分級加載對提高道路路基承載力的必要性淺析

【摘 要】土體是固相、液相、氣相結合而成的材料，其承載力取決于土顆粒之間建立的結構骨架；變形程度取決于土顆粒之間的孔隙大小。土體的變形程度越大，表明土顆粒之間的孔隙已明顯變小，土顆粒之間的接觸面增大、構成的結構骨架越穩定，有效應力明顯增大。

通過試驗并結合原理探究，發現分級加載較一次性加載能充分考慮到土體排水情況，更能很好的提高土體的極限抗剪能力，在道路路基的加固處理、提高地基強度上具有重要的意義。

【關鍵詞】分級加載；極限抗剪承載力；道路路基加固處理

前言

路基施工是公路工程施工建設中非常重要的一關，其施工安全性直接影響道路面層的強度、穩定性和耐久性，間接與人民的生命、財產安全緊密的聯系在一起。同時地下工程是個隱蔽的工程，土體具有不均勻性，承載后其變化過程也具有多樣性，因此路基施工往往要求的安全度很高。當路基土體達到極限承載能力時，往往伴隨著地面坍塌下陷，此時道路主體多會傾向一方，甚至倒塌。因此為增加地基施工的安全性，就要使基層土體能夠有足夠的強度來支撐由道路面層傳來的荷載。

目前路基施工中應用的地基處理方法有很多，根據各類場地土質的不同，采用合適的處理方法對地基或加固或置換。對于簡單地基多采用排水固結法，即將需要加固的地基內孔隙水排出，繼而增加了土體顆粒之間的有效應力，增大了地基的極限承載力。加固地基時采用排水固結法，施工簡單、經濟，對于砂土類及飽和軟粘土類地基的強度改善效果非常明顯。

根據排水固結法原理的研究，并結合工程實踐，目前采用預壓方法和排水方法來對地基進行排水、固結，本文將就預壓方法中的堆載方法進行原理上的討論，由此來說明分級加載產生的加固效果要優于一次性加載方式，采用分級加載的方式對提高地基承載力是十分必要的。

1 土體承重的原理

土是由巖石經過風化作用后形成的礦物顆粒堆積在一起而形成的，中間貫穿著孔隙，孔隙之間存在水和空氣。因而土是由各種大小不同的土粒、水和氣體按各種比例組成的集合體，當土是由土粒、空氣和水組成時，土為固相、氣相和液相組成的三相體系。

土體的結構與混凝土相似，具有細觀上差異大、宏觀上可視為同性體特性，但是其力學性能卻完全不同。土體可看作為粘彈性材料，內部總是存在空隙或存在自由水，是一種結構較松散，可以經排水后不斷被壓實的物體。對土體微觀觀察發現，土顆粒部分接觸，隨著荷載逐漸增大，土顆粒之間的接觸面逐漸增大，同時顆粒與顆粒之間形成的孔隙越來越小，伴隨著孔隙內部自由水的排出；土顆粒之間形成了新的骨架，具有更好的結構穩定性，增加了土體的承載能力。通過該研究可以發現，土體是通過土顆粒之間形成的結構骨架來承受外部荷載的，對地基進行加固處理的過程就是打破原本土顆粒骨架形成新的更穩定結構體系的過程，因此土顆粒之間形成的結構骨架是土體承重的根本，當將土從地下取出時，該結構骨架很容易遭到破壞，失去原來穩定的承載能力，并且土體具有明顯的地區不均勻性。 排水固結法就是建立在此研究上發展起來的地基加固方法，通過不斷抽出土體內部孔隙間的自由水，使土顆粒之間的接觸面增多，形成更穩固的結構骨架，增強地基的承載能力。

2 土體變形的試驗研究

采用堆載預壓法對場地路基進行加固處理時，將堆載分批次施加到需要加固的場地上的方法為分級加載，將堆載一次性的全部加到需要加固的場地上的方法為一次性加載。為研究這兩種方法在路基加固效果上的優劣，首先需要研究土體在荷載作用下的力學性能。

現有一剛從地下取出的原狀土，置于設有排水面的試驗裝置中，先不施加外界荷載使其只在自重條件下固結。足夠長的時間（以該土不再發生明顯的沉降為準）后，開始對該土進行緩慢的加載過程。

經觀察可見：該土在外界荷載緩慢的加載過程中，其變形先有很小部分的線性階段，然后一部分的非線性彈性階段，接著會發生一段明顯的非線性、非彈性的大變形，當這樣的沉降使土顆粒重新排列形成更穩定的結構可以繼續抵抗外界荷載時，土體又開始進入很小部分的線性階段，然后較長一部分的非線性彈性階段，最終仍會接著發生一段明顯的非線性、非彈性的大變形，發生較大的沉降。但越接近后期加載，土體越接近密實，變形越不明顯，同時發現有孔隙水排出。變形曲線見圖，圖中的點為土受力變形過程中的轉折點，試驗中非線性、非彈性的大變形過程簡化成直線。

土受力的荷載-變形曲線簡化圖

對該土的荷載-變形曲線加以分析可得，土體的變形特性是：1）每階段的線性區間斜率越來越大，即每一次大變形后，土體的剛度都得到很大程度上的提高；2）每階段的非線性、非彈性變形的程度越來越少，這是由于隨著外界荷載的增大，土體內的土顆粒重新排布，內部的孔隙逐漸被土顆粒及內部存在的自由水填充，土體內部的孔隙越來越少；3）隨著加載的進行，土體內的孔隙水被排出，且隨著孔隙水的排出，土體的承載力明顯的增大。

由于土體承載時，土顆粒構成的骨架起到了根本作用，并且提高土體承載能力關鍵是增大土顆粒之間的接觸面，形成穩固的結構骨架，因此當土體內的自由水全部或接近全部填充土體內的孔隙時，如果孔隙水壓力不能及時消散的話，繼續加載就會引起孔隙水壓力，土顆粒之間的接觸面就得不到增大，土體的承載力就不能得到提高。所以，在指定堆載方案時，就要以土體內部的孔隙水壓力盡快消散，提高土顆粒之間的傳遞力，達到提高路基承載能力的目的。

3 兩種加載方式下的應力路徑分析研究

經研究發現，土體內部土顆粒之間的傳遞力是決定土體整體承載能力的關鍵，該傳遞力即有效應力，是研究土體承載問題的關鍵物理量，設路基土體是正常固結的，采用分級加載的方式進行路堤填土施工，其應力路徑與一次性加載下的應力路徑如下圖所示。

分級加載與一次性加載的應力路徑圖

由圖中可見，a-b曲線反映的是一次性加載對應的有效應力路徑，a-1-1’-2-2’-3-3’-4反映了分三級加載對應的有效應力路徑。

圖中一次加載的有效應力路徑中，在a點位置只加載一次，則得到的土體極限抗剪承載力為τfb。三級加載的有效應力路徑中，對a點位置分三次逐級加載，則得到的土體極限抗剪承載力τfc。由此可見，兩種不同的加載方式產生的土體極限抗剪承載力相差較大，如圖Δτ所示的長度。由此可見分級加載對提高土體承載能力具有重要的意義。

4 結語

土體是由土顆粒、自由水及空氣共同構成的三相體，其力學性能的表現與土內部構成具有很大的關聯性。在試驗中，隨著外部荷載的持續增加，土體的壓縮變形逐漸減少，并逐漸趨于0。因此土體是一類可以不斷壓縮但是總達不到極限的材料，在研究中通常作為粘彈性材料來處理。

土這種變形特性引發了工程業界人士對如何提高土體承載能力的思考，在工程實踐中，工程師采用分級堆載和強夯并輔助以良好的排水措施的方式對即將進行公路工程建設的地基進行加固。實踐證明：分級加載并注意進行通暢的現場排水的方式遠好于一次性加載模式，可以將孔隙水壓力及時消散，有效應力逐漸增大，極大的提高了土體的極限承載能力；強夯對地基土體承載能力的提高主要體現在能夠很好的使土體中土顆粒進行重組排布，大大減少了土體的孔隙，增加了土體的剛度，由此提高了土體的極限承載能力，其根本原理是一致的。

參考文獻：

[1]楊平主編. 土力學(M). 北京: 機械工業出版社， 2005.8.

[2]劉斌等編著. 高等土力學(M). 北京: 地質出版社， 2008.10.

[3]謝定義， 姚仰平等. 高等土力學(M). 北京: 高等教育出版社， 2008.1.

[4]辛凌， 沈揚， 劉漢龍等. 單軸壓力下RST輕質土變形特性及其細觀機理分析(J). 河海大學學報(自然科學版)， 2010，2(38): 160~163.