软基固结沉降规律理论研究

2016-07-13邓新征

湖南交通科技 2016年2期

关键词：软基

熊　娟，邓新征

(1.浏阳经开区开发投资有限公司，湖南浏阳　410329；　2.湖南省高速百通建设投资有限公司，湖南长沙　410003)

软基固结沉降规律理论研究

熊娟1，邓新征2

(1.浏阳经开区开发投资有限公司，湖南浏阳410329；2.湖南省高速百通建设投资有限公司，湖南长沙410003)

摘要：为研究软基路堤在固结过程中的节点位移、单元应力～应变和超孔隙压力变化规律，采用二维比奥固结理论，分三级加载。结果表明软土固结主要是由于受荷使土体中产生超孔隙压力，超孔隙压力使软基中的水体不断向低压力的区域渗透而排出地基，因此，软基路堤沉降变形与超孔隙压力的分布和消散方式密切相关。

关键词：软基；固结；空隙压力

0引言

软土地基[1]常见于工程建设，而由于软土的特殊工程性质，其沉降变形规律又主要受固结变形所控制。软基沉降可分为三部分，即瞬时沉降，主固结沉降和次固结沉降。瞬时沉降是在路堤荷载施加后，地基中发生剪切变形所引起的沉降。瞬时沉降发生的时间较短，也称为初始沉降。外界荷载作用下土体内部含水体缓慢渗出，体积逐渐缩减的现象，称为土的“固结”，该部分引起的沉降为主固结沉降。次固结沉降是地基中土粒骨架在持续荷载下发生蠕变所引起的沉降。根据前人研究，比奥固结法比传统的太沙基理论更符合实际。因此本文采用比奥固结理论研究分析在荷载作用下软基固结沉降变化规律。

1计算方法

比奥[1-4]推出的三组方程(物理方程、几何方程、位移和孔隙压力连续性方程)反映了位移与孔隙压力的耦合，在理论上比较完善。借助近年来计算机和有限元法的发展，比奥固结有限元已经可以广泛的求解各种工程问题。

比奥固结理论的有限单元法公式为：

(1)

(2)

该公式可通过编程形成程序，采用计算机进行计算。

2计算分析结果

结合一些实体工程实验资料[5-9]，本文选取软基土的粘聚力取21.97 kPa；容重取17.9 kN/m3；内摩擦角取14.6°；模量系数和模量系指数分别取75和0.42；破坏比取0.85；渗透系数为KH=KV=10×10-8cm/s。根据二维比奥固结有限元程序，计算了顶宽9 m，软基深度20 m，边坡坡比1∶1.5时，分三级加载时路堤在固结过程中的节点位移、单元应力～应变和超孔隙压力变化规律。其计算结果见表1和图1～图5。

由图1～图5可以看出，软基在加载～固结的过程中，其节点位移、应力、孔隙压力等都发生了较为复杂的变化过程，主要可归纳为以下几点：

表1 粉煤灰路堤中心点沉降变形结果(1∶1.5)cm固结沉降时间/月沉降变形/cm固结沉降时间/月沉降变形/cm3-27.436-35.756-28.9120-37.4612-31.2240-37.4924-34.15

图1　地表水平位移ux和竖向位移uy变形曲线

图2　固结过程路堤中心点超孔隙压力消散曲线

图3　节点超孔隙压力与路堤沉降变形的对数关系曲线

图4　固结过程大主应力σ1等势线图

1) 根据表1可以看出，在路堤填方施工完毕后路堤的竖向变形就已经达到27.4 cm，而20 a的最终沉降为37.49 cm，说明在计算给定的加载速度情况下，路堤在施工期间的瞬时沉降和固结沉降占到总沉降的73%，其后期沉降将大大减小。

2) 由图1的地表的水平位移过程曲线图上看出，软基在初期的水平位移为整个固结期的最大值。随着固结和路堤的沉降变形，软基表面各点的水平位移都有所减小。

图5　固结过程小主应力σ3等势线图

3) 由图1固结过程地表沉降变形曲线表明，路堤的竖向变形最大位置在路堤中线部分，整个路堤沉降表现为两边小，中间大。在路堤坡脚的外侧，由于侧向挤压变形作用使地基发生向上的隆起变形，根据图1可以看出路堤外侧隆起变形最大时刻为路堤荷载施加结束时。在固结阶段，由于超孔隙压力的逐渐消散，地基表现为整体下沉和变形。如果考虑路堤的自身沉降变形在内，最大沉降位置在路堤高度1/3处的中点(见图2路堤的最终竖向位移uy等势线图所示)。

4) 图2表示了路堤中线位置各节点的超孔隙压力变化情况。可以看出在荷载施加初期，超孔隙压力首先从地表以下逐渐增大，增大范围主要集中在路堤下部，其它位置的软基中超孔隙压力也有所增加。当荷载施加完毕后，超孔隙压力值达到最大，并在路堤荷载下软基中形成一个明显的集中区域。由于这些区域的超孔隙压力最大，其固结排水最强，即在外荷载的作用下，该部分产生的排水作用最为明显，由于排水固结所引起的沉降变形值也是最为集中的区域。随着时间增长和水向地表排出，超孔隙压力沿着路堤的中心线逐渐向两侧消散，使各处超孔隙压力值逐渐减小。

5) 由图2表示的超孔隙压力变化情况，由于软基的渗透系数较小，超孔隙压力的消散很慢。根据图中显示，软基深度为7 m的地基中的压力在固结12个月以后才开始消散。此时，该处的地基才能进行排水固结，这种特性将大大延迟地基的强度增长，使地基的工后沉降增加。因此，渗透系数越小的软基，其超孔隙压力的消散和渗透变形发展的速度就越慢，其工后沉降将越大。

6) 图3为固结过程中节点超孔隙压力与路堤沉降变形的对数关系曲线，从曲线上可以看出，在每次加载后，路基中节点的超孔隙压力都有较大的增长，在固结时间内，超孔隙压力有逐渐降低，并最终减小至0，即该点的固结基本完成。根据同一节点对应的竖向位移曲线上看出，在每次加载后，节点都有一个比较明显的瞬时沉降变形发生，其沉降发生的速率较固结沉降变形过程快。因此在分级施工路堤的软基中，实际上存在多次瞬时沉降变形。

7) 图4为固结过程大主应力σ1等势线图，由图上可以看出，软基在荷载施加以前，σ1基本上沿深度方向上呈水平分布，称为原位应力σ1′。在加载后，荷载作用部分的σ1随着荷载的增加不断的增大，以满足软基整体力的平衡条件。在固结完成后，σ1一直处于最大值，即等于“原位应力σ1′+竖向荷载”。由于计算范围内的软基都发生了一定程度的变形和位移，所以荷载的作用使整个计算范围内的软基的σ1都有所增加。由于对软基计算范围以外的边界进行了约束，在软基的下边界附近的σ1逐渐增大，产生一个台阶形的应力集中区域。说明当软基厚度较小时，下部硬土层将对软基产生一个顶托作用，改变软基中的应力分布形式。

8) 图5为固结过程小主应力σ3等势线图，从图上看出σ3随着加载逐渐减小，主要是由于超孔隙压力的不断增加。其减小的范围也和超孔隙压力增加的范围基本一致，并随着超孔隙压力达到最大值而变化到最小值。在超孔隙压力随着排水固结逐渐减小时，σ3也逐渐增加。

根据以上的软基固结过程的位移和应力应变过程分析可以看出，荷载施加初期，地面开始出现瞬时沉降，与此同时，外侧坡脚出现地面隆起，此时

水平位移达到最大值。荷载施加引起的应力主要转换成超孔隙压力，在不能够得到及时消散时使土体中的有效应力大大减小。随着时间的发展，地基中水的排出，使超孔隙压力逐渐降低，有效应力提高，土体产生压缩，地面转为普遍下沉。

3结论

1) 软土固结主要是由于受荷使土体中产生超孔隙压力，超孔隙压力使软基中的水体不断向低压力的区域渗透而排出地基，因此，软基路堤沉降变形与超孔隙压力的分布和消散方式密切相关。

2) 软基沉降变形应密切关注土体中超隙孔压力的变化。

参考文献：

[1] 殷宗泽.土工原理及计算(第2版)[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

[2] 孙更生.软土地基与地下工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1984.

[3] 张留俊，王福胜，刘建都.高速公路软土地基处理技术——试验研究与工程实例[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4] 张留俊.粉体搅拌桩处理地基的沉降计算[J].公路与自然，2003(1).

[5] 洪毓康.土质学与土力学(第2版)[M].北京：人民交通出版社，1990.