軟土地基固結(jié)抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律研究

張 程 （安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

邊坡的抗滑穩(wěn)定性、構(gòu)筑物的土壓力、地基承載力等問題都涉及到巖土體的強(qiáng)度理論，巖土體的強(qiáng)度主要指其抵抗剪切變形或破壞的能力，所以土的強(qiáng)度主要指土的抗剪強(qiáng)度。自然狀態(tài)下軟土地基的強(qiáng)度很低，如果在相關(guān)計(jì)算中直接采用地基的天然抗剪強(qiáng)度，往往得到的結(jié)果過于保守，如果采用固結(jié)效應(yīng)作用下的抗剪強(qiáng)度，即抗剪強(qiáng)度隨著固結(jié)過程而增加，使得地基土的強(qiáng)度參數(shù)適應(yīng)下一級(jí)荷載增長(zhǎng)，更符合工程實(shí)際[1][2]。

目前考慮抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法主要有有效應(yīng)力法和有效固結(jié)應(yīng)力法。這2種方法本質(zhì)上是將地基強(qiáng)度增長(zhǎng)反映于抗滑力的增長(zhǎng)，實(shí)質(zhì)上在計(jì)算過程中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)并沒有變化，地基土總的抗剪強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上并不隨固結(jié)度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。計(jì)算公式雖然直觀簡(jiǎn)便，但在實(shí)際計(jì)算中，難度很大，必須先計(jì)算施工期土體內(nèi)孔隙水壓力的變化，包括起始孔隙水壓力和孔隙水壓力的消散，對(duì)于壩基的每一點(diǎn)全施工過程的孔隙水壓力準(zhǔn)確的掌握是十分困難的，且會(huì)使計(jì)算過程相當(dāng)繁瑣，對(duì)于現(xiàn)有的較為成熟的邊坡穩(wěn)定性極限平衡計(jì)算程序中尚無法直接進(jìn)行應(yīng)用，給公式的使用帶來了困難。

實(shí)際上，對(duì)于抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)的土體穩(wěn)定性計(jì)算，可以從抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化來直接反映邊坡穩(wěn)定性的變化。在軟土地基上分期加載堆筑，可以先計(jì)算出各個(gè)加載階段的地基固結(jié)度，然后計(jì)算出不同固結(jié)度對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，采用Bishop法，就可以將抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與加載時(shí)序?qū)?yīng)，得到不同的加載時(shí)序采用不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)來計(jì)算土石壩穩(wěn)定性安全系數(shù)。

2 固結(jié)效應(yīng)作用下抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律

采用固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，計(jì)算土體各個(gè)階段安全穩(wěn)定性系數(shù)，偏于危險(xiǎn)。鑒于此，有必要考慮采用飽和粘性土某一固結(jié)度狀態(tài)下的不排水減強(qiáng)度指標(biāo)，來計(jì)算土體的穩(wěn)定性安全系數(shù)。秦植海[3]、楊嶸昌[4]、魏麗敏[5]關(guān)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨固結(jié)度的變化規(guī)律相關(guān)研究固結(jié)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系為：

其中：φi-任意固結(jié)度狀態(tài)下，不排水剪切內(nèi)摩擦角；

σ1I-第一組試驗(yàn)極限狀態(tài)下大主應(yīng)力；

Ci-任意固結(jié)度狀態(tài)下，不排水剪切粘聚力。

某銅礦尾礦庫(kù)攔擋壩的是在湖邊沉積灘上采用一次性筑壩的方式建壩，壩基主要分布于第四系全新統(tǒng)湖積相淤泥質(zhì)土上，壩體填筑施工總體分兩期進(jìn)行。

①第一期：填筑至24.0m高程，施工時(shí)間0～6個(gè)月，包括對(duì)劉家溝老土堤改造、反壓平臺(tái)填筑（至20.0m高程）。施工完成后，間歇3個(gè)月。

②第二期：填筑至30.0m高程，施工時(shí)間9～12個(gè)月。

圖1 主壩計(jì)算斷面堆載時(shí)序圖

依據(jù)勘察報(bào)告給出的淤泥質(zhì)土不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：ccu=11.50kPa，φcu（°）=11.77°。

計(jì)算出：

淤泥質(zhì)土在固結(jié)度等于0時(shí)，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為 φi=0°、ci=19.8kPa；

主壩第一級(jí)堆載至+24m高程時(shí)地基土固結(jié)度為22%，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：φi=3.8°，ci=15.2kPa；

主壩堆載完成至+30m高程時(shí)地基土固結(jié)度68%，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：φi=8.2°，ci=7.8kPa；

主壩第堆載完成60天后地基土固結(jié)度為87%,其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：φi=11.6°，ci=6.5kPa；

圖2 內(nèi)摩擦角和黏聚力隨固結(jié)度變化規(guī)律

通過圖2內(nèi)摩擦角和黏聚力隨固結(jié)度變化規(guī)律可以得出：

①隨著固結(jié)度增加，內(nèi)摩擦角逐漸增加，采用線性函數(shù)y=12.51x+0.364進(jìn)行擬合，相關(guān)度系數(shù)R2=0.984，表明內(nèi)摩擦角和固結(jié)度成正相關(guān)關(guān)系；

②隨著固結(jié)度增加，黏聚力逐漸降低，采用線性函數(shù)y=-15.50x+19.18進(jìn)行擬合，相關(guān)度系數(shù)R2=0.982，表明內(nèi)摩擦角和固結(jié)度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 固結(jié)效應(yīng)作用下穩(wěn)定性分析方法

采用Bishop法，將固結(jié)效應(yīng)作用下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)帶入計(jì)算模型，對(duì)堆載到+24m和+30m分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比初步設(shè)計(jì)采用有效應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果。

3.1 堆載到+24m高程穩(wěn)定性分析

圖3 初步設(shè)計(jì)堆載至+24m高程穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖4 考慮固結(jié)效應(yīng)后堆載至+24m高程上游穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖5 考慮固結(jié)效應(yīng)后堆載至+24m高程下游穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

攔擋壩施工堆載至+24m時(shí)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，初步設(shè)計(jì)中淤泥質(zhì)粘土層采用排水剪指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，凝聚力cu為 7.36kPa，內(nèi)摩擦角 φu為 3.47°，計(jì)算得到上游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.636，下游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.528。

圖6 初步設(shè)計(jì)堆載至+30m高程穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖7 考慮固結(jié)效應(yīng)后堆載至+30m高程上游穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖8 考慮固結(jié)效應(yīng)后堆載至+30m高程下游穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

考慮抗剪強(qiáng)度增加，采用隨堆載時(shí)序增長(zhǎng)的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算方法，當(dāng)堆載到+24m時(shí)，凝聚力cu為15.2kPa，內(nèi)摩擦角φu為3.8°，計(jì)算得到上游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.667，下游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.540，堤壩的穩(wěn)定性安全系數(shù)提高。

3.2 堆載到+30m高程穩(wěn)定性分析

攔擋壩施工堆載至+30m時(shí)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，初步設(shè)計(jì)中淤泥質(zhì)粘土層采用排水剪指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，凝聚力cu為 7.36kPa，內(nèi)摩擦角 φu為 3.47°，計(jì)算得到上游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.453，下游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.623。

考慮抗剪強(qiáng)度增加，采用隨堆載時(shí)序增長(zhǎng)的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算方法，當(dāng)堆載到+30m時(shí)，凝聚力cu為 7.8kPa，內(nèi)摩擦角φu為8.2°，計(jì)算得到上游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.499，下游壩坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.693。堤壩的穩(wěn)定性安全系數(shù)提高。

4 結(jié)論

通過實(shí)例分析，分析出固結(jié)效應(yīng)作用下抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律，通過回歸分析，得出內(nèi)摩擦角與固結(jié)度成正相關(guān)，黏聚力和固結(jié)度成負(fù)相關(guān)的基本規(guī)律。將考慮固結(jié)過程的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果運(yùn)用到堆載過程中的壩體和壩基抗滑穩(wěn)定性分析中，提出直接將抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與堆載時(shí)序?qū)?yīng)起來進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性的簡(jiǎn)化算法，運(yùn)用此算法計(jì)算了加載階段的穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)比初步設(shè)計(jì)中的計(jì)算結(jié)果，安全系數(shù)提高。