高填方涵洞地基承載力分析

梁　鵬

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院, 重慶 401121)

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高填方涵洞地基承載力分析

梁鵬

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院, 重慶 401121)

【摘要】在工程實(shí)踐中，特別是在高填方情況下，為了使地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求，往往需要投入大量的人力和物力進(jìn)行涵洞基底的地基處理，這種做法是不經(jīng)濟(jì)的。高路堤下的涵洞，填土相當(dāng)于使涵洞基礎(chǔ)具有埋深效應(yīng)，可以顯著提高地基承載力，深刻認(rèn)識(shí)埋深效應(yīng)有助于指導(dǎo)高填方涵洞的地基承載力的確定。如果對(duì)地基承載力修正認(rèn)識(shí)不足，過(guò)分強(qiáng)調(diào)修正效果，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物因地基承載力不足，基底沉降和不均勻沉降過(guò)大，甚至引起結(jié)構(gòu)物或路面開(kāi)裂，影響道路的正常使用。因此，合理確定高填方路堤土壓力分布狀態(tài)、準(zhǔn)確對(duì)地基承載力進(jìn)行修正，成為高填路堤下構(gòu)筑物設(shè)計(jì)和施工中的突出問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】涵洞;地基;承載力

我國(guó)軟土地基承載力的理論研究具有數(shù)十年的歷史，對(duì)軟土的基本工程性質(zhì)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，對(duì)我國(guó)分布的軟土的物理力學(xué)性質(zhì)有了基本了解。為了系統(tǒng)闡述軟土的特性及微觀機(jī)理，我國(guó)著名學(xué)者高國(guó)瑞教授以電化學(xué)、膠體化學(xué)理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究了軟土的物質(zhì)成分及微觀結(jié)構(gòu)，并分析了它們對(duì)軟土工程的影響程度。沈珠江院士從宏觀角度對(duì)軟土特性尤其是強(qiáng)度特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以大量的試驗(yàn)資料為依據(jù)，全面探討了軟土在不同應(yīng)力條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及其表現(xiàn)出的強(qiáng)度特性，這些研究成果開(kāi)創(chuàng)了軟土工程的新局面[2-3]。 1992 年，趙燕明結(jié)合土層經(jīng)建筑荷載壓密后其強(qiáng)度參數(shù)有所提高的實(shí)際，假定飽和土地基由于其土中孔隙完全被水充滿，當(dāng)其滲透系數(shù)和排水條件給定以后，通過(guò)固結(jié)理論計(jì)算地基在某一階段后的沉降量，進(jìn)一步計(jì)算出基礎(chǔ)以下一定深度內(nèi)土的密度的改變量。通過(guò)建立地基土的密度改變量與它的強(qiáng)度參數(shù)改變量之間的關(guān)系，在固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，建立起地基在發(fā)生了一定的均勻沉降后的承載力修正值的計(jì)算公式。

在國(guó)外，對(duì)此類問(wèn)題的研究已有幾十年的歷史，前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本等國(guó)家在這一方面做了大量的工作，主要研究成果體現(xiàn)在地基承載力的回歸計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)沉降的曲線擬合等方面。其中，較早給出類似關(guān)系的是Skempton，他于 1944 年建立了壓縮指數(shù)與液限之間的關(guān)系式。Sridharan等于 2000 年研究了壓縮指數(shù)與一些物理參數(shù)的關(guān)系，指出壓縮指數(shù)與土的塑性指數(shù)、液限以及液性指數(shù)均有密切的相關(guān)關(guān)系。其后很多國(guó)家都進(jìn)行過(guò)這些內(nèi)容的研究，如日本，針對(duì)大阪沖積黏土、石狩黏土、名古屋黏土提出了各自類似于Skempton公式的表達(dá)式。Hanna 等根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果，在太沙基極限承載力公式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了砂土地基上不同頂角殼型基礎(chǔ)極限承載力理論公式，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明了計(jì)算公式的適用性。Merifield等基于太沙基極限承載力公式，根據(jù)上下限定理和能量原理，推導(dǎo)出分層地基條件下的極限承載力公式[1-5]。

1地基承載力理論研究

高速公路軟基路段絕大部分屬于侵蝕堆積河谷工程地質(zhì)區(qū)，為第四系沉積土。軟基路段覆蓋厚度不等的第四系黏性土、砂性土，厚度多在 3～8 m，局部厚度達(dá)10 m以上，呈飽和狀態(tài)，局部地段存在淤泥質(zhì)軟土，下伏基巖多為武當(dāng)群片巖，部分地段下伏基巖為晉寧期基性火山巖侵入巖體。軟基路段所在工程地質(zhì)區(qū)除漢江水流流量較大外，其余均為季節(jié)性河流，對(duì)路基沖刷影響不大。此種路段工程地質(zhì)性質(zhì)較差，承載力相對(duì)較低，路基加載后的不均勻沉降較大，邊坡穩(wěn)定性也相對(duì)較差。合理地評(píng)價(jià)地基承載力，關(guān)系到工程項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量、速度和經(jīng)濟(jì)效益等重大問(wèn)題。

1.1確定地基承載力的基本原則

(1)保證地基不發(fā)生強(qiáng)度破壞而喪失穩(wěn)定性。

(2)保證構(gòu)造物不發(fā)生影響其安全與正常使用的過(guò)大位移或不均勻沉降。

1.2確定地基承載力的方法

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，包括靜載荷試驗(yàn)法、靜力觸探法與動(dòng)力觸探法等，但是這些方法不能得到考慮埋深效應(yīng)的地基承載力設(shè)計(jì)值。

(2)規(guī)范法，通過(guò)理論研究、試驗(yàn)以及大量的工程實(shí)踐，提出的計(jì)算公式能直接得出考慮埋深效應(yīng)的地基承載力設(shè)計(jì)值。

(3)理論計(jì)算法，包括理論公式計(jì)算和數(shù)值計(jì)算兩類，通過(guò)計(jì)算地基的臨塑荷載、臨界荷載或者極限荷載再除以安全系數(shù)，可以得到考慮埋深效應(yīng)的地基承載力設(shè)計(jì)值。

三種方法中，理論方法能通過(guò)參數(shù)研究，較深入地認(rèn)識(shí)影響地基承載力的多種因素，特別是數(shù)值分析方法，不但可以考慮地基土的性質(zhì)和埋深效應(yīng)等對(duì)地基承載力的影響，還能得到基底壓力的大小和分布以及土體的位移趨向和塑性區(qū)的分布狀況。

1.3承載力理論的假設(shè)條件

(1)假定土體不可壓縮，地基在發(fā)生整體剪切破壞的條件下得出的，實(shí)際上土體在發(fā)生破壞前及在剪切破壞過(guò)程中，都將產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象或由于土質(zhì)松軟而出現(xiàn)局部破壞或沖剪破壞；

(2)假定滑動(dòng)面的方法，并根據(jù)土的靜力平衡條件分別求出由于黏聚力c、超載q和土自重γ所引起的承載力，然后進(jìn)行疊加而得到總的承載力。由于承載力公式中c、q、γ所組成的每一項(xiàng)并不是在同一滑動(dòng)面的情況下得出的，且在求解過(guò)程中均將滑動(dòng)土體當(dāng)作不變形的剛塑體來(lái)考慮。這是目前承載力公式中共同存在的主要問(wèn)題，也是不能真實(shí)反映實(shí)際的主要原因。

2地基承載力修正探討

山區(qū)深溝較多，涵洞上部填土較高，基底壓力相當(dāng)大。而溝谷中一般為沖填土或軟土，地下水較發(fā)育，地基承載力低，通常在 100～200 kPa之間，地面以下 4～5 m 處也不足 300 kPa。

對(duì)于高填方涵洞，設(shè)計(jì)中要求的承載力大多在 600 kPa以上。如果按照通常的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，地基承載力大于基底壓力，一方面地基承載力很難達(dá)到要求，另一方面會(huì)造成涵頂?shù)膽?yīng)力集中加劇，使涵洞構(gòu)造物受力不合理。

地基土的特性不是固定不變的，它隨著施工工藝、路堤的加載速度、加載的方式等而不斷變化，把地基土的承載力看作是一成不變的觀點(diǎn)是不恰當(dāng)?shù)?。?duì)于軟黏土，加載速率適當(dāng)控制，使軟黏土在加載過(guò)程中排水固結(jié)，軟土的強(qiáng)度指標(biāo)將會(huì)逐漸提高，從而使地基極限承載力也得到一定程度的提高。

例如：設(shè)飽和土地基在發(fā)生了一定量的均勻沉降后，基礎(chǔ)以下一定深度范圍內(nèi)地基土的強(qiáng)度參數(shù)由c,φ提高。采用普朗特爾(Prantl)假定?？紤]一個(gè)寬度為B的條形基礎(chǔ)，基底無(wú)摩擦，忽略基礎(chǔ)下土體的重量，解得考慮地基壓密、強(qiáng)度參數(shù)提高后的Prantl極限承載力修正值，即可計(jì)算地基在被建筑荷載壓密以后的極限承載力修正值。

3小結(jié)

介紹了確定地基承載力的基本原則和常用方法，分析了影響地基承載力的因素，通過(guò)理論分析討論了地基承載力深寬修正的合理性，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)高路堤填筑過(guò)程中天然地基被壓密并且逐漸固結(jié)，填筑過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)堆載預(yù)壓的過(guò)程，地基土的有效內(nèi)摩擦角與黏聚力都會(huì)有一定程度的提高，地基的基本承載力也將得到相當(dāng)程度的提高。

(2)涵洞構(gòu)造物中部節(jié)段的基礎(chǔ)屬于深埋基礎(chǔ)，路堤填土使涵體構(gòu)造物具有埋深效應(yīng)，涵洞地基設(shè)計(jì)應(yīng)考慮基礎(chǔ)的深度修正，對(duì)于涵洞的整體式和分離式基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)埋深的取值方法是不同的。

參考文獻(xiàn)

[1]3TJ 024-85 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]張留俊, 王福勝, 劉建都. 高速公路軟土地基處理技術(shù)[M]. 北京：人民交通出版社, 2002.

[3]白冰, 肖宏彬. 軟土工程若干理論與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2002.

[4]袁聚云. 土工試驗(yàn)與原位測(cè)試[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社, 2004.

[5]鄭俊杰. 地基處理技術(shù)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2004.

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【中圖分類號(hào)】U449.1

[作者簡(jiǎn)介]梁鵬(1982～)，男，本科，工程師，從事路基工程設(shè)計(jì)工作。

[定稿日期]2015-06-17