堆载预压中沉降位移与孔隙水压力观测分析与研究.docx
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堆载预压中沉降位移与孔隙水压力观测分析与研究
堆载预压中沉降、位移与孔隙水压力观测
分析与研究
1、工程地质条件
本工程位于长江三角洲冲积平原太仓段，属于典型的软土地基。
通过勘察勘探，各地基土层的特征由上至下主要为冲填土、灰色砂质粉土、灰色淤泥、灰色淤泥质黏性土、灰色砂质粉土、灰色黏质粉土、灰色粉砂等。
软土的主要特性为：
高含水量、高孔隙比、高压缩性和低粘聚力、低渗透性、低固结系数。
由于以上特性，常见的软土地基会出现承载力及稳定性低、变形大及沉降不均等问题。
针对这些问题，常用的软土地基处理方法有很多，我们应根据工程的要求、场地条件及地质条件等综合因素考虑。
2、堆载预压加固原理
本工程采用的堆载预压法的基本原理是基于太沙基的有效应力原理，堆载预压法主要是增加总应力，而不是增加有效应力，总应力的增加导致孔隙水压力的增大，产生超静孔压使土体中孔隙水通过排水通道排出土体，孔隙水排除后孔隙体积变小，土体密实，增长了土体的抗剪强度，提高了软土地基的承载力和稳定性同时可以减少土体的压缩性，消除沉降量，以使工程在使用期不至于产生有害的沉降和沉降差。
因此堆载预压法加固软土的效果取决于堆载的大小和超静孔压的消散程度。
3、堆载预压施工方案
1．该场地采用塑料排水板与堆载预压相结合的方法对该段软基进行处理：
a、场地平整：
将场地内的淤泥段及块石清除并整平，便于插板施工。
b、塑料排水板：
塑料排水板间距1m，按正四边形布置，根据地质情况的不同，塑料排水板插入深度在23m~25m范围内，上端露出20cm。
c、基础回填料：
按斗轮机基础回填要求分层回填块石。
d、堆载预压：
按照设计及现场实际情况采用吹填砂及山皮石分级堆载，其中吹填砂第一级堆载厚度为1.95m，第二级堆载厚度为2.7m；山皮石第一级堆载厚度为1.95m，第二级堆载为2.45m。
e、堆载预压时间：
第一级堆载时间不小于30天，第二级满载预压时间不小于90天。
2．堆载预压的控制标准：
a、标高：
地基加固后达到交工标高。
b、地基沉降量：
斗轮机工后沉降量≦50cm。
c、地基承载力：
斗轮机基础区地基承载力【R】≧150kPa。
d、施工期控制指标：
加载期间地基沉降速率不大于15mm/天，孔隙水压力控制在Σ△U/△P≤50%，边桩位移控制标准为每昼夜应小于5mm。
3．卸载标准：
a、达到设计堆高后，满载预压时间不小于90天；
b、沉降速率需达到最后连续7天，平均沉降不大于1.0mm/天；
c、根据实测沉降曲线，推算地基土的固结度达到90%以上。
4、堆载预压监测方案
为了及时掌握堆载预压施工过程中沉降、孔隙水压力、强度变化等有关信息，起到指导施工、监控施工安全、验证设计、检验加固效果的作用，本软基工程监测方案采取了埋设沉降板、边桩及孔隙水压力，并对在堆场内埋设的监测设备按设计频率进行监测，以便掌握固结沉降、水平位移、孔隙水压力消散的情况。
变形及孔隙水压力观测从砂垫层和塑料排水板施工完成后开始算起，不考虑插设塑料排水板期间由于排水条件改善引起的沉降量 。
本工程具体的监测的工作内容和数量详见表1。
监测点基本上均布于整个斗轮机，监测点现场定位按照设计文件中“监测点布置图”进行实地测放，监测点位置详见图1。
表1监测工程数量表
序号
监测项目
数量
单位
备注
1
沉降板
33
个
每条斗轮机11个，间距50m
2
孔隙水压力
9
组
每条斗轮机基础各3组，间距200m
3
位移边桩
42
个
内埋设铁件，上刻“+”字标志
说明
孔隙水压力测头在土层中按6m的间距埋设测点
图1：
监测点布置图
5、监测结果分析
1、沉降监测
沉降监测的主要目的就是监测沉降板以下土层在堆载作用下的沉降量及其随时间的发展变化过程。
一方面可用来评价填土加载速率的安全合理性，另一方面可通过对观测结果的分析，计算出淤泥的实际固结度，推算出地基工后沉降值以及确定合理的卸载时间 。
沉降标由沉降板和测杆组成，沉降板采用50cm*50cm大小的钢板，测杆采用镀锌水管，每段测杆长1m，以高强度接头相连，测杆焊接在沉降板上并埋设于砂垫层内，测杆随加载高度增加而接长。
本次监测共设33个沉降观测点，每条斗轮机各11个观测点。
我们以1#斗轮机1#-6~1#-11沉降板的沉降数据来分析。
数据从2014年3月5日开始填筑第一级堆载石（4.3m-6.05m）开始，2014年3月18日开始到2014年3月26日堆载预压第一级吹填砂（6.05m-8.0m），2014年3月26日到2014年4月26日堆载稳压（8.0m），2014年4月27日到2014年5月12日堆载预压第二级吹填砂（8.0m-10.75m），截止至2014年8月4日共观测152天。
由监测成果（见图2）可知：
地基经堆载预压处理后的累计沉降最大值发生在1#-11 点，累计总沉降量为1224mm；最小值发生在1#-8和1#-10，累计总沉降量均为1100mm。
图2：
1#斗轮机6~11号监测点沉降变化曲线
通过上图的监测数据，我们可以得出如下分析结果：
（1）沉降是否稳定，符合设计要求：
沉降量与荷载、淤泥厚度、时间关系密切，每施加一级荷载时，沉降量和沉降速率均有明显增大，沉降后期沉降（S）－时间（t）关系曲线平缓，从观测数据看最后连续7天的沉降速率处于稳定状态，平均速率为0.925mm/天，符合设计要求。
（2）固结度推算：
据已知沉降数据推测沉降及最终沉降主要有双曲线法、Asaoka 法和三点法 。
双曲线法是一种数学拟和的方法，而Asaoka 法和三点法都是建立在一维垂直固结方程基础上的方法。
本工程插板区及过渡带在超载下的沉降板的主固结沉降量的推算采用三点法。
采用三点法我们可推算到地基最终沉降量，计算公式为：
=｛
〔
〕-
〔
〕｝/｛〔
〕-〔
〕｝
式中：
为地基最终沉降量
分别为
时刻的沉降量，且
。
根据以上实测沉降过程曲线，在曲线上较为平缓的一段取三个时间点
（使其满足
）来计算地基最终沉降量。
各沉降测点时间点取值均相同，根据各区域的堆载和卸载的时间确定时间点。
根据最终沉降量和实测沉降过程曲线可推算地基固结度。
计算公式为：
Ut=St/S∞
式中：
S∞为根据三点法推算得到的地基最终沉降量；
St为t时刻的沉降量。
（3）沉降计算成果见表2：
表21#-6~1#-11各点沉降量及固结度一览表
测点
序号
累计沉降量（mm）
S∞
（mm）
最终沉降量（mm）
固结度
备注
t1
t2
t3
1#-6
718
1097
1202
1242.2
1204
96.9%
1#
斗轮机基础
1#-7
731
1101
1190
1218.2
1192
97.9%
1#-8
677
1013
1098
1126.8
1100
97.6%
1#-9
694
1022
1118
1157.7
1120
96.7%
1#-10
646
1001
1098
1134.5
1100
97.0%
1#-11
744
1109
1222
1272.7
1224
96.2%
1#斗轮机基础场地1#-6~1#-11的平均沉降量为1156.7mm，各个监测点的固结度范围为96.2%～97.9%，平均固结度97.05%，均大于90%，满足设计要求。
2、位移监测
边桩位移的监测能有效的监控堆载预压加载过程的安全状况，并可根据实际情况及时发现问题从而采取适当的加固措施。
观测点采用混凝土浇筑基础，内埋设铁件，表面与原地面齐平，上刻“+”字标志，用测钎作为找准目标，进行表层位移观测。
同样，我们对应1#斗轮机1#-6~1#-11区域的位移边桩为4#~7#位移点。
自2014年3月31日开始测的初始值截止到2014年8月4日共观测126天，具体数据见表3。
表3边桩位移观测数据汇总表
位置
序号
开始日期
2014/7/28至2014/8/4
本期位移值mm
累计位移值mm
△X
△Y
△X
△Y
1#斗轮机基础位移桩
1-4a
2014/3/31
0
1
16
-18
1-5a
2014/3/31
1
-2
16
-22
1-6a
2014/3/31
0
1
15
-9
1-7a
2014/3/31
1
0
17
-5
1-4b
2014/3/31
0
1
1
12
1-5b
2014/3/31
1
1
-10
8
1-6b
2014/3/31
-1
0
-9
11
1-7b
2014/3/31
1
2
-5
5
从观测数据看最后连续7天的水平位移处于稳定状态，预压期最大位移量△X：
16mm；最大位移量△Y:
-22mm；最小位移量△X：
1mm；最小位移量△Y:
±5mm；观测期间未出现边桩位移每昼夜超过5mm，位移变化速率在堆载期间明显增大，但整体的变化速率仍较小，稳定性属于受控状态。
3、孔隙水压力监测
孔隙水压力监测的主要目的：
了解孔隙水压力增长与消散过程情况，了解土体的强度增长情况，控制堆载施工速度。
孔隙水压力传感器的加工与埋设：
埋设工作在插板完成后进行，采用钻机配合进行埋设，每组测点布置2个孔隙水压力观测孔，孔隙水压力计沿深度方向每隔6m布置一个，埋设时保证传感器放置垂直，与传感器连接的电缆测线由保护管引出，随堆载高度增加而接长。
埋设时，在传感器周围设置透水层，透水层高度为0.6m～1.0m，透水层填料一般采用中粗砂；两个传感器之间应设置不小于1m的隔水层，隔水层填料采用直径2cm左右的膨胀泥球，确保两孔压计之间有效隔水。
孔隙水压力计观测点按要求埋设完成后，立即使用二次仪表检测孔隙水压力测点数据是否正常。
如发现在埋设过程中有损坏或数据不正常时，应及时采取补救措施。
钢弦式孔隙水压力计由两部分组成，一部分为滤头，由透水石、开孔钢管组成，主要起隔断土压的作用；另一部分为传感部分，孔隙水压力物理量可通过频率仪直接读出。
孔隙水压力计算式为：
式中：
—孔隙水压力（kPa）；
—标定系数（kPa/Hz2）；
—测试频率（Hz）；
—初始频率（Hz）。
孔隙水压力的监测流程见下图3.
图3孔隙水压力监测工作流程图
我们同样取1#斗轮机1#-6~1#-11相应的孔隙水压力监测点kx3来分析，孔隙水压力对堆载加荷较为敏感，当测点位置堆载加荷后，各个土层的超孔隙水压力增长明显，在加载期间，超孔隙水压力值逐渐增大，在荷载加载的停歇期，超孔隙水压力有所消散，其变化曲线呈锯齿状，并伴随着荷载的增加→间歇→增加→间歇的过程，相应出现上升→消散→上升→消散的变化规律，在堆载加荷施工结束后超孔隙水压力出现最大值。
恒载期，由于塑料排水板的作用，各土层的超孔隙水压力消散较快，随着时间增长，超孔隙水压力持续消散，消散速率逐渐减小，趋于稳定态势。
由孔隙水压力时间变化曲线可以看出，浅层土体中的超孔隙水压力明显大于深层土体，各个土层的压力增长、消散规律基本一致，说明塑料排水板的效果良好。
截止到卸载前，各土层的超孔隙水压力值均得到较大消散，其曲线变化趋于平稳，变化幅度较小，尤其是深层土体的超孔隙水压力已完全消散。
下图4为kx3测点的孔隙水压力时间变化曲线。
图4kx3孔隙水压力随时间变化曲线图
6、结论
通过对1#斗轮机1#-6~1#-11段的检测分析，我们扩展至整个场地的三条斗轮机堆载预压检测，我们得出如下分析：
（1）根据实测表层沉降结果，截止2014年8月4日，累计表层沉降量为1002mm～1224mm，平均的表层沉降量为1118.4mm。
采用三点法法对实测沉降曲线进行固结度计算，各个监测点的固结度范围为92.2%～97.9%，平均固结度95.3%，均大于90%，满足设计要求。
（2）根据边桩位移监测成果，斗轮机基础在堆载预压期间，其浅层土体的水平位移累计值不大，变化速率较小，说明预压施工期间下卧土体基本稳定，满足设计要求。
（3）根据孔隙水压力监测成果，堆载恒载期间，各土层的超孔隙水压力值均有较大的消散，其孔隙水压力随时间的变化曲线逐渐趋于平稳，说明土体的固结强度已逐步提高，地基处理效果明显。
（4）通过监测表明，本次软基处理设计方案是经济合理的，施工中无异常情况发生，软基处理效果良好，场地均匀性较好，场地地基在原设计使用功能和使用荷载状况下能完全满足本软基处理设计中的技术要求。
（5）本次工程监测直观、合理地反映了在堆载预压法加固软基过程中，软土固结沉降、孔隙水压力等的变化情况，起到了信息化施工、控制堆载施工速率等的作用，达到了监测的预期目的，监测资料与效果检测资料结合，能够充分有效地评价软基处理效果，并为同类工程提供了可借鉴的经验资料。
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