軟基固結(jié)沉降規(guī)律理論研究

熊　娟， 鄧新征

(1.瀏陽經(jīng)開區(qū)開發(fā)投資有限公司， 湖南 瀏陽　410329；　2.湖南省高速百通建設(shè)投資有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙　410003)

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軟基固結(jié)沉降規(guī)律理論研究

熊娟1， 鄧新征2

(1.瀏陽經(jīng)開區(qū)開發(fā)投資有限公司， 湖南 瀏陽410329；2.湖南省高速百通建設(shè)投資有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙410003)

摘要：為研究軟基路堤在固結(jié)過程中的節(jié)點(diǎn)位移、單元應(yīng)力～應(yīng)變和超孔隙壓力變化規(guī)律，采用二維比奧固結(jié)理論，分三級(jí)加載。結(jié)果表明軟土固結(jié)主要是由于受荷使土體中產(chǎn)生超孔隙壓力，超孔隙壓力使軟基中的水體不斷向低壓力的區(qū)域滲透而排出地基，因此，軟基路堤沉降變形與超孔隙壓力的分布和消散方式密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：軟基； 固結(jié)； 空隙壓力

0引言

軟土地基[1]常見于工程建設(shè)，而由于軟土的特殊工程性質(zhì)，其沉降變形規(guī)律又主要受固結(jié)變形所控制。軟基沉降可分為三部分，即瞬時(shí)沉降，主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。瞬時(shí)沉降是在路堤荷載施加后，地基中發(fā)生剪切變形所引起的沉降。瞬時(shí)沉降發(fā)生的時(shí)間較短，也稱為初始沉降。外界荷載作用下土體內(nèi)部含水體緩慢滲出，體積逐漸縮減的現(xiàn)象，稱為土的“固結(jié)”，該部分引起的沉降為主固結(jié)沉降。次固結(jié)沉降是地基中土粒骨架在持續(xù)荷載下發(fā)生蠕變所引起的沉降。根據(jù)前人研究，比奧固結(jié)法比傳統(tǒng)的太沙基理論更符合實(shí)際。因此本文采用比奧固結(jié)理論研究分析在荷載作用下軟基固結(jié)沉降變化規(guī)律。

1計(jì)算方法

比奧[1-4]推出的三組方程(物理方程、幾何方程、位移和孔隙壓力連續(xù)性方程)反映了位移與孔隙壓力的耦合，在理論上比較完善。借助近年來計(jì)算機(jī)和有限元法的發(fā)展，比奧固結(jié)有限元已經(jīng)可以廣泛的求解各種工程問題。

比奧固結(jié)理論的有限單元法公式為：

(1)

(2)

該公式可通過編程形成程序，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

2計(jì)算分析結(jié)果

結(jié)合一些實(shí)體工程實(shí)驗(yàn)資料[5-9]，本文選取軟基土的粘聚力取21.97 kPa；容重取17.9 kN/m3；內(nèi)摩擦角取14.6°；模量系數(shù)和模量系指數(shù)分別取75和0.42；破壞比取0.85；滲透系數(shù)為KH=KV=10×10-8cm/s。根據(jù)二維比奧固結(jié)有限元程序，計(jì)算了頂寬9 m，軟基深度20 m，邊坡坡比1∶1.5時(shí)，分三級(jí)加載時(shí)路堤在固結(jié)過程中的節(jié)點(diǎn)位移、單元應(yīng)力～應(yīng)變和超孔隙壓力變化規(guī)律。其計(jì)算結(jié)果見表1和圖1～圖5。

由圖1～圖5可以看出，軟基在加載～固結(jié)的過程中，其節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力、孔隙壓力等都發(fā)生了較為復(fù)雜的變化過程，主要可歸納為以下幾點(diǎn)：

表1 粉煤灰路堤中心點(diǎn)沉降變形結(jié)果(1∶1.5)cm固結(jié)沉降時(shí)間/月沉降變形/cm固結(jié)沉降時(shí)間/月沉降變形/cm3-27.436-35.756-28.9120-37.4612-31.2240-37.4924-34.15

圖1　地表水平位移ux和豎向位移uy變形曲線

圖2　固結(jié)過程路堤中心點(diǎn)超孔隙壓力消散曲線

圖3　節(jié)點(diǎn)超孔隙壓力與路堤沉降變形的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線

圖4　固結(jié)過程大主應(yīng)力σ1等勢(shì)線圖

1) 根據(jù)表1可以看出，在路堤填方施工完畢后路堤的豎向變形就已經(jīng)達(dá)到27.4 cm，而20 a的最終沉降為37.49 cm，說明在計(jì)算給定的加載速度情況下，路堤在施工期間的瞬時(shí)沉降和固結(jié)沉降占到總沉降的73%，其后期沉降將大大減小。

2) 由圖1的地表的水平位移過程曲線圖上看出，軟基在初期的水平位移為整個(gè)固結(jié)期的最大值。隨著固結(jié)和路堤的沉降變形，軟基表面各點(diǎn)的水平位移都有所減小。

圖5　固結(jié)過程小主應(yīng)力σ3等勢(shì)線圖

3) 由圖1固結(jié)過程地表沉降變形曲線表明，路堤的豎向變形最大位置在路堤中線部分，整個(gè)路堤沉降表現(xiàn)為兩邊小，中間大。在路堤坡腳的外側(cè)，由于側(cè)向擠壓變形作用使地基發(fā)生向上的隆起變形，根據(jù)圖1可以看出路堤外側(cè)隆起變形最大時(shí)刻為路堤荷載施加結(jié)束時(shí)。在固結(jié)階段，由于超孔隙壓力的逐漸消散，地基表現(xiàn)為整體下沉和變形。如果考慮路堤的自身沉降變形在內(nèi)，最大沉降位置在路堤高度1/3處的中點(diǎn)(見圖2路堤的最終豎向位移uy等勢(shì)線圖所示)。

4) 圖2表示了路堤中線位置各節(jié)點(diǎn)的超孔隙壓力變化情況?？梢钥闯鲈诤奢d施加初期，超孔隙壓力首先從地表以下逐漸增大，增大范圍主要集中在路堤下部，其它位置的軟基中超孔隙壓力也有所增加。當(dāng)荷載施加完畢后，超孔隙壓力值達(dá)到最大，并在路堤荷載下軟基中形成一個(gè)明顯的集中區(qū)域。由于這些區(qū)域的超孔隙壓力最大，其固結(jié)排水最強(qiáng)，即在外荷載的作用下，該部分產(chǎn)生的排水作用最為明顯，由于排水固結(jié)所引起的沉降變形值也是最為集中的區(qū)域。隨著時(shí)間增長(zhǎng)和水向地表排出，超孔隙壓力沿著路堤的中心線逐漸向兩側(cè)消散，使各處超孔隙壓力值逐漸減小。

5) 由圖2表示的超孔隙壓力變化情況，由于軟基的滲透系數(shù)較小，超孔隙壓力的消散很慢。根據(jù)圖中顯示，軟基深度為7 m的地基中的壓力在固結(jié)12個(gè)月以后才開始消散。此時(shí)，該處的地基才能進(jìn)行排水固結(jié)，這種特性將大大延遲地基的強(qiáng)度增長(zhǎng)，使地基的工后沉降增加。因此，滲透系數(shù)越小的軟基，其超孔隙壓力的消散和滲透變形發(fā)展的速度就越慢，其工后沉降將越大。

6) 圖3為固結(jié)過程中節(jié)點(diǎn)超孔隙壓力與路堤沉降變形的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線，從曲線上可以看出，在每次加載后，路基中節(jié)點(diǎn)的超孔隙壓力都有較大的增長(zhǎng)，在固結(jié)時(shí)間內(nèi)，超孔隙壓力有逐漸降低，并最終減小至0，即該點(diǎn)的固結(jié)基本完成。根據(jù)同一節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移曲線上看出，在每次加載后，節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)比較明顯的瞬時(shí)沉降變形發(fā)生，其沉降發(fā)生的速率較固結(jié)沉降變形過程快。因此在分級(jí)施工路堤的軟基中，實(shí)際上存在多次瞬時(shí)沉降變形。

7) 圖4為固結(jié)過程大主應(yīng)力σ1等勢(shì)線圖，由圖上可以看出，軟基在荷載施加以前，σ1基本上沿深度方向上呈水平分布，稱為原位應(yīng)力σ1′。在加載后，荷載作用部分的σ1隨著荷載的增加不斷的增大，以滿足軟基整體力的平衡條件。在固結(jié)完成后，σ1一直處于最大值，即等于“原位應(yīng)力σ1′+豎向荷載”。由于計(jì)算范圍內(nèi)的軟基都發(fā)生了一定程度的變形和位移，所以荷載的作用使整個(gè)計(jì)算范圍內(nèi)的軟基的σ1都有所增加。由于對(duì)軟基計(jì)算范圍以外的邊界進(jìn)行了約束，在軟基的下邊界附近的σ1逐漸增大，產(chǎn)生一個(gè)臺(tái)階形的應(yīng)力集中區(qū)域。說明當(dāng)軟基厚度較小時(shí)，下部硬土層將對(duì)軟基產(chǎn)生一個(gè)頂托作用，改變軟基中的應(yīng)力分布形式。

8) 圖5為固結(jié)過程小主應(yīng)力σ3等勢(shì)線圖，從圖上看出σ3隨著加載逐漸減小，主要是由于超孔隙壓力的不斷增加。其減小的范圍也和超孔隙壓力增加的范圍基本一致，并隨著超孔隙壓力達(dá)到最大值而變化到最小值。在超孔隙壓力隨著排水固結(jié)逐漸減小時(shí)，σ3也逐漸增加。

根據(jù)以上的軟基固結(jié)過程的位移和應(yīng)力應(yīng)變過程分析可以看出，荷載施加初期，地面開始出現(xiàn)瞬時(shí)沉降，與此同時(shí)，外側(cè)坡腳出現(xiàn)地面隆起，此時(shí)

水平位移達(dá)到最大值。荷載施加引起的應(yīng)力主要轉(zhuǎn)換成超孔隙壓力，在不能夠得到及時(shí)消散時(shí)使土體中的有效應(yīng)力大大減小。隨著時(shí)間的發(fā)展，地基中水的排出，使超孔隙壓力逐漸降低，有效應(yīng)力提高，土體產(chǎn)生壓縮，地面轉(zhuǎn)為普遍下沉。

3結(jié)論

1) 軟土固結(jié)主要是由于受荷使土體中產(chǎn)生超孔隙壓力，超孔隙壓力使軟基中的水體不斷向低壓力的區(qū)域滲透而排出地基，因此，軟基路堤沉降變形與超孔隙壓力的分布和消散方式密切相關(guān)。

2) 軟基沉降變形應(yīng)密切關(guān)注土體中超隙孔壓力的變化。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0041-03

收稿日期:2015-12-28

作者簡(jiǎn)介:熊娟( 1975-) ，女，工程師，主要從事市政道路橋梁工程管理工作。

中圖分類號(hào)：U 416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B