CN110016905B - 大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法 - Google Patents

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CN110016905B CN201910278917.0A CN201910278917A CN110016905B CN 110016905 B CN110016905 B CN 110016905B CN 201910278917 A CN201910278917 A CN 201910278917A CN 110016905 B CN110016905 B CN 110016905B
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Abstract

本发明提供一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法。该控制方法具体如下：选取堆料场地中具有代表性剖面建立计算模型，验算堆料场地基的整体稳定性，满足要求后，开始进行物料的堆载；在物料堆载过程中，收集监测数据计算出设计沉降值Su，并预测其对应时刻TU，继续收集监测数据当TU时刻的监测沉降值
Figure DDA0002021015710000011
时，对刻堆载预压边缘处水平位移监测值XU与堆载预压边缘处水平位移设计值X设计进行比较，当XU≤X设计时，即满足要求，进行下一级堆载，在进行下一级堆载时，重复上述步骤直至达到设计最大堆高。本发明利用各个阶段的土质调查报告和实测数据对设计进行校核，并将信息实时反馈到施工中，可以有效控制加载时间，做到安全、快速及高质量信息化分级指导施工。

Description

大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法
技术领域
本发明涉及岩土工程地基处理设计技术领域，具体是一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法。
背景技术
原料场由于考虑运输成本，一般选址大部分位于滨海相、河流漫滩相甚至内陆湖塘相地貌上，这些地貌上地基土普遍很软弱，极易造成地基土失稳，导致巨大的经济损失。根据原料场地基处理面积大、有足够堆载源、对地基沉降变形敏感性较小等特点，从经济角度考虑，利用预设排水通道加分级堆载预压进行排水固结加固软土地基已成为最经济的处理方式之一。
排水固结法加固软土地基的设计需要同时满足以下三个要求：①固结前期消除一定沉降量，使得构筑物基础沉降量和工后沉降量小于设计允许值；②地基固结过程中，一方面要满足地基的安全稳定，另一方面地基的增长强度要满足构筑物对地基承载力的要求；③排水固结周期需达到设计时间，以满足工期要求。
发明内容
为满足上述要求，本发明提供了一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，该控制方法可以用来指导分级堆载施工，保证原料场的安全稳定，缩短预压时间。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：所述一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，包括如下步骤：
(1)根据地质勘测资料选取堆料场地中具有代表性的若干剖面建立计算模型，利用地基基础处理之后、堆载预压之前各土质调查报告以及即将堆载的一级物料设计堆载高度，验算该级堆载后堆料场地基的整体稳定性；
(2)在步骤(1)中验算的该级物料堆载后堆料场地基的稳定性满足设计要求时，开始进行该级物料的堆载；
(3)在步骤(2)中的物料堆载过程中，收集从该级物料堆载开始时刻 T始到堆载完成时刻T末及该级物料堆载结束后、下级物料堆载前的某时刻T中的地基变形的监测数据，由于现场情况复杂，可能出现监测点被料堆覆盖，观测数据不足，所测曲线不能反映沉降情况，须根据现场实际情况对其进行筛选，剔除无法反应沉降情况的异常数据，得到该级物料堆载开始时刻T始至该级物料堆载结束后、下级物料堆载前的某时刻T中之间的多个不同时刻t 对应的有效沉降数据S；
(4)根据步骤(3)中收集的沉降数据(S1，t1)、(S2，t2)、(Si，ti)…(i＝1，2，3…)预测出上级堆载完成至下级堆载开始之前的地基最终沉降值S终；
(5)根据堆载设计中每级堆载预压处理后地基需满足固结度U的要求，根据公式SU＝S终·U计算出相应每级堆载荷载作用下地基的设计沉降值Su，并根据计算得到的设计沉降值Su结合步骤(4)中收集的数据预测得到该设计沉降量对应的时刻TU；
(6)继续收集和处理该级堆载结束后与下级堆载前的某时刻Tn之后的地基变形的监测数据，当TU时刻的监测沉降值
Figure RE-GDA0002061978110000021
时，查看此时刻堆载预压边缘处水平位移监测值XU，并与堆载预压边缘处水平位移设计值X设计进行比较，当XU≤X设计时，即满足要求，进行下一级堆载；当Xu>X设计时，则需要延长堆载时间，直至满足工程稳定性要求后，进行下一级堆载；
(7)在进行下一级堆载时，重复步骤(1)～(6)，直至达到设计最大堆高。
本发明步骤(1)所述稳定性计算最优方案：由于料场地基的土层主要为软弱土层，其破裂面为近圆弧形，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)，采用圆弧法对地基的稳定性进行验算，可选用瑞典圆弧滑动面条分法采用常用的分析软件对料场地基进行了稳定性计算。地基稳定安全系数验算公式如下：
Figure RE-GDA0002061978110000031
Si＝τiLi＝Wicosαitanφqi+cqiLi
Sj＝Wjcosαjtanφqj+cqjLj
PT＝∑(Wisinαi)+∑(Wjsinαj)+M/R
式中：F－抗剪稳定安全系数；
i、j－下标i、j是区分土条底部的滑裂面是在地基土内(AB弧段)或在路堤填料内(BC弧段)的分条编号；
Si－地基土内(AB弧)第i个条块滑体的抗剪力(kN)，不考虑固结作用；
Τi－当第i土条的滑裂面处于地基土内时，该土条滑裂面所处地基土层的天然十字板抗剪强度(kPa)；
Li－第i土条的滑裂面处滑弧长度(m)；
Sj－路堤内(BC弧)第j个土条滑体的抗剪力(kN)；
Wj－路堤内(BC弧段)第j个土条滑体的重量(kN)；
Αj－第j土条底部滑裂面中点处的切线与水平面的夹角(度)；
φqj、Cqj－当第j土条的滑裂面处于路堤填料内(BC弧段)时，分别为该土条滑裂面所在处路堤填料的内摩擦角(度)及内聚力(kPa)；
Lj－第j土条的滑裂面处滑弧长度(m)；
Pj－当第j土条的滑裂面处于路堤填料内(BC弧段)时，若该土条滑裂面与设置的土工织物相交，则Pj为该层土工织物每延米宽(顺路线方向)的设计拉力(kN)；
PT－各土条在滑弧切线方向的下滑力总和(kN)；
Wi－地基土内(AB弧段)第i个土条滑体的重量(kN)，Wi＝Woi+Wli；
Woi、Wli－当第i土条的滑裂面处于地基土内(AB弧段)时，分别为滑裂面以上该土条中的地基自重、路堤填料自重(kN)；
Αi－第i土条底部滑裂面中点处的切线与水平面的夹角(度)；
M－某些外力(如地震力)产生的对滑裂面圆心的滑动力矩(kN.m)；
R－滑裂面圆弧的半径(m)。
本发明较优的技术方案：所述步骤(4)中预测地基的最终沉降量S终的方法以及步骤(5)中设计沉降值Su对应的时刻TU的预测方法采用工程上使用的双曲线法或指数曲线法或有限元数值模拟方法。
本发明较优的技术方案：所述步骤(5)需满足的固结度U可依据规范《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)中规定的堆载预压处理地基设计的平均固结度不宜低于90％。
本发明较优的技术方案：所述步骤(6)需满足的水平位移设计值X设计可依据规范《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)中规定的堆载预压加载过程中，堆载预压加载速率应满足堆载预压边缘处水平位移不应超过 5mm/d。
本发明较优的技术方案：所述步骤(1)具有代表性的若干剖面是参照地质勘测资料，根据软土厚度的不同选取的土层变化明显、且步骤有监测点的剖面。
本发明的有益效果：(1)本发明可以利用各个阶段的土质调查报告和实测数据对设计进行校核，并将信息实时反馈到施工中，可以有效控制加载时间，做到安全、快速及高质量信息化分级指导施工；(2)本发明充分发挥地基土固结后增长的抗剪强度，从而节省地基处理工程造价；(3)本发明可以为类似原料场地基处理施工、运营提供依据，极大节约工程投资成本，避免造成不必要的工程建设费用，具有较高推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是实施中第一级堆载高度与堆载时间的关系图；
图3是本发明中料条瑞典条分法稳定计算简图；
图4是实施例中料场变位观测点与土质调查点平面布置图；
图5是实施例中14-14’剖面第二级堆载预压后地基稳定性分析结果图；
图6是实施例中
Figure RE-GDA0002061978110000051
和(t-t0)的线性关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例一提供的一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，其具体是针对某二期料场堆载施工稳定性进行控制，该料场濒临长江，地处长江右岸Ⅰ级阶地，共分A、B、C、D四个料条，其长、宽、高尺寸分别为350×50×13.8m3、350×48×13.0m3、350×48×13.0m3、350×35 ×12.25m3。由于料场大部分地基属软弱地基，其承载力不能满足设计负荷要求，且料场地基不能一次性满足最终堆矿要求，因而采用分级堆矿，借助于矿粉重力通过地基土排水固结提高其强度逐渐满足最终堆高。
其中料场A料条近邻长江，距离仅为60m，当长江岸坡和料条地基在堆料荷载作用下可能会产生剪切破坏并沿滑移方向产生整体滑入长江中，造成长江岸坡整体失稳，不仅影响料场的正常使用，还影响长江航道运行，后果非常严重，因此根据已有的勘察报告和砂桩处理后的土质调查报告，选取了场地中具有代表性的14-14’剖面、18-18’剖面、27-27’剖面进行稳定性分析计算，在计算模型中，土层主要分布情况为填土、粉质粘土(③1)、淤泥质粉质粘土(③2)、粉质粘土(③3)、粉细砂(③6)、粉细砂(③7)，涵盖了钻孔揭露的二期码头原料场场地内分布的主要土层。
由于料场地基的土层主要为软弱土层，其破裂面为近圆弧形，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)，采用圆弧法对地基的稳定性进行计算；瑞典条分法的计算较为方便，且计算结果与实际情况较为接近，故选用瑞典条分法对料场地基进行了稳定性计算；计算软件采用《理正岩土系列软件-边坡稳定性分析》进行计算。其计算简图如图3所示，具体的计算公式如下：
Figure RE-GDA0002061978110000071
Si＝τiLi＝Wicosαitanφqi+cqiLi
Sj＝Wjcosαjtanφqj+cqjLj
PT＝∑(Wisinαi)+∑(Wjsinαj)+M/R
式中：F－抗剪稳定安全系数；
i、j－下标i、j是区分土条底部的滑裂面是在地基土内(AB弧段)或在路堤填料内(BC弧段)的分条编号；
Si－地基土内(AB弧)第i个条块滑体的抗剪力(kN)，不考虑固结作用；
Τi－当第i土条的滑裂面处于地基土内时，该土条滑裂面所处地基土层的天然十字板抗剪强度(kPa)；
Li－第i土条的滑裂面处滑弧长度(m)；
Sj－路堤内(BC弧)第j个土条滑体的抗剪力(kN)；
Wj－路堤内(BC弧段)第j个土条滑体的重量(kN)；
Αj－第j土条底部滑裂面中点处的切线与水平面的夹角(度)；
φqj、Cqj－当第j土条的滑裂面处于路堤填料内(BC弧段)时，分别为该土条滑裂面所在处路堤填料的内摩擦角(度)及内聚力(kPa)；
Lj－第j土条的滑裂面处滑弧长度(m)；
Pj－当第j土条的滑裂面处于路堤填料内(BC弧段)时，若该土条滑裂面与设置的土工织物相交，则Pj为该层土工织物每延米宽(顺路线方向)的设计拉力(kN)；
PT－各土条在滑弧切线方向的下滑力总和(kN)；
Wi－地基土内(AB弧段)第i个土条滑体的重量(kN)，Wi＝Woi+Wli；
Woi、Wli－当第i土条的滑裂面处于地基土内(AB弧段)时，分别为滑裂面以上该土条中的地基自重、路堤填料自重(kN)；
Αi－第i土条底部滑裂面中点处的切线与水平面的夹角(度)；
M－某些外力(如地震力)产生的对滑裂面圆心的滑动力矩(kN.m)；
R－滑裂面圆弧的半径(m)。
针对上述实施中的料场地基分级填筑施工稳定控制方法，具体如下：
(1)据地质勘测资料选取堆料场地中具有代表性的14-14’、18-18’、 27-27’剖面分半建立计算模型，利用地基基础处理之后、堆载预压之前各土质调查报告以及第一级物料设计堆载高度，按照上述计算方法分别对14-14’、18-18’、27-27’剖面的地基稳定系数进行计算，其中14-14’剖面第二级堆载预压后地基稳定性分析结果图如图5所示，18-18’、27-27’与 14-14’剖面类似。通过计算得到，第一级堆载完成时，14-14’剖面地基是稳定的(K＝1.239)，18-18’剖面地基是稳定的(K＝1.221)，27-27’剖面地基是稳定的(K＝1.265)，因此经过砂石桩处理后料场地基能满足第一级堆高6.5m 的要求；且在7度地震烈度下，第一级堆载施加完毕时，14-14’剖面地基是稳定的(K＝1.158)，18-18’剖面地基是稳定的(K＝1.143)，27-27’剖面地基是稳定的(K＝1.176)，因此经过砂石桩处理后料场地基能满足第一级堆高 6.5m的要求，开始进行第一级物料堆载：
(2)第一级堆载高度与时间关系如图2所示，收集从开始堆载T始＝0d到加载至堆高6.5m T末＝8d及持续堆载T中＝45d时地基变形的监测数据，拟采用双曲线法预测第一级堆载下地基的最终沉降量S终，其公式为：
Figure RE-GDA0002061978110000091
Figure RE-GDA0002061978110000092
为确定待定系数α、β将公式变为：
Figure RE-GDA0002061978110000093
式①②①中的α、β为待定系数，S终为第一级堆载下地基的最终沉降量，St为t时刻的沉降量，S0为t0时刻的沉降量，t0是拟合曲线的初始时刻值；并根据实测s～t曲线选取任意两点(S1，t1)、(S2，t2)，代入式③，得到待定系数α、β的值，并根据公式①算出第一级堆载下地基的最终沉降量S终。
(3)当拟合曲线的初始时刻值t0＝10d时，S0＝65mm，选取t1＝12d时， S1＝77mm，t2＝38d时，S2＝140mm，计算得待定系数α＝0.1508、β＝0.00795，则预测第一级堆载下地基的最终沉降量
Figure RE-GDA0002061978110000094
按规范要求平均固结度不宜低于90％，取U＝0.90，此时沉降 SU＝S终·U＝190.79×0.90＝171.71mm，通过步骤(2)中的式③算出对应的时刻 TU＝116d，根据继续收集的T中＝45d时刻后地基变形的监测数据，可知 TU＝116d时，监测到的沉降值
Figure RE-GDA0002061978110000095
满足
Figure RE-GDA0002061978110000096
且此时刻堆载预压边缘处水平位移监测值XU也满足XU≤X设计，可以进行下一级堆载。
(4)在下一级堆载前，进行土质调查，重复以上步骤，直至达到设计最大堆高。
本发明可以利用各个阶段的土质调查报告和实测数据对设计进行校核，并将信息实时反馈到施工中，可以有效控制加载时间，做到安全、快速及高质量信息化分级指导施工。
以上所述仅为本发明的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，其特征在于具体包括如下步骤：
(1)根据地质勘测资料选取堆料场地中具有代表性的若干剖面建立计算模型，利用地基基础处理之后、堆载预压之前各土质调查报告以及即将堆载的一级物料设计堆载高度，采用圆弧法验算该级物料堆载后堆料场地基的整体稳定性；
(2)在步骤(1)中验算的该级物料堆载后堆料场地基的稳定性满足设计要求时，开始进行该级物料的堆载；
(3)在步骤(2)中的物料堆载过程中，收集从该级物料堆载开始时刻T始到堆载完成时刻T末及该级物料堆载结束后、下级物料堆载前的某时刻T中的地基变形的监测数据，根据现场实际情况对其进行筛选，剔除无法反应沉降情况的异常数据，得到该级物料堆载开始时刻T始至该级物料堆载结束后、下级物料堆载前的某时刻T中之间的多个不同时刻t对应的有效沉降数据S；
(4)根据步骤(3)中收集的沉降数据(S1，t1)、(S2，t2)、(Si，ti)…(Sn，tn)(i＝1，2，3…n)采用双曲线法预测出上级堆载完成至下级堆载开始之前的地基最终沉降值S终；该级物料堆载下地基的最终沉降量S终的计算公式为：
Figure FDA0002909400380000011
Figure FDA0002909400380000012
为确定待定系数α、β将公式变为：
Figure FDA0002909400380000021
式①②③中的α、β为待定系数，S终为该级物料堆载下地基的最终沉降量，St为t时刻的沉降量，S0为t0时刻的沉降量，t0是拟合曲线的初始时刻值；根据收集的S～t曲线选取任意两点，代入式③，得到待定系数α、β的值，并根据公式①算出该级物料堆载下地基的最终沉降量S终；
(5)根据堆载设计中该级物料预压处理后地基需满足固结度U的要求，按照公式SU＝S终·U计算出相应该级物料堆载荷载作用下地基的设计沉降值Su，并根据计算得到的设计沉降值Su结合步骤(3)中收集的数据预测得到该设计沉降量对应的时刻TU；
(6)继续收集和处理该级物料堆载结束后与下级物料堆载前的某时刻Tn之后的地基变形的监测数据，当TU时刻的监测沉降值
Figure FDA0002909400380000022
时，查看此时刻物料堆载预压边缘处水平位移监测值XU，并与物料堆载预压边缘处水平位移设计值X设计进行比较，当XU≤X设计时，即满足要求，进行下一级物料堆载；当Xu＞X设计时，则需要延长物料堆载时间，直至满足工程稳定性要求后，进行下一级物料堆载；
(7)在进行下一级物料堆载时，重复步骤(1)至步骤(6)步骤，直至达到设计最大堆高。
2.根据权利要求1所述的一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中该级物料堆载后堆料场地基的整体稳定性验算选用瑞典圆弧滑动面条分法对料场地基进行稳定性计算，其地基稳定安全系数验算公式如下：
Figure FDA0002909400380000031
Si＝τiLi＝Wicosαitanφqi+cqiLi
Sj＝Wjcosαjtanφqj+cqjLj
PT＝∑(Wisinαi)+∑(Wjsinαj)+M/R
式中：F－抗剪稳定安全系数；
i、j－下标i、j是区分土条底部的滑裂面是在地基土内或在路堤填料内的分条编号；
Si－地基土内第i个条块滑体的抗剪力，单位：kN，不考虑固结作用；
τi－当第i土条的滑裂面处于地基土内时，该土条滑裂面所处地基土层的天然十字板抗剪强度，单位：kPa；
Li－第i土条的滑裂面处滑弧长度，单位：m；
Sj－路堤内第j个土条滑体的抗剪力，单位：kN；
Wj－路堤内第j个土条滑体的重量，单位：kN；
αj－第j土条底部滑裂面中点处的切线与水平面的夹角，单位：度；
φqj、Cqj－当第j土条的滑裂面处于路堤填料内时，分别为该土条滑裂面所在处路堤填料的内摩擦角及内聚力，φqj单位：度，Cqj单位：kPa；
Lj－第j土条的滑裂面处滑弧长度，单位：m；
Pj－当第j土条的滑裂面处于路堤填料内时，若该土条滑裂面与设置的土工织物相交，则Pj为该层土工织物每延米宽的设计拉力，单位：kN；
PT－各土条在滑弧切线方向的下滑力总和，单位：kN；
Wi－地基土内第i个土条滑体的重量，单位：kN，Wi＝Woi+Wli；
Woi、Wli－当第i土条的滑裂面处于地基土内时，分别为滑裂面以上该土条中的地基自重、路堤填料自重，单位：kN；
αi－第i土条底部滑裂面中点处的切线与水平面的夹角，单位：度；
M－某些外力产生的对滑裂面圆心的滑动力矩，单位：kN.m；
R－滑裂面圆弧的半径，单位：m。
3.根据权利要求1所述的一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中的固结度U不低于90％。
4.根据权利要求1所述的一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(6)中的水平位移设计值X设计不超过5mm/d。
5.根据权利要求1所述的一种大面积深厚软弱地基分级填筑施工稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(1)具有代表性的若干剖面是参照地质勘测资料，根据软土厚度的不同选取的土层变化明显、且布置有监测点的剖面。
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