高應力荷載作用下軟土地基穩定性分析

陶 琳

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

1 概述

近些年來，城市人工造景堆山工程施工過程中經常發生山體失穩。發生失穩的根本原因主要是因為地基土中的軟弱土層承載力不足，地基發生沖剪破壞，從而進一步導致山體沉陷和滑坡。

關于人工堆山的研究，國內外均有不同程度的進展。Rajaram等[3]、顧鳳祥等[1]、廖輝[2]、翁鑫榮[4]、陳國棟[5]、王威[6]、韋智等[7]學者分別從堆山材料的選擇、山體穩定性的理論及有限元分析、施工技術手段等方面進行了一定程度的研究。

結合堆山工程的特性，考慮土體固結作用下土體強度增長特性，提出一種運用土體強度指標考慮固結作用的地基承載力計算方法，對地基中每層土均進行地基承載力分析。通過案例分析，對所提出的方法進行運用和說明。

2 考慮強度增長的承載力計算方法

2.1 土體固結對土體強度的影響

關于固結作用下的強度增長估算，沈珠江[8]認為不排水抗剪強度增量與豎向有效應力增量和內摩擦角有關，軟黏土抗剪強度的增加取決于破壞前潛在破壞面上的有效應力增量，可用下式表示：

Δτ=Δσ′tanφ

(1)

其中，Δτ為不排水強度增量；Δσ′為豎向有效應力增量；φ為地基土內摩擦角。根據有效應力原理和地基平均固結度的定義，可得到如下表達式：

Δσ′=Δu=UtΔσ

(2)

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

Δτ=UtΔσtanφ

(3)

式(3)即為JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范[9]中推薦的考慮固結作用的強度增長公式。由此，考慮固結作用的地基不排水強度可表示為：

τf=τ0+Δτ=UtΔσtanφ

(4)

其中，τf為考慮固結作用的土體不排水抗剪強度；τ0為地基土初始強度。

2.2 考慮固結作用的承載力計算公式

地基極限承載力理論以力的極限平衡為基礎，建立了極限承載力與地基土強度指標之間的關系。常用的極限承載力的計算公式，如太沙基公式[10]、梅耶霍夫公式[11]等，計算結果一般相差不大，都具有如下的表達形式：

(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為基礎寬度；Nc，Nq，Nγ均為承載力系數。

由式(5)計算所得的承載力只和地基土的初始參數有關，并未考慮固結作用下的強度增長，因此計算出的承載力屬于土體天然承載力。對于高應力荷載作用下的地基來說，僅依靠天然承載力是無法承受上部荷載的。另外，地基中的沖剪破壞往往容易發生在軟粘土層中，且軟粘土層對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，應對地基中每一層土均進行承載力分析，并考慮固結作用下的土體強度增長。

對于工程中土體強度指標的選用問題，LADD[13]曾提出將工程問題分為排水問題、部分排水問題和不排水問題。堆山工程采用分層堆填施工，雖然在過程中地基土發生了排水固結，但每層堆填的施工期不算很長，且破壞的發生往往是突然性的，可認為是發生了不排水破壞。另外，根據摩爾—庫侖強度理論，土的強度可劃分為兩部分，分別為粘聚強度c和摩擦強度σtanφ。然而，實際中土的強度是一種綜合表現，難以簡單地劃分開來。不排水強度雖是在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度和摩擦強度劃分開來。因此，堆山工程中選用不排水指標進行分析是合理的[14]。

當采用不排水指標驗算地基承載力時，土體的cu可用τf表示，則式(5)可表示為：

(6)

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

(7)

對于堆山工程而言，若對每層地基土均進行承載力計算，可將邊載與所選擇的計算土層之上的土重合并為一項進行考慮，即式(7)中第二項和第三項合并為一項，則式(7)簡化為:

(8)

其中，γi為計算土層之上第i層土的容重;Di為與γi相應的土層厚度。

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Nc為(π+2)，式(8)可改寫為:

(9)

根據式(9)即可對堆山工程進行地基承載力驗算。

為了直觀表示堆山下地基承載力穩定性，引入如下安全系數定義：

(10)

其中，Fs為地基承載力安全系數；p為上覆總荷載。根據式(10)，可得出施工不同時期的地基承載力安全系數，直觀地反映整個施工期中地基的穩定性。

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]在其地勢低洼的軟土地基上進行施工的人工堆山，其設計高度為54 m。

根據該工程施工過程中的沉降資料，在施工開始后約370 d時，沉降出現了明顯的突變，由將近1 m突然增長到接近6 m。破壞發生時，堆山高度達到40 m，最大荷載約為760 kPa，對于地基土而言屬于高應力作用。

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

表1 地基土體主要參數

表2 地基土樣物理性質指標

3.2 考慮固結作用的承載力分析

該案例中，地基土中包含含水量大而強度低的軟弱層，因此采用了打設豎向砂井的方式進行地基處理。為了考慮砂井作用，在計算固結度時，砂井貫穿的土層采用巴隆三維固結理論進行分析，砂井底部以下土層按太沙基一維固結理論分析。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，稱為④-2。

按照前文所述方法，對地基中每一層土均進行承載力驗算。經過計算，得到各層土的承載力安全系數變化曲線如圖2所示，各層土的最小承載力安全系數如表3所示。由圖2和表3可知，隨著荷級不斷增加、時間不斷增長，土體的安全系數不斷減小。在堆山高度達到40 m時，土層④-2的承載力安全系數降低至1以下，說明該層土體的承載力不足，地基發生破壞。這一計算結果與實際情況較為符合，說明通過這種計算方式來驗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

4 結語

1)堆山工程地基穩定問題需要考慮土體固結對強度和承載力的影響。根據案例分析，本文提出的考慮固結作用的承載力分析方法能得到與實際情況較為符合的結果，說明本文所述的方法用于堆山工程承載力驗算是可行的。

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

3)對于堆山一類高應力作用下的工程，可充分利用土的固結特性來提高地基土的承載能力。山體的建設不宜過快，應采用分層堆載方式進行施工，每一級荷載施加完畢后，待地基固結至一定程度、地基承載力提高至足以承受下一級荷載后，再進行下一步的施工。