基于实测沉降的填海工程固结度和最终沉降分析

基于实测沉降的填海工程固结度和最终沉降分析（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）摘要：结合澳门某填海工程地基处理的实测沉降数据，采用三点法、双曲线法和Asaoka法推算软基的固结度和最终沉降量，分析了各种计算方法的适用性和局限性，有效指导了工程施工，为今后类似填海工程的监测工作提供了有益的参考。

关键词：堆载预压；原位监测；固结度；最终沉降；港口工程引言在设计阶段，可通过太沙基固结理论计算出软弱地基固结度的变化过程，而在施工过程中，则需通过实测沉降数据进行分析，用以指导工程施工。

目前常用的基于实测数据的最终沉降计算方法包括三点法、双曲线法和Asaoka法。

本文结合澳门某填海工程的软基处理案例，对这几种常用的方法进行系统比较，分析其优缺点和适用条件，为在工程中的应用提供一定的借鉴。

1 工程概况1.1 工程地质条件根据地质勘查资料，工程所处的海底表层为河流堆积形成的软弱淤泥层。

土层按成因时代、岩性特征基本划分为4层：①淤泥层，为全新统海相沉积物，灰色，流塑，厚度8～11.8m，平均约10.0m；②杂色黏土层，为晚新统海相沉积物，可塑～硬塑，标贯击数9～10击；③粗砂、强风化花岗岩层；④弱风化花岗岩层。

天然地基各软土层的物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标土层含水量W/%孔隙比e固结系数Cv/(cm2·s-1)压缩模量Es/MPa c/kPa φ/(°)c/kPaφ/(°)直剪快剪直剪固快淤泥66.4 1.94 0.6 x10-3 1.79 1.8 8.7 3.4 10.4杂色黏土32.1 0.91.54x10-3 4.41 8.5 20 9.1 30 1.2 真空联合堆载预压方案1）砂垫层：自天然泥面吹填中粗砂至3.5m，作为真空预压起始高程。

2）插打塑料排水板：采用高性能可测深塑料排水板，正方形布置，间距1.0m，排水板穿透淤泥层并进入黏土层不小于1.0m。

3）真空预压：真空预压区四周采用淤泥搅拌桩的方法施工密封墙，真空预压区内设置滤管、无纺布及密封膜，按1 000 m2/台布置真空泵，维持密封膜下真空度80 kPa以上。

4) 堆载预压：抽真空满载30 d后开始分级堆载预压，第一级预压荷载为1.2m厚中粗砂，第二级预压荷载为1.2m厚中粗砂，第三级预压荷载为1.4m厚中粗砂。

加载过程用时约60 d，堆载满载60 d，真空联合堆载满载210 d。

5）卸载：当根据实测沉降数据推算的固结度达到85%以上可进行分级卸载。

1.3 现场监测方案为了获得实测沉降数据，于填海工程范围内选取了一块软基试验区，在该区域内均匀埋设了3个面层沉降盘（编号为S1，S2，S3）。

各沉降盘于吹填砂垫层前开始埋设以获得完整的沉降数据，3个测点的沉降-时间曲线如图1所示。

图1 测点的沉降-时间曲线2 常用的最终沉降推算方法在实际施工过程中，需要通过实测沉降数据来推算最终沉降及当前固结度，从而判断堆载预压卸载时机。

目前常用的方法包括三点法、双曲线法和Asaoka法。

2.1 三点法曾国熙于1959年提出了这种方法[1]，并被《港口工程地基规范》（JTS 147-1-2010）[2]所采用，计算公式如下：式中：S∞为地基土最终沉降量；S1，S2，S3分别为堆载满载后t1，t2，t3时刻对应的沉降量，并满足条件t2-t1=t3-t2。

2.2 双曲线法该方法假定地基的沉降速率随时间以双曲线形式递减。

在堆载完成后的任意时刻t相应的沉降量可用双曲线方程表示。

其基本公式为：式中：S ∞为地基的最终沉降量；S0为满载时，即t=0（假定）时的地基沉降量；St为某时刻的地基沉降量；α、β为与地基及荷载有关的常数，可根据式（4）用图解法求出；t为从满载开始的时间。

2.3 Asaoka法Asaoka法是一种从一定时间所得的沉降观测资料来预计最终沉降和沉降速率的方法。

用以下简化递推关系可近似地反应一维条件下以体积应变表示的固结方程，并用图解法来求解最终沉降值[3]。

式中：Sj 为时间tj时的沉降量。

图解法推算步骤如下：1）将时间划分成相等的时间段，在实测的沉降曲线上读出t1，t2所对应的沉降值S1，S2，并制成表格。

2）在以Si-1和Si为坐标轴的平面上将沉降值S1，S2以点（Si-1，Si）画出，同时作出Si=Si-1的45°直线。

3）过系列点（Si-1，Si）作拟合直线，与45°直线相交，交点对应的沉降为最终沉降值。

3 固结度评价地基土体平均固结度可定义为某时刻地基沉降量和最终沉降量的比值。

根据图1所获得沉降数据，分别采用三点法、双曲线法、Asaoka法推算固结度，并与曾国熙分级加荷法法计算结果进行对比，结果见表2。

表2 固结度计算三点法双曲线法Asaoka法曾国熙法观测点最终沉降/mm固结度/%最终沉降/mm固结度/%最终沉降/mm固结度/%最终沉降/mm固结度/% S1 2 099.9 99.1 2 274.3 91.5 2 104.1 98.9 S2 2 033.2 99.3 2 159.4 93.5 2 035.3 99.2 S3 1 682.1 99.4 1 797.8 93.0 1 678.7 99.61 937.8 99.4平均值1 938.4 99.3 2 077.2 92.7 1 939.4 99.2 三点法计算平均固结度在99.1%～99.4%，平均为99.3%，Akaoka法计算平均固结度在98.9%～99.6%之间，平均为99.2%，均与曾国熙分级加荷法计算固结度99.4%比较接近。

双曲线算得平均固结度92.7%相对较小。

说明基于实测沉降的三点法、双曲线法和Asaoka法作为施工过程中固结度的推算方法是可行的，而双曲线法的计算结果相对保守。

4 三种方法的工程适用性分析在实际计算过程中，基于实测沉降的三种固结度计算方法往往由于取值、沉降观测误差、观测时间有限等原因而使计算结果出现偏差。

本文根据各种方法的特点，对其适用条件作了进一步分析。

三点法要求取满载后的三点（t1，S1），（t2，S2），（t3，S3）进行计算，并使t2-t1=t3-t2。

以前述案例实测数据为基础，分别取不同的间隔时间进行固结度计算，结果见表3。

双曲线法和Asaoka需要基于满载后一定时间内的沉降数据进行曲线拟合计算，取满载后不同观测时间监测数据采用这两种方法进行最终沉降计算，结果分别见表4和表5。

表3 三点法不同时间间隔固结度/%观测点10天30天40天70天80天100天S1 100.1 96.6 98.9 99.4 100.0 100.0 S2 100.2 96.5 99.0 99.5 99.9 100.1 S3 99.9 97.0 99.2 99.6 100.0 100.0平均值100.1 96.7 99.1 99.5 100.0 100.0 表4 双曲线法不同满载时间最终沉降/mm观测点50天100天150天200天S1 2 446.7 2 540.5 2 379.9 2 275.9 S2 2 261.2 2 332.2 2 234.3 2 162.3 S3 1 856.7 1 925.8 1 832.5 1 798.1平均值2 188.2 2 266.2 2 148.9 2 078.8 表5 Asaoka法不同满载时间最终沉降/mm观测点50天100天150天200天S1 2 108.4 2 139.6 2 130.7 2 112.4 S2 2 042.1 2 064.5 2 060.7 2 040.9 S3 1 707.5 1 689.2 1 680.3 1 678.5平均值1 952.7 1 964.4 1 957.2 1 943.9 对表3～表5的计算结果进行分析，可以得出以下结论：1）三点法采用不同时间间隔计算的固结度结果不同，采用较小时间间隔如10～30天和较大时间间隔如80～100天所得结果离散性较大，且与曾国熙分级加荷法计算结果相差较大。

采用时间间隔40～70天所得固结度结果介于99.1%～99.5%之间，离散性较小且与曾国熙分级加荷法计算结果99.4%较为接近。

究其原因，时间间隔过小会造成计算点取值的波动性较大，时间间隔过大会使得计算点取值过少，易产生较大的误差，因此三点法计算时间间隔易控制在一定范围之内，推荐为40～70天之内。

2）双曲线法采用不同满载时间沉降数据计算的最终沉降结果不同，采用满载初期沉降数据计算最终沉降结果较大，随着满载时间的增加而减小。

分析其原因，双曲线法是一种图形拟合法，并假定地基的沉降速率随时间以双曲线形式递减。

沉降时间曲线显示加载初期曲线斜率较大，表示沉降速率较快，随着时间的增长曲线斜率逐渐减小，沉降速率降低，且总体沉降趋于收敛。

采用满载后较短时间推算最终沉降，较大的沉降速率易得出较大的最终沉降结果。

满载达到一定时间总体沉降趋于收敛后，所推算最终沉降比较准确。

因此双曲线法在实际应用中监测数据应达到一定的时间跨度，一般要满载6个月以上。

3）由表5可以看出Asaoak法采用不同满载时间沉降监测数据计算的最终沉降结果比较一致，总体介于1 943.9～1 964.4 mm之间，波动幅度较小，且与曾国熙法最终沉降结果1937.8 mm比较接近，说明Asaoka法计算结果受满载时间的影响较小，可利用较短时间的观测资料得到较为可靠的最终沉降计算结果。

5 结语1）基于实测沉降的三点法、双曲线法和Asaoka法作为施工过程中固结度的推算方法是可行的，在相同的条件下双曲线法的计算结果相对保守，但仍具有一定的参考价值。

2）三点法采用不同时间间隔计算的固结度结果不同，较小和较大的时间间隔均会使得计算结果偏差较大，计算时间间隔易控制在一定范围之内，推荐为40～70天之内。

3）双曲线法作为一种图形拟合方法，可以利用满载后全部实测沉降数据，但满载时间对双曲线法最终沉降的计算结果影响较大，为提高结果的准确度，双曲线法需要较长时间的实测沉降数据，一般要6个月以上。

4）Asaoka法计算结果受满载时间的影响较小，与双曲线法相比，其优点在与可利用较短时间的观测资料得到较为可靠的最终沉降计算结果。

参考文献：[1] 龚晓南. 地基处理手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2008. [2] JTJ 147-1-2010港口工程地基规范[S]. [3] 王荣利, 秦观, 刘洪亮. 软土地基最终沉降量推算方法的对比分析[J]. 中国港湾建设, 2013, (2)：15-18. 《港工技术》征订启事《港工技术》是经国家新闻出版总署和科技部批准出版在国内、外公开发行的科学技术类刊物，国际标准连续出版物号ISSN1004-9592，国内统一连续出版物号CN12-1220/U，本刊主要栏目包括：海岸动力、平面工艺、结构、地基基础、工程勘察、综合信息等。