黃土高填方工后沉降影響因素敏感性分析

周遠強, 吳　宏, 朱才輝, 李　寧

(1.西安理工大學 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048; 2.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043；3.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

隨著中西部支線機場的大力開發(fā),結(jié)合中西部地區(qū)溝壑縱橫的地形條件,黃土高填方沉降問題日漸突出。國內(nèi)外有大量關于高填方研究,其中文獻[1-2]分別研究了英國某砂卵石填料的露天煤礦填方沉降規(guī)律,及水位變化時砂巖和泥巖填料的公路路基沉降規(guī)律。文獻[3]利用砂礫石填料壓縮蠕變試驗研究了高填方沉降規(guī)律。文獻[4]研究了砂泥巖碎塊石土為填料的順坡山區(qū)高填方邊坡工程的穩(wěn)定性。文獻[5-6]等以九寨——黃龍機場為工程背景,采用數(shù)值方法模擬實際施工過程,分別研究了山區(qū)復雜地質(zhì)高填方地基沉降規(guī)律及其變形穩(wěn)定性規(guī)律。文獻[7]研究了山區(qū)機場工程高填方碎石土壓縮蠕變規(guī)律。而黃土類型高填方的研究比較少。在已有的黃土高填方研究中,文獻[8-9]研究了深厚黃土地基上機場高填方沉降規(guī)律。文獻[10]采用4種不同計算方法分析了黃土高填方路堤沉降。文獻[11-12]研究了基于蠕變試驗的黃土高填方工后沉降規(guī)律,以及考慮黃土時效變形特性的高填方工后沉降預測。文獻[13]研究了黃土高填方地基沉降反演和預測。以上研究成果整體上是采用多種方法和手段研究不同類型高填方沉降等問題,具有較強的實用和理論價值,但針對黃土高填方工后沉降影響因素的敏感性研究很少。

本文以山西呂梁機場試驗段為背景,依據(jù)固結(jié)蠕變試驗獲得試驗參數(shù),采用PLAXIS有限元軟件分別對填方體影響沉降因素及原地基影響工后沉降因素作分析。得出各因素影響黃土高填方工后沉降規(guī)律,確定出工后沉降對不同因素的敏感性大小。

1　工程概況

呂梁機場位于呂梁市方山縣境內(nèi),距呂梁市區(qū)約20.5 km,是國內(nèi)支線機場。工程試驗區(qū)位于機場場地中部西側(cè)的火燒溝及其兩側(cè),地形總體呈東西兩側(cè)高中間低,南低北高。呂梁機場挖填方工程概況如圖1所示。

圖1　挖填方三維效果圖Fig.1　3D-diagram of the loess high embankment

試驗區(qū)海拔1 050～1 198 m,相對高差高達148 m,最大填方高度為82 m。試驗區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育,地形起伏大,切割深度為50～100 m,溝谷橫斷面:上游是“V”形,下游是“U”形。溝谷全長700 m左右,溝谷縱坡降約7%,溝谷寬度介于10～50 m之間,溝谷兩側(cè)黃土體坡度在40°～60°之間。該機場地基工程目前是國內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)機場建設中遇到的填方高度最高、土方量最大的機場工程。場區(qū)地層主要為自重濕陷性黃土、濕陷等級Ⅱ級,這在國內(nèi)尚屬首次;高填方的設計與施工難度極大,這在國外機場建設歷史中也是極為罕見的[14]。

2　SSC軟土蠕變模型及研究方案

2.1　SSC軟土蠕變模型及參數(shù)確定方法

SSC(Soft Soil Creep)模型是PLAXIS軟件自帶軟土蠕變模型,包括以下材料參數(shù)[9]。

類似于摩爾庫侖模型中的破壞參數(shù):粘聚力C(kN/m2);摩擦角φ(°);剪脹角ψ(°)。

模型基本剛度參數(shù):修正回彈系數(shù)κ*;修正壓縮指數(shù)λ*;修正蠕變指數(shù)μ*。以上三個變形參數(shù)主要與壓縮模量Es存在直接關系,有以下經(jīng)驗公式:

(1)

(2)

其中,λ、κ分別為原始各向等壓曲線中與加荷有關的試驗常數(shù)和與卸荷有關的試驗常數(shù),Cc、Cα分別為壓縮指數(shù)和次固結(jié)系數(shù),Es為荷載為P時的壓縮模量,e0為初始孔隙比。若對模型參數(shù)進行估算,則有λ*≈Ip(%)/500,通過這個關系式能夠得到λ*值,由此可得到μ*與κ*值。

2.2　單因素數(shù)值研究方案

本文采用控制單一變量法分別對填方體影響沉降因素:填土高度、填土速率、壓實度、含水率,及原地基影響工后沉降因素:強夯法的強夯深度、碎石樁法的碎石樁長、樁間距、樁徑作一一分析。當研究某個因素時,其他因素統(tǒng)一取其數(shù)學平均值。研究方案如表1所示。

表1　單因素數(shù)值研究方案

3　數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1　計算模型及物理力學參數(shù)

根據(jù)呂梁機場的典型斷面圖以及地層條件,采用PLAXIS軟件建立有限元模型,并做了如下簡化:①多層填土加載簡化為一層填土加載,不考慮多層填土之間的穩(wěn)定期;②填土層的參數(shù)由室內(nèi)單軸固結(jié)蠕變試驗得到[10]。其地層分布示意圖以及有限元模型如圖2所示,土層物理力學參數(shù)如表2所示。

計算過程中,PLAXIS模型原地基的左右兩側(cè)為水平約束,底面為固端約束。水位線為原地基的地表線,左右兩側(cè)及底面都視為排水截面。通過改變SSC模型的參數(shù)來實現(xiàn)各個因素的模擬,表1中每一個研究方案對應著一組物理力學參數(shù)取值,其中研究不同填土高度方案的物理力學參數(shù)如表2所示。由于其他方案中的參數(shù)取值類似,在此不一一列出。

圖2　地層分布示意圖及PLAXIS有限元網(wǎng)格圖Fig.2　Stratigraphic distribution diagram and FEM mesh of PLAXIS

土層名稱彈性模量E0/MPa泊松比μ粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)非飽和容重γun/(kN/m3)飽和容重γsat/(kN/m3)水平滲透系數(shù)kx/(mm/d)豎直滲透系數(shù)ky/(mm/d)修正壓縮指數(shù)λ?修正回彈系數(shù)k?修正蠕變指數(shù)μ?夯實層39003724288207021500010010007000065000022Q3黃土層36803300250169017802502500018000180000060砂頁巖層20000003200035022002450-----填土層(35m)17503430262186420031801800019000190000063填土層(50m)25503430262186420031801800023000230000077填土層(65m)30003430262186420031801800026000260000087填土層(80m)31003430262186420031801800030000300000100填土層(100m)33003430262186420031801800035000350000116

3.2　計算結(jié)果分析

根據(jù)實際工程經(jīng)驗[9],當工后沉降速率達到0.02 mm/d時,認為工后沉降達到穩(wěn)定。

3.2.1填方體因素影響下的工后沉降規(guī)律分析

通過數(shù)值計算得到了填方體因素(填土高度H、填土速率v、壓實度k、含水率w)的工后沉降歷時曲線如圖3所示。

由圖3可知,200天左右以前黃土高填方的工后沉降速率相對較大,之后工后沉降速率相對較小。隨著時間的增加,工后沉降速率逐漸減小,黃土高填方工后沉降相對趨于穩(wěn)定。依據(jù)穩(wěn)定工后沉降的判據(jù)得出影響因素與穩(wěn)定工后沉降量的關系如表3所示。

由表3建立各個因素與穩(wěn)定工后沉降的擬合曲線,如圖4所示。

表3　填方體因素穩(wěn)定工后沉降量

圖3　填方體因素影響工后沉降與時間關系曲線Fig.3　Relationship between post-construction settlements of embankment factors and time

圖4　填方體因素的穩(wěn)定工后沉降曲線Fig.4　Stable settlement curves of embankment factors of post-construction

根據(jù)圖3、圖4可得如下結(jié)論。

1) 填土高度從35 m到100 m逐漸增大的過程中,工后沉降量從0.159 m增大到0.832 m。隨著填土高度的增大,工后沉降量呈指數(shù)增長,符合填土高度對黃土高填方影響的規(guī)律。

2) 填土高度增加,使土體所受的荷載增大。從蠕變試驗數(shù)據(jù)可看出,修正壓縮指數(shù)隨著荷載的增加而增大,導致土體的蠕變效應增強。荷載越大土體克服土體之間的摩擦力的能力越強,土的工后沉降會隨填土高度的增加而變大。即使土體應變不變,填方高度變大也會使工后沉降變大。工后沉降與填土高度呈指數(shù)變化,表明填土高度對工后沉降有著強有力的影響。

3) 填土速率從0.3 m/d逐漸增大到1.5 m/d的過程中,工后沉降量從0.263 m增大到0.480 m。隨著填土速率的增大,工后沉降量呈直線增長,符合填土速率影響的規(guī)律。

4) 填土速率越大,飽和土體來不及發(fā)生排水變形,將大部分施工期未完成的變形累積到工后沉降中,造成工后沉降增大,并且這種變化趨勢是隨著填土速率呈線性變化。填土速率對工后沉降的影響是較大的,而這在工后沉降的計算的影響因素中經(jīng)常被設計者所忽略。

5) 壓實度從0.80逐漸增大到0.98的過程中,工后沉降量從0.389 m減小到0.254 m,隨著壓實度的增大,工后沉降量呈直線減小,符合壓實度對黃土高填方影響的規(guī)律。

6) 填料壓實度增大,壓縮模量變大,土體更難被再擠密。在其他條件不變的情況下,工后沉降會隨之減小。

7) 含水率從13.5%逐漸增大到21.0%的過程中,工后沉降量從0.262 m增長到0.325 m。隨著含水率的增大,工后沉降量呈直線增長,符合含水率對黃土高填方影響的規(guī)律。

8) 含水率增加,土中的孔隙水的比例增大。由固結(jié)理論,含水量變大,土體的體積變化大,導致高填方的工后沉降會變大;另根據(jù)次固結(jié)理論:在應力不變的情況,土顆粒與土顆粒之間位置不斷調(diào)整從而使土體發(fā)生變形。含水率的變大使土顆粒與土顆粒之間的接觸面變得更光滑(摩擦系數(shù)變小),土顆粒更容易壓密實,致使沉降量變大。

3.2.2原地基因素影響下的工后沉降規(guī)律分析

原地基的處理方法有很多種,限于篇幅,本文只分析了兩種地基處理方法,一種是強夯法處理地基,其原地基因素是強夯深度h;另一種是碎石樁法處理地基,其原地基因素樁間距D、樁徑d、樁長l,碎石樁的地層參數(shù)采用復合地基的等效法計算。

通過數(shù)值計算得到兩種地基處理方式下不同因素工后沉降歷時曲線(見圖5)。

圖5　原地基不同因素工后沉降與時間關系曲線Fig.5　Relationship between post-construction settlements of original ground factors and time

由圖5可知,200天左右以前黃土高填方的工后沉降速率相對較大,之后工后沉降速率相對較小。隨著時間的增加,工后沉降速率逐漸減小,黃土高填方工后沉降相對趨于穩(wěn)定。依據(jù)穩(wěn)定工后沉降的判據(jù)得出影響因素與穩(wěn)定工后沉降量的關系(表4)。

表4　原地基因素穩(wěn)定工后沉降

由上表影響因素與穩(wěn)定工后沉降量的關系建立各個因素與穩(wěn)定工后沉降的擬合曲線,如圖6所示。

根據(jù)圖5、圖6及表4可得到如下結(jié)論。

1) 強夯深度從1.0 m逐漸增大到5.0 m的過程中,工后沉降量從0.417 m減小至0.304 m。工后沉降量隨壓實深度的增大而直線減小,符合強夯深度對黃土高填方影響的規(guī)律。

2) 強夯法主要是減小土層的孔隙率,減小土顆粒的次固結(jié)。強夯深度越深,土層難壓縮厚度就愈大,沉降量會減小。

3) 樁間距從0.6 m逐漸增大到1.4 m的過程中,工后沉降量從0.145 m增長到0.280 m。工后沉降量隨樁間距的增大呈對數(shù)增長,符合樁間距對黃土高填方影響的規(guī)律。

4) 樁的壓縮模量比土的壓縮模量大,并對周圍土體有擠密效果。減小樁間距,增大土體的壓縮系數(shù),土層加固效果越明顯。但不能過分的減小樁間距,因為經(jīng)濟效應不顯著。

5) 樁徑從0.2 m逐漸增大到1.0 m的過程中,工后沉降量從0.325 m減小到0.136 m。隨著樁徑的增大,工后沉降量呈直線衰減,符合樁徑對黃土高填方影響的規(guī)律。

6) 樁的壓縮模量比土體的壓縮模量大得多,增大樁徑,增加加固的面積,同時增大周圍土體的壓縮模量,工后沉降量變小。

7) 樁長從10.0 m逐漸增大到20. 0 m的過程中,工后沉降量從0.277 m減小到0.151 m。隨著樁長的增大,工后沉降量呈直線衰減,符合樁長對黃土高填方影響的規(guī)律。

8) 樁的壓縮模量比土體的壓縮模量大得多,增加樁長,增加加固深度,同時增加整體土體的壓縮模量,工后沉降量變小。

圖6　原地基因素的穩(wěn)定工后沉降曲線Fig.6　Stable settlement curves of original ground factors of post-construction

3.3　影響因素對工后沉降的敏感性分析及論證

本文運用敏感度系數(shù)M定量描述影響因素對工后沉降的敏感度。公式如下:

M=(ΔS/S)/(ΔX/X)

(3)

式中,ΔS/S為穩(wěn)定工后沉降的變動比率;ΔX/X為填土高度的變化率;

M>0表示穩(wěn)定工后沉降與影響因素同方向變化,M<0表示穩(wěn)定工后沉降與影響因素反方向變化。

根據(jù)式(3)求得各個影響因素對黃土高填方工后沉降的敏感度系數(shù)見表5。

表5　黃土高填方工后沉降各因素的敏感度系數(shù)

由表5可見,填方體因素的敏感度系數(shù)整體都大于原地基因素的敏感度系數(shù)。填料壓實度對工后沉降的影響最大,施工中可以通過控制填料壓實度來控制黃土高填方工后沉降;另外在填方工程中,應特別注意填方體的高度,填方體過高會使得工后沉降急速增加。相對于填料壓實度和填方體高度含水率、樁長、樁間距、樁徑、填土速率、強夯深度這些因素對工后沉降量影響要小得多。

葛苗苗等[11,15]進行基于固結(jié)蠕變試驗的黃土高填方工后沉降規(guī)律研究時,發(fā)現(xiàn)填料壓實度相對于含水率而言,對黃土高填方工后沉降更為敏感。在黃土高填方沉降規(guī)律及工后沉降預測研究中,認為黃土高填方沉降的主體為填方體的自身沉降,減小工后沉降的最有效辦法是保證填料壓實度。朱才輝[9]研究了深厚黃土地基上機場高填方沉降規(guī)律,其中分別討論了填土高度和填料壓實度對高填方工后沉降影響,且這兩者因素對工后沉降影響顯著。以上與通過敏感度系數(shù)分析的結(jié)果相吻合。

4　結(jié)　論

1) 根據(jù)數(shù)值實驗的結(jié)果,黃土高填方工后沉降隨填土高度的增大呈指數(shù)增長;隨填土速率、含水率的增加呈線性增加;隨填料壓實度、強夯深度、樁徑、樁長的增加呈線性衰減;隨樁間距的增大呈對數(shù)增長。

2) 從敏感度系數(shù)角度:填方體因素的敏感度系數(shù)大于原地基因素敏感度系數(shù)。其中:填料壓實度對工后沉降的影響最大;填方體高度對工后沉降影響次之;其他因素也會影響工后沉降量,但相對與填料壓實度和填方體高度小得多。

3) 在實際施工中,可以通過控制填料壓實度來控制黃土高填方工后沉降;另外應特別注意填方體的高度,填方體過高會使得工后沉降急速增加。

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