高應(yīng)力荷載作用下軟土地基穩(wěn)定性分析

陶 琳

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

近些年來(lái)，城市人工造景堆山工程施工過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生山體失穩(wěn)。發(fā)生失穩(wěn)的根本原因主要是因?yàn)榈鼗林械能浫跬翆映休d力不足，地基發(fā)生沖剪破壞，從而進(jìn)一步導(dǎo)致山體沉陷和滑坡。

關(guān)于人工堆山的研究，國(guó)內(nèi)外均有不同程度的進(jìn)展。Rajaram等[3]、顧鳳祥等[1]、廖輝[2]、翁鑫榮[4]、陳國(guó)棟[5]、王威[6]、韋智等[7]學(xué)者分別從堆山材料的選擇、山體穩(wěn)定性的理論及有限元分析、施工技術(shù)手段等方面進(jìn)行了一定程度的研究。

結(jié)合堆山工程的特性，考慮土體固結(jié)作用下土體強(qiáng)度增長(zhǎng)特性，提出一種運(yùn)用土體強(qiáng)度指標(biāo)考慮固結(jié)作用的地基承載力計(jì)算方法，對(duì)地基中每層土均進(jìn)行地基承載力分析。通過(guò)案例分析，對(duì)所提出的方法進(jìn)行運(yùn)用和說(shuō)明。

2 考慮強(qiáng)度增長(zhǎng)的承載力計(jì)算方法

2.1 土體固結(jié)對(duì)土體強(qiáng)度的影響

關(guān)于固結(jié)作用下的強(qiáng)度增長(zhǎng)估算，沈珠江[8]認(rèn)為不排水抗剪強(qiáng)度增量與豎向有效應(yīng)力增量和內(nèi)摩擦角有關(guān)，軟黏土抗剪強(qiáng)度的增加取決于破壞前潛在破壞面上的有效應(yīng)力增量，可用下式表示：

Δτ=Δσ′tanφ

(1)

其中，Δτ為不排水強(qiáng)度增量；Δσ′為豎向有效應(yīng)力增量；φ為地基土內(nèi)摩擦角。根據(jù)有效應(yīng)力原理和地基平均固結(jié)度的定義，可得到如下表達(dá)式：

Δσ′=Δu=UtΔσ

(2)

其中，Δu為孔壓變化量；Ut為地基平均固結(jié)度；Δσ為附加應(yīng)力引起的豎向應(yīng)力增量。將式(2)代入式(1)可得：

Δτ=UtΔσtanφ

(3)

式(3)即為JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[9]中推薦的考慮固結(jié)作用的強(qiáng)度增長(zhǎng)公式。由此，考慮固結(jié)作用的地基不排水強(qiáng)度可表示為：

τf=τ0+Δτ=UtΔσtanφ

(4)

其中，τf為考慮固結(jié)作用的土體不排水抗剪強(qiáng)度；τ0為地基土初始強(qiáng)度。

2.2 考慮固結(jié)作用的承載力計(jì)算公式

地基極限承載力理論以力的極限平衡為基礎(chǔ)，建立了極限承載力與地基土強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系。常用的極限承載力的計(jì)算公式，如太沙基公式[10]、梅耶霍夫公式[11]等，計(jì)算結(jié)果一般相差不大，都具有如下的表達(dá)形式：

(5)

其中，qu為地基承載力；c為土體粘聚力；q為邊載；γ為地基土容重；B為基礎(chǔ)寬度；Nc，Nq，Nγ均為承載力系數(shù)。

由式(5)計(jì)算所得的承載力只和地基土的初始參數(shù)有關(guān)，并未考慮固結(jié)作用下的強(qiáng)度增長(zhǎng)，因此計(jì)算出的承載力屬于土體天然承載力。對(duì)于高應(yīng)力荷載作用下的地基來(lái)說(shuō)，僅依靠天然承載力是無(wú)法承受上部荷載的。另外，地基中的沖剪破壞往往容易發(fā)生在軟粘土層中，且軟粘土層對(duì)地基承載力的影響很顯著。軟粘土層越厚，地基承載力越低[12]。為了更合理地考慮承載力的影響，應(yīng)對(duì)地基中每一層土均進(jìn)行承載力分析，并考慮固結(jié)作用下的土體強(qiáng)度增長(zhǎng)。

對(duì)于工程中土體強(qiáng)度指標(biāo)的選用問(wèn)題，LADD[13]曾提出將工程問(wèn)題分為排水問(wèn)題、部分排水問(wèn)題和不排水問(wèn)題。堆山工程采用分層堆填施工，雖然在過(guò)程中地基土發(fā)生了排水固結(jié)，但每層堆填的施工期不算很長(zhǎng)，且破壞的發(fā)生往往是突然性的，可認(rèn)為是發(fā)生了不排水破壞。另外，根據(jù)摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論，土的強(qiáng)度可劃分為兩部分，分別為粘聚強(qiáng)度c和摩擦強(qiáng)度σtanφ。然而，實(shí)際中土的強(qiáng)度是一種綜合表現(xiàn)，難以簡(jiǎn)單地劃分開(kāi)來(lái)。不排水強(qiáng)度雖是在φu=0的假定下得出的，但這種取值方法可以避免將土體的粘聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度劃分開(kāi)來(lái)。因此，堆山工程中選用不排水指標(biāo)進(jìn)行分析是合理的[14]。

當(dāng)采用不排水指標(biāo)驗(yàn)算地基承載力時(shí)，土體的cu可用τf表示，則式(5)可表示為：

(6)

根據(jù)前文所述，固結(jié)作用下的強(qiáng)度增長(zhǎng)體現(xiàn)為地基土的不排水強(qiáng)度增大，因此將式(4)代入式(6)可得考慮固結(jié)作用的承載力為:

(7)

對(duì)于堆山工程而言，若對(duì)每層地基土均進(jìn)行承載力計(jì)算，可將邊載與所選擇的計(jì)算土層之上的土重合并為一項(xiàng)進(jìn)行考慮，即式(7)中第二項(xiàng)和第三項(xiàng)合并為一項(xiàng)，則式(7)簡(jiǎn)化為:

(8)

其中，γi為計(jì)算土層之上第i層土的容重;Di為與γi相應(yīng)的土層厚度。

式(8)與Prandtl提出的承載力公式具有相似的形式。若考慮Skempton提出的不排水地基承載力系數(shù)Nc為(π+2)，式(8)可改寫(xiě)為:

(9)

根據(jù)式(9)即可對(duì)堆山工程進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算。

為了直觀表示堆山下地基承載力穩(wěn)定性，引入如下安全系數(shù)定義：

(10)

其中，F(xiàn)s為地基承載力安全系數(shù)；p為上覆總荷載。根據(jù)式(10)，可得出施工不同時(shí)期的地基承載力安全系數(shù)，直觀地反映整個(gè)施工期中地基的穩(wěn)定性。

3 工程案例分析

3.1 案例概況

圖1所示等高線為江蘇蘇南某市[1]在其地勢(shì)低洼的軟土地基上進(jìn)行施工的人工堆山，其設(shè)計(jì)高度為54 m。

根據(jù)該工程施工過(guò)程中的沉降資料，在施工開(kāi)始后約370 d時(shí)，沉降出現(xiàn)了明顯的突變，由將近1 m突然增長(zhǎng)到接近6 m。破壞發(fā)生時(shí)，堆山高度達(dá)到40 m，最大荷載約為760 kPa，對(duì)于地基土而言屬于高應(yīng)力作用。

由地質(zhì)資料可知，該工程地基中除土層④淤泥質(zhì)黏土層外，各土層孔隙比和壓縮模量差異不大。土層④淤泥質(zhì)黏土層的壓縮系數(shù)為0.46，其余各層土按厚度平均所得壓縮系數(shù)為0.28，因此所有土層均屬于中壓縮性土,見(jiàn)表1，表2。

表1 地基土體主要參數(shù)

表2 地基土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

3.2 考慮固結(jié)作用的承載力分析

該案例中，地基土中包含含水量大而強(qiáng)度低的軟弱層，因此采用了打設(shè)豎向砂井的方式進(jìn)行地基處理。為了考慮砂井作用，在計(jì)算固結(jié)度時(shí)，砂井貫穿的土層采用巴隆三維固結(jié)理論進(jìn)行分析，砂井底部以下土層按太沙基一維固結(jié)理論分析。其中，土層④只有部分受到砂井作用的影響，因此將該層分為兩部分，一部分被砂井貫穿，受到砂井的徑向排水作用影響，稱(chēng)為④-1；另一部分為砂井未貫穿的部分，不受砂井徑向排水的影響，稱(chēng)為④-2。

按照前文所述方法，對(duì)地基中每一層土均進(jìn)行承載力驗(yàn)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到各層土的承載力安全系數(shù)變化曲線如圖2所示，各層土的最小承載力安全系數(shù)如表3所示。由圖2和表3可知，隨著荷級(jí)不斷增加、時(shí)間不斷增長(zhǎng)，土體的安全系數(shù)不斷減小。在堆山高度達(dá)到40 m時(shí)，土層④-2的承載力安全系數(shù)降低至1以下，說(shuō)明該層土體的承載力不足，地基發(fā)生破壞。這一計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為符合，說(shuō)明通過(guò)這種計(jì)算方式來(lái)驗(yàn)算該工程的地基承載力是可行的。

表3 地基各層土體最小承載力安全系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

1)堆山工程地基穩(wěn)定問(wèn)題需要考慮土體固結(jié)對(duì)強(qiáng)度和承載力的影響。根據(jù)案例分析，本文提出的考慮固結(jié)作用的承載力分析方法能得到與實(shí)際情況較為符合的結(jié)果，說(shuō)明本文所述的方法用于堆山工程承載力驗(yàn)算是可行的。

2)堆山工程的穩(wěn)定分析應(yīng)同時(shí)考慮地基和邊坡的穩(wěn)定。地基承載力往往是堆山工程中起決定性的方面，而邊坡穩(wěn)定也不容忽視。

3)對(duì)于堆山一類(lèi)高應(yīng)力作用下的工程，可充分利用土的固結(jié)特性來(lái)提高地基土的承載能力。山體的建設(shè)不宜過(guò)快，應(yīng)采用分層堆載方式進(jìn)行施工，每一級(jí)荷載施加完畢后，待地基固結(jié)至一定程度、地基承載力提高至足以承受下一級(jí)荷載后，再進(jìn)行下一步的施工。