热带雨林地区软土结构特性及沉降计算分析

    张志冰

    

    

    

    摘 要：软基处理是公路工程路基处理的一大难题。在非洲热带雨林地区，软土十分发育，且结构特性明显。本文通过以加蓬PO公路项目的勘察成果为例研究热带雨林区软土的形成机制和软土结构性，采用分层总和法、双曲线法和三点法等方法对处理后的软基地基沉降曲线进行分析比较。利用软土结构性对地基沉降的影响，选择合理软基处理方案，为热带雨林区软土处理提供了良好的工程经验。

    关键词：热带雨林;软土结构性;沉降计算;软基处理

    中图分类号：U416? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）09-0114-03

    1 引言

    软土作为一种土壤，其本身就具有一定的结构性。大量的工程实践证明，土壤的结构性对于土体受力情况具有明显的影响。在热带雨林地区，软土的结构性对于软土的力学特性以及沉降特征产生较大的影响。

    国内许多学者对于软土结构性对地基沉降的影响进行了大量的分析和研究，王军以温州地区软土为例对扰动软土的沉降机理进行分析，并对沉降计算的试验基础和理论方法进行研究[1];贺成斌等引入分级加载思想和损伤比的概念，提出软土结构性非线性沉降计算的方法[2];刘维正等对长期交通荷载作用下研究软土结构性对于沉降特性的影响[3];以上均以我国国内软土进行分析研究，而对于热带雨林地区的软土研究较少。本文主要以加蓬共和国PO公路项目为例，分析热带雨林区软土的形成机制和结构特性，并对软基处理过程中软土结构性对沉降特性进行分析研究。

    2 热带雨林区软土结构特性

    2.1软土形成机制

    浅层软土主要分布在热带雨林区和河口红树林区。旱季干燥少雨，大量植物根系和植物落叶等枯死腐烂，形成丰富有机物来源;雨季雨量充沛，植被更新速度快，有机物在平原区迅速堆积形成深厚的软土层。形成的软土主要为以植物纤维为基本构架的泥炭或泥炭质土。深层软土形成时间相对浅表层软土要更为久远。由于项目区奥果韦河与海洋的共同作用导致地层反复交替，典型特征就是砂层和软土层形成明显互相现象。深层软土在浅地表形成以后，由于这种地层反复交替的地质作用，软土层快速被上层土层覆盖，软土中的植物纤维未充分炭化或者分解。由于上覆岩土的压力，对深层软土形成压缩固结作用，深层软土主要已含大量植物纤维结构的淤泥和淤泥质土。

    2.2软土结构特征

    本项目区软土的液性指数多大于 1.5，根据规范应当判定为流塑状态。实际情况，原状软土以可塑状态存在;根据现场勘察结果，该层软土的标贯击数N63.5为5～7，可判定为可塑状态，与现场实际观察土样状态相符，表现出较好的物理力学特性。

    在压缩曲线试验中，压缩曲线上，可以看出土样具有明显的破坏极限，当荷载大于该荷载极限时候，压缩曲线 e-p曲线变现出突变，在压力不增加的情况下变形明显增加。如图1所示。

    通过单轴压缩试验试，分别对原状土样和重塑土样进行单轴压缩，从而可计算得到软土的灵敏度，据此判定软土结构性的强弱。试验结果表明该软土为高灵敏度土壤，具有明显的结构性。详见表1。

    研究表明，软土受到扰动后，其结构发生改变，扰动重塑以后工程性质发生较大改变。结构性软土压缩指数随扰动度增加而大幅度减少，结构屈服应力也随着扰动度增加而减小，二者之间基本呈线性关系[4]。在实际工程应用中，对于软土处理后的沉降预测往往基于重塑土的试验指标，这样计算结果会与实际地基的沉降有所差异，不利于公路工程软基处理设计。

    3 工程案例

    PO公路项目PK49+600路段位于红树林区，区域内软土十分发育，发育厚度大。根据土工试验的指标判定结果，软土最大埋深可达20米。经过大量研究与谨慎设计，项目采用预制混凝土方桩的复合地基方式进行软基处理。方桩尺寸为25cm*25cm，正方形布置，桩间距为1.6m。PK49+600钻孔土层的基本物理力學指标如表2所示。

    3.1分层总和法沉降计算

    地基沉降主要包括瞬时沉降量（Sd），主固结沉降（Sc）和次固结沉降（Ss）。分层总和法主要考虑了主固结沉降，而未考虑瞬时沉降和次固结沉降。通过大量的工程实践，可根据现场地质条件和施工情况对分层总和法得到主固结沉降进行一定的修正，从而可推算出最终地基沉降量。

    软土地基的主固结沉降量（Sc）：

    将主固结沉降量（Sc）修正得到总沉降量S，如公式（2）所示：

    式中，软土地基可采用m=1.3～1.6。

    根据公式（1），将PK49+600钻孔各土层物理参数代入，得到主固结沉降量Sc=0.152m，本项目推荐修正系数m=1.5，代入公式（2）得到总沉降量S=0.228m。

    3.2 利用实际监测数据计算沉降

    在PK49+600处分别在道路左边坡坡脚，路基中线和右边坡坡脚各设置了一个沉降观测装置。方桩于2016年12月16日施工完成，开始进行沉降观测工作。观测时间从2016年12月16日至2017年9月5日，共计9个月。沉降观测数据如下图所示：

    利用实际的沉降曲线得到地基总沉降量的主要方法有双曲线法、三点法、Asaoka法、星野法等。本文拟采用双曲线法和三点法来进行总沉降量的计算。

    3.2.1双曲线法

    本方法认为地基沉降量与时间呈现双曲线递减的关系，在地基处理完成的任意时刻t所对应的沉降量的关系式如下所示：

    令y=（ t-t0）/（s-s0），x=t-t0，表达式可整理得到：y=βx+α。推算总沉降量的公式如下：

    公式（4）

    根据拟合曲线的结果，推测总沉降量结果如下：路基左侧观测点：S左=1/0.0237= 42.19 mm;路基中线观测点：S中=1/0.0257=38.91mm;路基右侧观测点：S右=1/0.0282=35.46mm。因此，采用双曲线法得到做最大路基总沉降量Smax=42.19mm。

    3.2.2三点法

    本方法主要采用恒载后，地基沉降随时间趋于稳定，取用任意三个时间点t1，t2，t3，要求两时间点的间隔相同即t3-t2=t2-t1。由经验公式得到地基的总沉降量。

    由表3可知，利用三点法得到最大路基总沉降量Smax=38.44mm。

    3.3 成果应用

    PK49+600的土层按照土工试验指标定义，该处软土发育深度可达20米。根据相关公路工程软基处理规范要求，方桩需穿透最深的软土层抵达下伏密实砂土层，则方桩设计长度至少20米。加蓬PO公路项目在设计过程中充分考虑了软土的结构性，方桩采用12米桩长，即将方桩的持力层选为结构性强的淤泥质土层。方桩施工完成以后，经现场检测，复合地基的承载力和沉降量控制均满足规范要求，未经扰动的淤泥质土层表现出良好的承载能力。这种充分考虑软土结构的设计既满足了工程的设计要求，也大幅度缩短了地基处理中方桩使用的长度，大幅度节省了工程造价，为热带雨林区结构性软土地基处理提供了良好的指导经验。

    4 结论

    （1）热带雨林区软土的结构性与其形成机制有关。

    （2）热带雨林区软土结构性主要有三个表现：①野外土层状体和原位试验表现的力学性能优于土工试验判定标准;②压缩试验中，荷载达到极限值后，土样在压力不增加的情况下变形明显增加;③软土土样表现出高灵敏度。

    （3）利用分层总和法，双曲线法和三点法对PO公路项目方桩处理路基沉降进行分析计算，发现热带雨林区软土结构性对地基沉降的影响较大，在软土结构未受到严重破坏的情况下，软土表现出良好的物理力学特性。

    （4）通過正确认识热带雨林区的软土结构性，选择合适的软基处理方式，可大幅度减少软基处理工程费用，为热带雨林区公路软基处理提供良好的工程经验。

    参考文献：

    [1]王军，高立峰.扰动结构性软土的地基的沉降特性分析[J].岩土力学，2006，27（8）：1384-1388.

    [2]贺成斌，赵明华，马缤辉，陈秋南.考虑土体结构性的软土地基非线性沉降计算方法[J].建筑结构， 2015， 45（14）：82-86.

    [3] 刘维正，石志国，章定文，瞿帅.交通荷载作用下结构性软土地基长期沉降计算[J].东南大学学报（自然科学版），2018，48（4）：726-735.

    [4] 徐永福.土体受施工扰动影响程度的定量化识别[J].大坝观测与土工测试，2000，24（2）：8-10.