預壓理論在強夯處理山區高填方地基中的應用

李昕，劉華春，鄧睿

(1重慶市建筑科學研究院，重慶400015；2重慶市城市建設發展有限公司，重慶401120)

1 概述

強夯法處理地基加固效果顯著，設備簡單，施工方便，在國內外已廣泛應用于公路、碼頭、機場及工業與民用建筑地基中[1]。在山區填方地基中，填方深度大、強夯有效加固深度有限是強夯應用的瓶頸。山區地基填土以開山泥巖或砂巖碎塊石為主，滲透性良好，孔隙水壓消散時間短，為填土在附加應力作用下強度指標提高提供了有利條件。

本文在強夯地基工程實踐中引入上部有效加固土層對下部彈性區域土層的預壓作用，一定條件下提高了強夯的可加固深度。從而擴大了強夯法在山區高填方地基處理中的應用范圍。

2 堆載預壓非飽和土理論

堆載預壓法作為處理飽和土地基的常用方法已被列入規范[2]。預壓加固飽和土機理是通過加載給地基施加應力，使飽和土中液體排出，孔隙水壓消散，顆粒間有效應力增加，從而提高地基的強度。工程中經過開挖、重塑再壓實的土一般為非飽和土，而非飽和土則在外加荷載作用下，排出氣體和液體，地基的有效應力一樣增大。

土體的承載能力等都與土的抗剪強度有關，土的抗剪強度又取決于土中的應力狀態，利用Mohr-Coulomb破壞準則和有效應力概念(Terzaghi，1936)，可表達飽和土的抗剪強度：

式中：

τff-破壞時破壞面上的剪應力；

c'-有效粘聚力，即法向有效應力為零時的抗剪強度；

(σf-uw)f-破壞時破壞面上的法向有效應力；

φ'-有效內摩擦角。

非飽和土的抗剪強度公式可用獨立的應力狀態變量來表達，Fredlund等1978年提出雙變量理論[3]，其非飽和土的抗剪強度公式如下：

式中：

(ua-uw)f-地基土破壞時在破壞面上的基質吸力；

c'-有效粘聚力；

(σf-ua)f-破壞面上凈法向應力；

φ'-與凈法向應力有關的內摩擦角；

φ''-表示抗剪強度隨基質吸力增大而增大的速度。

由式(2)可以看出，當土接近飽和狀態時，孔隙水壓接近孔隙氣壓，此時無基質吸力，從而變成飽和土的公式(1)。對非飽和土施加法向應力時，總應力增加，當空隙水壓和空隙氣壓隨時間消散后，土粒間的有效應力增大，抗剪強度相應提高。

3 預壓固結的時間效應

在實際工程中，通常取附加應力與土自重應力的比值為0.1的深度作為在該附加應力下受壓層的計算深度。不難看出，在一般多層建筑物自重作為附件應力條件下的計算深度難以超過強夯有效加固深度。從而在高填方地基上的建筑物建成后的沉降變形主要由強夯有效加固深度以下的彈性區域自重固結產生。

將強夯有效加固土層作為預壓荷載施加到下部彈性區域土層時，將對下部土層產生超孔隙氣壓力和孔隙水壓力。超孔隙壓力會隨時間增長而消散，這個過程將導致下部彈性區域土層體積減小或沉降。在強夯處理地基中考慮這個固結過程，可在一定條件下降低強夯有效加固深度以下土層的自重固結，從而降低建筑物在建成以后因這部分土體自重固結引起的沉降變形。

Terzaghi(1943)導出了飽和土—維固結的經典理論，將飽和土的本構方程與流動定律結合起來，用本構方程描述應力狀態變化同土結構變形之間的關系。

式中：

t-固結的時間；

y-壓縮層的厚度；

cv-土的固結系數。

非飽和土的一維固結理論同樣依據上述方法建立，此時土單元體的總體積變化等于水體積變化和氣體積變化之和。在一定加荷條件下，土體的一維固結方程如下：

式中：

Vv-土的孔隙體積；

V0-土的初始體積；

從工程實際出發，由于山區填土成分的滲透良好，孔隙水壓可以很快消散掉，故在研究預壓固結的時間效應上僅需對孔隙氣體的偏微分方程求解。在非飽和土的固結過程中，氣體和水可能同時流動，相互作用，Fredlund等對非飽和土氣相的固結方程進行了推導：

式中：

Ca-與氣相偏微分方程有關的相互作用系數。

4 工程實例

4.1 工程概況

重慶某工程為4層框架結構，地基填方深度約15m，填土以泥巖碎塊石夾粉質粘土組成，泥巖碎塊石約占50%～70%，填方時間約10個月。原始地貌距設計標高約8m。擬采用4000kN·m點夯夯擊能對地基進行加固處理。試夯有效加固深度為8m，難以滿足工程需要，有效加固深度以下土層的自重固結為影響房屋變形的主要因素（表1）。

4.2 沉降變形分析

正如Fredlund1999年指出“實踐證明非飽和土力學很難應用于實際工程”[4]，堆載預壓非飽和土理論僅僅對山區高填方強夯地基處理可加固深度的提高指明了方向和理論基礎。在實際中，因為計算參數的量測難度大、費用高。依據巖土工程的半經驗設計法，本文采用深層沉降變形觀測的方式來驗證強夯有效加固層對下部彈性區域的預壓作用。

表1 填土與變形有關的物理力學參數

在地基變形計算中常常需要假定一個固結度，求得達到這個固結度所需要的時間。因土體的固結往往需要幾十年甚至更長的時間，工程中我們采用達到75%固結度的地基土近似認為固結已被消除。

本工程試夯區采用深層沉降環對上部8m填土填筑后，再對下部7m填土的沉降變形進行測試。下部填土的總沉降量采用規范法[2]進行計算。

為測試下部填土的固結時間。在20m×20m的試夯區內均勻設置9個深層沉降觀測點。沉降測點設置在下層7m填土表面，在進行8m填土過程選取具有代表性的3個觀測點數據如表2。

表2 深層沉降觀測數據

圖1 各測點隨時間變形趨勢

可以看出，強夯有效加固深度內填土作為預壓荷載施加給下部土層后40d可以使該土層平均固結度超過75%。這樣，通過強夯有效加固層內土對下部彈性區域土層的預壓作用，有效消除了下部彈性區域土層自重固結，在一定條件下增加了強夯可加固深度，目前該工程已正常使用一年，最大沉降量僅12mm，最大不均勻沉降量僅3mm。

5 結語

(1)工程實踐證明，強夯有效加固層對下部彈性區域土層的預壓作用明顯，8m有效加固深度內填土可在40d以內使下層7m填土的自重固結消除75%左右，采用預壓非飽和土固結理論提高強夯處理山區碎塊石高填方地基可加固深度，具有很大的經濟效益。

(2)預壓非飽和土理論及固結方程在工程中的應用因其參數多、量測難度大、費用高等原因，有待進一步研究。

[1]地基處理手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[2]中國建筑科學研究院.JGJ79-2002建筑地基處理技術規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]D.G Fredlund，H.Rahardjo.非 飽 和 土 土 力 學[M].陳 仲頤，張在明，陳愈烔，等，譯.北京：中國建筑工業出版社，1997.

[4]姚攀峰，張明，張振剛.非飽和土土力學工程應用方法[J].工程地質學報，2005(3).

[5]孔凡林，李成芳，李昕.重慶地區強夯地基遇水穩定性分析與防止對策研究[J].重慶建筑，2010(2).

[6]孔凡林，李成芳.強夯法在山區塊石拋填地基中的工程實踐[J].地下空間與工程學報，2010(S2).