软土地基病害与沉降预测方法研究现状

廖 鹏，孙世达

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

软土地基是基础设施建设过程中十分普遍地质类型之一。顾名思义，软土地基具有强度低、含水量高、压缩性高、工程性质差等特性。鉴于软土地基的特性，其涉及到的工程实际问题主要有稳定性、不均匀沉降导致的变形、动荷载引起的地基土液化等3 个方面。软弱地基的稳定性问题主要是由于地基土承载力低、强度低，而使得路基受上部荷载的影响较大，一旦软土地基出现抗剪强度降低或承载能力不足的情况，便会在路基内部形成裂隙，导致路基破坏，甚至出现塌方现象。

沉降、变形问题主要是由于软土的含水量通常都较高、压缩性也高，同时受到附加荷载的作用，从而会导致其出现沉降变形。沉降导致的均匀变形所产生的负面影响是可以忽略的。但实质上，路基下方土层的厚度是非统一的，土是非均质的，所以会导致在施工过程或后期使用过程中出现软土地基不均匀沉降的情况，从而出现“起伏路”。除此之外，还有一种情况便是不均匀沉降出现在结构物与路基的交界面处，这种现象发生是因为在设计施工过程中结构物和路基的沉降控制标准不同，导致构筑物与路基之间往往会有不容忽略的沉降差产生。不均匀沉降的产生时常会引起路面凹陷、路面裂缝以及路面积水等问题，给后期的投入使用埋下了一定的安全隐患。

动荷载所导致的软弱地基土液化，主要是由于温度改变以及外界水循环状况发生变化等导致的冻融或管涌等，使得地基承载力与形变出现明显变化，进而产生路面凹陷、路面裂缝等，对道路的安全性以及适用性都造成了一定的负面影响。

综上所述，软弱路基无论在工程设计还是现场施工时都会对项目产生显著的负面影响。因此，本文将依托工程着重介绍现有的关于软弱地基沉降所导致的病害与沉降量预测方法。

1 工程概况

在建的贵州省内石阡到玉屏的高速公路是贵州省新增重要工程项目之一。该项目起终点分别与国内多条重要高速公路联通，是国家高速公路网络中的重要一环。该项目的建成将对贵州高速公路网的进一步完善起到至关重要的作用。该项目区域内的地貌主要为侵蚀构造、溶蚀以及溶蚀侵蚀3 种类型。

2 软土地基沉降病害分析

针对软土地基含水率高、压缩性高以及强度低等工程特点，为克服软弱地基的不良影响，施工过程中往往会采取措施改善其承载力，使其承载能力得到一定程度的提升从而达到施工要求。但若实际施工过程中采取的处理方式不当，则可能导致结构物在使用期内出现沉降或倾斜等病害[1]。在桥梁修筑过程中，往往会在桥墩附近进行大量堆载、基坑开挖以及临近打桩等，这些都极有可能导致桩周土体发生沉降；同时土体会产生横向位移与横向变形，进而导致基桩受到不容忽略的横向土压力作用，并在横向土压力作用下发生横向弯曲变形，而桩顶部位所承受的竖向荷载将会使基桩的横向弯曲变形得到较大程度的加剧。此外，软弱地基的沉降必将会导致上部结构滑移、开裂以及支座脱空等现象的出现。由此可见，软弱地基对于上部结构的不良影响是极其显著的，因此通过研究理清产生病害的缘由是十分重要的。

结构病害通常是多种因素共同作用所致，其中软弱地基桥梁所出现的病害类型大致可以分为墩柱开裂、桩顶承台开裂、盖梁开裂以及桥面线型破坏4 个。

有研究者发现，承台系梁通常呈U 形开裂，裂缝均出现在角隅处，并且是由顶面向下发展的。并基于这一现象进行了数值模拟研究，研究表明当承台桩基发生的不均匀沉降达到2 cm 时，承台系梁处便已有裂缝产生，且其宽度达到了约0.6 mm，此刻其顶部的应力数值也达到了钢筋的屈服强度，即为240 MPa；若不均匀沉降量继续累积，则裂缝的开度也会不断增大，当不均匀沉降量约为5 cm 时，混凝土裂缝的开度将增大为3.95 mm。由此可见，承台系梁的开裂主要是由承台桩基的不均匀沉降所导致的。同时，辅道路基软土在附加荷载的作用下将发生明显的固结沉降，因此相邻桥梁的桩周土将在该固结沉降的作用下带动桩基发生下沉；而由于沉降的影响程度与桩基和路基的距离呈负相关，因此相邻桩基之间存在差异沉降，这也是导致承台系梁处裂隙产生的直接原因之一[2]。

辅道路基软土在发生固结沉降时会产生较大的水平向的侧压力，桩基则将会在水平向侧压力的推动作用下发生横向位移，故而导致上部结构会随着桩基的横向移动而产生滑移，但由于上部结构会受到一定程度上的横向约束，就会导致桥墩底部的侧向弯曲拉应力超限而出现环向开裂的现象。这便是软土地基所导致的桥墩开裂的主要原因。

利用midas-civil 建立模型并分析得知，路基沉降所形成的土侧向压力作用于桩基上，桩基则会在该土压力作用下带动上部结构发生整体偏位，也就造成了梁体的滑移。

考虑到软土地基抗剪强度及透水性低、触变性强等特点，为控制沉降，软土地基上桥梁基础一般会设置桩基础并且桩长需穿过软土深入到持力层上。而桩基础通常以承受竖向荷载为主，水平方向上一旦受力便会发生较为严重的变形。因此，在桥梁建成投入使用之后，桩基便极易在软土地基的扰动与侧向挤压作用下发生水平方向上的挠曲变形，进而使得桩基开裂等情况的发生。因此，侍刚等[3]以某五跨一联的城市高架桥为依托进行了研究分析，评估软土地基墩梁错位对桥梁结构安全的影响，并提出了合理的处治措施。经研究发现，桥址区内有大范围较厚的淤泥质粉质黏土存在，其主要位于桩基的中上部且平均厚度达到约18.7 m，属于不良地质条件；桥址区附近正在进行围湖、围塘造地施工，大量的弃土使得地貌地质条件发生较大变化；暴雨使得堆土饱和、质量增大，淤泥层受到上部荷载的挤压作用而带动上层土体发生横向滑移，进而对桩基中上部、承台及桥墩下部产生挤压作用进而发生位移变形——这都是软土地基所招致的病害。

通过有关研究分析，从临时应急与永久性维修加固2 个方面提出了相应的治理措施。应急治理措施主要包括：①对桥梁结构参数与病害情况进行实时监测，以便掌握病害发展趋势；②将桥底与桥位附近的弃土运离，避免有再次挤压梁体结构的水平荷载出现；③在墩柱间增设横向联系，以增强墩柱之间的横向刚度；④临时封闭外侧车道，减少车辆荷载对梁体的不利影响；⑤在墩柱盖梁顶部设置横向限位挡块，以限制墩梁之间的横向偏位差。在永久性修固方面，则提出以下措施：①设置软土地及土体应力释放孔，使得桩基与桥墩偏移量得到部分回位；②增设桩基与承台，以确保梁体的运营安全；③对受损墩柱进行维修加固处理；④对梁体进行横向复位，等等。

桥台是连接路基与梁体的重要组成部分，但由于路基填筑材料与梁体钢筋混凝土材料之间的种种差异，所以二者之间通常有不同步的变形与位移出现，从而导致桥台出现裂缝，甚至是造成承台的不均匀沉降等。张召磊等[4]对软土地基桥台变形机理进行了分析，并提出了相应的预防措施。经研究发现，桥头路基的填筑通常会使得下覆软土发生侧向变形，而桩基础相对于软土地基而言则是刚性构件，会对周围土体的侧向位移产生一定的抑制作用，因此桩基自身便会因软土体的推理而产生变形。通常认为，桥台在竖向荷载、水平作用力、侧向压力以及因地基固结沉降所产生的负摩阻力等作用下的位移模式分为水平移动模式和分别以桥台顶和桥台踵为中心的转动模式；土体分层均匀时，土体的侧向应力与侧向位移在深度方向上呈现出线性分布状态，此时对应的位移模式便是水平位移模式；反之，则为转动模式。因此，其提出了可通过设置桥头搭板、改善路基填筑、改进排水设施等措施进行预防。设置桥头搭板能够有效解决桥台与软土地基不均匀沉降所导致的高差，有助于协调桥台与路基变形，进而削弱软土地基不均匀沉降所导致的不良影响；选用透水性优良、易压实的材料进行软土地基填筑能够及时排出土体中的水，加速土体的固结；排水设施的改善则能尽量减少雨水渗入所导致的不良影响。

3 软土地基沉降预测方法

有关软土地基的研究中，除了其病害机理，软土地基沉降预测也一直是一个重点研究课题[5-7]。软土地基沉降的准确预测有助于有针对性地就所遇到的工程实际问题提前做出有效的控制方案，进而避免不必要的安全事故与财产损失，对施工进度的控制等均有重要意义[8]。

现有的关于软土地基沉降量预测主要有基于土力学原理进行预测和通过挖掘沉降量变化规律进行预测两大类。但基于土压力原理进行预测由于预测模型与实际存在较大差异，通常会导致预测准确度不高的情况出现。因此，通过挖掘沉降量变化规律进行预测的认可度相对更高，其中应用较为广泛的有双曲线法、灰色理论以及指数曲线法。已有研究成果显示，灰色理论与双曲线法具有较好的预测效果，但是其前提是需要有一定的假设条件，因此其预测精度将会一定程度上受到假设条件的影响[9-10]。同时考虑到运用单项方法预测软土沉降还需要考虑预测方法与实际情况的匹配性，而组合预测是通过多方面独立挖掘样本数据信息，因此可以有效降低预测误差[11-12]。

王培宇等[13]便从组合预测入手，考虑双曲线法与GM 建模机理，基于算数加权组合法将双曲线法与GM法进行组合，提出了修正优化综合预测模型，以实现对软土地基沉降量更加科学、准确的预测。其首先基于算术加权平均组合的方法进行预测，使得预测结果具有良好的精度，再在此基础上构建目标函数以表征沉降组合预测值与实际监测值之间总差异的大小，以目标函数最小值为初步组合权系数进行下一步计算。构建实时修正权系数，以利用实时修正值对综合预测值进行修正，以此来减小综合预测值与实际监测值之间的预测偏差，并最终建立修正优化综合预测模型。研究发现，由修正优化综合预测模型得到的沉降值与真实监测数据更为接近，相对于双曲线法和GM（1，1）2 种方法，修正优化综合预测模型更能反映软土地基沉降量的变化规律，并且其预测结果误差更小，变化趋势更稳定、波动更小。其中，双曲线法和GM（1，1）这2 种方法的预测相对误差均在11%以内，修正优化综合预测模型的预测准确性与基于单项指标的预测方法的预测准确性呈正相关，即基于单项指标预测方法精度的降低会导致修正优化综合预测模型的预测精度降低。通过对修正优化综合预测模型进行敏感度分析得知，修正优化综合预测模型、GM（1，1）、双曲线法3 种方法的软土地基沉降预测值均近似呈线性关系。由于GM（1，1）和双曲线法都具有较高的预测稳定性，即可得知修正优化综合预测模型的预测结果也具有良好的稳定性，不会由于原始数据发生变化而导致模型的适用性变差，因此得知修正优化综合预测模型在软土地基的沉降预测中具有良好的适用性。

4 结论

综上所述，在桥梁工程中软土地基所导致的病害主要有墩柱开裂、桩顶承台开裂、盖梁开裂以及桥面线型破坏，究其原因都是因为软土地基因承载力不足发生不均匀沉降，进一步导致水平向土压力的产生等，因此使得桥梁发生滑移、开裂等。在软土地基的沉降量预估研究方面，常用的方法主要有双曲线法和GM（1，1）法，于是便有学者在此基础上提出了修正优化综合预测模型并验证了其普遍适用性，该模型能够使预测结果更为精确，波动更小，变化趋势更加稳定。