基于數(shù)值分析的軟土層固結(jié)破壞模式研究

倪小川

（上海機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部，上海市 201207）

0 引言

上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)瀕臨東海，其地貌類型為河口、砂嘴、砂島相地貌類型。所處區(qū)域地貌單元大多為濱海區(qū)河口相沖海積平原，原有軟土厚，工程地質(zhì)情況差。擬建市政道路和機(jī)坪區(qū)地下存在深厚淤泥、吹填土，垂直方向堆載了數(shù)米厚的建筑和隧道盾構(gòu)渣土，對(duì)于穩(wěn)定和沉降控制均不利。為滿足機(jī)場(chǎng)不斷擴(kuò)建需求，機(jī)場(chǎng)第五跑道外區(qū)域?yàn)樾陆鼑恐列纬傻臑I海淤泥質(zhì)灘地，土質(zhì)松散，而淺部層組受沉積環(huán)境影響，粘性土和粉性土呈層狀交叉分布，土質(zhì)不均勻，土性較差，具有嚴(yán)重液化現(xiàn)象。該區(qū)域的地基承載力低、回彈模量均較小且沉降尚未完全穩(wěn)定，因此必須對(duì)其進(jìn)行固結(jié)處理方可用于工程建設(shè)[1]。基于現(xiàn)場(chǎng)情況、施工特性和經(jīng)濟(jì)性原則，擬對(duì)軟土層進(jìn)行由上至下的逐層化學(xué)固結(jié)處理。固結(jié)的土層將會(huì)在原軟土層的上方形成硬殼層，在工程實(shí)施之前，其受力和破壞方式需進(jìn)行基于各種變量的模擬分析和研究，才可確定固結(jié)的指標(biāo)[2-3]。

地基的破壞通常是由路堤下持力層的剪切破壞引起的，其主要破壞模式有整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖剪破壞3種[4]，且不同的破壞模式具有不同的特點(diǎn)。整體剪切破壞模式包括一個(gè)從地基一側(cè)到地面的連續(xù)破壞面；沖剪破壞模式的特征是其破壞面不容易被觀察到，當(dāng)荷載再增加時(shí)地基土被嚴(yán)重壓縮而垂直地刺入；局部剪切破壞模式是介于整體剪切破壞和沖剪破壞之間的一種破壞模式，基底有明顯的破壞區(qū)但未能延伸至地面而形成連續(xù)的滑動(dòng)面。

本文主要借助Ansys軟件，分析固結(jié)層地基在路堤荷載作用下的破壞面發(fā)展過(guò)程，并確定不同影響因素作用下固結(jié)層地基的破壞模式。路堤荷載作用下固結(jié)層地基的簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖1所示，其中將路堤基礎(chǔ)簡(jiǎn)化為一定寬度的均布荷載，同時(shí)根據(jù)不同工況確定硬殼層以及軟土層的厚度。

圖1 簡(jiǎn)化分析模型

1 模型尺寸及邊界條件

為了清楚地了解固結(jié)層地基在路堤填筑過(guò)程中的變形機(jī)理，針對(duì)一般硬殼層及軟土的特點(diǎn)，模擬了硬殼層和均質(zhì)軟土變形破壞情況。模型尺寸及有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。在該模型中，硬殼層厚度為3 m，下臥軟土層厚度為100 m，模型長(zhǎng)度為200 m，路堤基礎(chǔ)寬度為50 m。

圖2 硬殼層與軟土層的計(jì)算模型（單位：m）

數(shù)值模型所選用的參數(shù)見(jiàn)表1。硬殼層和軟土層選用通用的Drucker-Prager模型。模型的左右、前后及底部取法向支座約束。模型選取時(shí)：硬殼層和軟土層都選用6面體8節(jié)點(diǎn)單元，硬殼層模型單元數(shù)為2 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 000個(gè)；軟土層模型單元數(shù)為1 500個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 400個(gè)。

表1 計(jì)算參數(shù)

對(duì)于有限元分析而言，現(xiàn)有的研究認(rèn)為判斷地基是否完全破壞主要有地基內(nèi)部塑性區(qū)貫通以及有限元求解不收斂[5]。但導(dǎo)致有限元求解不收斂的因素是多方面的，并不能作為判斷地基完全破壞的標(biāo)準(zhǔn)[6]。因此，在以下分析中，將地基內(nèi)部塑性區(qū)貫通作為判斷地基完全破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

2 破壞面發(fā)展過(guò)程

為了分析固結(jié)層的特殊破壞情況，將對(duì)比分析沒(méi)經(jīng)過(guò)處理的均質(zhì)軟土地基與固結(jié)層地基的破壞模式。首先對(duì)未經(jīng)處理的均質(zhì)軟土地基在路堤荷載填筑過(guò)程中的塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行分析，將模擬的荷載50，70，80 kPa加入計(jì)算模型可得到如圖3所示的3幅變化圖。

從圖3可以看出均質(zhì)軟土地基在路堤荷載填筑過(guò)程中的塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程。當(dāng)路堤荷載達(dá)到50 kPa時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)位于荷載中心以下15 m左右處；隨著荷載的進(jìn)一步增加，塑性區(qū)開(kāi)始向兩側(cè)延伸至坡腳并隨著荷載的增加而增長(zhǎng)；當(dāng)荷載達(dá)到80 kPa時(shí)，整個(gè)塑性區(qū)貫通，形成完整的塑性區(qū)圖。此時(shí)，地基完全破壞，進(jìn)而形成完整的剪切面，破壞類型是沖剪破壞。

將化學(xué)固結(jié)后的模型置于新的計(jì)算中，圖4為固結(jié)層地基在路堤荷載下的塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程。

圖3 均質(zhì)軟土地基塑性區(qū)發(fā)展

在荷載較小時(shí)，硬殼層未發(fā)生塑性變形，處于彈性階段。由圖4可見(jiàn)：當(dāng)路堤荷載達(dá)到50 kPa時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性區(qū)位于荷載中心以下15 m左右處，處于下臥軟土層中；隨著荷載的進(jìn)一步增加，塑性區(qū)開(kāi)始向兩側(cè)延伸，當(dāng)荷載達(dá)到120.5 kPa時(shí)，整個(gè)塑性區(qū)貫通，形成完整的塑性區(qū)圖。此時(shí)，地基完全破壞，破壞類型是整體剪切破壞。相比軟土地基破壞形式，有硬殼層“保護(hù)”時(shí)，地基極限荷載明顯增大，說(shuō)明硬殼層對(duì)下臥軟土層起到了應(yīng)力擴(kuò)散的作用，從而有效減小了下臥軟土層的塑性應(yīng)變值。

將上述2個(gè)塑性區(qū)的發(fā)展數(shù)據(jù)折算為沉降量，可得到最不利位置即中點(diǎn)的荷載-沉降關(guān)系變化趨勢(shì)。圖5為路堤荷載施加過(guò)程中，均質(zhì)軟土地基與固結(jié)層地基的荷載-沉降量曲線。

圖4 固結(jié)層塑性區(qū)發(fā)展

圖5 路堤荷載-沉降量曲線

由圖5可知：對(duì)于均質(zhì)軟土地基而言，0～20 kPa荷載區(qū)間對(duì)應(yīng)的荷載-沉降量曲線為線性段，當(dāng)荷載達(dá)到80 kPa時(shí)，塑性區(qū)貫通，按照規(guī)范規(guī)定，可認(rèn)為均質(zhì)軟土地基的臨塑荷載為20 kPa，極限荷載為80 kPa，其破壞模式為沖剪破壞；對(duì)固結(jié)層地基而言，其臨塑荷載為30 kPa，極限荷載為120.5 kPa，破壞模式為整體剪切破壞。相同荷載作用下均質(zhì)軟土地基的沉降量要明顯大于固結(jié)層地基的沉降量，說(shuō)明硬殼層可以減弱應(yīng)力擴(kuò)散，提高地基的極限承載力，從而更有利于安全。

3 結(jié)論

（1）固結(jié)層地基和軟土地基的破壞模式顯著不同。固結(jié)層地基以整體剪切破壞為主，而軟土地基以沖剪破壞為主。

（2）影響固結(jié)層地基承載力的主要因素有路堤基礎(chǔ)寬度、硬殼層的厚度以及硬殼層的黏聚力。當(dāng)基礎(chǔ)寬度小于50 m時(shí)，固結(jié)層地基表現(xiàn)為整體剪切破壞，當(dāng)大于50 m時(shí)，表現(xiàn)為沖剪破壞。無(wú)論硬殼層厚度多大，固結(jié)層地基均表現(xiàn)為整體剪切破壞。當(dāng)硬殼層黏聚力小于50 kPa時(shí)，表現(xiàn)為整體剪切破壞，當(dāng)黏聚力大于等于50 kPa時(shí)，表現(xiàn)為沖剪破壞。

（3）對(duì)于未處理的均質(zhì)軟土地基，路堤荷載在施加過(guò)程中，地基發(fā)生明顯下沉，地層發(fā)生破壞，當(dāng)路堤基底刺入一定深度后，地層土體發(fā)生垂直剪切破壞。對(duì)于固結(jié)層地基，路堤荷載在施加過(guò)程中，路堤土體隨地基的壓縮變形而下沉，硬殼層發(fā)生破壞，路堤基底刺入一定深度后，坡腳周?chē)馏w發(fā)生整體剪切破壞。相同荷載作用下均質(zhì)軟土地基的沉降量要明顯大于固結(jié)層地基，說(shuō)明硬殼層可以減弱應(yīng)力擴(kuò)散，提高地基的極限承載力，從而更有利于安全。