天津港地区超软土地基长期沉降机理研究

孟凡强，陈运涛，王世宁

（1.天津生态城泰达海洋技术开发有限公司，天津 300467；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；4.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；5.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

随着我国沿海地区经济的快速发展，土地资源日益紧张，利用港池和航道疏浚土吹填造陆后再进行地基加固已经成为缓解土地资源紧张的主要手段。受吹填土源情况的影响，吹填形成的陆域多为吹填软土，同时由于水力分选的原因，常常在局部一定范围内形成一定厚度的含水率大、压缩性高、抗剪强度低和渗透性差的淤泥、流泥等超软土[1-3]。吹填形成的吹填超软土工程特性差，需进行地基处理才能作为堆场、道路码头等路基使用。

目前对超软土的工程性质、抗剪强度及地基固结沉降分析的研究多数仍停留在工程实践阶段[4]。经过多年的探索与积累经验，目前地基处理方法不断发展，龚晓南院士根据地基处理工艺及材料的不同，将地基处理方法归纳为如下几类：置换法、振冲挤密法、排水固结法、加筋处理、灌浆法、托换法、纠倾与迁移法[5]。软基处理常用方法为排水固结法，包括堆载预压、真空预压以及真空联合堆载预压法等[6-10]。超软土地基在地基处理时的沉降量巨大，且超软土地基的工后长期沉降也不容忽视。目前对超软土地基工后长期沉降的产生机理仍需探讨。

本文依托天津港南疆港区规划三路超软土地基工程，分别从数值分析和现场试验两方面对超软土地基的施工过程中的沉降变形及长期沉降变形进行深入分析，以期得到天津港地区道路超软土地基长期沉降特性，并深入分析工后长期沉降的产生机理及关键影响因素，为天津港地区超软土地基工程提供一定的理论指导。

1 现场试验

1.1 工程概况

规划三路工程位于天津港南疆港区，规划为城市支路，道路北起南航路，自北向南延伸。规划三路工程为南疆港区南部液体散货储罐区地块的配套工程，工程建设的主要目的是为道路两侧的液体散货储罐区服务。

本工程的软基处理面积约为24 161 m2，其中岸坡地基处理区采用真空预压法进行地基处理，要求膜下真空度稳定保持在85 kPa以上，有效抽真空天数在110 d以上，真空预压水平排水通道采用400 mm厚中粗砂垫层，竖向排水通道采用塑料排水板，间距800 mm，正方形布置，打板深度为15 m。其中真空预压法卸载标准为按实测沉降曲线计算的地基土的平均固结度大于85%，且连续5 d实测沉降速率不大于3.0 mm/d。

1.2 地质条件

本工程的地基土为Q4后期沉积土和近期人工吹填土，主要土层有淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土及黏土。这种土沉积历史较短，具有含水率高、压缩性大、强度低、透水性差等特点，同时地基土在自重作用下未达到完全固结，处于欠固结状态。

根据加固前的钻孔资料，本工程地基土层由上到下依次为：

①粉细砂：近期人工吹填而成的工作垫层，以粉细砂、粉质黏土和粉土为主，灰色。场区普遍分布，厚度较小。

②淤泥：近期人工吹填而成，灰褐色，高压缩性，流塑。由人工吹填形成，该层分布极不均匀，部分钻孔含有较多淤泥质粉质黏土及粉质黏土，厚度约为6.1 m。

③淤泥质黏土：海相沉积土层，以淤泥质黏土为主，部分钻孔夹有淤泥质粉质黏土、粉质黏土，灰褐色，高压缩性，流塑，场区普遍分布，厚度约为2.2 m。

④淤泥、淤泥质黏土海相沉积土层，灰褐色，高压缩性，流塑。场区普遍较厚，厚度约为10.5 m。

⑤黏土：海相沉积土层，主要为黏土及淤泥质黏土，灰褐色，中压缩性，软塑，场区普遍分布，富含贝壳，厚度约为6.2 m。

淤泥、淤泥质黏土物理力学性质较差，该地基为超软土地基，未经处理不能满足使用要求。

1.3 现场监测结果分析

现场监测工作共分为2个阶段进行，第1个阶段为软土地基处理阶段监测，第2阶段为地基处理工后地基路面修筑及道路使用期沉降监测。

1.3.1 处理阶段监测结果分析

地基处理过程中，现场实测位置的地表沉降量如图1所示。

图1 地基处理施工期地表沉降实测曲线Fig.1 Measured curve of ground surface settlement during ground improvement

插板期为12 d，真空预压期为130 d，真空预压荷载为85 kPa。其中插板期过程的现场监测数据结果缺失。

在布设排水板期间，地基沉降量为918 mm，随即进行抽真空，期间地基沉降量为1 670 mm，最终地基处理施工期间地基总沉降量为2 588 mm。地基卸载时沉降速率为2.5 mm/d，固结度为85.1%，表明该地基固结达到了工程设计要求。

1.3.2 工后阶段监测结果分析

在地基处理后的沉降观测点中选取具有代表性的测点进行观测分析，图2为所选取沉降观测点的沉降曲线。由图2可知，在地基处理施工后地基仍然有明显的沉降发生，在地基处理完成后530 d内，地基出现了135 mm的沉降，且各测点工后沉降量平均值也高达114 mm。而地基在使用过程中受到的荷载小于地基处理期间的真空预压荷载，即地基在使用期仍保持预压超载，出现如此明显的沉降，就需要对道路地基在使用期内发生整体沉降的深层原因展开进一步分析，研究天津港地区超软土地基长期累积变形特性和发生机理，为天津港地区超软土地基工程提供一定的理论指导。

图2 工后地基地表沉降实测曲线Fig.2 Measured curve of ground surface settlement after ground improvement

2 数值分析

软土地基长期沉降特性与软土地基的土层特性及地层分布有关，同时也与软土地基处理施工过程及工艺密切相关，根据数值模型模拟软土地层特性及分布情况，并还原现场施工的一系列过程，观察分析地基在施工过程中应力应变发展过程，是深入分析软土地基沉降及长期沉降机理的基础。同时，针对所分析的工程实例，展开现场实测工作，将数值模拟结果与实测结果相比较，从而验证及修正数值模拟的关键参数的选取，使数值分析结果尽可能的反映现场实际情况，是现有数值分析过程所必不可少的程序。

于是，在天津港南疆港区规划三路道路地基长期沉降现场实测试验的基础上，基于有限差分软件FLAC3D，建立地基长期沉降数值模型分析超软土地基的长期沉降特性，探讨长期沉降的产生机理。

2.1 模型建立

图3（a）为地基示意图，因其为轴对称结构，为提高计算效率，采用半路基结构数值模型进行计算分析，如图3（b）所示。数值模型的边界条件设置为顶部自由，其余3个侧面为固定边界。数值模型参数如表1所示。

图3 数值模型建立示意图Fig.3 Schematic diagram of numerical model

表1 数值模型参数Table 1 Numerical model parameters

2.2 模型验证

图4为地基抽真空后的地基沉降云图。软土地基在进行地基处理过程中经历了真空预压的过程，软土地基经过排水固结，土体沉降明显，数值计算得到施工期内地表总沉降量为2.607 m，地基整体压缩沉降主要集中在表层吹填淤泥层及下部原沉积淤泥层，地表沉降曲线（如图5所示）显示在加载后期，土体已接近完全固结。

图4 抽真空完成后地基沉降云图Fig.4 Cloud image of ground settlement after vacuuming

图5 地基处理过程中地表沉降实测与计算值对比图Fig.5 Comparison of measured and calculated surface settlement during ground improvement

同时，施工期间数值计算地表沉降曲线与现场实测曲线对比，数值计算结果与实测结果拟合良好，曲线接近，说明数值计算结果可充分反映地基处理施工期现场地基变形实际情况，数值模型各项参数指标取值合理。

2.3 长期沉降机理分析

2.3.1 地基处理期数值分析

观察抽真空结束时地基内孔隙水压力分布云图（如图6所示），真空区插板区范围土体孔压由于真空荷载的施加，相对于静水孔压呈现显著的降低特性，由表层的抽真空压力-85 kPa向下呈梯度式均匀增大，符合真空预压降低土体孔隙水应力以增大有效应力的原理。而在排水板深度以下，即下卧粉质黏土层内部分布有较多的正的超静孔压，说明在抽真空结束时，排水板下部的下卧层部分仍处于一定程度上的欠固结状态。

图6 地基处理结束后孔隙水压力云图Fig.6 Cloud image of pore water pressure after ground improvement

图7为地基处理过程中排水板区域内不同深度孔隙水压力消散曲线。如图7所示，排水板深度范围内不同深度（地表向下-3 m、-7 m、-11 m、-15 m）处孔压在抽真空施工过程中呈典型的固结消散趋势，至真空预压加固后期，孔压消散固结度均已达到较高水平，说明排水板深度范围内软土加固效果显著。

图7 地基处理过程中排水板区域内不同深度孔隙水压力消散曲线Fig.7 Dissipation curves of pore water pressure at different depths in the PVD-installed area during ground improvement

图8为下卧层（23 m深度）处孔压在地基处理施工期间消散曲线，在抽真空期间，下卧粉质黏土层在加载的前期由于土体内不具备快速排水通道，渗透系数较低，孔隙水来不及排出。受上部孔压减小的影响，下卧层土体内孔压呈逐渐增大的趋势，直至抽真空达到70 d左右时孔压达到最大，其后逐渐降低消散，至抽真空加固期结束，孔压消散至362 kPa，明显高于其静水孔压230 kPa，超静孔压达到了132 kPa，在抽真空持续作用下呈现明显的欠固结状态。比较上部排水板区域内土层孔压消散情况，如果维持荷载持续加载下去，抽真空后期沉降的主要组成部分将由排水板下端土层及下卧层排水固结引起。

图8 地基处理过程中下卧层（-23 m深度）孔隙水压力消散曲线Fig.8 Dissipation curve of pore water pressure in the underlying layer（-23 m）during ground improvement

2.3.2 地基工后期数值分析

地基处理结束后，进入工后使用期，由于地基荷载，真空卸载后的地基将重新进行固结排水，在抽真空施工结束时，地基内部浅层土体（打设排水板区域）的固结度已达到了很高的状态，但下部下卧层地基土体仍处于明显的欠固结状态。那么，地基内部土体的应力应变过程则需进一步分析。

图9为包含抽真空地基处理期和工后使用期的数值模型地表沉降随时间发展曲线。可以发现，在抽真空结束，上部卸除抽真空压力后，地基继续产生缓慢的沉降现象。图10为工后地表沉降数值计算值与实测值对比，由图10可知，数值曲线与实测曲线趋势一致，曲线较为接近，也表现出数值模型的准确性。

图9 地表沉降随时间发展曲线Fig.9 Development curve of ground surface settlement with time

图10 工后地表沉降计算值与实测值对比Fig.10 Comparison of calculated and measured ground surface settlement after construction

图11、图12分别为排水板范围内不同深度处和下卧层处孔压抽真空及工后使用期随时间消散曲线。由图11可知，在排水板范围内的软土地基在真空卸载后的短时间内孔压回升至接近静水孔压，随后在使用期荷载（路床施工荷载及路面行车荷载）的作用下，土体内产生超静孔隙水压力，但在排水板的作用下，超静孔压得到了快速消散，说明在排水板范围内的土体可在受到使用荷载作用后迅速完成固结。

图11 排水板区域内不同深度孔隙水压力长期消散曲线Fig.11 Long-term dissipation curve of pore water pressure at different depths in the PVD-installed area

图12 下卧层-23 m处孔隙水压力长期消散曲线Fig.12 Long-term dissipation curve of pore water pressure at-23 m in the underlying layer

对比排水板下部下卧层土体在工后使用荷载作用下的情况，如图12所示，下卧层由于未打设排水板，层内孔压在抽真空地基处理期间直至抽真空结束仍远未达到完全固结，后经过真空卸载孔压迅速降低，随后在使用荷载作用下，在层内出现明显的超静孔压，并且孔压消散缓慢，在使用荷载作用下整体消散至接近完全固结时至少需要约1 a时间。这也就说明了，该地基在工后长期持续沉降产生的主要原因即为排水板下卧层黏土（或软黏土）的持续固结沉降变形。

因此，从天津港地区软土地基的分布特点和普遍处理及使用过程情况上来看，排水板未打设到的下卧黏土层（天津港地区普遍为典型的粉质黏土层）是决定软土地基工后长期沉降的关键因素，其固结排水性能决定了整体地基长期沉降的发展趋势。在一些对工后长期沉降比较敏感的项目建设过程中，需要在设计及施工过程中对该层土进行重点关注。

3 结语

1）天津港地区软土地基处理期沉降量大且工后长期沉降明显。采用真空预压法对天津港地区软土地基进行处理，地基处理施工期间地基总沉降量为2 588 mm，在地基处理完成后的532 d内，该软土地基仍产生了114 mm的沉降。

2）排水板范围内土体在受到地基荷载作用下固结迅速。排水板范围内的软土地基在真空卸载后孔压回升至静水孔压附近，随后在地基荷载作用下，土体内产生超静孔隙水压力，但在排水板的作用下，超静孔压快速消散。

3）排水板下部下卧层土体在持续抽真空作用下呈现明显的欠固结状态。下卧层内孔压在抽真空地基处理期间呈逐渐增大的趋势，直至抽真空达到70 d左右时孔压达到峰值，随后逐渐降低消散，至抽真空加固期结束时层内仍存在132 kPa的超静孔压，在地基荷载作用下消散至接近完全固结时至少需1 a时间。

4）从天津港地区软土地基的分布特点和普遍处理及使用过程情况来看，排水板下方的下卧黏土层是决定软土地基工后长期沉降的关键因素，其固结排水性能决定了整体地基长期沉降的发展趋势。

5）在一些对工后长期沉降比较敏感的项目建设过程中，需要在设计及施工过程中对排水板下方的下卧黏土层进行重点关注。