河湖地区软土地基大面积堆载沉降试验方案研究及结果分析

夏 风，周作茂，刘 洋，王崇宇

(1.中国交通建设股份有限公司，北京 100027；2.湖南省交通规划勘察设计院，长沙 410011；3.长沙理工大学，长沙 410076)

河湖地区软土地基大面积堆载沉降试验方案研究及结果分析

夏 风1，周作茂2，刘 洋3，王崇宇3

(1.中国交通建设股份有限公司，北京 100027；2.湖南省交通规划勘察设计院，长沙 410011；3.长沙理工大学，长沙 410076)

结合岳阳城陵矶新港陆域堆场软基处理工程，根据地基沉降分层总和法计算方法，采用地基附加应力等效原理，确定原地面大面积堆载沉降试验方案。试验结果表明，大面积堆载沉降试验是一种较好的沉降试验方法，通过分析预测出的不同地基处理方案的工后沉降量，进而优化了软土地基的处理方案，指导了陆域软基处理的设计和施工。

港口工程；地基处理；沉降试验；大面积堆载

岳阳城陵矶新港一期工程共有3个多用途3 000 t级泊位(兼顾5 000 t级船靠泊)，设计年吞吐量为27万TEU、60万t重件及一般件杂货。码头陆域总占地约600亩，均处于防洪大堤后方，大部分为农田或菜地，其中堆场、港内道路等作业场地共约26万m2，采用砼联锁块铺面地面结构。陆域的作业机械主要是龙门起重机和集卡运输车，起重机轨道梁均为现浇砼弹性地基梁。

1 工程概况

根据岳阳港城陵矶港区(松阳湖)一期工程两阶段初步设计地质勘察报告[1]，陆域地基土层分布为：表土层下2～4 m厚(极个别局部厚达8.2 m)为软塑-可塑粉质粘土，允许承载力达160 kPa，属一般力学性能土质；再下为软塑淤泥质粘土、软塑淤泥质粉土夹粉细砂层，软土厚约11m，局部区域达18 m，允许承载力仅65 kPa，其主要土层物理力学指标见表1。

表1 主要土层物理力学指标表Tab.1 Physical and mechanical indexes of main soil layers

陆域堆场地面结构允许有一定的沉降，按《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》[2]设计标准，要求工后容许沉降值不大于30 cm。为防止港区营运期场地发生过大的工后沉降，拟定使用水泥搅拌桩进行地基处理，但是，采用怎样的水泥搅拌桩施工参数，既能满足工后沉降量要求，又能达到地基处理经济性的要求，需要进行试验研究以确定。试验方法拟采用现场大面积堆载沉降试验，但是对于这种原地面进行的沉降试验目前还没有相关规范可参考，因此首先需要对试验方案的设计进行探索。

2 沉降试验原理

根据《建筑地基基础设计规范》[3]，计算地基沉降时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论，其最终变形量可按下式计算。

图1 相同均布荷载不同面积下的附加应力影响图Fig.1 Additional stress effect with different loading areas under the same uniform load

由以上地基沉降计算公式可以看出，地基沉降的大小决定于地基土的荷载情况和土体性质，因此，针对某种土体性质(包括复合地基)的情况下，要想通过试验得到预计荷载作用下的最终沉降量，其关键的决定因素是上部荷载所产生的地基附加应力是否与实际情况相符。

地基附加应力的大小除了受上部大小的影响之外，还有一个非常重要的因素就是加载面积的大小，如图1所示，相同大小的均布荷载作用下，小面积堆载时其应力影响区域较浅，而大面积堆载方式则能使试验结果更逼近实际情况的地基附加应力值。因此，在确定大面积堆载沉降试验方案时，本文采用了附加应力影响面积等效法来确定堆载面积及加载大小。

3 大面积堆载沉降试验

3.1试验目的

对陆域堆场进行堆载沉降试验，观测及预测地表沉降量，结合数值计算分析方法，预测不同软基处理方案的最终沉降量[6]，为实际工程设计、施工及堆场的使用提供依据，深入研究河湖地区软土地基的沉降特性，为今后的类似工程积累经验。大面积堆载沉降试验分别考虑地基不作处理和搅拌桩处理的两种情况，拟在试验区进行以下2种地基处理方案：(1)地基不作处理；(2)搅拌桩间距1.5 m，地面以下桩长12 m，等边三角形布置。

3.2试验堆载方案选择

现场大面积的堆载试验，可采用以下两种堆载沉降试验方案：

(1)原地面堆载。通过在原地面施加大面积的荷载，使软基中的附加应力值与工程实际使用下的相同。该法的优点是不需要破坏地基或桩，缺点是需要施加较大的荷载。

(2)开挖后回填并堆载。通过对上层硬土进行一定深度的开挖后，在开挖坑内进行堆载，使软基中的附加应力值与工程实际使用下的相同。该法优点是堆载面积有所减小、施加的荷载量较小；缺点是破坏了硬土层和已经施工好的桩基础，另外由于是先开挖(卸荷)后回填(加载)，开挖的过程中土体会产生回弹，对开挖后的地面进行沉降观测需要对土体的回弹进行计算，并对最后沉降观测的数据进行修正。

考虑到基础的开挖回弹会直接影响到周围土体的变形，同时还会破坏施工好的桩基础，使试验结果偏离实际情况。因此，为保证试验数据的可靠性，拟采用原地面堆载方案进行试验。

3.3试验堆载方案设计

陆域使用荷载中，考虑集装箱为分区堆载[4]，集装箱堆高最高可达5层，箱角荷载较大但范围较小，为此按大面积标准均布荷载60 kNm2，计算地面下15 m地基附加应力分布，计算得出不同深度的附加应力曲线，并综合得出软土区域(地面以下3～15 m范围)附加应力面积为692.46(无量纲比较)。经过对软土层应力影响面积等代的试算，并考虑荷载施加的可行性，得出几组原地面堆载方案(表2)。

表2 原地面堆载方案比选表Tab.2 Scheme comparison of heaped load on original ground

比较③种堆载方案，综合考虑堆载面积、堆载高度、堆载总重量、实施难易程度等方面，推荐采用方案2，即荷载面积为12 m×12 m，荷载大小为100 kPa，荷载总重为1 440 t。

3.4堆载试验实施

考虑到荷载重量大、堆载材料可重复使用、试验完后材料可用于工程中等方面因素，确定采用砂或砂卵石作为堆载材料。试验采用四级分级加载，堆载试验现场如图2。由于采用大面积堆载沉降试验其规模较大，现场试验的工作也相对较复杂，因此，堆载沉降试验的实施碰到一些问题：

图2 堆载试验现场Fig.2 Loading test field

(1)加载量的控制，在进行分级加载的过程中，如何控制不同试验区的加载量相等，在本试验的加载过程中，由于没有建立较好的加载量控制措施，因此造成了不同试验区荷载量的不一致；

(2)分级堆载沉降的稳定标准，由于试验的堆载量大，因此需要进行分级堆载，但是根据沉降监测数据确定什么时候进行下一级加载，是一个值得研究的问题。本试验在实施的过程中所依据的稳定标准为5 d内的累计沉降小于2 mm，按照此标准在进行完试验后，发现采用这个标准不影响堆载沉降试验的数据。

但是，针对这种大面积堆载沉降试验，其分级堆载沉降的稳定标准尚需要进一步研究，以得到适合各种条件下的堆载沉降试验，并为大面积堆载沉降试验方法提供更详细的实施方案。

4 试验结果及分析

堆载试验共进行了156 d，分别测得两个场地的最终沉降量，并得到经过四级加载后的沉降量随时间和荷载的曲线。地基不作处理堆载沉降曲线如图3所示，其最终荷载加载量为1 320 t，累计沉降量为272.02 mm；12 m深水泥搅拌桩处理地基堆载沉降曲线如图4所示，其最终荷载加载量为1 180 t，累计沉降量为196.8 mm[5]。

图3 地基未作处理堆载沉降-荷载-时间关系曲线 图4 水泥搅拌桩处理堆载沉降-荷载-时间关系曲线Fig.3 Relation curve of heaped load settlement, load and time Fig.4 Relation curve of heaped load settlement, load and time without foundation treatment after treatment of cement mixing pile

从曲线中可以看出，试验场地的沉降已基本趋于稳定，充分体现了不做处理的地基其可塑性较强，刚性不足的地质特点。但是，为了得到不同地基处理方案在使用荷载下的最终沉降量，将沉降观测数据与数值分析相结合，首先对数值计算的相关参数进行了反分析，然后对工后的最终沉降量进行了预测，其分析结果如下：(1)地基未作处理情况的最终沉降量为359.7 mm，不满足设计要求，所以陆域堆场地基需要进行处理。(2)采用12 m深水泥搅拌桩处理后的地基最终沉降量为240.4 mm，可满足设计要求。

5 结语

本文依托岳阳城陵矶新港软基处理工程，采用大面积堆载沉降试验，研究不同地基处理方案的软土地基沉降特性，为地基处理设计和施工提供了指导，并可以得出以下相关结论：

(1)采用大面积堆载沉降试验能较好地预测出地基工后沉降量；通过地基附加应力等效的方法，计算得出大面积堆载沉降试验的方案，是一种较好的现场堆载沉降试验方案设计方法；

(2)现场堆载沉降试验受到的外界影响条件较多，例如分级加载量的控制措施、各级加载条件下的沉降稳定标准等，对这些问题需要进一步研究；

(3)试验结果表明，在河湖地区软土地基采用水泥搅拌桩进行地基处理是可行的，其处理方法和试验成果，对类似工程设计和类似软基的处理均有较大的指导意义和参考价值。

[1] 湖南省交通规划勘察设计院.岳阳港城陵矶港区(松阳湖)一期工程初步设计地质勘察报告[R].长沙:湖南省交通规划勘察设计院,2007.

[2] JGJ 017-96, 公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].

[3] GB 50007-2011, 建筑地基基础设计规范[S].

[4] JGJ144-1-2010, 港口工程荷载规范[S].

[5] 湖南省交通规划勘察设计院,长沙理工大学,江西省路港工程有限公司.岳阳港城陵矶港区(松阳湖)一期工程软基处理试验研究报告[R].长沙:湖南省交通规划勘察设计院,长沙理工大学,江西省路港工程有限公司,2007.

[6] 顾龙声,王东博,马希磊.真空-堆载联合预压加固软土地基沉降计算改进法[J].水道港口,2016,37(3):311-315. GU L S,WANG D B,MA X L. An improved method for settlement calculation of soft soils consolidated by vacuum combined surcharge preloading[J].Journal of Waterway and Harbor,2016,37(3):311-315.

Scheme study and results analysis of large area heaped load settlement test on river and lake district soft foundation

XIAFeng1,ZHOUZuo-mao2,LIUYang3,WANGChong-yu3

(1.ChinaCommunicationsConstructionCompanyLtd.,Beijing100027,China;2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,SurveyandDesignInstitute,Changsha410011,China;3.ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410076,China)

Combined with the soft foundation treatment project of storage yard in Yueyang Chenglingji new port land area, the foundation settlement was calculated by layer-wise summation method, and the large area heaped load settlement test scheme on original ground was determined according to the additional stress in soil equivalence principle. Test results show that large area heaped load on original ground is a better method for settlement test. Through analyzing and forecasting the settlement amount after construction of different foundation treatment schemes, the soft foundation treatment method was optimized, which provided reference for the design and construction of soft foundation treatment.

harbor engineering; foundation treatment; settlement test; large area heaped load

夏风(1963-)，男，高级工程师，主要从事港口与航道工程建设技术及管理工作。

TU 472

：A

：1005-8443(2017)04-0412-04

2017-05-05；

：2017-06-13

Biography： XIA Feng(1963-) ,male, senior engineer.