基于可拓学理论对港区软基处理的沉降分析

易为民

(中铁十九局集团公司，南宁 530012)

软土地基在外部的荷载的作用下，沉降大，持续时间长且易于变形，会对其上修建的港口码头产生很大的危害，在工程建设中难以满足工程需求，因此必须进行加固处理。而随着经济发展，我国吹填造陆工程在沿海地区频繁发生，如何保证软土地基的稳定是亟需解决的问题。

近年来，灰色理论在沉降预测领域的应用取得了很大的发展。杨涛［1，2］等以现场实测数据建立了双曲线法和指数法的分级填筑路堤沉降预测模型，并将预测值与三点法、灰色理论模型的预测结果进行了对比，表明双曲线法比指数法的预测结果更接近实际。刘松玉［3］等基于Asaoka 法，提出了采用荷载上一级的拟合曲线来推算下一级的参数，是一种新颖的沉降预测方法;王伟［4］等人基于Weibull模型预测了依托工程的沉降，并与实际监控数据对比;也有采用人工神经网络而提出的沉降预测模型，但都存在参数的不确定性［5－7］。本文结合可拓学理论，综合考虑了表层沉降、分层沉降、孔隙水压力、地下水位、倾向变形五个监测数据。并采用VB 语言自主开发了相关程序，并将其应用于实际工程，验证理论与程序的正确性，有效提高了软基加固工程的施工效率。在物元模型的基础上，构建了港区软基处理的沉降分析模型，形成了监测体系和实时沉降分析;对监测数据进行了指标归一化、无量纲化预处理。克服了灰色理论模型和神经网络模型对软土地基进行沉降预测时遇到的隐层数和样本数量难确定等问题，实时采用监测数据来进行沉降分析，具有全面性和实效性。

1 工程概况

1.1 场地位置

虎门沙田港区二期工程位于东莞市虎门沙田港区西大坦作业区，距离沙田镇约8 公里，场址西侧水域为珠江狮子洋水道，地理位置如图1。该工程拟建设2 个3 万吨级多用途泊位，即7、8#泊位工程。工程结构按5 万吨级集装箱船型设计，码头采用重力式大沉箱结构。二期工程码头岸线长678m。码头后方作为集装箱道路堆场，陆域纵深775m，总面积约48.4 万m2。在对陆域进行吹填之前，场地内主要为农田和鱼塘，地形地貌比较简单，高程一般0.5 ～2.0 米。

码头后方陆域形成采用水上吹填方式，其填料主要为原港池的泥沙。为了满足后期使用荷载对地基承载力的要求，对吹填地基进行了加固处理。整个加固区划分为A、B、C 三个区域，如图2。其中，A 区靠近码头，采用砂桩处理方案;B、C 区为后方堆场区，自西往东划分为B 区(B1、B2、B3 和B4)、C 区(C1 和C2)，主要采用竖井排水固结法进行处理。

图1 场地地理位置Fig.1 Site location

图2 场地分区Fig.2 Field partition

1.2 土层条件

表1 场地土层情况Tab.1 Site soil conditions

土层层号 地层名称 土层厚度 状态描述 标贯击数N (击)容许承载力值fa (kPa)⑤3 粉细砂 3.35 中密～密实31.6 210⑤4 粉质粘土 1.83 可塑状 7.5 100⑤5 淤泥质土 3.69 软塑～可塑 5.8 70⑤6 中细砂 2.11 松散～稍密 9.6 110⑥1 强风化泥质砂岩 1.25 坚硬土状 ＞50 450⑦1 中风化泥质砂岩 1.51 软质岩，强度高 / 800⑦2 中风化含砾砂岩 未揭穿 软质岩，强度高/1000

在软基处理前，对整个堆载区进行了钻孔取样，并开展了现场标准贯入试验和十字板试验。根据钻探揭示，场地土层自上而下可划分为四大时代成因层:(1)第四系近代堆积层:①1 耕土、①2 素填土;(2)第四系海陆交互相沉积层:②1 淤泥(混、间砂)、③1 粉细砂、③2 中粗砂、③3 淤泥质土间砂、④1 淤泥～淤泥质土、④2 粉质粘土、④3 淤泥;(3)第四系陆相冲积沉积层:⑤1 中粗砂、⑤2 中粗砂、⑤3 粉细砂、⑤4 粉质粘土、⑤5 淤泥质土、⑤6 中细砂;(4)第三系砂岩及其风化层:⑥1 强风化泥质砂岩、⑥2 中风化泥质砂岩，⑦1 中风化泥质砂岩、⑦2 中风化含砾砂岩。各土层平均厚度、状态描述及其评价如表1 所示。

1.3 软基处理

(1)吹填。先对堆场陆域进行吹填，场地达到3.5m 高程后抽干堆载区的积水。

(2)铺设水平排水系统。堆载区晾晒一段时间后，在其上部铺设土工布和土工栅格。然后，用小管先吹填1.3m 厚、含泥量不大于10%的中细砂过渡垫层，接着铺设0.7m、含泥量不大于5%的中粗砂垫层作为水平排水系统，垫层顶标高为5.5m。

(3)设置竖向排水系统。根据设计方案，塑料排水板采用B 型排水板，正方形布置，间距1m。排水板上端超出排水砂垫层20cm，下端穿透待加固土层，进入下卧硬层(N 大于5 击)50cm。根据实际施工情况，现场塑料排水板打设深度在16m 左右，如图3。

图3 塑料排水板打设Fig.3 Construction of PVD

(4)堆载预压。堆载设计方案如下:堆载后堆场控制标高为9.5m;预压填土高度为4.0 米，分四级堆载;达到沉降控制要求后进行卸载，卸载标高4.5m，预留10cm 压沉量。

1.4 监测方式

本工程设计了以下观测项目:测斜观测、水位观测、分层沉降观测、表层沉降观测、孔隙水压力观测和表层位移观测，并在堆载之前和恒载60 天之后分别进行了现场十字板剪切试验和固定位置钻孔取土的土工试验。

通过比较现场试验与室内实验的数据，计算分析软基加固前后土工试验的各项数据，从加固后软土层的液性指数、孔隙比、密度、含水量及压缩模量的变化情况来判定虎门港码头工程的大面积吹填砂堆载预压软基处理效果显著。

2 可拓学理论简介

可拓学［8，9］(extenics)是上世纪80 年代的一门新兴学科，创始人为蔡文，该方法研究对象是现实世界中的矛盾问题，主要研究内容采用物元模型处理矛盾问题，其突出新颖研究方法是可拓方法论。

以有序三元组R= {N，C，v}作为描述事物的基本元，N 为给定对象的名称;C 为事元的特征，v 为特征的量值，以矩阵表示为

式中:R 为n 维物元，简记为R=(N，C，v)。

当Not为标准事物，本文标准事物为某软土处理区的整体沉降结果，其关于特征ci量值范围Voti= ＜aoti，boti＞时，经典域表示为:

节域的物元矩阵表示为:

式中:Rot为经典域物元，为软基某一因素的监测结果;Rp为节域物元，为软基的整体固结程度;而Vpi= ＜api，bpi＞为节域物元关于特征ci的相应标准扩大了的量值范围。显然有＜aoti，boti＞＜api，bpi＞(i=1，2，…，n)。

根据实际监测所得数据情况对物质单元Nj(j=1，2，…，m)的各种特征值做出评价，并将评分结果赋权重分析，最后可得待评物元。

其中，

式中:x0为数值，x(a，b)为区间，ktj(vti)为第j个物质单元的第i 个特征关于标准物元等级t 的关联度。对于每个特征才ci取权系数wi，则某物质单元Nj关于等级t 的关联度ktj(Nj)为

则此物质单元等级为t0。［10］

2.1 软基扰动评价模型建立

2.1.1 确定评价等级

根据工程规范，将软土地基固结程度分为未固结、轻微固结、中等固结度、高固结度和极高固结度五个等级。接受值分别为0 ～0.2、0.2 ～0.4、0.4 ～0.6、0.6 ～0.8、0.8 ～1.0。

2.1.2 定性指标量化处理

固结程度以可拓理论为依据，该理论也是基于区间的研究。固结程度取决于表层沉降、孔隙水压力、分层沉降和地下水位四个因素。分别取上述四个因素，根据可拓法要求，为便于计算将非量化的因素作量化处理。评价标尺可采用离散的语言值标尺，如“1”代表好;也可采用连续的语言标尺，每个评语占据的是标尺中的一段，而不是1 个点。连续的评价标尺相对离散的评价标尺来说，更能充分地表达专家的意见，鉴于此本方法采用连续的语言标尺。

对于表层沉降情况:采用全站仪分别测试沉降盘每天前后的沉降量，设第一天的沉降量为B1，第二天的沉降量为B2，用日(周)前后沉降量ΔB=(B2－B1)/B1。显然ΔB= 0 时，表示表层沉降变化量为0。(0 ～0.10)表示表层沉降极小;(0.11 ～0.35)表示表层沉降轻微;(0.36 ～0.65)表示表层沉降中度;(0.66 ～0.90)表示表层沉降较大;(0.91 ～1)表示表层沉降很大。

对于孔隙水压力:孔隙水压力使用振弦式孔隙水压力计来量测。设第一天的孔隙水压力为K1，第二天的孔隙水压力为K2，用日(周)前后沉降量ΔK= (K2－K1)/K1。显然ΔK=0 时，表示表层沉降变化量为0。(0 ～0.10)表示孔隙水压力变化极小;(0.11 ～0.30)表示孔隙水压力变化轻微;(0.31 ～0.60)表示孔隙水压力变化中度;(0.61 ～0.90)表示孔隙水压力变化较大;(0.91 ～1)表示孔隙水压力变化很大。

对于分层沉降情况:分层沉降包括底环，(中环)和顶环的沉降情况，而顶环沉降情况可由表层沉降反映，这儿采用底环沉降情况来表征分层沉降。设第一天的沉降量为F1，第二天的沉降量为F2，用日(周)前后沉降量ΔF= (F2－F1)/F1。显然ΔF= 0 时，表示分层(底环)沉降量为0。(0 ～0.10)表示分层沉降极小;(0.11 ～0.35)表示分层沉降轻微;(0.36 ～0.65)表示分层沉降中度;(0.66 ～0.90)表示分层沉降较大;(0.91 ～1)表示表层沉降很大。

对于地下水位:设第一天的地下水位为D1，第二天的地下水位为D2，用日(周)前后地下水位变化量ΔD= (D2－D1)/D1。显然ΔD=0 时，表示地下水位变化量为0。(0 ～0.10)表示地下水位变化极小;(0.11～0.30)表示地下水位变化轻微;(0.31 ～0.60)表示地下水位变化中度;(0.61 ～0.90)表示地下水位变化较大;(0.91 ～1)表示地下水位变化很大。

表2 各评估因素水平分级Table.2 The horizontal rating evaluation factors

在对软基固结沉降程度的打分评估过程，可让现场技术人员并邀请部分专家，分别对每一非量化指标进行打分。

2.2 扰动评价指标归一化

首先对各指标进行量纲一的量化处理，［11，12］使不同评价指标具有可比性。处理方法如下:

对于指标c1因其对软基固结沉降评估的作用是数值越大固结程度影响越大，所以，其处理方法是c'ti= (cti－)/(－)，(i=1);而对于指标C2，C3和C4，因其对软基固结沉降评估的作用是数值越小固结程度影响越小，对应处理方法是c'ti=－ cti)/(－)(其中，i =2，3，4)。处理后的各指标等级范围如表3 所示。

以依托工程B2 区为例:△B 为0.62，围岩自稳性好，岩体结构面完整居多，破碎块体较少。对应的量纲化后数据如表3 所示。

表3 软基固结沉降评估指标归一化处理Table.3 Normalized standard of classification about disturbed tunnel

2.2.1 软基固结沉降评估的物元

由可拓理论得软基固结沉降评估的经典域和节域如下:

其中:j=1，2，3，4。当t =1 时，c1，c2，c3和c4的量值范围 ＜a11，b11＞，＜a21，b21＞，＜a31，b31＞，＜a41，b41＞分别取＜0，0.09 ＞，＜0，0.17 ＞，＜0，0.15 ＞，＜0，0.20 ＞。即:

依此类推，可得t =2，3，4 时对应的量值范围，请若干专家得到待评价沉降段的同征物元为Rj。

2.2.2 用熵权法确定权系数

软基固结沉降程度用熵权法相对AHP 法等，兼顾模糊性的同时，精度较高。计算步骤如下:

(1)原始数据的归一化。评价软基固结沉降程度分m 级，每级被评价风险指标有n 个，得到原始矩阵A= (aij)m×n。归一化后可得矩阵R:

(2)定义熵。由传统的熵概念来定义各风险评价指标的熵:

(3)定义熵权。计算各评价指标的熵权w

根据熵权法，可得权系数为:

2.2.3 计算待评物元的关联度

根据可拓学，得到待评软基固结沉降评估的各评价等级的关联度。计算结果如下:

2.3 软基固结沉降可拓评估结果与分析

根据式ktj(Nj)= ∑wiktj(vi)，可以计算得到软基固结沉降关于等级的关联度:

3 VB 语言开发及应用

以EXCEL 的表单环境为平台，联合使用VBA编写了基于可拓理论的实用软基沉降分析程序settlement 1.0。该程序将实时监测数据(监测软基沉降的沉降数据)与软基沉降分析(计算软基沉降的固结程度)划分为相对独立的计算模块。通过这种方式，实时监测数据和软基沉降分析并行建模，使沉降情况处于何种程度一目了然，简单易判断。用户可将实时测得数据输入实时监测数据模块，运行程序后便可得到软基是否达到卸荷要求。

表4 采用settlement 1.0 对虎门港区二期工程的沉降分析结果Table.4 The settlement of Humen Harbor using software settlement 1.0

港区位置 时间 软件显示该区的固结程度t 是否卸载2013－7－17 3否2013－7－23 4 否2013－7－29 4 否2013－8－04 5 否2013－8－09 5是

4 结论

(1)虎门沙田港区二期工程B2 区软基为中等固结程度，不能卸载;

(2)基于可拓学理论的物元模型基础上，以表层沉降、分层沉降、孔隙水压力、地下水位和倾向变形五个监测数据为指标，构建了港区软基处理的监测体系和实时沉降分析;

(3)采用VB 语言自主开发了相关程序，并将其应用于实际工程，验证理论与程序的正确性，有效提高了软基加固工程的施工效率。克服了传统理论模型对软土地基进行沉降预测时遇到的隐层数和样本数量难确定等问题，实时采用监测数据来进行沉降分析，具有全面性和实效性。

［1］杨涛，李国维，杨伟清. 基于双曲线法的分级填筑路堤沉降预测［J］. 岩土力学，2004，25(10):1551－1554.

［2］杨涛，戴济群，李国维. 基于指数法的分级填筑路堤沉降预测方法研究［J］. 土木工程学报，2005，38(5):92－95.

［3］刘松玉，经绯. 软土地基上分期施工的路堤沉降预测方法［J］. 岩土工程学报，2003，25(2):228－232.

［4］黄广军. 分级加载条件下提早预测地基沉降的沉降差法［J］. 岩土工程学报，2007，29(6):811－818.

［5］李豪，高玉峰，刘汉龙，等. 真空－堆载联合预压加固软基简化计算方法［J］. 岩土工程学报，2003，25(1):58－62.

［6］刘勇键. 用人工神经网络预测高速公路软土地基的最终沉降［J］. 公路交通科技，2000，17(6):15－18.

［7］王伟，卢廷浩. 基于Weibull 曲线的软基沉降预测模型分析［J］. 岩土力学，2007，28(4):803－806.

［8］蔡文，杨春燕，林伟初. 可拓工程方法［M］. 北京:科学技术出版社，1997.

［9］蔡文. 物元模型及其应用［M］. 北京:科学技术出版社，1994.

［10］黄小城，陈秋南，阳跃朋，等. 可拓理论对复杂条件下岩溶隧道的风险评估［J］. 地下空间与工程学报，2013，(10):1179－1185.

［11］许振浩，李术才，李利平，等. 基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估［J］. 岩土力学，2011，32(6):1757－1766.

［12］安永林，黄戡，彭立敏，等. 隧道施工风险人－机－环境系统综合评估［J］. 中南大学学报:自然科学版，2012，43(1):301－306.