堆載剛度對地基附加應(yīng)力及穩(wěn)定性的影響

徐書平 李錫銀 龐建成 張純根

0 引言

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)中常遇到各種軟土的地基處理問題。不論是工程運用范圍還是理論上，堆載預(yù)壓法在軟土地基處理方向的運用較為成熟，且其施工簡單及經(jīng)濟效益好，已成為廣泛應(yīng)用的軟土加固方法之一，對其的研究也越來越受到工程研究人員的重視，國內(nèi)學(xué)者也取得了一定的成果。張媛在堆載預(yù)壓中采用袋裝砂井作為工程案例系統(tǒng)地分析了排水系統(tǒng)設(shè)計的具體步驟。趙家成對深厚軟基采用堆載預(yù)壓法的加固效果提出了相應(yīng)的加固控制指標(biāo)。張國聯(lián)基于ABAQUS 有限元軟件對堆載預(yù)壓處理軟土地基的可靠性進行了分析。仝帥以及Yao等也都采用類似的方法對堆載預(yù)壓的加固機理進行研究。徐書平等則探討了分期堆載預(yù)壓過程中考慮強度增長的總應(yīng)力法和考慮超孔隙壓力的有效應(yīng)力法對地基穩(wěn)定性計算的影響。涂園等分析了現(xiàn)有預(yù)壓地基抗剪強度理論（有效應(yīng)力法和有效固結(jié)壓力法）的計算原理，在有效固結(jié)壓力法的基礎(chǔ)上，提出了計算堆載預(yù)壓地基抗剪強度的一個新公式。

一般認為堆載預(yù)壓法的處理效果取決于堆料的重量及軟土承受的外部荷載大小，卻忽略了堆料剛度（彈性模量）對其影響，對于堆料荷載的剛度變化對地基中的附加應(yīng)力及其穩(wěn)定性的影響很少研究。本文根據(jù)改變荷載剛度的變化，來分析地基中附加應(yīng)力及其穩(wěn)定性的變化，探討一些相關(guān)因素之間的關(guān)聯(lián)結(jié)論。

1 有限元計算及結(jié)果

依據(jù)某實際工程，設(shè)計土體完整模型寬度90 m，高度20 m，梯形堆料高6 m，短邊長30 m，斜坡40 度。利用對稱性，以對稱軸為分界線取其一半創(chuàng)建模型，土體及堆料參數(shù)見表1、表2，僅以堆料參數(shù)為變量，計算分析各種堆料作用下土體變形及內(nèi)力；在模型中設(shè)置堆料為彈性體，采取瞬時一次加載方式，土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，底邊設(shè)置為固定邊界。計算剖面及有限元網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

表1 土層及堆料物理性質(zhì)

表2 相同重度下各堆料參數(shù)

圖1 計算剖面圖及有限元網(wǎng)格劃分

圖2 不同的彈性模量下AO 線上各節(jié)點沉降量

取堆料與土層接觸面水平線AO、堆料邊緣豎直線AC 及土層中心軸線OB 為路徑，將所得數(shù)據(jù)繪成圖表，依據(jù)對稱性得出模型另一部分數(shù)據(jù)。

計算結(jié)果表明：在堆料重度相同的前提下，堆料彈性模量越大，軟土地表最終沉降量越小，并且在堆料彈性模量小于10MPa 的時候這種區(qū)別尤為明顯。在A 點附近各曲線存在共同相交點。

表3 不同的彈性模量下AO 線上各節(jié)點沉降量/cm

取堆載中心處及邊緣處軟土即模型OB（如表4、表5、圖3）邊上節(jié)點作為對象，計算其有效應(yīng)力。結(jié)果顯示堆料彈性模量的變化對于軟土地基的有效應(yīng)力也有較大影響，但這影響只發(fā)生在地表淺層，對于層底部的有效應(yīng)力幾乎沒影響。對于AC邊也有相同的規(guī)律性。

表4 不同的彈性模量下OB 線上各節(jié)點有效應(yīng)力/kPa

表5 不同的彈性模量下OB 線上各節(jié)點有效應(yīng)力 yσ/KPa

圖3 不同的彈性模量下OB 線上各節(jié)點有效應(yīng)力 yσ/kPa

在實際施工中，堆載邊緣處土體水平變形對軟土周邊環(huán)境影響較大，而堆料彈性模量對堆載邊緣處的土體水平位移影響也是較大的，具體表現(xiàn)為：堆料彈性模量越大堆載邊緣土體水平位移反而越小，對周邊環(huán)境的影響也是越?。ㄒ姳?、圖4）。

表6 不同的彈性模量下AO 線上各節(jié)點水平位移u1

圖4 不同的彈性模量下AO 線上各節(jié)點水平位移u1

2 穩(wěn)定性分析

在堆載預(yù)壓法中，當(dāng)現(xiàn)場取料使用土體作為堆料時，需要考慮堆料的安全穩(wěn)定性，這里使用畢肖普法計算分析堆料在坡比為1.2 及1.732（對應(yīng)坡角40°、30°）堆載區(qū)的整體穩(wěn)定性（取土體堆料土體粘聚力為0，對于堆料內(nèi)摩擦角分別取15～35）以計算堆載區(qū)的安全性判斷其堆載時是否需要加固措施。

結(jié)果表明在堆料整體穩(wěn)定性對于大多數(shù)土體是不滿足安全要求的，尤其是現(xiàn)場堆料進行堆載預(yù)壓時需進行邊坡加固處理，以確保不會發(fā)生滑動。

表7 不同條件下堆載區(qū)整體穩(wěn)定性

3 結(jié)論

（1）在相同形式和重度的堆料作用下，堆料剛度（彈性模量）會影響軟土地表最終沉降量：堆料彈性模量越小，地表最終沉降量越大，堆載邊線的水平位移也越大；值得一提的是，堆料邊緣處土體存在一定區(qū)域（沉降曲線相交點圖2的p 點處），其沉降量不受堆料彈性模量的影響，具體原因有待于深入研究。

（2）堆料的彈性模量只會影響到上部土層的應(yīng)力，而對深處土層的應(yīng)力幾乎沒有影響：土層地表處附近應(yīng)力隨堆料彈性模量的增大而增大，而在土層底部及堆載邊線處，各種堆料作用下的土層應(yīng)力幾乎完全相等，這是由于堆料剛度存在，使荷載中部形成了一個應(yīng)力拱，剛度越大，應(yīng)力拱越明顯。

（3）當(dāng)堆料的彈性模量大于土層彈性模量時，依據(jù)土力學(xué)理論，簡單成層土應(yīng)力分布的理論解，土層將會發(fā)生應(yīng)力擴散現(xiàn)象，從而堆料彈性模量只會影響堆料邊緣處應(yīng)力分布而對于底層軟土應(yīng)力則幾乎沒有影響。

（4）當(dāng)現(xiàn)場取料使用現(xiàn)場軟土作為堆料時，能達到較大的加載能力，堆載區(qū)能達到較大的沉降量，同時堆料區(qū)土體邊坡穩(wěn)定性不滿足要求，需要保持合適的邊坡坡度，或采取邊坡加固處理措施。