化學固結渣土層的應力和位移分析

黃 明，薛道銳，史春華，李 宏，溫學鈞

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

基于環保的需求，浦東機場承接消納了大量的本市建筑渣土。依據地勘數據可見，渣土層受沉積環境影響表現出土質松散、黏性土和粉性土呈層狀交叉分布等特點，整體的土質也不均勻，土體性質較差，且表現出液化現象。對于市政道路或建筑地基而言，其承載力過低，回彈模量均較小，且沉降尚未完全穩定，因此必須進行固結處理方可進行道路工程建設[1]?；诂F場情況、施工特性和經濟性原則，擬對渣土層進行由上至下的逐層化學固結處理[2]。在工程實施之前，其受力和破壞方式需進行基于各種變量的模擬分析和研究，才可確定固結的指標[2-3]。

化學固結劑穩定渣土的力學性能和結構特性要求都與我國通常所用的無機結合料不同，其混合料設計必須與結構性能要求相適應[3]。固結的土層將會在原軟土層的上方形成硬殼層，其強度達到道路或建筑承載力的需求之后，此層與下部承載層的作用如何，將如何產生應力和應變，對其沉降預測是極為重要的研究關鍵點[4]。

借助有限元分析軟件Ansys，以取土固結試驗數據為依據，分析固結層地基在路堤荷載作用下的應力、應變特點，以確定不同影響因素作用下固結層地基的沉降模式。為了簡化計算，路堤荷載作用下固結層地基的簡化計算模型如圖1所示。路堤基礎簡化為一定寬度的均布荷載，同時根據不同工況確定硬殼層以及軟土層的厚度。

圖1 簡化分析模型

1 固結劑穩定渣土混合料設計

1.1 固結劑的選擇

根據市場調研和前期實驗室土質研究，WK+型固結劑是較為適合的固結劑，具有前期強度較高且后期穩定增長的特性，較傳統的水泥固結劑有著更加優異的性能。因此此次研究選用固結劑WK+進行固結渣土的設計。

1.2 固結渣土用于路面結構層位

將固結渣土應用于浦東機場區域，首先應進行上海地區常規路面結構的把握。長期研究和工程經驗得到的穩定且性價比較高的常規處理方式如下：路基采用石灰土處理；墊層為礫石砂墊層；基層為水泥穩定集料。通過對比分析，當WK+劑量為4.5%與6%時，WK+固結渣土強度、模量都能遠遠超出石灰土路基與礫石砂墊層要求；當WK+劑量為8%以上時，WK+固結渣土強度、模量都能達到水泥穩定碎石性能要求。通過室內試驗結果分析，采用WK+固結渣土可以用于路基、墊層與基層，如圖2所示。

圖2 固結劑穩定渣土作為道路墊層與土基

1.3 固結劑穩定渣土材料設計過程

1.3.1 一般規定

（1）根據渣土的種類和性質，確定選用WK+-1型，再通過配合比設計試驗，選用最適宜的用量。

（2）WK+固結渣土的配合比應采用質量比。WK+質量占全部粗細土顆粒干質量的百分率，即WK+劑量＝WK+質量/（WK+質量+干土質量）。

（3）WK+固結渣土配合比設計應根據設計要求及WK+固結渣土強度標準確定。

（4）WK+固結渣土中的各集料的試驗方法可按現行行業標準《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）執行。

1.3.2 渣土試驗

被固結渣土中建筑廢渣的粒徑不應大于施工厚度的1/3。其最大粒徑應通過配合比設計，并綜合考慮施工工藝最終確定。

應用的廢棄物中不得含有種植土、腐殖土、垃圾土、淤泥質土等，也不得含有雜草、樹根或農作物殘根等雜物。廢棄物的粒徑不應大于100 mm，還應滿足表1要求。

表1 建筑廢棄物應用要求

被固結渣土中建筑廢渣粒料的含量宜控制在50%～60%。

對于上海浦東機場堆填的渣土，應取代表性的試樣，按《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）進行下列試驗：

（1）顆粒分析。

（2）液限和塑性指數。

（3）最佳含水量。

（4）擊實試驗（重型擊實）。施工現場混合料最大干密度分布極不均勻，按現場取樣做室內試驗確定。

1.3.3 WK+固結渣土的配合比設計

（1）WK+固結渣土的配合比設計應根據不同工程部位選用不同的無側限抗壓強度標準。

（2）浦東機場的市政道路等級為主干路、次干路和支路，WK+固結渣土均處于道路的土路基、墊層和基層部位。

（3）WK+固結渣土各層的7 d無側限抗壓強度、摻量設計指標見表2。

表2 WK+固結渣土抗壓強度、摻量設計值

2 模型尺寸及邊界條件

為了清楚地了解固結層地基在路堤填筑過程中的變形機理，針對一般硬殼層及軟土的特點，模擬了固結層和未處理渣土變形破壞情況。模型尺寸及有限元網格如圖3、圖4所示。其中，固結層模型中，硬殼層厚度為3 m，下臥軟土厚度為100 m，模型長度為200 m，路堤基礎寬度為50 m。軟土地基模型中，軟土厚100 m，長度為200 m，路堤基礎寬度為50 m。

圖3 硬殼層計算模型（單位：m）

圖4 軟土層計算模型（單位：m）

數值模型所選用的參數見表3。硬殼層和軟土層選用通用的Drucker-Prager模型。模型的左右、前后及底部取法向支座約束。模型選取單元情況如下：硬殼層和軟土層都選用6面體8節點單元，如圖3、圖4所示。固結層模型單元數為2 000個，節點數為6 000個。軟土模型單元數為1 500個，節點數為5 400個。

表3 計算參數

對于有限元分析而言，現有的研究認為判斷地基是否完全破壞主要有地基內部塑性區貫通以及有限元求解不收斂[5]。但導致有限元求解不收斂的因素是多方面的，并不能作為判斷地基完全破壞的標準[6]。因此在以下分析中，將地基內部塑性區貫通作為判斷地基完全破壞的標準。

3 應力和位移分析

固結層地基的特殊工程性質使得其在路堤荷載作用下的應力-應變也有別于均質地基。圖5為未處理渣土地基和硬殼層地基在路堤極限荷載下的位移云圖。

圖5 位移矢量圖

由圖5可知，兩種地基破壞模式明顯不同。對于未處理渣土，路堤荷載在施加過程中，地基發生明顯下沉，地層發生破壞，當路堤基底刺入一定深度后，地層土體發生垂直剪切破壞。而對于固結層地基，路堤荷載施加過程中，路堤土體隨地基的壓縮變形而下沉，硬殼層發生破壞，路堤基底刺入一定深度后，坡腳周圍土體發生整體剪切破壞。但在硬殼層的保護下，地基破壞深度明顯小于軟土層破壞深度，說明硬殼層起到了很好的保護效果。

圖6為未處理渣土地基和固結層在路堤極限荷載下的地表沉降曲線。

圖6 地表沉降曲線

如圖6所示，對于固結地基形式而言，沉降的最大位置都在路基中心線下，均質地基地表最大沉降量約為6.5 m，固結層地表最大沉降量約為1.3 m。同時在距路基中心線一定距離后，兩種類型的地基均發生一定程度的隆起。

圖7為極限荷載作用下，路基中心線附加應力隨深度變化曲線。

圖7 中心線下附加應力分布曲線

如圖7所示，在相同的路堤荷載作用下，均質渣土的地基附加應力值為135 kPa，固結層地基的地表附加應力值為90 kPa。相對于未處理渣土地基，在路基中心線下相同深處，固結層地基附加應力更小，而且隨著深度的增加，固結層路基的附加應力衰減更快。

通過對比分析，可以認為相對于未處理渣土地基，上覆固結渣土層的地基可以有效保護下方軟土地層，下臥軟土層在受力時，只有在克服了上部硬殼層的封閉作用后，才能向上隆起直至地基破壞。硬殼層的擴散應力以及封閉效應的存在使得其更好地保護下部軟土層，從而體現出固結層更好的工程特性。

4 結語

利用有限元對浦東機場渣土層進行模擬的化學固結進行研究，分析了固結層地基在路堤荷載作用下破壞面發展過程及應力、應變特點，并確定不同影響因素作用下固結層地基的破壞模式。得到結論如下：

（1）根據WK+固結渣土試驗結果，結合路面結構層性能要求，提出了固結劑穩定渣土材料設計的指標要求，總結了固結劑穩定渣土材料的設計步驟。

（2）對于未處理的渣土，路堤荷載在施加過程中，地基發生明顯下沉，地層發生破壞，當路堤基底刺入一定深度后，地層土體發生垂直剪切破壞。而對于固結層地基，路堤荷載施加過程中，路堤土體隨地基的壓縮變形而下沉，硬殼層發生破壞，路堤基底刺入一定深度后，坡腳周圍土體發生整體剪切破壞。但在硬殼層的保護下，地基破壞深度明顯小于軟土破壞深度，說明固結的硬殼層起到了很好的保護效果。

（3）相對于未處理渣土地基，上覆固結渣土層地基可以有效保護下方軟土地層，下臥軟土層在受力時，只有在克服了上部硬殼層的封閉作用后，才能向上隆起直至地基破壞。固結的硬殼層的擴散應力以及封閉效應的存在使得其更好地保護下部軟土層。基于模型，在相同的路堤荷載作用下，均質地基地表最大沉降量約為6.5 m，固結層地表最大沉降量約為1.3 m；均質軟土層的地基附加應力值為135 kPa，固結層地基的地表附加應力值為90 kPa。