軟弱路基填土中地基超孔隙水壓力變化探討

劉雄美

（中鐵二十一局集團第二工程有限公司，甘肅　蘭州　730000）

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軟弱路基填土中地基超孔隙水壓力變化探討

劉雄美

（中鐵二十一局集團第二工程有限公司，甘肅蘭州730000）

摘要：為了研究軟土地基在填土荷載作用下超孔隙水壓力的變化特性，利用大型有限元分析軟件ADINA，以實際工程條件為例建立數(shù)值計算模型，分析了填土荷載變化與超孔隙水壓力的關系。結果表明：路基土體中超孔隙水壓力由于分級填土加載緣故，在7級加載完成時，土中水來不及排出，超孔隙水壓力驟升，之后隨著路基土體固結，超孔隙水壓力逐漸消散；填土加載完畢時超孔隙水壓力增加到最大值；填土結束300 d時，超孔隙水壓力逐漸降低，超過33%的超孔隙水壓力消散完畢。關鍵詞：軟弱地基；有限單元法；超孔隙水壓力

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.01.017

0　引言

軟土是第四紀后期地表流水所形成的沉積物，多數(shù)分布于海濱、湖濱、河流沿岸等地勢比較低洼地帶。飽和軟土由于孔隙中充滿水，水在穩(wěn)定狀態(tài)時有一個平衡的壓力，就是孔隙水壓力。當土體受到外力擠壓，土中原有水壓力會上升，上升的這部分壓力就是超孔隙水壓力。在路基填筑時，地基內部將引起超孔隙水壓力的迅速增長，超孔隙水壓力增長和消散的大小及速度在一定程度上反映了土體填筑效果的好壞。

在地基處理時，由于機械化施工程度的提高和施工速度的加快，在路堤填筑過程中，易引起超孔隙水壓力。因此，只有正確地估計軟土地基超孔隙水壓力的產(chǎn)生和消散規(guī)律，才能更好地運用有效應力原理解決工程中遇到的實際問題。國內有些學者作了一些特定地質條件下的研究工作，例如：李學偉等[1]對粉質粘土地基超孔隙水壓力作了研究；鄭太原[2]結合漳州市某大道工程對軟土地基超孔隙水壓力排水強夯法進行簡要的分析；宋修廣等[3]通過在濟樂高速公路試驗區(qū)地層不同深度埋設孔隙水壓力計，觀測并分析強夯過程中超孔隙水壓力的變化規(guī)律；張宏博等[4]為研究強夯加固地基的超孔隙水壓力增長規(guī)律，進行了強夯現(xiàn)場試驗。

本論述基于大型有限元分析軟件ADINA，結合某軟土地基的工程實例，建立有限元模型進行計算，通過分析得出超孔隙水壓力的消散規(guī)律，對軟土地基填筑有一定的指導意義。

1　有限單元法原理及數(shù)值計算模型建立

1.1有限單元法原理

隨著計算機技術的不斷革新，越來越多的工程實際問題可以用有限元法解決。尤其當傳統(tǒng)的理論方法無法解決或無法求解實際問題時，有限單元法更是發(fā)揮了顯著的作用。有限元法是以離散化原則為前提，它把一個完整的復雜問題離散化為若干較小的等價單元體，通過單元節(jié)點傳遞應力與位移，采用對每個單元體賦予不同的物理參數(shù)，實現(xiàn)與原結構體在實際物理意義上的等價，然后對全部單元逐個分析與處理，最后進行整體分析，把各單元的力和位移方程聯(lián)立求解，得到總體位移與應力。

1.2模型建立

利用ADINA生死單元來模擬填土加載，根據(jù)某軟弱路基具體工程地質情況及施工條件，選取合理的土層物理力學參數(shù)、幾何尺寸、邊界條件、施工步長等，采用ADINA非線性有限元軟件對建立的三維實體軟弱路基模型在不同填土荷載作用下對超孔隙水壓力進行分析。取半幅路基進行研究，其幾何形狀和有限元網(wǎng)格劃分見圖1所示。采用8節(jié)點六面體自由網(wǎng)格劃分，加固區(qū)下臥層及非加固區(qū)采用8節(jié)點六面體映射網(wǎng)格劃分，利用布爾相減運算將樁和土體分別開來，采取face-link連接各個面，土體單元采取一致的網(wǎng)格密度，利用ADINA軟件實體單元來模擬。路基的底部設為豎向約束，不透水固定邊界，路基上表面及非加固區(qū)路基表面為透水邊界，路基及路基左右側面為Y向位移固定不透水邊界，路基及路基前后面為X向位移固定，不透水邊界。

圖1　路基三維有限元模型網(wǎng)格劃分

2　土體參數(shù)

工程地質主要為沖洪積地層，成份為卵礫石及粘性土，地層的分布有：①雜填土：厚度0.5～1.9 m，土質不均勻，黃褐色，稍密、過濕，含有植物根系及零星小礫石；②淤泥質粉質粘土：厚度2.8～4.5 m，淡紅色夾灰青、淡黃色，以粉質粘土、粉土為主，有層理，較均勻，飽和，軟塑狀；③卵石：厚度2～3.9 m，青灰色，中密，飽和，磨圓度較好，分選性差，骨架成份以砂巖碎屑組成，一般粒徑3～10 cm約占30%，最大粒徑可見13 cm，砂土充填，含土量較高；④強風化泥巖：未見底，紅褐色夾有零星灰綠色，原巖結構構造現(xiàn)已破壞，尚可辨認，原巖已風化成呈土柱狀夾有塊狀，遇水易軟化、易崩解，巖性軟弱，巖芯呈短柱狀。各試驗地層物理力學性質見表1。

表1　試驗地層物理力學性質表（平均值）

3　路基土中超靜孔隙水壓隨時間關系

路基土在受到填土荷載作用時，由于土中附加應力的瞬時增大，使得土體中的水無法及時向外排出，因此在土體中形成超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力隨著土體骨架上有效應力的增長，土體固結沉降的進行而逐漸緩慢消散。由于路基中心點處沉降最大，取路基表面中心線以下0.9 m、1.9 m、2.9 m處節(jié)點為研究對象，得到路基土體超孔隙水壓隨時間的變化關系，見圖2所示。

圖2　超孔隙水壓隨時間變化關系曲線

4　不同加載級數(shù)下軟土中超靜孔隙水壓云圖

軟土中超孔隙水壓力由于分級填土加載的緣故，在7級加載完成時，土中水來不及排出，超孔隙水壓力驟升，之后隨著路基土體固結，超孔隙水壓力逐漸消散。填土加載完畢時，超孔隙水壓力增加到最大值，填土結束300 d時，超孔隙水壓力逐漸降低，超過33%的超孔隙水壓力消散完畢；隨著土體深度的增加，超孔隙水壓峰值越大，超孔隙水壓基本保持不變，在工后300 d內，超孔隙水壓明顯下降。從經(jīng)驗來看，所得結果還是比較符合實際的。路基土體內總體超孔隙水壓分布云圖見圖3～8所示。

圖3　三級加載時超孔隙水壓分布

圖4　五級加載時超孔隙水壓分布

圖5　七級加載時超孔隙水壓分布

圖6　工后90 d時超孔隙水壓分

圖7　工后180 d時超孔隙水壓分布

圖8　工后300 d時超孔隙水壓分布

從圖中可以看出，在填土加載過程中土體內部超孔隙水壓不斷增大，在工后階段超孔隙水壓逐漸消散；路基范圍內，超孔隙水壓分布較為集中，超孔隙水壓路基中心線處最大，沿著路基中心線逐漸向路基邊緣減小。

5　結束語

基于以上的研究，有以下初步結論：

（1）路基土體中超孔隙水壓力由于分級填土加載的緣故，在7級加載完成時，土中水來不及排出，超孔隙水壓力驟升；

（2）隨著路基土體固結，超孔隙水壓力逐漸消散；

（3）路基范圍內，超孔隙水壓分布較為集中，超孔隙水壓路基中心線處最大，沿著路基中心線逐漸向路基邊緣減小。

參考文獻：

［1］李學偉,宋小金,車法.粉質粘土地基超孔隙水壓力消散規(guī)律研究［J］.中外公路，2014,34（2）：86-89.

［2］鄭太原.軟土地基超孔隙水壓力排水強夯法的探討［J］.科技咨詢，2010（26）：72-73.

［3］宋修廣,岳紅亞,周志東,等.強夯作用下地基超孔隙水壓力的變化規(guī)律現(xiàn)場試驗研究［J］.鐵道建筑，2015（7）：99-102.

［4］張宏博，厲超，陳曉光，等.強夯加固粉土地基超孔隙水壓力增長規(guī)律研究［J］.鐵道建筑，2015（8）：01-105.

作者簡介：劉雄美（1980-），男，漢族，甘肅省會寧人，大學本科，工程師，主要從事建筑結構工程施工研究工作。

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：TU447

文獻標識碼：A