別與國(guó)內(nèi)多條重要高速公路聯(lián)通，是國(guó)家高速公路網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)。該項(xiàng)目的建成將對(duì)貴州高速公路網(wǎng)的進(jìn)一步完善起到至關(guān)重要的作用。該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的地貌主要為侵蝕構(gòu)造、溶蝕以及溶蝕侵蝕3 種類型。

2 軟土地基沉降病害分析

針對(duì)軟土地基含水率高、壓縮性高以及強(qiáng)度低等工程特點(diǎn)，為克服軟弱地基的不良影響，施工過程中往往會(huì)采取措施改善其承載力，使其承載能力得到一定程度的提升從而達(dá)到施工要求。但若實(shí)際施工過程中采取的處理方式不當(dāng)，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物在使用期內(nèi)出現(xiàn)沉降或傾斜等病害[1]。在橋梁修筑過程中，往往會(huì)在橋墩附近進(jìn)行大量堆載、基坑開挖以及臨近打樁等，這些都極有可能導(dǎo)致樁周土體發(fā)生沉降；同時(shí)土體會(huì)產(chǎn)生橫向位移與橫向變形，進(jìn)而導(dǎo)致基樁受到不容忽略的橫向土壓力作用，并在橫向土壓力作用下發(fā)生橫向彎曲變形，而樁頂部位所承受的豎向荷載將會(huì)使基樁的橫向彎曲變形得到較大程度的加劇。此外，軟弱地基的沉降必將會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)滑移、開裂以及支座脫空等現(xiàn)象的出現(xiàn)。由此可見，軟弱地基對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的不良影響是極其顯著的，因此通過研究理清產(chǎn)生病害的緣由是十分重要的。

結(jié)構(gòu)病害通常是多種因素共同作用所致，其中軟弱地基橋梁所出現(xiàn)的病害類型大致可以分為墩柱開裂、樁頂承臺(tái)開裂、蓋梁開裂以及橋面線型破壞4 個(gè)。

有研究者發(fā)現(xiàn)，承臺(tái)系梁通常呈U 形開裂，裂縫均出現(xiàn)在角隅處，并且是由頂面向下發(fā)展的。并基于這一現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究表明當(dāng)承臺(tái)樁基發(fā)生的不均勻沉降達(dá)到2 cm 時(shí)，承臺(tái)系梁處便已有裂縫產(chǎn)生，且其寬度達(dá)到了約0.6 mm，此刻其頂部的應(yīng)力數(shù)值也達(dá)到了鋼筋的屈服強(qiáng)度，即為240 MPa；若不均勻沉降量繼續(xù)累積，則裂縫的開度也會(huì)不斷增大，當(dāng)不均勻沉降量約為5 cm 時(shí)，混凝土裂縫的開度將增大為3.95 mm。由此可見，承臺(tái)系梁的開裂主要是由承臺(tái)樁基的不均勻沉降所導(dǎo)致的。同時(shí)，輔道路基軟土在附加荷載的作用下將發(fā)生明顯的固結(jié)沉降，因此相鄰橋梁的樁周土將在該固結(jié)沉降的作用下帶動(dòng)樁基發(fā)生下沉；而由于沉降的影響程度與樁基和路基的距離呈負(fù)相關(guān)，因此相鄰樁基之間存在差異沉降，這也是導(dǎo)致承臺(tái)系梁處裂隙產(chǎn)生的直接原因之一[2]。

輔道路基軟土在發(fā)生固結(jié)沉降時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的水平向的側(cè)壓力，樁基則將會(huì)在水平向側(cè)壓力的推動(dòng)作用下發(fā)生橫向位移，故而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)會(huì)隨著樁基的橫向移動(dòng)而產(chǎn)生滑移，但由于上部結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定程度上的橫向約束，就會(huì)導(dǎo)致橋墩底部的側(cè)向彎曲拉應(yīng)力超限而出現(xiàn)環(huán)向開裂的現(xiàn)象。這便是軟土地基所導(dǎo)致的橋墩開裂的主要原因。

利用midas-civil 建立模型并分析得知，路基沉降所形成的土側(cè)向壓力作用于樁基上，樁基則會(huì)在該土壓力作用下帶動(dòng)上部結(jié)構(gòu)發(fā)生整體偏位，也就造成了梁體的滑移。

考慮到軟土地基抗剪強(qiáng)度及透水性低、觸變性強(qiáng)等特點(diǎn)，為控制沉降，軟土地基上橋梁基礎(chǔ)一般會(huì)設(shè)置樁基礎(chǔ)并且樁長(zhǎng)需穿過軟土深入到持力層上。而樁基礎(chǔ)通常以承受豎向荷載為主，水平方向上一旦受力便會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的變形。因此，在橋梁建成投入使用之后，樁基便極易在軟土地基的擾動(dòng)與側(cè)向擠壓作用下發(fā)生水平方向上的撓曲變形，進(jìn)而使得樁基開裂等情況的發(fā)生。因此，侍剛等[3]以某五跨一聯(lián)的城市高架橋?yàn)橐劳羞M(jìn)行了研究分析，評(píng)估軟土地基墩梁錯(cuò)位對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響，并提出了合理的處治措施。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，橋址區(qū)內(nèi)有大范圍較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土存在，其主要位于樁基的中上部且平均厚度達(dá)到約18.7 m，屬于不良地質(zhì)條件；橋址區(qū)附近正在進(jìn)行圍湖、圍塘造地施工，大量的棄土使得地貌地質(zhì)條件發(fā)生較大變化；暴雨使得堆土飽和、質(zhì)量增大，淤泥層受到上部荷載的擠壓作用而帶動(dòng)上層土體發(fā)生橫向滑移，進(jìn)而對(duì)樁基中上部、承臺(tái)及橋墩下部產(chǎn)生擠壓作用進(jìn)而發(fā)生位移變形——這都是軟土地基所招致的病害。

通過有關(guān)研究分析，從臨時(shí)應(yīng)急與永久性維修加固2 個(gè)方面提出了相應(yīng)的治理措施。應(yīng)急治理措施主要包括：①對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與病害情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便掌握病害發(fā)展趨勢(shì)；②將橋底與橋位附近的棄土運(yùn)離，避免有再次擠壓梁體結(jié)構(gòu)的水平荷載出現(xiàn)；③在墩柱間增設(shè)橫向聯(lián)系，以增強(qiáng)墩柱之間的橫向剛度；④臨時(shí)封閉外側(cè)車道，減少車輛荷載對(duì)梁體的不利影響；⑤在墩柱蓋梁頂部設(shè)置橫向限位擋塊，以限制墩梁之間的橫向偏位差。在永久性修固方面，則提出以下措施：①設(shè)置軟土地及土體應(yīng)力釋放孔，使得樁基與橋墩偏移量得到部分回位；②增設(shè)樁基與承臺(tái)，以確保梁體的運(yùn)營(yíng)安全；③對(duì)受損墩柱進(jìn)行維修加固處理；④對(duì)梁體進(jìn)行橫向復(fù)位，等等。

橋臺(tái)是連接路基與梁體的重要組成部分，但由于路基填筑材料與梁體鋼筋混凝土材料之間的種種差異，所以二者之間通常有不同步的變形與位移出現(xiàn)，從而導(dǎo)致橋臺(tái)出現(xiàn)裂縫，甚至是造成承臺(tái)的不均勻沉降等。張召磊等[4]對(duì)軟土地基橋臺(tái)變形機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，橋頭路基的填筑通常會(huì)使得下覆軟土發(fā)生側(cè)向變形，而樁基礎(chǔ)相對(duì)于軟土地基而言則是剛性構(gòu)件，會(huì)對(duì)周圍土體的側(cè)向位移產(chǎn)生一定的抑制作用，因此樁基自身便會(huì)因軟土體的推理而產(chǎn)生變形。通常認(rèn)為，橋臺(tái)在豎向荷載、水平作用力、側(cè)向壓力以及因地基固結(jié)沉降所產(chǎn)生的負(fù)摩阻力等作用下的位移模式分為水平移動(dòng)模式和分別以橋臺(tái)頂和橋臺(tái)踵為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)模式；土體分層均勻時(shí)，土體的側(cè)向應(yīng)力與側(cè)向位移在深度方向上呈現(xiàn)出線性分布狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的位移模式便是水平位移模式；反之，則為轉(zhuǎn)動(dòng)模式。因此，其提出了可通過設(shè)置橋頭搭板、改善路基填筑、改進(jìn)排水設(shè)施等措施進(jìn)行預(yù)防。設(shè)置橋頭搭板能夠有效解決橋臺(tái)與軟土地基不均勻沉降所導(dǎo)致的高差，有助于協(xié)調(diào)橋臺(tái)與路基變形，進(jìn)而削弱軟土地基不均勻沉降所導(dǎo)致的不良影響；選用透水性優(yōu)良、易壓實(shí)的材料進(jìn)行軟土地基填筑能夠及時(shí)排出土體中的水，加速土體的固結(jié)；排水設(shè)施的改善則能盡量減少雨水滲入所導(dǎo)致的不良影響。

3 軟土地基沉降預(yù)測(cè)方法

有關(guān)軟土地基的研究中，除了其病害機(jī)理，軟土地基沉降預(yù)測(cè)也一直是一個(gè)重點(diǎn)研究課題[5-7]。軟土地基沉降的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)有助于有針對(duì)性地就所遇到的工程實(shí)際問題提前做出有效的控制方案，進(jìn)而避免不必要的安全事故與財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)施工進(jìn)度的控制等均有重要意義[8]。

現(xiàn)有的關(guān)于軟土地基沉降量預(yù)測(cè)主要有基于土力學(xué)原理進(jìn)行預(yù)測(cè)和通過挖掘沉降量變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)兩大類。但基于土壓力原理進(jìn)行預(yù)測(cè)由于預(yù)測(cè)模型與實(shí)際存在較大差異，通常會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不高的情況出現(xiàn)。因此，通過挖掘沉降量變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)的認(rèn)可度相對(duì)更高，其中應(yīng)用較為廣泛的有雙曲線法、灰色理論以及指數(shù)曲線法。已有研究成果顯示，灰色理論與雙曲線法具有較好的預(yù)測(cè)效果，但是其前提是需要有一定的假設(shè)條件，因此其預(yù)測(cè)精度將會(huì)一定程度上受到假設(shè)條件的影響[9-10]。同時(shí)考慮到運(yùn)用單項(xiàng)方法預(yù)測(cè)軟土沉降還需要考慮預(yù)測(cè)方法與實(shí)際情況的匹配性，而組合預(yù)測(cè)是通過多方面獨(dú)立挖掘樣本數(shù)據(jù)信息，因此可以有效降低預(yù)測(cè)誤差[11-12]。

王培宇等[13]便從組合預(yù)測(cè)入手，考慮雙曲線法與GM 建模機(jī)理，基于算數(shù)加權(quán)組合法將雙曲線法與GM法進(jìn)行組合，提出了修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土地基沉降量更加科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。其首先基于算術(shù)加權(quán)平均組合的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，使得預(yù)測(cè)結(jié)果具有良好的精度，再在此基礎(chǔ)上構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)以表征沉降組合預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值之間總差異的大小，以目標(biāo)函數(shù)最小值為初步組合權(quán)系數(shù)進(jìn)行下一步計(jì)算。構(gòu)建實(shí)時(shí)修正權(quán)系數(shù)，以利用實(shí)時(shí)修正值對(duì)綜合預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正，以此來減小綜合預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值之間的預(yù)測(cè)偏差，并最終建立修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)，由修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型得到的沉降值與真實(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為接近，相對(duì)于雙曲線法和GM（1，1）2 種方法，修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型更能反映軟土地基沉降量的變化規(guī)律，并且其預(yù)測(cè)結(jié)果誤差更小，變化趨勢(shì)更穩(wěn)定、波動(dòng)更小。其中，雙曲線法和GM（1，1）這2 種方法的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差均在11%以內(nèi)，修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性與基于單項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性呈正相關(guān)，即基于單項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)方法精度的降低會(huì)導(dǎo)致修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度降低。通過對(duì)修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型進(jìn)行敏感度分析得知，修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型、GM（1，1）、雙曲線法3 種方法的軟土地基沉降預(yù)測(cè)值均近似呈線性關(guān)系。由于GM（1，1）和雙曲線法都具有較高的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性，即可得知修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果也具有良好的穩(wěn)定性，不會(huì)由于原始數(shù)據(jù)發(fā)生變化而導(dǎo)致模型的適用性變差，因此得知修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型在軟土地基的沉降預(yù)測(cè)中具有良好的適用性。

4 結(jié)論

綜上所述，在橋梁工程中軟土地基所導(dǎo)致的病害主要有墩柱開裂、樁頂承臺(tái)開裂、蓋梁開裂以及橋面線型破壞，究其原因都是因?yàn)檐浲恋鼗虺休d力不足發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)一步導(dǎo)致水平向土壓力的產(chǎn)生等，因此使得橋梁發(fā)生滑移、開裂等。在軟土地基的沉降量預(yù)估研究方面，常用的方法主要有雙曲線法和GM（1，1）法，于是便有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了修正優(yōu)化綜合預(yù)測(cè)模型并驗(yàn)證了其普遍適用性，該模型能夠使預(yù)測(cè)結(jié)果更為精確，波動(dòng)更小，變化趨勢(shì)更加穩(wěn)定。