大面积堆载作用下软土地基变形特性
岩石力学与工程学报 Vol.24 No.6
2005年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2005
第24卷 第6期
大面积堆载作用下软土地基变形特性
金宗川1，顾国荣1，韩黎明2，郭春生1，陈 杰1
(1. 上海岩土工程勘察设计研究院，上海 200031；2. 中国民航机场规划设计研究总院，北京 100101)
摘要：通过在大面积堆载场地设置监测仪器，进行历时3 a的现场监测，对大面积堆载作用下软土地基的变形特性和加载条件、地层条件、排水条件、时间效应等的相关性进行分析研究，揭示了大面积堆载作用下软土地基变形特性不同于常规荷载作用下软土地基变形特性的规律，总结了在不同边界条件下软土地基变形和固结沉降的规律，为软土地基的固结沉降分析计算提供依据。 关键词：土力学；大面积堆载；监测；变形特性
中图分类号：TU 441+.6 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)06–1056–05
DEFORMATION PROPERTIES OF SOFT SUBSOIL UNDER
LARGE-SCALE PRELOAD
JIN Zong-chuan1，GU Guo-rong1，HAN Li-ming2，GUO Chun-sheng1，CHEN Jie1
(1. Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute，Shanghai 200031，China；
2. Airport Plan and Design Institute，Beijing 100101，China)
Abstract：An in-situ monitor was installed on large-scale preloading field，where the field monitoring was preformed and lasted for three years. With the help of the date analysis of field monitoring，the paper presents the correlations among subsoil deformation, preloading construction，subsoil properties，permeability coefficient，and time period. It is found that deformation properties of soft subsoil under large-scale preloading are different from these under common loading，and the deformation and consolidation laws of soft subsoil with different border conditions during the period of preloading are obtained. The achieved results can provide a basis for the analysis and calculation of consolidation and settlement for soft subsoil.
Key words：soil mechanics；large-scale preloading；monitoring；deformation property
1 引 言
大面积堆载场地系近期围海造地形成，长约6.5 km，宽约0.5 km，地表土层主要为滩地，局部有渔塘和耕地；地基土层在10 m以下有厚约20 m的饱和软粘土，沿长度方向有一条宽约500 m、最大深度达65 m的古河道贯穿场地。
堆载预压前原始地面标高一般在3.5 m，设计
收稿日期：2003–08–19；修回日期：2003–12–08
吹砂体顶面标高为7.2 m。施工分2个阶段完成：第1阶段堆至5 m标高，第2阶段堆至7.2 m标高。堆载体采用吹填砂，预压时地基土中不设置砂井和塑料排水板等竖向排水措施。
众所周知，堆载预压可以基本消除浅层土的不均匀沉降、特别是深层软土地基的固结沉降和次固结沉降。大面积堆载作用下地基土的应力分布基本呈矩形，但大面积堆载的影响深度、地基土随历时的固结沉降规律、地基土的变形和排水条件的关
作者简介：金宗川(1971–)，男，硕士，1994年毕业于中国地质大学(武汉)，现任上海岩土工程勘察设计研究院岩土技术中心总工，主要从事岩土工程勘察、设计、地基处理及环境治理方面的研究工作。E-mail：[email protected]。
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系，以及地基土的侧向变形和土性的关系等需要通过实测来进一步分析研究。
监测点的布置见图1。本文主要对I，II断面的监测数据所反映的变形规律进行分析。
物理力学特性见表1。
3 堆载作用下软土地基变形特性及
～
分析[16]
3.1 软土地基变形与时间、排水条件的关系
图2中地表沉降量与时间的关系曲线呈“缓变型”变化，无明显的加载初期陡降段和固结趋于稳定的水平段。从曲线特征分析，加载初期由于吹砂施工是采用慢速堆载，且伴随大量水进入砂体，故实际堆积的荷载较小，土体的变形不明显。但相比较而言，在吹砂刚完成的一段时间内(2001年2～12月)，地表沉降曲线相对较陡，沉降速率为0.7～1.0 mm/d。而在2002年1～12月以后的堆载维持期内，地表沉降曲线较为平缓，沉降速率为0.4～0.5 mm/d，且在逐渐减小，但不明显。至2003年4月沉降速率为0.3～0.4 mm/d，随堆载时间的延长，土体的变形仍在继续。“缓变型”地表沉降曲线和慢速加载、地基土属排水不畅的饱和粘性土的特征相吻合。
2 土层分布和土层特性
地基土层按其宏观特性可分成3个层组。浅部层组(深度为0～10 m)：以粉性土为主，夹层厚不均的饱和软粘土；该层组土层结构松散，土质不均匀，有较高的水平向和垂直向的渗透系数，但由于层状粘性土的隔水作用，因而不利于土体竖向排水固结。中部层组(深度为10～65 m)：以粘性土为主，具有高含水量、大孔隙比、低强度、高等压缩性以及低渗透系数等特点，不利于土体排水固结；该层组在附加应力作用下是产生主、次固结沉降的主要层组。深部层组(深度为65 m以下)：以砂性土为主，中密～密实，具有中～低等压缩性。各土层的主要
图1 监测点的布置
Fig.1 Arrangement of monitoring points
表1 土层主要物理力学特性 Table 1 Mechanical properties of subsoil
固结快剪
土层 分组
土层名称
含水量 /% 35.5 31.3 39.4 30.9 52.0 38.8 37.4 30.9
孔隙比
压缩系数/MPa1
－
渗透系数 固结系数 十字板
峰值强度 c/kPa 8 5 12 5 14 15 17 3
ϕ/(°) 27.0 30.5 22.5 29.5 11.0 14.0 16.0 31.5
/10－5 cm・s－1 （200～400 kPa） 强度Kv 14.4 13.9 0.22 17.3 0.03 0.02 0.05
Kh 5.46 25.90 0.78 32.90 0.05 0.17 0.60
/10－5 cm2・s－1
18.70 15.80 9.13 17.60 1.15 6.65 10.10 14.20
/kPa 22.0 25.8 39.0
高压固结静探Ps OCR 1.05 1.15 1.20
/MPa 0.57 2.04 0.55 2.01 0.59 0.85 1.23 7.24
②2层粘质粉土
浅部 ②3层砂质粉土 层组 ③1层淤泥质粉质粘土
③2层砂质粉土 ④1层淤泥质粘土
中部 层组 深部 层组
⑤1–1层粘土 ⑤1–2层粉质粘土 ⑦层砂质粉土
1.01 0.89 1.12 0.91 1.47 1.09 1.10 0.85
0.40 0.18 0.63 0.15 1.15 0.58 0.50 0.14
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时间/年.月 时间/年.月
沉降量/mm
(a) I断面 (b) II断面
沉降量/mm
图2 I，II断面地表沉降量与时间的关系曲线
Fig.2 Curves between surface settlement and time in section I and II
图3为I，II断面地表沉降曲线图。从曲线特征分析可知：软土地基的变形和排水条件密切相关，相同土层渗透系数情况下，排水路径越短，土体的沉降量越大。I断面上边缘监测点的排水路径短，位于中心位置的监测点排水路径最长，因此各监测点的沉降量为边缘大，中间小，曲线形状呈“马鞍形”。这一曲线形状和土力学中的柔性基础、均布荷载下的地基变形特征不吻合。“马鞍形”的地基变形特征是大面积堆载作用下，场地排水路径足够长，基础假定为完全柔性，且土体排水条件不畅情况下的特有特征。假定堆载时间足够长，或土体的排水条件足够通畅的条件下，地基土的变形为一个“马鞍形”到“抛物线形”的变化过程。
II断面监测点基本位于场地中心，排水路径的长度基本相同，其沉降量大小仅反映土体的不均匀性，其中SII11点因场地预先堆土的缘故，沉降量最小。
3.2 软土地基变形随深度的变化规律
软土地基变形在深度方向的规律可通过分层沉降来揭示，图4为分层沉降散点图。从图中可以看出：经拟合后分层沉降的特征曲线是一个“开口向下的抛物线”；堆载预压作用下所产生的沉降量在浅部土层最大，其衰减量亦最大；随开口的增大，沉降量减小，其衰减变缓。上述变化和土层特性密切相关，在浅部层组，土体以粉性土为主，土体渗透性相对较大，故土体的变形量最大。在中部层组，以饱和粘性土为主，土体渗透系数小，无竖向排水通道，水平排水距离长，排水条件差，故其排水固结速度极其缓慢，土体的变形量小。在深部层组，土体基本为不可压缩土层。不同土层的分层沉降量见图5。
3.3 地基土变形和孔压、土压力的关系
图6为超孔压、土压力历时变化曲线。从图中可以看出：超孔压、土压力变化经历了3个阶段，即初始值阶段、第一超孔压增量阶段和第二超孔压增量阶段，2次超孔压增量对应了2次施工加载量，
沉降量/mm
沉降量/mm
(a) I断面(从上至下依次为2001年12月、2002年6月、 (b) II断面(从上至下依次为2001年12月、2002年6月、
2002年12月、2003年4月沉降曲线) 2002年12月、2003年4月沉降曲线)
图3 I，II断面地表沉降曲线图
Fig.3 Curves of surface settlement with different time in section I and II
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超孔压随深度的变化关系曲线(图7(b))类似于双向排水条件下的超孔压分布，但是从地层条件分析，实际排水接近单面排水的条件，在深部土层超孔压较小或接近于零是因为堆载的影响深度有限，且深部层组以砂性土为主。在大面积堆载作用下，浅部层组产生的超孔压较大，一般为40～65 kPa，随着时间的推移，超孔压缓慢消散，但由于受地表降水补给等因素影响，超孔压消散呈年周期性变化。
图4 分层沉降散点图
Fig.4 Settlement scatter scheme of various subsoils with
depth increasing
中部层组产生的超孔压最大，其值一般为60～75 kPa，由于中部层组以粘性土为主，其排水条件差，孔压积聚难以消散，故随时间的推移，中部层组超孔压消散不明显。深部层组的孔压增量很小，基本处于稳定状态。
从超孔压消散来分析土体的变形规律可知：在浅部层组，土体的渗透性较好，伴随超孔压消散，土体的有效应力不断增加，地基土变形以垂直向的压缩固结变形为主；在中部层组，土体的渗透系数小，超孔压积聚难以消散，地基土变形是土体的固结变形和蠕变变形的叠加，且土体蠕变变形在这一阶段更大。但是，假定土体的竖向排水条件足够通畅，超孔压消散时间足够长时，中部层组的变形应以压缩固结变形为主。 3.4 地基土侧向变形特性
由图8可知：I断面的XI–1和XI–2点土体最大侧向位移分别发生在深度18，14 m处；最大侧向位移分别为110，140 mm，最大侧向位移点发生在土体最软弱的④层饱和软弱粘性土层中。
最大侧向位移与排水条件和土层条件有关，由于XI–2点的排水条件优于XI–1点，而地基土层条件差于XI–1点。因此，XI–2点的最大水平位移大于XI–1点的最大水平位移。土体条件差，且排水条件好的地层，最大滑移点相应上移。
图5 分层沉降量柱状图
Fig.5 Total settlement column of various subsoils
其土压力增大反映了施工的2次加载过程，且土压力随时间在缓慢增大，这主要是由于地下水位的降低，使得堆载体的有效荷载在缓慢增加。
孔压、超孔压随深度的变化关系曲线见图7。由图7(a)可知，孔压在0～40 m深度基本呈线性关系，在40 m以下和深度无线性关系。
图6 超孔压、土压力历时变化曲线
Fig.6 Time history curves between ultro-pore pressure and preload
・1060・ 岩石力学与工程学报 2005
度，因此在沉降计算时应引起注意。
4 结 语
(1) 大面积堆载作用下软土地基地表沉降量与时间关系曲线呈“缓变型”变化，无明显的加载初期陡降段和固结趋于稳定的水平段。
(2) 在一定的监测时间内，软土地基变形在地层排水条件差，排水路径长短不一的监测断面上，监测点的沉降量呈现边缘大、中间小的“马鞍形”。
(a)I，II断面孔压散点图
(3) 软土地基在深度方向分层沉降的特征曲线是一个“开口向下的抛物线”，分层沉降量大小与土性和排水条件有关。
(4) 从超孔压的消散来分析土体的变形规律可知：在浅部层组，以粉性土为主，地基土变形以垂直向的压缩固结变形为主；在中部层组，以饱和软粘性土为主，地基土变形是土体固结变形和蠕变变形的叠加。
(5) 土体最大侧向位移发生在土性最弱的土层，且排水条件好的一侧。最大位移点在深度上随排水和土层条件的变化而变化。
(6) 大面积堆载作用下地基变形的影响深度超出常规荷载作用下的影响深度。 参考文献(References)：
[1]
陈仲颐，周学星，王洪瑾. 土力学[M]. 北京：清华大学出版社，1995.(Chen Zhongji，Zhouxuexing，Wang Hongjin. Soil Mechanics[M]. Beijing：Tsinghua University Press，1995.(in Chinese)) [2]
陈小平，白世伟. 软土蠕变–固结特性及计算模型研究[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22(5)：728–734.(Chen Xiaoping，Bai Shiwei. Research on creep-consolidation characteristics and
(b) I，II断面超孔压散点图
图7 孔压、超孔压随深度的变化关系曲线 Fig.7 The variation curves between pore and ultra-pore
pressure with different depths
深度/ m
calculation model of soft soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(5)：728–734.(in Chinese)) [3]
朱向荣，潘秋元. 超载预压加固宁波机场场道软基[J]. 岩土工程学报，1992，14(1)：30–38.(Zhu Xiangrong，Pan Qiuyuan. Ultra-preload improve subsoil of Ningbo airport[J]. Chinese Journal
(a) XI–1 (b) XI–2
[4]
of Geotechnical Engineering，1992，14(1)：30–38.(in Chinese)) 王引生. 高速公路软土地基的沉降问题[J]. 中国公路学报，1993，19(1)：35–39.(Wang Yinsheng. Settlement problem on the soft soil of Highway[J]. China Journal of Highway and Transport，1993，19(1)：35–39.(in Chinese)) [5]
折学森. 软土地基沉降计算[M]. 北京：人民交通出版社，1998. (Zhe Xuesen. Settlement Calculation of Soft Soil[M]. Beijing：China Communications Press，1998.(in Chinese)) [6]
Brand E W，Brenner R P. Soft Clay Engineering[M]. Amsterdam：Elserier Scientific Publishing Company，1981.
图8 土体侧向位移曲线
Fig.8 The side deformation curve of subsoil
3.5 地基土变形的最大影响深度
分层沉降、超孔压和地基土侧向位移的观测结果显示，在大面积堆载作用下最大影响深度为40～45 m。如此大的影响深度表明，大面积堆载作用下地基变形的影响深度超出常规荷载作用下的影响深