填方地基沉降变形分析及其工程应用

余军波 吴佳佳 周珂 刘金鑫

（1.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

填方区在施工中受设计不当、材料的选用以及施工不当等影响，在后期易出现不均匀沉降。当地基不均匀沉降超过了一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜甚至破坏，从而对工程的安全性与稳定性产生不利的影响[1-3]。针对填方工程项目特点设计合适的地基沉降变形计算方案，利用地基沉降计算结果定量分析沉降变形规律，对填方工程的沉降控制及后期施工具有重要的指导意义。

为此，针对白鹤滩某移民迁建项目迁建集镇及各居民点地基填筑施工特点，进行填方地基沉降计算，对各居民点场区的沉降变形量进行统计，确定填方高度、填方土体变形模量对沉降变形的影响，分析各居民点场区填筑体沉降时间和沉降规律，为本项目及类似项目的填方工程沉降控制及后期施工提供参考。

1 工程概况

白鹤滩水电站枢纽工程建设区和水库淹没影响区（不含其它水库影响区）包含四川省凉山州宁南县和会东县，共计1 个州2 个县25 个乡（镇）75 个行政村5 个居委会274 个村民小组。白鹤滩水电站库区移民安置市政类项目（EPC）中的场平与基础设施工程涉及宁南县的华弹迁建集镇以及花棚、武星、干海子、黑泥沟、灯塔、螺丝田、码口、白泥井八个居民点。项目各场区回填厚度较大，最大回填厚度约10m。

填方工程施工时，填料性质差异决定着最佳施工方式、施工机械，同时影响施工难度，影响地基沉降变形结果。华弹迁建集镇及各居民点场区填方体统计概况如表1 所示。

各场区高填方体主要是由土夹石（其中碎石、卵石占30%～50%以上）掺拌制成，填料粒径范围均小于200mm，综合内摩擦角均大于35°。其中，花棚居民点场区的填方体高度最大。

2 沉降变形计算方案

2.1 沉降计算方法

根据一维固结理论的填方地基沉降计算方法，计算华弹迁建集镇及各居民点场区的沉降变形量，计算模型参数根据填方土体室内试验结果确定。

（1）理论假设

①土是均质、各向同性且饱和的；②土粒和孔隙水是不可压缩的，土的压缩完全由孔隙体积的减小引起；③土的压缩和固结仅在竖直方向发生；④孔隙水的向外排出符合达西定律，土的固结快慢决定于它的渗漏速度。

（2）计算公式。基于一维固结理论的填方地基沉降变形计算公式[4]为：

填方地基沉降时间的计算公式[4]为：

2.2 计算参数

由表1 可知华弹迁建集镇及各居民点场区回填区填方高度。土体密度可按本项目现场压实度检测试验报告取2.18g/cm3。本项目主要填料类型为土夹石，土体泊松比μ 按碎石土类型取为0.20，土体的变形模量取9.75MPa。

2.3 计算结果

按式（1）计算可得各场区沉降变形量。项目各场区沉降变形量如图1所示。

图1 各项目场区沉降变形量柱状分布图

由图1 可知，按式（1）计算得出项目各场区沉降变形量中最大的是花棚居民点，为0.987cm。

3 沉降特性分析

3.1 填方高度对沉降量的影响

土的变形模量为9.75MPa 时，按各项目场区最大填方高度3.0m、3.5m、4.0m、5.0m、5.0m、8.0m、9.0m、10.0m 进行不同填方高度下的沉降变形拟合，不同填方高度下的沉降变形拟合结果见图2。

图2 不同填方高度下的沉降变形拟合图

由图2 可知，随着填方高度增加，不同居民点填方体沉降量也逐渐增加，两者大致呈线性关系。

3.2 土体变形模量对沉降量的影响

以花棚居民点场区为例，按花棚居民点最大填筑高度10.0m，计算土体不同变形模量对应的最终沉降量，并进行不同变形模量下的沉降变形拟合。拟合方法采用多项式曲线拟合法，填方体变形模量取为10MPa，20MPa，30MPa，40MPa，50MPa。不同变形模量下的沉降变形拟合见图3。

图3 不同变形模量下的沉降变形拟合图

由图3 可知，随着土体变形模量的增加，花棚填方体沉降量急剧减少，两者大致呈幂指数关系。

3.3 沉降时间与沉降量的关系

对花棚居民点场区，土体变形模量取9.75MPa（压缩模量为15.0MPa）时，根据花棚居民点最大填方高度10.0m，最终沉降变形量为0.987cm，按式（2）计算花棚填方完成最终沉降所需的时间，得到沉降与时间的对数关系，如图4 所示。

图4 花棚10m 填方沉降与时间的对数关系

由图4 可知，填方土体在自重应力引起的沉降与时间的对数关系大致呈线性关系。

3.4 完成沉降所需天数分析

按花棚居民点最大填方高度10.0m，土体的变形模量为10～50MPa时，按式（2）计算填方土体完成最终沉降所需的时间，结果如表2 所示。

表2 填方完成沉降所需时间

根据计算结果绘制所得的拟合曲线如图5 所示。

图5 变形模量与完成沉降所需天数关系

由图5 可知，随着土体变形模量的增大，花棚填方土体完成最终沉降所需的时间就越短。两者大致呈幂指数关系。

4 工程应用

4.1 地基加固方案设计

由沉降特性分析可知，土体变形模量增大，沉降变形减小；填土高度增加，沉降变形增加。因此在本项目填方工程后续施工中，在满足规范和设计要求范围内，应尽可能提高填土变形模量，减小填土的高度。

考虑项目各场区回填土样主要为碎石土，土体较为松散，土体孔隙率较大（土体变形模量较小），土层厚度较大。对填土进行强夯处治，可提高填土变形模量，减小土层的厚度，从而有效控制填方地基沉降变形，因此，本项目决定采用强夯法对各场区填方地基进行加固处理。

4.2 工后沉降预测

从填方地基施工结束到上部结构开始施工，这段时间内的工后沉降尤为重要[1,5]。考虑填土变形模量与沉降时间的函数关系，建立工后沉降预测模型，可为工程后期施工提供参考。

以花棚居民点为例，采用强夯法加固场区填方地基，施工完成后，对填方地基进行静态平板载荷试验，检测填方地基的最终变形模量，通过计算得到填方地基的最终变形模量为50MPa。由表2 与图5 可得工后沉降预测时间为4d，而根据花棚地基沉降实测资料得到工后沉降时间约为3.92d，两者误差较小，表明该工后沉降预测模型可为上部结构的施工安排提供一定的指导作用。

5 结束语

基于一维固结理论的填方地基沉降计算方法，利用白鹤滩某移民迁建项目现场的实测数据，进行填方地基沉降变形计算，分析填方高度、填方土体的变形模量对沉降变形的影响，分析沉降时间与沉降量的关系，可科学进行工后沉降预测和控制，指导地基加固方案设计及后期施工。