堆载预压在深厚人工填土地基处理中的应用

凌忠诚

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州730030）

随着国家经济的不断发展，国家基础设施建设的步伐日益加快。由于受到地形限制，人工填土地基不得不用于公路和铁路建设，尤其是在地形起伏较大的西南山区，填土厚度较大时，其处理难度较大，如果处理不到位，在运营过程中可能会发生地基沉降或不均匀沉降的病害，从而威胁其正常运营。人工填土是因人类活动形成的堆积土，主要分为素填土和杂填土，一般杂填土含有大量的建筑垃圾和生活垃圾，工程中往往采用挖除换填处理、强夯处理、桩土复合地基处理等措施，从而可以有效避免地基发生沉降或不均匀沉降等病害。素填土主要由黏性土、碎石等组成，杂物含量很少，有机质含量不超过10%，根据堆积年限可分为新素填土和老素填土2类，其中新素填土填筑时间较短，其密实度较差、压缩性高，尤其是均匀性较差，如果直接用作地基，后期发生不均匀沉降的可能性较大，对于厚度较小的人工填土，可采用翻挖回填压实处理，但是对于厚度较大的人工填土，挖除换填处理和桩土复合地基处理不经济。堆载预压通过在施工阶段将上部荷载预先作用在地基上，使其沉降在施工期间完成，从而可以有效减少基底后期的不均匀沉降。然而，在堆载预压作用下，堆载多长时间可以使工后沉降满足设计要求？因此，预测堆载预压作用下的地基沉降，从而控制地基工后沉降具有重要的工程意义。

1 工程概况

中石油云南石化某厂区铁路专用线位于云南省安宁市境内，场地长880 m，宽135 m，厂区属滇中高原构造侵蚀低中山缓丘与冲沟地貌，地形起伏较大，相对高差27.0 m，冲沟较发育。2013年在厂区采用移挖作填的方式完成了场地平整，并已经填筑至设计标高，最大人工填土厚度约20 m，填筑时未采用分层碾压的施工工艺，仅采取一两遍强夯措施进行了处理，填料类别混杂，土体物理力学性质差异较大，且填方基底分布有1～10 m厚粉质黏土层。厂区上覆第四系全新统人工填筑土、粉质黏土，下伏基岩为寒武系下统筇竹寺组石岩头段的粉砂岩，节理裂隙较发育。区内地表水系不发育，线路区内无河流及沟水，测区地下水主要为孔隙潜水与基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系坡残积及冲洪积地层中，主要受大气降水补给。基岩裂隙水主要赋存于粉砂岩中，富水性弱～中等，表水及地下水对混凝土结构无侵蚀性。测区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期0.45 s，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

由于厂区人工填土厚度较大，为解决路基工后沉降以及不均匀沉降，2013-11-15，在厂区设置长140 m、宽40 m的堆载预压试验段开始堆载，堆载高度6 m，埋设了10套（C1～C10）沉降观测板，并进行了系统的沉降观测；2014-11-26结合试验段的预压结果，对厂区进行了全面堆载，2015-05-08进行二次堆载。

2 沉降预测法介绍

目前，路基沉降的预测方法主要有3大类[1-4]：第一类为分层总和法，第二类为基于固结理论的数值模拟法，第三类为根据实测数据推算沉降量与时间关系的回归拟合法。王小刚等[5]采用双曲线法、三点法以及A.saoka法对武广铁路的沉降进行预测，预测结果表明，双曲线法的预测效果更好，预测沉降量与实测沉降更接近；马石城等[6]结合某高铁沉降数据，采用双曲线法、星野法、GM（1，1）模型对其沉降进行预测分析，分析结果表明，双曲线法预测结果误差较小，拟合相关系数较高，预测拟合线与实际沉降数据的重合度较高。双曲线法地基沉降拟合公式为：

式（1）中：S0为拐点沉降量，即拟合起点沉降量；t0为拐点时间，即拟合起点时间。

3 沉降观测结果

中石油云南石化厂区铁路装卸场整体道床区设计范围为JDK0+370—+880.51段，长510.51 m，采用超载预压对地基进行处理，同时埋设沉降观测板对地基进行沉降观测，以评估铺轨前地基沉降是否满足整体道床区的沉降控制标准，即工后沉降不大于20 mm。试验段分为小里程试验段和大里程试验段，小里程试验段采用1.0 m堆载高度，大里程试验段采用1.5 m堆载高度。试验段于2013-11-15开始堆载预压，并埋设了10套沉降观测板，其中小里程区域埋设了4套沉降观测板（C1～C4），大里程区域埋设了6套沉降观测板（C5～C10），2013-11-15开始堆载，2013-11-16开始对小里程区域内的C1～C4沉降板进行观测，2013-11-21开始对大里程区域内的C5～C10沉降板进行观测，之后间隔4～6 d进行一次观测。截至2014-04-25，共监测了30组沉降数据，监测结果如图1和图2所示。

由图1和图2可以看出，堆载完成后20 d之内，地基沉降的规律比较紊乱，堆载完成20 d后，地基开始以双曲线的规律下沉，表明C1～C10沉降观测点的拐点沉降量在堆载完成第20天左右。各个观测点的沉降量相差较大，表明沉降观测板处的填土厚度不同，与现场实际情况也是相符的。

图1 沉降板C1～C4沉降观测数据

图2 生产过程中各工序线宽比对

图2 沉降板C5～C10沉降观测数据

4 沉降预测分析

结合实测数据，采用Matlab双曲线法对地基沉降进行预测，其中C1～C4沉降观测板的时间拐点取t0=22 d，C5～C10沉降观测板的时间拐点取t0=21 d，经过对实测数据的拟合，可以得到相关参数，如表1所示。地基沉降预测结果如表2所示。

表1 拟合参数一览表

表2 双曲线法沉降预测一览表

从表1可以看出，时间拐点和拐点沉降量对拟合参数a、b的影响较大，拟合曲线相关系数较高，最小值为0.994，平均值为0.996，最大值达到0.998，表明双曲线法与实测数据比较吻合。从表2可以看出，采用双曲线法预测的最终沉降量最大值为455.00 mm，最小值155.12 mm，堆载预压7个月的沉降量最大值为435.32 mm；堆载预压7个月以后，地基的残余沉降均小于20 mm，残余沉降最大值为19.68 mm，最小值为7.01 mm，满足整体道床的沉降控制标准。

沉降预测值与实测值对比图如图3所示。

图3 沉降预测值与实测值对比图

从图3可以看出，采用双曲线法预测的沉降曲线与实测沉降基本重合，随着堆载时间的增加，沉降趋于稳定，表明采用双曲线法预测地基沉降是可行的。

5 结语

堆载预压是一种施工简单、工程造价低的地基处理方式，可用于深厚人工填土地基处理；采用双曲线法预测堆载预压地基的沉降是可行的，拟合曲线的相关系数较高，预测结果与实测值比较接近，堆载预压工期可通过双曲线法预测沉降来计算；时间拐点和观点沉降量的选取对双曲线法的拟合参数影响较大；堆载预压施工过程中，应加强对地基沉降的观测和分析，确保观测数据可靠。