基于流变理论的大水灰比深搅桩复合地基沉降预测

斯碧峰，宋宪发

（1.上海机场建设指挥部，上海201106；2.浦东新区建设和交通委员会，上海 200135）

0 引言

在土建、采矿及水利等工程中，蠕变特性是影响岩土工程结构稳定性的重要因素之一。例如，复合地基边坡的稳定性和地表沉降的控制问题等，都与岩土蠕变特性有关，因而较为准确的岩土层移动与变形分析都需要考虑其时间相关性[1-2]。

事实上，大量的试验表明，岩石材料的拉压弹性模量相差较大[3-4]，将材料的拉压模量视为相同，仅仅是一种简化计算而己。文献[5]研究了不同拉压模量材料的一般弹性理论。文献[6-7]对不同模量材料的梁、板弯曲问题作了系统研究，给出了材料拉压模量不同对梁板弯曲变形和应力的影响规律。本文以文献[5]为基础，结合Burgers流变本构模型，研究深搅桩复合地基随时间的变化规律，探讨复合地基发生大变形的机理，为工程中土基移动的预测及其控制提供参考。

1 二维流变理论

机场滑行道目标年限20～25 a后，除要求不协调变形变坡率不大于1.5‰外，同时要求地基残余变形控制在30 cm左右，因此预测目标年限时的工后沉降及差异沉降十分重要，这必须应用流变理论。工程采用Burgers模型，Burgers模型由四元件组成（见图1所示）[9]。

其本构方程为：

图1 Burgers模型元件组成图

蠕变柔量J（t）：

模型反映的蠕变是亚稳定的，即出现第一阶段和第二阶段的蠕变，变形可分为三部分：

（2）为弹性后效变形，是按负指数衰减的可恢复应变；加荷时属于蠕变曲线的第一阶段蠕变。

（3）为稳态应变速率的不可恢复应变（粘流），加荷时属于蠕变曲线的第二阶段（定常蠕变）。

蠕变曲线最终值（t→ ）∞ 的渐近线与水平线的交角ψ可以求得：

其中：

从Burgers模型反映的蠕变规律来看，模型完整、可准确地描述粘土的非线性蠕变过程。加载后，它既表现出瞬时弹性应变，又表现出第一阶段的衰减型蠕变和第二阶段的粘滞流动。

2 深搅桩复合地基沉降实测

2.1 深搅桩地基处理

某国际机场2#，3#地下联络通道工程，2＃与3＃下穿地道平面布置形式对称，其预留宽度为22 m，车道数各为4个，路宽各为15.5 m，建筑结构净宽各为16.5 m。整个地道由敞开段、遮光段、暗埋段三种形式组成，其地貌类型属河口、砂嘴、砂岛地貌类型。场地内分布有大面积水塘，为人工开挖形成。设计采用双轴中700水泥上搅拌桩对2#，3#地下通道进行地基加固，搅拌桩桩底标高19 m，不同区域位置实际桩长在13～22 m之间。深搅桩施工工艺按《上海市标准地基处理技术规范》(DBJ08-40-94)执行，水泥掺入量为15%，水灰比经室内试验确定为0.5。但通过试验段施工证明，采用常规施工工艺无法保证单桩质量，复合地基强度更无法达到设计指标，沉降量亦无法控制。为了确保深搅桩施工工艺、水灰比暂定1.3左右，通过室内试验确定配合比，以保证工程质量。这种水灰比远远超过了现有规范条件的规定，对这种水灰比超过规范条件将近3倍的深搅桩，机场沉降如何预测深搅桩复合地基的沉降，显得尤为突出。拟建工程场地层底特征如表1所示。

从表1分析可知：整个机场处在陆域形成时间较短的新海滨平原上，地基土具有土层软弱、承载力小、天然含水量高、压缩性大、渗透性小、土层不均、受冻胀、抗剪强度低、流动性和触变性显著等典型软土特性。在这种不良地基上建设一个新机场，首先要对这种不良地基进行处理或加固，现场施工采取深搅桩（湿法）办法提高E1、E2、E3试验段地基承载力，使其变形满足规范和设计要求，以适应机场使用对地基的需要。

表1 拟建工程场地底层特征表

2.2 地基沉降实测结果

选取2#地道的E1、E2、E3段共计35根作为工程桩进行试验。在施工的过程中严格要求施工单位按照课题组改进的新的施工工艺流程施工。在实际的施工过程中，由于改进了设计，施工深度问题得到了解决，施工进度也明显提高，各方面进展顺利。检测结果如图2所示。

3 流变理论拟合预测及变形分析

土是一种三相体系的介质，由土颗粒作为基本骨架，水和气体充填其中。其中水与土颗粒之间由于物理化学作用，形成了强结合水和弱结合水。对于这样的一种介质，粘滞性是其基本特征，因而，应力、应变、时间的关系是非线性的。变形不仅取决于荷载大小，而且与加载以前的历史有关。

图3和表2显示飞机荷载长期作用下地下通道结构周围滑行道面沉降变形随时间的变化规律。E1，E2、E3为水泥土搅拌桩加固过渡区滑行道面沉降 (测点布置如图1所示)。由分析结果可以看出，经历大约5 a后，滑行道道面沉降基本趋于稳定，完成总沉降（以25 a计）80%以上；10 a后完成总沉降95%以上；15 a以后所有点的沉降基本不发生变化；25 a时地下通道结构上方滑行道面沉降大约在9.6 cm。

表2 沉降随时间完成百分比表

由各点间的不协调变形（如表3）可知，至目标年限25 a时，各点间的不协调变形变坡率都控制在1.5‰以内，地基处理可以满足机场滑行道对沉降的要求。同时可以发现，地基加固区E3与E2点间的不协调变形5 a后相对其它点发展较快，主要是由于E3点紧邻强夯区，强夯对土层属于浅层加固，对深层地基影响不大，在早期地基加固效果明显，随着时间的推移加固影响会减弱。E3处沉降受强夯区影响，后期发展较快，引起不协调变形较大。

表3 各点间不协调变形表

4 结语

根据某国际机场深搅桩复合地基沉降与时间关系曲线特征，提出用二维流变Burgers模型来模拟沉降的方法，并给出建模步骤。对于荷载稳定时得到的观测数据可直接使用该方法进行预测。对于加载过程中得到的观测数据，可先对数据处理再使用该方法进行预测。实践证明，这种建模方法计算程序简单。只需较少的观测数据(一般要求不少于8个)就可建模，且可得任意时刻的沉降值，能减少长期沉降观测的时间。

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