一种基于CPT实测值预测地基处理工后沉降的理论计算方法

一种基于CPT实测值预测地基处理工后沉降的理论计算方法陈相铨;程嵩
【摘要】提供一种采用场地地基处理后的CPT实测值来预测堆场的工后沉降进而验证场地地基处理效果的方法.该计算方法可通过CPT实测值将土层划分出黏性土层和砂性土层,并针对不同的土层采用不同的沉降计算公式.在此基础之上,提供了一种针对大面积堆载和独立基础荷载沉降预测的计算方法,并对某港口集装箱区进行
了沉降预测.该方法仅通过静力触探试验和固结试验即可获得计算参数,实用性较强,已成功运用于国外某大型集装箱码头堆场地基处理设计中.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2016(037)011
【总页数】5页(P55-59)
【关键词】地基处理;静力触探;土性判定;荷载类型;沉降预测
【作者】陈相铨;程嵩
【作者单位】中水珠江规划勘测设计有限公司,广东广州510610;佛山市顺德区碧
桂园物业发展有限公司,广东佛山528312
【正文语种】中文
【中图分类】TV142+.1
地基沉降是岩土领域关注的重要课题，重要建筑物和构筑物在设计时都将地基沉降作为控制因素之一[1]，因此需要在设计阶段对地基沉降量进行准确的预测。

早在20世纪初，Terzaghi等就建立了早期的软土地基沉降理论计算方法，在此基础上，
又发展出了分层总和法、考虑先期固结压力的e-logP方法、Skempton-Bjerrum 方法[2]以及Lambe提出的应力路径法[3]。

总体说来，地基沉降是很复杂的课题，只靠纯经验或纯理论都是不可取的。

早期的经典分析法因为简便直观，得到了广泛的应用。

目前，我国工程设计中地基沉降计算常常采用分层总和法和规范推荐法等，再根据实际情况采用一定的修正系数进行修正。

从实际的应用效果来看，这种将理论计算、地质条件和实际经验相结合的计算方法有一定的合理性。

但是此方法对于修正系数的取法较为粗糙，缺乏有力的理论依据，导致计算结果与实测值之间仍有较大差异。

因此修正系数的选择对于经典的沉降计算方法至关重要。

静力触探试验以其快速、精确、经济和节省人力等优点得到了广泛的应用。

本文在土层静力触探试验成果的基础上，提供一种预测地基处理后沉降预测的计算方法，该方法参数少、简单适用，一定程度上弥补了传统沉降理论计算方法中修正系数的粗糙性，具有较强的工程实用性。

1.1 计算方法
Robertson[4-5]的研究成果表明，可以通过CPT试验成果对地下土层的类别进行区分，从而为地基处理设计提供了有力的依据。

表1给出了Robertson用于判定土层类别的参数Ic与土层性质的对应关系。

从表1中可以看出，采用Ic = 2.05作为粗粒土和细粒土的界限值是合适的。

而参数Ic的计算方法可根据Robertson 等[6]的计算方法获得，见图1。

1.2 参数确定
1.2.1 弹性参数。

Bowles等[7]的研究成果表明，土体的弹性模量E同CPT指标qc之间有一定的换算关系。

对于砂土而言:
E=3qc
对于软黏土而言:
E=2qc
对于大面积使用荷载下的沉降计算，应当采用压缩模量参数，而压缩模量Es可由下式计算：
在计算中可取μ=0.3。

1.2.2 蠕变参数
Briaud的研究成果[8]表明，土体的蠕变变形可采用如下公式进行计算：
式中,n取0.005(良好级配砂)～0.03(细砂)，计算中针对砂土可取n=0.01，针对粉黏土可取n=0.03；T为计算时间；T0为计算起始时间，可取T0=1 d；ΔH01为主固结沉降。

1.2.3 固结参数
对于黏土而言，沉降计算中必须考虑其固结特性。

同时，大部分的侧限压缩固结试验在土层深处的硬黏土层上进行而不是在表层的软黏土上进行。

因此，可采取以下固结参数来进行固结沉降的计算。

a) Lambe等[9]的研究成果表明,固结参数和土层含水量之间存在相关性，对于本工程而言，软土层的含水量平均值为50%，因此有固结系数满足=0.15
b) 次固结系数可取Cα=0.03Cc需要说明的是，经验公式是根据大量试验做出的统计结果，针对具体的工程还是应当补充固结试验来确定上述参数之间的关系，这样能提高计算结果的可靠性。

此外，对于厚度小于1 m的黏土层，上下均为砂土层，其排水有效路径小于0.5 m，固结过程很快就能完成，因此厚度小于1 m的黏土层可作为砂土层处理。

1.3 工后沉降计算原理
为了计算地基处理后的工后沉降，需要考虑以下3个方面：①大面积堆载引起的沉降；②独立基础荷载引起的沉降；③吹填料的自重对厚度超过1 m的黏土层产
生的附加应力引起的沉降。

对于上述3种情况，应当采用下述方法进行计算工后沉降。

a) 计算砂质土和黏性土(厚度小于1 m)层在场地使用荷载作用下的瞬时沉降S1，同时求得蠕变沉降S2。

b) 计算黏土层(厚度大于1 m)在场地使用荷载以及吹填土荷载作用下的主固结沉降与次固结沉降，进而获得黏土层完成的主固结沉降S3和次固结沉降S4，同时求得固结度U。

c) 总的工后沉降S=S1+S2+(1-U)S3+S4。

1.4 大面积使用荷载引起的沉降
1.4.1 瞬时沉降与蠕变沉降
对于砂土层(Ic<2.05)而言，主固结沉降是瞬时完成的，因此瞬时沉降可以采用如下方法进行计算。

压缩模量：
砂土层的瞬时沉降为：
式中 H——砂土层厚度；σ——外荷载大小。

砂土层的蠕变沉降为：
式中，对于砂土n取0.01；T为工程运行时间，可取1、10、25、50 a；T0为起始时间，这里取1 d。

总沉降计算如下：
ΔHTOTAL=ΔHCREEP+ΔH0
1.4.2 固结沉降与次固结沉降
对于黏土层(Ic>2.05)而言，若其厚度超过1.0 m，则需计算其主固结沉降和次固结沉降。

主固结沉降：
式中H——黏土层厚度；——压缩比；——黏土层初始自重应力；σ——外荷载。

主固结沉降的时间效应可采用Magnan基于太沙基理论提出的公式[10]进行计算：当
当
式中时间因子； Cv——固结系数，m2/a；t——工程运行时间，可取1、10、25、50 a；H——黏土层厚度，若黏土层上下层均存在排水砂层，则取H/2。

次固结沉降：
式中 e0——初始孔隙比；Cα——次固结系数；H——黏土层厚度；t0——计算
次固结沉降的起始时间，可取1 d；t——工程运行时间，可取1、10、25、50 a。

黏土层总沉降，根据黏土层的主固结沉降和次固结沉降计算值可获得黏土层总沉降：ΔHCONSOLIDATION(t)=U(t)·ΔHCONSOLIDATION-MAX+ΔHs(t)
1.5 独立基础荷载引起的沉降
在实际的码头工程中，集装箱堆场的箱角处布置的条形基础梁不再是大面积堆载，而是属于独立基础荷载。

由于独立基础的尺寸与土层厚度相比是有限的，因此独立基础下的附加应力不再是定值，而是呈现出一定的分布规律，且独立基础产生的附加应力的影响深度是有限的。

独立基础的附加应力分布可采用欧洲标准Euro-Code 7计算如下[11]：
Δσ'=Iz·σ
式中，为附加应力影响因子；为等效半径；z为基底下的深度；B为基础宽度。

1.5.1 瞬时沉降与蠕变沉降
a) 瞬时沉降。

对于砂土层(Ic<2.05)而言，瞬时沉降的计算方法以弹性力学为基础，考虑附加应力影响因子，计算公式如下：
式中，E为弹性模量。

根据土力学理论[12]，沉降计算深度可采取应力比法确定，即取附加应力与自重应力比值为0.2的深度处作为沉降计算深度的限值。

对于方
形基础，沉降计算深度可取基础宽度的2倍；对于条形基础，沉降计算深度可取基础宽度的4倍[13]。

b) 蠕变沉降。

砂土层的蠕变沉降仍采用 Briaud的公式：
式中，对于砂土n取0.01；T为工程运行时间，可取1、10、25、50 a；T0为起始时间，这里取1 d。

总沉降计算如下：
ΔHTOTAL=ΔHCREEP+ΔH0
1.5.2 固结沉降与次固结沉降
对于厚度超过1.0 m的黏土层，独立基础荷载下的固结沉降和次固结沉降的计算原理与大面积使用荷载下的计算原理相同，只要在附加应力中考虑附加应力影响因子即可，此处不再列出公式。

某拟建的集装箱码头堆场，场地使用高程为5 m，海平面高程取-4 m，正常使用期堆箱6层。

表2给出了相应的荷载条件，其中箱角处条形基础宽度为2.95 m。

该堆场陆域通过吹填砂形成，吹填后采用振冲法进行了地基处理，为了验证地基处理后场地工后沉降是否满足要求，对场地进行CPT检测。

图2给出了堆场中靠近集装箱和箱角条基附近某钻孔的CPT检测结果，其中孔口高程为3.8 m。

通过1.1节中的Ic值可获得该钻孔的土层分类信息(表3)。

通过现场固结试验确定的土层固结系数Cv的平均值为10 m2/a。

3.1 大面积使用荷载下沉降分析
根据实际工程的进度，从陆域形成、地基处理、场地整平、道路堆场施工，到场地交付使用，这期间花费的时间大约是1 a，因此工后沉降从T=1 a开始计算。

表4给出了集装箱堆场场地在吹填土自重作用下产生的沉降发展情况，结果表明大部分的固结沉降均在吹填完成后1 a之内完成，1 a之后的沉降发展趋于稳定。

集装箱堆场场地在集装箱荷载(50 kPa)下的沉降发展情况表明堆放集装箱以后沉降
会迅速增大到77 mm左右，之后沉降趋于稳定。

集装箱堆场交付使用后的工后沉降表明，工后沉降主要由集装箱荷载产生，而吹填土荷载产生的沉降在交工前基本完成，而且由于该土层以砂质土为主，固结较快，因此工后沉降很快趋于稳定。

3.2 独立基础荷载下沉降分析
表5给出了集装箱堆场场地在集装箱箱角荷载下(150 kPa)的沉降发展情况，结果
表明集装箱堆放以后沉降会迅速增大到14 mm左右，之后沉降趋于稳定。

集装箱堆场交付使用后箱角条基下的工后沉降结果表明，工后沉降主要由集装箱箱角荷载产生，而吹填土荷载产生的沉降在交工前基本完成，而且由于该土层以砂质土为主，固结较快，因此工后沉降很快趋于稳定。

大面积堆载和独立基础荷载下的工后沉降对比表明，大面积堆载下的工后沉降要明显大于箱角条形基础荷载下的工后沉降，原因是大面积堆载产生的附加应力在土层中不衰减，而独立基础荷载在土层中产生的附加应力衰减较快，且独立基础荷载下附加应力影响范围也很有限。

本文提供了一种验证地基处理效果的计算方法，具有参数少、易于实现的特点，可根据计算的工后沉降来判定地基处理的效果。

该方法已成功运用于国外某大型集装箱码头堆场地基处理设计中。

a) 通过典型算例的分析验证了沉降计算方法的合理性和实用性。

b) 陆域吹填砂后，吹填料自重产生的沉降在1 a内可完成99%，因此工后沉降主
要由使用荷载引起。

c) 大面积堆载下的工后沉降要明显大于独立基础荷载下的工后沉降，原因是大面
积堆载产生的附加应力在土层中不衰减，而独立基础荷载在土层中产生的附加应力衰减较快，影响深度也较小。

d) 若工后沉降不能满足设计要求，则说明该土层还存在较厚的软土层，可采取超
载预压或者振冲碎石桩进行二次处理来减小甚至消除工后沉降。

【相关文献】
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