不同加載速率和地基處理方式下軟土地基穩(wěn)定性的研究

楊國寶，徐申力，王大可，丁 峰

(1.浙江大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028； 2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，促進(jìn)我國的交通基建項(xiàng)目大幅獲批建設(shè)，公路修建工程規(guī)模也日益龐大。在各類公路項(xiàng)目施工建設(shè)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到沉降大、排水凝固低、壓縮性高以及較差穩(wěn)定性的軟土地質(zhì)帶。對(duì)軟土地基的沉降速率和沉降量進(jìn)行科學(xué)控制，以確保軟土地基的穩(wěn)定性。這已經(jīng)成為眾多工程設(shè)計(jì)及施工人員直面并加亟待解決的工程問題[1-4]。現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范均對(duì)軟土地基的穩(wěn)定性監(jiān)測和施工控制措施、運(yùn)行監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行了一系列規(guī)定。通常，在軟土地基的穩(wěn)定性監(jiān)測過程中，主要將軟土地基坡腳處的水平位移和土質(zhì)地表沉降作為主要的監(jiān)測指標(biāo)，通過設(shè)定水平位移速率和沉降速率作為監(jiān)測模型的控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土地基穩(wěn)定性的判斷。該種對(duì)軟土地基的穩(wěn)定性判斷方法具有直觀方便的優(yōu)勢，因此受到工程行業(yè)的廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。

通常情況下，地基的變形速率會(huì)隨其穩(wěn)定性增加而逐漸降低，但能影響軟土地基的穩(wěn)定性和沉降變形的因素眾多，僅依靠監(jiān)測軟土地的水平位移和沉降速率的數(shù)值變化作為其穩(wěn)定性判據(jù)的手段是不夠準(zhǔn)確的。已有眾多的工程實(shí)例監(jiān)測資料說明：工程施工中遇到的軟土地基表層形變速率經(jīng)常超過設(shè)定的限值標(biāo)準(zhǔn)，但未發(fā)現(xiàn)軟土地基失去穩(wěn)定性的情況[5-6]；而對(duì)于軟土地基發(fā)生整體失穩(wěn)的事故中，其地表形變的速率在發(fā)生失穩(wěn)前又未出現(xiàn)超過設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，但軟土地基突然產(chǎn)生整體性失穩(wěn)。目前，國內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)制定的判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深度解析。文獻(xiàn)[7-9]詳細(xì)分析了軟土地基的排水固結(jié)地基情況，且結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)制定的沉降速率的控制限值進(jìn)行了模擬分析；文獻(xiàn)[10-12]考慮到堆載工程的加載速率對(duì)軟土地基形變具有重要影響，但僅基于不同軟基工程簡單的標(biāo)準(zhǔn)并非完全合理化。

綜上所述，結(jié)合工程實(shí)際的情況，本文基于軟土地基的不同加載速率和處理方式對(duì)地基形變的影響研究，通過有限元法進(jìn)行仿真計(jì)算，算例仿真結(jié)果說明了本文方法可為軟土地基的堆載工程監(jiān)測工作提供相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

本文選取某地區(qū)軟土地基下人工地形堆筑工程設(shè)計(jì)高程為+11.5 m，長150 m，近正方形布置，從上往下土層分布依次為堆土、砂土墊層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)軟黏土和粉質(zhì)黏土。為了保證工程區(qū)域淤泥質(zhì)黏土的固結(jié)速率，采用打設(shè)塑料排水板的方式加快土體排水固結(jié)。在工程堆筑施工過程中，進(jìn)行地表沉降、測斜、孔隙水壓力、分層沉降等內(nèi)容的必要地基穩(wěn)定性監(jiān)測。土層分布及勘查物理指標(biāo)見表1。

表1 土層勘察參數(shù)Tab.1 Parameters of soil investigation

2 建立數(shù)值模型

目前，針對(duì)巖土工程的有限元計(jì)算軟件較多，但其軟土地基的監(jiān)測計(jì)算理論和方法大致相同，本文利用Plaxis計(jì)算軟件可很好地處理變形、固結(jié)、回填開挖、卸載加載、土體工程的穩(wěn)定性分析、滲流等各類計(jì)算，已逐漸在行業(yè)廣泛推廣使用。本文宜利用該軟件進(jìn)行建模仿真分析。

為不斷提高模型的計(jì)算效率，優(yōu)化內(nèi)存占用，采用對(duì)稱性建模的方式建立了本文涉及的軟土地基工程的有限元仿真模型。模型的設(shè)置的尺寸寬度及深度均設(shè)定為75 m，其設(shè)計(jì)坡度比例設(shè)置為1.0∶1.5，填土底部寬度設(shè)置為24 m。此外，仿真模型的邊界條件設(shè)定如下：軟土地基底部設(shè)置為固定邊界，且軟土地基的左右兩側(cè)均為水平位移約束，軟土地基的上部表面設(shè)定為排水邊界。其土體的上方堆土和砂土墊層選擇Mohr-Coulomb模型仿真計(jì)算，下部黏土則利用改進(jìn)的Cam-Clay模型進(jìn)行計(jì)算。建立的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型 Fig.1 Finite element analysis model

建立的仿真模型的土體詳細(xì)參數(shù)見表2和表3。結(jié)合文獻(xiàn)[13]討論的Cam-Clay模型原理，利用加工硬化規(guī)律應(yīng)用于Cam模型中，對(duì)軟土地基的形變特性進(jìn)行詳細(xì)闡述，獲得一個(gè)較完整的軟土地基下的計(jì)算模型，模型能反映軟土地基的彈塑性特性，尤其考慮了軟土體的塑性體積變形。基于經(jīng)典塑性位勢理論，采用了單屈服面和關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，它在主應(yīng)力空間上的形狀就像一頂帽子，亦稱帽子模型。

表2 上方堆土和砂土墊層參數(shù)Tab.2 Parameters of soil and sand cushion

表3 軟土體參數(shù)Tab.3 Soil parameters of soft soil

3 不同加載速率對(duì)軟土地基穩(wěn)定性影響

現(xiàn)階段，工程中經(jīng)常采用等速較慢、等速較快和不等速3種加載模式，為更好地模擬工程現(xiàn)狀，數(shù)值計(jì)算中亦分別采用這3種加載模式進(jìn)行加載。其中，等速較慢(工況1) 的加載速率為0.25 m/d，等速較快(工況2)的加載速率為0.5 m/d，不等速加載(工況3)開始加載速率為1.0 m/d，而改為低速0.25 m/d進(jìn)行加載。對(duì)上述3種加載工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并提取3種不同加載速率下的地基沉降變化曲線和沉降速率變化曲線，如圖2和圖3所示。

圖2 不同加載速率下地基沉降變化曲線 Fig.2 Variation curve of foundation settlement under different loading rates

由圖2可以看出，3種工況下的極限土體堆高均在5.0 m左右，不同加載速率下，相同堆積高度下地基土體的沉降變化量差距很小。

圖3 不同加載速率下沉降速率變化曲線Fig.3 Curves of settlement rate under different loading rates

從圖3可以看出，3種工況下，加載速率對(duì)地基土體沉降速率影響很大。等速加載2種工況下，在土體發(fā)生失穩(wěn)破壞前沉降速率沒有大的波動(dòng)，隨著荷載的增加，地基土體沉降速率表現(xiàn)為緩慢增長，土體內(nèi)部應(yīng)力水平增加，宏觀表現(xiàn)為整體穩(wěn)定安全度降低，當(dāng)土體達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)，沉降速率發(fā)生突變，土體發(fā)生破壞。不等速加載工況下，加載速率的變化對(duì)土體沉降速率影響顯著，雖然在土體穩(wěn)定性安全度高，但由于加載速率大，沉降速率也大，后期隨著加載速率的減小，土體沉降速率下降明顯；達(dá)到土體極限破壞狀態(tài)時(shí)，隨著進(jìn)一步的加載，土體發(fā)生破壞；沉降速率變化會(huì)出現(xiàn)先快后慢的反常情況。可見，地基變形速率大不一定代表地基土體處于危險(xiǎn)狀態(tài)，地基變形速率小也不一定代表土體整體穩(wěn)定安全，簡單地通過地基變形速率對(duì)地基穩(wěn)定性進(jìn)行判斷并不合理，需要綜合考慮多種因素進(jìn)行判斷。

4 不同地基處理方式對(duì)地基穩(wěn)定性的影響

現(xiàn)階段，針對(duì)軟土地基處理依據(jù)排水和不排水方式分為2類地基處理手段。常見的不排水地基處理有抗滑樁地基和水泥土樁復(fù)合地基；對(duì)于排水地基，主要通過設(shè)置塑料排水板和塑料排水板聯(lián)合抗滑樁等手段進(jìn)行排水加固。為了研究不同地基處理方式對(duì)地基穩(wěn)定性的影響，選用上述4種典型處理方式的地基和天然地基分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，即抗滑樁復(fù)合地基(工況1)、水泥土樁復(fù)合地基(工況2)、塑料排水板復(fù)合地基(工況3) 、塑料排水板聯(lián)合抗滑樁復(fù)合地基(工況4)和天然地基(工況5)5種工況。在前述已建數(shù)值分析模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行4種地基處理方式的設(shè)置。地基中采用直徑0.5 m、長度為15 m的抗滑樁和水泥土樁，間距為2.0 m；地基處理方式的具體模擬過程參考文獻(xiàn)[16]提出的水泥土樁和塑料排水板簡化方法進(jìn)行設(shè)置處理；土工格柵單元采用有限元內(nèi)置土工格柵單元進(jìn)行模擬。另外，需要說明的是不排水地基的加載方式采用加載速率為0.5 m/d的恒速加載，而對(duì)于排水地基加載速率亦為0.5 m/d，但增加了預(yù)壓階段，進(jìn)行逐級(jí)加載。對(duì)上述5種工況分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并提取5種不同地基處理方式下的地基沉降速率曲線和水平位移(坡腳特征點(diǎn)) 速率變化曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 不同地基處理方式下地基沉降速率變化曲線Fig.4 Curves of ground settlement rate under different ground treatment methods

圖5 不同地基處理方式下地基水平位移速率變化曲線Fig.5 Curves of horizontal displacement rate under different foundation treatment methods

由圖4、圖5可以看出，排水地基處理方式與不排水地基處理方式相比，兩者差別很大，排水地基的極限堆高約為未排水地基土體極限堆高的2.5倍，地基土體安全度得到明顯提升；不排水地基(工況1、工況2和工況5)在地基土體發(fā)生破壞之前，地基土體的沉降速率和坡腳處水平位移速率始終未超過20.0 mm/d，究其原因，主要是軟黏土地基內(nèi)部未進(jìn)行排水固結(jié)，土體內(nèi)部超孔隙水壓力消散速度緩，一方面與土體排水密實(shí)，顆粒間的空隙變小有關(guān)；另一方面，排水系統(tǒng)功能的弱化也不可忽視，主要表現(xiàn)為后期塑料排水板往往發(fā)生扭曲變形，內(nèi)部通道被土體顆粒堵塞，從而影響了水體的進(jìn)一步排出。

綜上，地基穩(wěn)定性的影響復(fù)雜，需要多方面的考慮和合理的分析，才能給出更為科學(xué)的評(píng)價(jià)；對(duì)于采用排水地基處理方式，在加載初期沉降速率就很大，加載后期由于土體間空隙排水固結(jié)、顆粒之間密實(shí)，地基變形速率顯著降低。

對(duì)于水平位移速率，排水復(fù)合地基在堆高5 m左右時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)快速增長期，但隨后又降了下來，過大的位移速率并沒有引發(fā)土體地基發(fā)生破壞，究其原因主要是由于地基土體內(nèi)部超孔隙水壓力消散速度快，變形速率增大，地基抗剪強(qiáng)度也隨之快速提升。可見，不同的地基處理方式對(duì)軟土地基的穩(wěn)定性有重要影響。需要指出的是，采用塑料排水板進(jìn)行軟土地基排水固結(jié)，實(shí)際工程中往往會(huì)出現(xiàn)前期變形速率大后期變形速率小。

5 結(jié)語

道路建設(shè)過程中會(huì)遇到較多的軟土地基，軟土地基的穩(wěn)定性直接決定了道路的安全可靠。文章結(jié)合實(shí)際工程，開展不同加載速率和地基處理方式對(duì)軟土地基變形的影響的研究，得出以下結(jié)論：

(1)地基變形速率大不一定代表地基土體處于危險(xiǎn)狀態(tài)，地基變形速率小也不一定代表土體整體穩(wěn)定安全，簡單地通過地基變形速率對(duì)地基穩(wěn)定性進(jìn)行判斷并不合理，需要綜合考慮多種因素進(jìn)行判斷。

(2)不同的加載速率對(duì)軟土地基的變形速率有著顯著影響，等速加載和不等速加載方式不宜采用相同變形速率控制指標(biāo)，在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮土體特性及工程情況進(jìn)行分析，以給出科學(xué)的評(píng)定。

(3)不同的地基處理方式對(duì)軟土地基的穩(wěn)定性有重要影響，地基的排水性能好，能顯著提升軟土地基的穩(wěn)定性；排水地基和不排水地基的穩(wěn)定性也不宜采用單一的變形速率控制指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。