砂区软土地带特性分析与勘察技术实现及粘弹性系数优化

谌逊龙,陈 震,戴忠阳,陈云钦,刘建宁

(福建岩土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

建设工程过程中常常会遭遇软土型地基,这种地基对工程的正常施工带来一定的负面影响,需要对其进行科学的勘察,在获得丰富的勘察信息之后,就能为工程施工质量、进度提供重要保障。在对这类地基进行勘察之际,需要提升管理工作的科学、有效性,这样可以保障勘察信息具有较高的精准性和可靠性,最大限度降低这类地基的负面影响,更好保障工程有效实施。不过在具体实践环节,这类勘察管理工作水平还处于低位。勘察企业需要对自身的局限性进行发掘,并给予针对性优化,积极引入先进技术,同时还需要提升管理水平,从而真正的实现高水平的勘察,为后续的施工提供重要支持。在本次研究中,以某预压地基处理工程为案例,将现场测试、数值计算进行结合,立足于粘弹性理论对地基工程领域的孔隙水压力、基础沉降等时间关联性加以深入剖析。首先剖析了这类地基的特点,然后基于这类地基的岩土工程详细分析与总结勘察信息,接着对软土带岩土勘察粘弹性,从而为行业专业人员,或者专业公司提供一定的借鉴。

1 软土地基特性分析

1.1 触变性

触变性为软土地基颇具显著性的特点,之所以存在着此特点,其核心因素就是在外力影响之下,尤其是在施工环节,容易受到振动、挤压等作用力影响,使得软土地基在遭受相关力的影响下,会使得有关结构产生了损坏与变形,进而导致软土层产生整体滑坡、沉降等问题,这必然会影响到软土层稳定性。由于软土地基在结构上缺乏足够稳定性,为此,在土壤结构遭受一定破坏之后,就会使得土层承载力明显的减小,强度也会显著下降,乃至彻底丧失[1]。这类地基为高、极灵敏性图,倘若软土地基产生了振动,就可能产生滑动或者挤出。

1.2 流变性

软土地基还存在着土地结构疏松特点,其土壤密度也相对较低,而且存在着丰富的水分。由于这类特点的问题,会让软土在水分结构的改变下而出现显著变化。通过外力作用,让这类地基会产生水分,并呈现出或集中、或分散特点。正是这种变化,使得地基产生了相应的剪切力,导致软土地基产生相应的剪切变形问题。虽然在某些情形下,这种变形的表现并不是十分显著,然而由于连续作用时间较长,很难对其是否有效承载进行确认,甚至会产生孔隙水压力,这必然会对地基承载力带来颇为显著的负面影响[2]。

1.3 高压缩性

相较于其他土层,软土地基结构存在着富水、松散特征,若是受到了外力作用,就容易使得土层结构出现显著改变,进而降低其稳定性,倘若不能对其进行防护,就会在作用力影响下,使得软土层受到压缩变形,进而使得地基上方建筑体产生显著沉降问题,进而显著影响到建筑工程的稳定与安全性[3]。在液限的增长下,软土压缩性就会显著提升,为此,软土亦为典型的高压缩土。通常,该压缩系数最低为0.5 Mpa-1,最高可达到1.5 Mpa-1;若是软土压缩性较高,则为4.5 Mpa-1,该指数最低为0.35,最高则是0.75。正是如此,处于该地基之上的建筑工程,就容易产生严重的沉降事故[4-6]。

1.4 低强度

通常,建筑体对地基的要求相对较高,尤其是要求地基需要具有较高稳定性,而且地基还需要具有较高的承载力,使得建筑体具有较高的稳定与安全性。然而,地基存在着颇多水分,通常很难对其全面排出,而且也没有高效方法提升这种地基的抗剪能力,为此,就容易使得地基强度产生持续降低,该地基的承载力与稳定性都较难满足工程需求[7]。倘若在此地基上进行施工,就容易产生塌方、边坡移位等问题,其安全风险较为突出。

1.5 不均匀性

软土层结构呈现出非规律与复杂属性,由于此特点会让软土层强度不能均匀性分布。若是建筑施工工程的结构相对较大,那么在此软土地基影响下,就更容易因为荷载的分布缺乏均匀性,进而使得地基剪切力变得缺乏稳定性,使得地基不再具有稳定性。简而言之,因为沉积环境具有较高的复杂性,这容易使得软土层空间分布、物理力学性质容易产生改变,具体呈现出地层缺乏均匀性[8]。在进行作业施工之际,工程由于结构缺乏均匀性,使得地基承载力受到显著负面影响。

2 软土地基岩土工程勘察技术结合

2.1 确定软土的力学性质

工程建设设计、施工需要得到勘察的鼎力支持,作为设计人员需要对地基岩层的力学特性的充分了解,为此,对软土地基进行勘察,就需要科学判断其力学性质。该性质通常和固结度具有显著关联性,软土固结度存在差异,就容易出现压力、性能等领域有所不同。对软土固结历史进行剖析,分析对工程建设所带来的积极意义,因此在勘察之际,需要对软土固结历史进行重点勘察,分析与评价软土的正常、欠、超固结现象。软土地基会因地、因层,使得相应的性质产生一定的改变,很难对其进行预测[9-11]。在具体勘察之际,可以将原位测试、上下底层、当地经验等方法与钻探进行科学结合,从而对软土力学性质指标进行明确。在对软土力学性质指标进行明确之际,需要对施工条件进行许可,而且要借助于静力触探的方式,对传统的钻探进行取代,利用十字板剪切试验,对软土的无侧限灵敏度、抗压强度进行检测,通过扁铲测胀试验登对软土承载力、压缩模量等参量进行明确,借助于室内试验对软土的回弹指数、固结压力、固结与压力系数等进行明确。

2.2 探测土层分布

对建筑体范围之内的软土分布区间、成因类型、厚度、埋深、纵向均匀性等因素进行勘察,同时还需要勘察下伏硬土层埋深、地表硬壳层的厚度等进行勘察。对软土分布均匀性、范围、厚度等进行勘察,这些都是对软土地基性能进行全面评价的重要基础,同时也是在处理软土地基时需要重点考虑的因素。由于山前地带或者山区的软土成层条件有着较高的复杂性,显著受到基岩顶板起伏、坡度的控制,土层层理、厚度在垂直、水平分布层面上有着显著改变,也容易导致地基非均匀性沉降,同时还会影响到地基抗滑稳定性。

2.3 判别软土震陷和地基液化

软土属于典型的特殊性土,具有显著流动性与触变形,若是抗震烈度为7度,或者超过7度,施工场地软土倘若分布较厚,就需要对软土产生震陷的几率进行估算,同时还需要评估震陷量,这不仅为当前勘察标准,同时也是软土地基勘察的关键点。软土带来的震陷涉及到较多的要素,例如在振动效应下产生的触变,地震带来的动剪应力、排气带来的软土体积下降,竖向地震力值得地基应力显著上升等[12]。对软土是不是会导致震陷进行评价,需要结合软土厚度、等效剪切波速、上覆非软土层厚度等进行综合性明确。软土分布区常常涉及到粉土、饱和砂土等,这些土层需要结合相关标准对其进行液化分析,明确其液化级别与指数。在使用标准贯入法对其进行液化分析时,可以使用泥浆护壁等技术,对标准贯入试验现场操作标准进行遵守,确保该试验的锤击数量能够反应出底层的具体情况,确保液化判别具有较高的准确性。

2.4 地下水

在岩土工程勘察、设计等环节,地下水需要引起足够的关注,它常常对岩土的工程性状带来直接作用。为此,在勘察之际,需要基于施工与设计要求,为施工、设计提供丰富的地下水资料,同时还需要对地下水的功能与影响进行科学评价,对其中可能带来的后果进行预测,进而提出可行性的建议与举措。软土虽非含水层,然而软土地带的地下水位相对较高,这使得软土力学与工程性质就和地下水产生紧密关联性。倘若大规模抽取地下水,或者降低地下水位,就容易对软土应力状态、压缩性等产生改变,进而带来非均匀性沉降,从而导致工程面临更大的安全风险。

2.5 勘察技术的合理选择及实践

在勘察软土地基之际,需要借助于场地条件、勘察任务要求等,遴选合适的勘察技术,其中典型的为:静力触探、工程地质测绘、标准贯入试验等,以下对主要的方法进行简要概述。

(1)工程地质调查与测绘。该勘察技术通常应用于勘察初步与可行性研究阶段。主要是对待勘测地区、周围地貌特征、构造、气象水文条件、周边环境条件等进行动态调研,从而对勘测地区整体性情况进行宏观层面的把控;

(2)钻探技术。该技术在岩土工程勘察领域较为常见,主要是借助于专业工具、钻机,通过人力作用,向地下钻孔,从而得到相应的地质资料。借助于钻探取芯,对软土进行直观性观察,从而展现其厚度、结构、厚度、状态、颜色等性质;利用钻探技术完成取样,然后借助于室内试验,对软土的孔隙比、含水率、先期固结压力、抗剪强度等力学性质指标进行观察。当然,还可以借助于钻探技术对地下水埋藏条件、水位变化等进行探明。这些直观技术可以为软土工程地质性能评价等提供重要的依据支持;

(3)静力触探技术。该技术在工程勘察领域应用较广,特别是在软土地基领域的应用更为契合。这种技术就是借助于静探机将标准探头采用匀速的方式,将其置入到土层之中,从而对探头的力学特性、阻力等进行测定。然后利用静探曲线,同时根据邻近的钻孔地层,就可以将其细分成底层,而且,借助于该静探曲线与对当地的经验,就能对软土压缩性、密实度、地基承载力等级进行估算;

(4)现场检测技术。软土本身兼具触变、流变属性,在室内试验、取样、运输土样制备等环节,由于涉及到振动、挤压等问题,容易产生土样中的水份流失,进而使得室内试验数据产生失真问题,也就是说,试验数据与现场存在着一定差距。为此,在对软土地基进行勘察之际,还需要进一步运用现场检测法对软土物理力学性质进行科学检测。常见检测方法为:静力触探、十字板剪切试验、标准贯入试验等[13]。

3 粘弹性模型以及粘弹性系数优化

3.1 粘弹性模型

流变性态一般可以用沿海软土地基长期沉降来表示。如果考虑地基的长期沉降时,则其应力应变关系可由一种粘弹性模型可以用以下公式表示:

式中:ε为应变;J(t)为蠕变能量;σ为应力。

上式表明:J(t)是时间t的函数,其值的大小与材料的应力无关,在应力不变的情况下,随着时间的增长,应变也不断增加,一旦取定时间后,则其变为定值。

3.2 粘弹性系数反演

在粘弹性模型中,弹性模量和粘性系数与位移的相关性较强,宜采用位移反分析模型。位移反分析分为正反分析法和逆反分析法两类,其中正反分析计算是一种优化逼近过程,一般通过不断修正未知数的试算值逼近求得优化解,可利用原有程序计算,适应性强[14-16]。本文采用正反分析法,用以约束优化过程的目标函数为:

3.3 工程实例

某道路地处砂区软土地带,自上而下第1层为16 m左右的淤泥质粘土、第2层为10 m以上的亚粘土。对原有路基进行加固,填土高度达2.6 m,在道路中央不同深度和道路两侧设定反演观测点。为保证较好反演效果,亚粘土层采用弹性模型,参数不进行反演分析。加固层和淤泥质粘土层,不同观测时间反演得到的参数值如表2所示。

表1 不同观测时间反演所得参数值Tab.1 Parameter values obtained by inversion of different observation times

由表2可知,在0 146、0 209、0 292、0 361 d这几个时段观测信息所反演计算出的参数值差异明显,但整体上趋于某一稳定值。最后2个时段的参数值已基本趋于一致,对此采用0 292 d时间段观测信息反演所得粘弹性模型参数值代替原始计算参数,再用粘弹性有限元程序预测软土地基后期沉降,生成预测沉降曲线图。对比发现,地表沉降观测曲线和反演预测沉降曲线相当吻合,重合度较高,反演预测沉降经过一段时间后趋向稳定,最终所得预测地表沉降在32 cm 左右,2个曲线的发展趋势基本一致[19]。为此,认为该方法在砂区软土地基沉降预测中的应用是可行的、适用的,粘弹性模型反演分析能够有效反映工程实际。

4 结语

高速公路桥梁加固施工技术具有综合、复杂性,在分析桥梁问题之际,就需要对其施工可行、可靠性进行充分考虑,而且还需要选用科学、规范施工工艺,对有关方案进行优化之际,还需要提升工程的耐久与安全性。在此环节还需要保障进度要求,在加固方案之中,通过对原先的结构进行优化,或者使用创新结构,借助于科学方法加快施工进度,实现成本的有效降低,同时还能满足加固要求。对饱和软粘土结构进行深入研究,可以得出团粒内部较为细小的孔隙排水固结即为次固结,而且开始于主固结阶段。次固结的演变速度与地基粘弹性参量有着密切关联性,同时和地基处理参量有着关联性[20]。引入次固结概念,对工后沉降的控制与预测有着显著效果。