不同加載速率和地基處理方式下軟土地基穩(wěn)定性的研究

楊國寶，徐申力，王大可，丁 峰

(1.浙江大學 建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028； 2.廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006)

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，促進我國的交通基建項目大幅獲批建設，公路修建工程規(guī)模也日益龐大。在各類公路項目施工建設過程中，經(jīng)常會遇到沉降大、排水凝固低、壓縮性高以及較差穩(wěn)定性的軟土地質(zhì)帶。對軟土地基的沉降速率和沉降量進行科學控制，以確保軟土地基的穩(wěn)定性。這已經(jīng)成為眾多工程設計及施工人員直面并加亟待解決的工程問題[1-4]?，F(xiàn)行的行業(yè)標準及相關規(guī)范均對軟土地基的穩(wěn)定性監(jiān)測和施工控制措施、運行監(jiān)測指標進行了一系列規(guī)定。通常，在軟土地基的穩(wěn)定性監(jiān)測過程中，主要將軟土地基坡腳處的水平位移和土質(zhì)地表沉降作為主要的監(jiān)測指標，通過設定水平位移速率和沉降速率作為監(jiān)測模型的控制指標，實現(xiàn)對軟土地基穩(wěn)定性的判斷。該種對軟土地基的穩(wěn)定性判斷方法具有直觀方便的優(yōu)勢，因此受到工程行業(yè)的廣泛應用和認可。

通常情況下，地基的變形速率會隨其穩(wěn)定性增加而逐漸降低，但能影響軟土地基的穩(wěn)定性和沉降變形的因素眾多，僅依靠監(jiān)測軟土地的水平位移和沉降速率的數(shù)值變化作為其穩(wěn)定性判據(jù)的手段是不夠準確的。已有眾多的工程實例監(jiān)測資料說明：工程施工中遇到的軟土地基表層形變速率經(jīng)常超過設定的限值標準，但未發(fā)現(xiàn)軟土地基失去穩(wěn)定性的情況[5-6]；而對于軟土地基發(fā)生整體失穩(wěn)的事故中，其地表形變的速率在發(fā)生失穩(wěn)前又未出現(xiàn)超過設定的控制標準，但軟土地基突然產(chǎn)生整體性失穩(wěn)。目前，國內(nèi)眾多學者對制定的判別標準進行了深度解析。文獻[7-9]詳細分析了軟土地基的排水固結(jié)地基情況，且結(jié)合工程實際情況對制定的沉降速率的控制限值進行了模擬分析；文獻[10-12]考慮到堆載工程的加載速率對軟土地基形變具有重要影響，但僅基于不同軟基工程簡單的標準并非完全合理化。

綜上所述，結(jié)合工程實際的情況，本文基于軟土地基的不同加載速率和處理方式對地基形變的影響研究，通過有限元法進行仿真計算，算例仿真結(jié)果說明了本文方法可為軟土地基的堆載工程監(jiān)測工作提供相關工程經(jīng)驗參考。

1 工程概況

本文選取某地區(qū)軟土地基下人工地形堆筑工程設計高程為+11.5 m，長150 m，近正方形布置，從上往下土層分布依次為堆土、砂土墊層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)軟黏土和粉質(zhì)黏土。為了保證工程區(qū)域淤泥質(zhì)黏土的固結(jié)速率，采用打設塑料排水板的方式加快土體排水固結(jié)。在工程堆筑施工過程中，進行地表沉降、測斜、孔隙水壓力、分層沉降等內(nèi)容的必要地基穩(wěn)定性監(jiān)測。土層分布及勘查物理指標見表1。

表1 土層勘察參數(shù)Tab.1 Parameters of soil investigation

2 建立數(shù)值模型

目前，針對巖土工程的有限元計算軟件較多，但其軟土地基的監(jiān)測計算理論和方法大致相同，本文利用Plaxis計算軟件可很好地處理變形、固結(jié)、回填開挖、卸載加載、土體工程的穩(wěn)定性分析、滲流等各類計算，已逐漸在行業(yè)廣泛推廣使用。本文宜利用該軟件進行建模仿真分析。

為不斷提高模型的計算效率，優(yōu)化內(nèi)存占用，采用對稱性建模的方式建立了本文涉及的軟土地基工程的有限元仿真模型。模型的設置的尺寸寬度及深度均設定為75 m，其設計坡度比例設置為1.0∶1.5，填土底部寬度設置為24 m。此外，仿真模型的邊界條件設定如下：軟土地基底部設置為固定邊界，且軟土地基的左右兩側(cè)均為水平位移約束，軟土地基的上部表面設定為排水邊界。其土體的上方堆土和砂土墊層選擇Mohr-Coulomb模型仿真計算，下部黏土則利用改進的Cam-Clay模型進行計算。建立的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型 Fig.1 Finite element analysis model

建立的仿真模型的土體詳細參數(shù)見表2和表3。結(jié)合文獻[13]討論的Cam-Clay模型原理，利用加工硬化規(guī)律應用于Cam模型中，對軟土地基的形變特性進行詳細闡述，獲得一個較完整的軟土地基下的計算模型，模型能反映軟土地基的彈塑性特性，尤其考慮了軟土體的塑性體積變形?；诮?jīng)典塑性位勢理論，采用了單屈服面和關聯(lián)流動法則，它在主應力空間上的形狀就像一頂帽子，亦稱帽子模型。

表2 上方堆土和砂土墊層參數(shù)Tab.2 Parameters of soil and sand cushion

表3 軟土體參數(shù)Tab.3 Soil parameters of soft soil

3 不同加載速率對軟土地基穩(wěn)定性影響

現(xiàn)階段，工程中經(jīng)常采用等速較慢、等速較快和不等速3種加載模式，為更好地模擬工程現(xiàn)狀，數(shù)值計算中亦分別采用這3種加載模式進行加載。其中，等速較慢(工況1) 的加載速率為0.25 m/d，等速較快(工況2)的加載速率為0.5 m/d，不等速加載(工況3)開始加載速率為1.0 m/d，而改為低速0.25 m/d進行加載。對上述3種加載工況進行數(shù)值計算，并提取3種不同加載速率下的地基沉降變化曲線和沉降速率變化曲線，如圖2和圖3所示。

圖2 不同加載速率下地基沉降變化曲線 Fig.2 Variation curve of foundation settlement under different loading rates

由圖2可以看出，3種工況下的極限土體堆高均在5.0 m左右，不同加載速率下，相同堆積高度下地基土體的沉降變化量差距很小。

圖3 不同加載速率下沉降速率變化曲線Fig.3 Curves of settlement rate under different loading rates

從圖3可以看出，3種工況下，加載速率對地基土體沉降速率影響很大。等速加載2種工況下，在土體發(fā)生失穩(wěn)破壞前沉降速率沒有大的波動，隨著荷載的增加，地基土體沉降速率表現(xiàn)為緩慢增長，土體內(nèi)部應力水平增加，宏觀表現(xiàn)為整體穩(wěn)定安全度降低，當土體達到極限破壞狀態(tài)時，沉降速率發(fā)生突變，土體發(fā)生破壞。不等速加載工況下，加載速率的變化對土體沉降速率影響顯著，雖然在土體穩(wěn)定性安全度高，但由于加載速率大，沉降速率也大，后期隨著加載速率的減小，土體沉降速率下降明顯；達到土體極限破壞狀態(tài)時，隨著進一步的加載，土體發(fā)生破壞；沉降速率變化會出現(xiàn)先快后慢的反常情況?？梢?，地基變形速率大不一定代表地基土體處于危險狀態(tài)，地基變形速率小也不一定代表土體整體穩(wěn)定安全，簡單地通過地基變形速率對地基穩(wěn)定性進行判斷并不合理，需要綜合考慮多種因素進行判斷。

4 不同地基處理方式對地基穩(wěn)定性的影響

現(xiàn)階段，針對軟土地基處理依據(jù)排水和不排水方式分為2類地基處理手段。常見的不排水地基處理有抗滑樁地基和水泥土樁復合地基；對于排水地基，主要通過設置塑料排水板和塑料排水板聯(lián)合抗滑樁等手段進行排水加固。為了研究不同地基處理方式對地基穩(wěn)定性的影響，選用上述4種典型處理方式的地基和天然地基分別進行數(shù)值計算，即抗滑樁復合地基(工況1)、水泥土樁復合地基(工況2)、塑料排水板復合地基(工況3) 、塑料排水板聯(lián)合抗滑樁復合地基(工況4)和天然地基(工況5)5種工況。在前述已建數(shù)值分析模型的基礎上，進行4種地基處理方式的設置。地基中采用直徑0.5 m、長度為15 m的抗滑樁和水泥土樁，間距為2.0 m；地基處理方式的具體模擬過程參考文獻[16]提出的水泥土樁和塑料排水板簡化方法進行設置處理；土工格柵單元采用有限元內(nèi)置土工格柵單元進行模擬。另外，需要說明的是不排水地基的加載方式采用加載速率為0.5 m/d的恒速加載，而對于排水地基加載速率亦為0.5 m/d，但增加了預壓階段，進行逐級加載。對上述5種工況分別進行數(shù)值計算，并提取5種不同地基處理方式下的地基沉降速率曲線和水平位移(坡腳特征點) 速率變化曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 不同地基處理方式下地基沉降速率變化曲線Fig.4 Curves of ground settlement rate under different ground treatment methods

圖5 不同地基處理方式下地基水平位移速率變化曲線Fig.5 Curves of horizontal displacement rate under different foundation treatment methods

由圖4、圖5可以看出，排水地基處理方式與不排水地基處理方式相比，兩者差別很大，排水地基的極限堆高約為未排水地基土體極限堆高的2.5倍，地基土體安全度得到明顯提升；不排水地基(工況1、工況2和工況5)在地基土體發(fā)生破壞之前，地基土體的沉降速率和坡腳處水平位移速率始終未超過20.0 mm/d，究其原因，主要是軟黏土地基內(nèi)部未進行排水固結(jié)，土體內(nèi)部超孔隙水壓力消散速度緩，一方面與土體排水密實，顆粒間的空隙變小有關；另一方面，排水系統(tǒng)功能的弱化也不可忽視，主要表現(xiàn)為后期塑料排水板往往發(fā)生扭曲變形，內(nèi)部通道被土體顆粒堵塞，從而影響了水體的進一步排出。

綜上，地基穩(wěn)定性的影響復雜，需要多方面的考慮和合理的分析，才能給出更為科學的評價；對于采用排水地基處理方式，在加載初期沉降速率就很大，加載后期由于土體間空隙排水固結(jié)、顆粒之間密實，地基變形速率顯著降低。

對于水平位移速率，排水復合地基在堆高5 m左右時出現(xiàn)了一個快速增長期，但隨后又降了下來，過大的位移速率并沒有引發(fā)土體地基發(fā)生破壞，究其原因主要是由于地基土體內(nèi)部超孔隙水壓力消散速度快，變形速率增大，地基抗剪強度也隨之快速提升?？梢姡煌牡鼗幚矸绞綄浲恋鼗姆€(wěn)定性有重要影響。需要指出的是，采用塑料排水板進行軟土地基排水固結(jié)，實際工程中往往會出現(xiàn)前期變形速率大后期變形速率小。

5 結(jié)語

道路建設過程中會遇到較多的軟土地基，軟土地基的穩(wěn)定性直接決定了道路的安全可靠。文章結(jié)合實際工程，開展不同加載速率和地基處理方式對軟土地基變形的影響的研究，得出以下結(jié)論：

(1)地基變形速率大不一定代表地基土體處于危險狀態(tài)，地基變形速率小也不一定代表土體整體穩(wěn)定安全，簡單地通過地基變形速率對地基穩(wěn)定性進行判斷并不合理，需要綜合考慮多種因素進行判斷。

(2)不同的加載速率對軟土地基的變形速率有著顯著影響，等速加載和不等速加載方式不宜采用相同變形速率控制指標，在實際工程中應綜合考慮土體特性及工程情況進行分析，以給出科學的評定。

(3)不同的地基處理方式對軟土地基的穩(wěn)定性有重要影響，地基的排水性能好，能顯著提升軟土地基的穩(wěn)定性；排水地基和不排水地基的穩(wěn)定性也不宜采用單一的變形速率控制指標進行評定。