考慮蠕變的堆載預(yù)壓軟土路基固結(jié)度數(shù)值分析

張鑫敏 熊燕文 歐陽之輝

在我國內(nèi)陸長江中下游地區(qū)，湖泊或者河流谷地廣泛分布著軟弱粘性土，軟土具有天然強度低，壓縮性高，透水性小，固結(jié)時間長，流變特性顯著等特點[1］，在此類土上修建高等級公路，由于軟土地基的固結(jié)和剪切變形，路基將產(chǎn)生很大的沉降，且變形持續(xù)時間很長，這是由于軟土具有蠕變特性，其變形的過程為軟土固結(jié)蠕變耦合的過程[2，3］。在研究軟土固結(jié)過程中，傳統(tǒng)的固結(jié)理論并沒有考慮蠕變的影響，無法分析計算蠕變效應(yīng)，而土的蠕變理論研究中所采用的流體材料不能考慮超靜孔隙水壓力消散的問題。本文從工程實際出發(fā)，采用有限元軟件ABAQUS對堆載預(yù)壓軟土路基固結(jié)度進(jìn)行計算，分析結(jié)果表明，考慮蠕變的模型計算的固結(jié)度具有更高的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

某高速公路全線穿越多處軟基路段，軟土分布不均勻，成分不一，主要為流塑狀淤泥質(zhì)亞粘土，軟土厚度1.3m～15m，普通路基段采取了塑料排水帶加堆載預(yù)壓的處理方式。本文選取了具有代表性的K59+710斷面，根據(jù)地勘資料，該路段地基的土層分為:第①層為亞粘土，厚度約0.9m;第②層為淤泥質(zhì)粘土，厚度約為3m;第③層為亞粘土，厚度約為2.2m;第④層為淤泥，厚度為0.6m;第⑤層為細(xì)砂，厚度13.2m。K59+710斷面軟土層物理力學(xué)參數(shù)見表 1[4］。

表1 某高速公路軟土路基K59+710(7m)土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 軟土固結(jié)度數(shù)值分析

選取具有代表性的K59+710斷面，采用ABAQUS有限元分析軟件，建立二維的堆載預(yù)壓加固軟基的有限元模型，運用軟件中考慮蠕變的擴展的D-P模型進(jìn)行計算[5］。

1)計算條件。計算網(wǎng)格劃分情況如圖1所示，土體單元采用耦合的平面應(yīng)變單元CPE8RP。數(shù)值計算土層分層情況與地勘資料一致。有限元計算參數(shù)見表2[4］。

填土的重度為19 kN/m3，圖2為現(xiàn)場施工堆載高度與時間關(guān)系圖。計算時間為400 d，其中預(yù)壓時間為180 d，與現(xiàn)場施工時間一致。

圖1 路基有限元計算網(wǎng)格

圖2 堆載高度與時間關(guān)系

表2 有限元計算參數(shù)

2)孔隙水壓力結(jié)果分析。計算的塑料排水板堆載預(yù)壓加固區(qū)不同深度軟土孔隙水壓力變化情況見圖3～圖5。

圖3 孔隙水壓力云圖

圖3為堆載預(yù)壓結(jié)束時孔隙水壓力變化云圖，可以看出軟土在固結(jié)過程中，塑料排水板邊緣區(qū)域中出現(xiàn)了較高的應(yīng)力水平，主要是塑料排水板周圍土體固結(jié)程度高，而排水板之間部位固結(jié)程度低，變形不同產(chǎn)生的剪應(yīng)力。因此加載不能太快，否則會使排水板周圍土體產(chǎn)生剪切變形破壞。

圖4和圖5為路基中線下不同位置地基土體中孔隙水壓力消散圖?？梢钥闯觯瑥囊淮渭虞d到下一次加載孔隙水壓力都經(jīng)歷了一個增長—消散—增長—消散的過程，超靜孔隙水壓力隨時間增長是降低的，說明附加總應(yīng)力在不斷向土體有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化，土體固結(jié)過程明顯，孔壓開始消散時消散速率較快，隨時間的推移孔壓的消散速率減慢，在后期孔壓趨于穩(wěn)定，主要原因是超靜孔隙水壓力接近消散時，滲透系數(shù)變小，土體固結(jié)度進(jìn)一步增長，地基逐步達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)ABAQUS計算的不同深處孔隙水壓力消散情況，可以得到軟土路基的固結(jié)度，堆載預(yù)壓180 d軟土路基固結(jié)度為92.3%。

圖4 路基6m處孔壓消散圖

圖5 路基不同深處（6.5m，7m，7.5m）孔壓消散圖

3 對比分析與討論

3.1 按三維固結(jié)理論計算固結(jié)度

本工程采用塑料排水板對軟土路基進(jìn)行加固處理，此類軟土的固結(jié)應(yīng)屬于三維固結(jié)課題。Terzaghi單向固結(jié)理論解決三維固結(jié)課題所采用的一個基本假定是:土體受荷后初始的孔隙水壓力分布完全由彈性理論計算所得總應(yīng)力決定[6］。

結(jié)合本工程實際，根據(jù)兩種排水體與周圍土體接觸面積相等的原理進(jìn)行換算[7-11］，取軟土計算深度H=7m，計算軟基400 d土層固結(jié)度可得軟土固結(jié)度Urz=96%。

圖6 K 59+710斷面固結(jié)度變化曲線圖

3.2 按實測孔隙水壓力計算軟土固結(jié)度

對于彈性土體，反映孔隙水壓力消散程度的固結(jié)度等于變形比[6］。圖6為K59+710斷面固結(jié)度變化與時間和堆載情況關(guān)系的曲線圖，可以看出，軟土總固結(jié)度隨時間增長在不斷增大，到加載后期趨于平穩(wěn)，接近400 d按實測孔隙水壓力計算固結(jié)度為92.1%。

3.3 固結(jié)度結(jié)果對比分析

三種方法計算的固結(jié)度進(jìn)行對比見表3。

表3 固結(jié)度計算結(jié)果對比表

如表3所示，考慮軟土蠕變的數(shù)值計算結(jié)果與按實測孔隙水壓力計算固結(jié)度結(jié)果更為接近，說明考慮軟土蠕變的計算模型能有效地分析軟土路基固結(jié)度的問題。另外，蠕變會導(dǎo)致固結(jié)時間變長，加大了軟土路基的變形，這在實際工程中應(yīng)引起高度重視。

4 結(jié)語

1)考慮軟土蠕變特性的塑料排水板堆載預(yù)壓加固軟土路基的固結(jié)度數(shù)值分析結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合，說明數(shù)值計算是有效并且合理的;2)數(shù)值分析固結(jié)度與實測孔隙水壓力計算軟土固結(jié)度結(jié)果相比理論解稍微偏小，主要原因是實測孔隙水壓受到工況的影響更復(fù)雜;3)考慮蠕變模型進(jìn)行固結(jié)度計算，超靜孔隙水壓力消散時間受土體蠕變的影響，模擬結(jié)果表明:在后期超靜水孔隙水壓力有增大的趨勢，這必然延長軟土的固結(jié)時間，與工程實際更為接近;4)考慮蠕變模型對軟土固結(jié)度進(jìn)行計算，在參數(shù)準(zhǔn)確的情況下，采用數(shù)值計算方法更為簡便，計算結(jié)果也更精確。

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