黄土高填方工后沉降影响因素敏感性分析

周远强, 吴　宏, 朱才辉, 李　宁

(1.西安理工大学 岩土工程研究所, 陕西 西安 710048; 2.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043；3.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011)

随着中西部支线机场的大力开发,结合中西部地区沟壑纵横的地形条件,黄土高填方沉降问题日渐突出。国内外有大量关于高填方研究,其中文献[1-2]分别研究了英国某砂卵石填料的露天煤矿填方沉降规律,及水位变化时砂岩和泥岩填料的公路路基沉降规律。文献[3]利用砂砾石填料压缩蠕变试验研究了高填方沉降规律。文献[4]研究了砂泥岩碎块石土为填料的顺坡山区高填方边坡工程的稳定性。文献[5-6]等以九寨——黄龙机场为工程背景,采用数值方法模拟实际施工过程,分别研究了山区复杂地质高填方地基沉降规律及其变形稳定性规律。文献[7]研究了山区机场工程高填方碎石土压缩蠕变规律。而黄土类型高填方的研究比较少。在已有的黄土高填方研究中,文献[8-9]研究了深厚黄土地基上机场高填方沉降规律。文献[10]采用4种不同计算方法分析了黄土高填方路堤沉降。文献[11-12]研究了基于蠕变试验的黄土高填方工后沉降规律,以及考虑黄土时效变形特性的高填方工后沉降预测。文献[13]研究了黄土高填方地基沉降反演和预测。以上研究成果整体上是采用多种方法和手段研究不同类型高填方沉降等问题,具有较强的实用和理论价值,但针对黄土高填方工后沉降影响因素的敏感性研究很少。

本文以山西吕梁机场试验段为背景,依据固结蠕变试验获得试验参数,采用PLAXIS有限元软件分别对填方体影响沉降因素及原地基影响工后沉降因素作分析。得出各因素影响黄土高填方工后沉降规律,确定出工后沉降对不同因素的敏感性大小。

1　工程概况

吕梁机场位于吕梁市方山县境内,距吕梁市区约20.5 km,是国内支线机场。工程试验区位于机场场地中部西侧的火烧沟及其两侧,地形总体呈东西两侧高中间低,南低北高。吕梁机场挖填方工程概况如图1所示。

图1　挖填方三维效果图Fig.1　3D-diagram of the loess high embankment

试验区海拔1 050～1 198 m,相对高差高达148 m,最大填方高度为82 m。试验区内冲沟发育,地形起伏大,切割深度为50～100 m,沟谷横断面:上游是“V”形,下游是“U”形。沟谷全长700 m左右,沟谷纵坡降约7%,沟谷宽度介于10～50 m之间,沟谷两侧黄土体坡度在40°～60°之间。该机场地基工程目前是国内湿陷性黄土地区机场建设中遇到的填方高度最高、土方量最大的机场工程。场区地层主要为自重湿陷性黄土、湿陷等级Ⅱ级,这在国内尚属首次;高填方的设计与施工难度极大,这在国外机场建设历史中也是极为罕见的[14]。

2　SSC软土蠕变模型及研究方案

2.1　SSC软土蠕变模型及参数确定方法

SSC(Soft Soil Creep)模型是PLAXIS软件自带软土蠕变模型,包括以下材料参数[9]。

类似于摩尔库仑模型中的破坏参数:粘聚力C(kN/m2);摩擦角φ(°);剪胀角ψ(°)。

模型基本刚度参数:修正回弹系数κ*;修正压缩指数λ*;修正蠕变指数μ*。以上三个变形参数主要与压缩模量Es存在直接关系,有以下经验公式:

(1)

(2)

其中,λ、κ分别为原始各向等压曲线中与加荷有关的试验常数和与卸荷有关的试验常数,Cc、Cα分别为压缩指数和次固结系数,Es为荷载为P时的压缩模量,e0为初始孔隙比。若对模型参数进行估算,则有λ*≈Ip(%)/500,通过这个关系式能够得到λ*值,由此可得到μ*与κ*值。

2.2　单因素数值研究方案

本文采用控制单一变量法分别对填方体影响沉降因素:填土高度、填土速率、压实度、含水率,及原地基影响工后沉降因素:强夯法的强夯深度、碎石桩法的碎石桩长、桩间距、桩径作一一分析。当研究某个因素时,其他因素统一取其数学平均值。研究方案如表1所示。

表1　单因素数值研究方案

3　数值模拟及结果分析

3.1　计算模型及物理力学参数

根据吕梁机场的典型断面图以及地层条件,采用PLAXIS软件建立有限元模型,并做了如下简化:①多层填土加载简化为一层填土加载,不考虑多层填土之间的稳定期;②填土层的参数由室内单轴固结蠕变试验得到[10]。其地层分布示意图以及有限元模型如图2所示,土层物理力学参数如表2所示。

计算过程中,PLAXIS模型原地基的左右两侧为水平约束,底面为固端约束。水位线为原地基的地表线,左右两侧及底面都视为排水截面。通过改变SSC模型的参数来实现各个因素的模拟,表1中每一个研究方案对应着一组物理力学参数取值,其中研究不同填土高度方案的物理力学参数如表2所示。由于其他方案中的参数取值类似,在此不一一列出。

图2　地层分布示意图及PLAXIS有限元网格图Fig.2　Stratigraphic distribution diagram and FEM mesh of PLAXIS

土层名称弹性模量E0/MPa泊松比μ粘聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)非饱和容重γun/(kN/m3)饱和容重γsat/(kN/m3)水平渗透系数kx/(mm/d)竖直渗透系数ky/(mm/d)修正压缩指数λ∗修正回弹系数k∗修正蠕变指数μ∗夯实层39003724288207021500010010007000065000022Q3黄土层36803300250169017802502500018000180000060砂页岩层20000003200035022002450-----填土层(35m)17503430262186420031801800019000190000063填土层(50m)25503430262186420031801800023000230000077填土层(65m)30003430262186420031801800026000260000087填土层(80m)31003430262186420031801800030000300000100填土层(100m)33003430262186420031801800035000350000116

3.2　计算结果分析

根据实际工程经验[9],当工后沉降速率达到0.02 mm/d时,认为工后沉降达到稳定。

3.2.1填方体因素影响下的工后沉降规律分析

通过数值计算得到了填方体因素(填土高度H、填土速率v、压实度k、含水率w)的工后沉降历时曲线如图3所示。

由图3可知,200天左右以前黄土高填方的工后沉降速率相对较大,之后工后沉降速率相对较小。随着时间的增加,工后沉降速率逐渐减小,黄土高填方工后沉降相对趋于稳定。依据稳定工后沉降的判据得出影响因素与稳定工后沉降量的关系如表3所示。

由表3建立各个因素与稳定工后沉降的拟合曲线,如图4所示。

表3　填方体因素稳定工后沉降量

图3　填方体因素影响工后沉降与时间关系曲线Fig.3　Relationship between post-construction settlements of embankment factors and time

图4　填方体因素的稳定工后沉降曲线Fig.4　Stable settlement curves of embankment factors of post-construction

根据图3、图4可得如下结论。

1) 填土高度从35 m到100 m逐渐增大的过程中,工后沉降量从0.159 m增大到0.832 m。随着填土高度的增大,工后沉降量呈指数增长,符合填土高度对黄土高填方影响的规律。

2) 填土高度增加,使土体所受的荷载增大。从蠕变试验数据可看出,修正压缩指数随着荷载的增加而增大,导致土体的蠕变效应增强。荷载越大土体克服土体之间的摩擦力的能力越强,土的工后沉降会随填土高度的增加而变大。即使土体应变不变,填方高度变大也会使工后沉降变大。工后沉降与填土高度呈指数变化,表明填土高度对工后沉降有着强有力的影响。

3) 填土速率从0.3 m/d逐渐增大到1.5 m/d的过程中,工后沉降量从0.263 m增大到0.480 m。随着填土速率的增大,工后沉降量呈直线增长,符合填土速率影响的规律。

4) 填土速率越大,饱和土体来不及发生排水变形,将大部分施工期未完成的变形累积到工后沉降中,造成工后沉降增大,并且这种变化趋势是随着填土速率呈线性变化。填土速率对工后沉降的影响是较大的,而这在工后沉降的计算的影响因素中经常被设计者所忽略。

5) 压实度从0.80逐渐增大到0.98的过程中,工后沉降量从0.389 m减小到0.254 m,随着压实度的增大,工后沉降量呈直线减小,符合压实度对黄土高填方影响的规律。

6) 填料压实度增大,压缩模量变大,土体更难被再挤密。在其他条件不变的情况下,工后沉降会随之减小。

7) 含水率从13.5%逐渐增大到21.0%的过程中,工后沉降量从0.262 m增长到0.325 m。随着含水率的增大,工后沉降量呈直线增长,符合含水率对黄土高填方影响的规律。

8) 含水率增加,土中的孔隙水的比例增大。由固结理论,含水量变大,土体的体积变化大,导致高填方的工后沉降会变大;另根据次固结理论:在应力不变的情况,土颗粒与土颗粒之间位置不断调整从而使土体发生变形。含水率的变大使土颗粒与土颗粒之间的接触面变得更光滑(摩擦系数变小),土颗粒更容易压密实,致使沉降量变大。

3.2.2原地基因素影响下的工后沉降规律分析

原地基的处理方法有很多种,限于篇幅,本文只分析了两种地基处理方法,一种是强夯法处理地基,其原地基因素是强夯深度h;另一种是碎石桩法处理地基,其原地基因素桩间距D、桩径d、桩长l,碎石桩的地层参数采用复合地基的等效法计算。

通过数值计算得到两种地基处理方式下不同因素工后沉降历时曲线(见图5)。

图5　原地基不同因素工后沉降与时间关系曲线Fig.5　Relationship between post-construction settlements of original ground factors and time

由图5可知,200天左右以前黄土高填方的工后沉降速率相对较大,之后工后沉降速率相对较小。随着时间的增加,工后沉降速率逐渐减小,黄土高填方工后沉降相对趋于稳定。依据稳定工后沉降的判据得出影响因素与稳定工后沉降量的关系(表4)。

表4　原地基因素稳定工后沉降

由上表影响因素与稳定工后沉降量的关系建立各个因素与稳定工后沉降的拟合曲线,如图6所示。

根据图5、图6及表4可得到如下结论。

1) 强夯深度从1.0 m逐渐增大到5.0 m的过程中,工后沉降量从0.417 m减小至0.304 m。工后沉降量随压实深度的增大而直线减小,符合强夯深度对黄土高填方影响的规律。

2) 强夯法主要是减小土层的孔隙率,减小土颗粒的次固结。强夯深度越深,土层难压缩厚度就愈大,沉降量会减小。

3) 桩间距从0.6 m逐渐增大到1.4 m的过程中,工后沉降量从0.145 m增长到0.280 m。工后沉降量随桩间距的增大呈对数增长,符合桩间距对黄土高填方影响的规律。

4) 桩的压缩模量比土的压缩模量大,并对周围土体有挤密效果。减小桩间距,增大土体的压缩系数,土层加固效果越明显。但不能过分的减小桩间距,因为经济效应不显著。

5) 桩径从0.2 m逐渐增大到1.0 m的过程中,工后沉降量从0.325 m减小到0.136 m。随着桩径的增大,工后沉降量呈直线衰减,符合桩径对黄土高填方影响的规律。

6) 桩的压缩模量比土体的压缩模量大得多,增大桩径,增加加固的面积,同时增大周围土体的压缩模量,工后沉降量变小。

7) 桩长从10.0 m逐渐增大到20. 0 m的过程中,工后沉降量从0.277 m减小到0.151 m。随着桩长的增大,工后沉降量呈直线衰减,符合桩长对黄土高填方影响的规律。

8) 桩的压缩模量比土体的压缩模量大得多,增加桩长,增加加固深度,同时增加整体土体的压缩模量,工后沉降量变小。

图6　原地基因素的稳定工后沉降曲线Fig.6　Stable settlement curves of original ground factors of post-construction

3.3　影响因素对工后沉降的敏感性分析及论证

本文运用敏感度系数M定量描述影响因素对工后沉降的敏感度。公式如下:

M=(ΔS/S)/(ΔX/X)

(3)

式中,ΔS/S为稳定工后沉降的变动比率;ΔX/X为填土高度的变化率;

M>0表示稳定工后沉降与影响因素同方向变化,M<0表示稳定工后沉降与影响因素反方向变化。

根据式(3)求得各个影响因素对黄土高填方工后沉降的敏感度系数见表5。

表5　黄土高填方工后沉降各因素的敏感度系数

由表5可见,填方体因素的敏感度系数整体都大于原地基因素的敏感度系数。填料压实度对工后沉降的影响最大,施工中可以通过控制填料压实度来控制黄土高填方工后沉降;另外在填方工程中,应特别注意填方体的高度,填方体过高会使得工后沉降急速增加。相对于填料压实度和填方体高度含水率、桩长、桩间距、桩径、填土速率、强夯深度这些因素对工后沉降量影响要小得多。

葛苗苗等[11,15]进行基于固结蠕变试验的黄土高填方工后沉降规律研究时,发现填料压实度相对于含水率而言,对黄土高填方工后沉降更为敏感。在黄土高填方沉降规律及工后沉降预测研究中,认为黄土高填方沉降的主体为填方体的自身沉降,减小工后沉降的最有效办法是保证填料压实度。朱才辉[9]研究了深厚黄土地基上机场高填方沉降规律,其中分别讨论了填土高度和填料压实度对高填方工后沉降影响,且这两者因素对工后沉降影响显著。以上与通过敏感度系数分析的结果相吻合。

4　结　论

1) 根据数值实验的结果,黄土高填方工后沉降随填土高度的增大呈指数增长;随填土速率、含水率的增加呈线性增加;随填料压实度、强夯深度、桩径、桩长的增加呈线性衰减;随桩间距的增大呈对数增长。

2) 从敏感度系数角度:填方体因素的敏感度系数大于原地基因素敏感度系数。其中:填料压实度对工后沉降的影响最大;填方体高度对工后沉降影响次之;其他因素也会影响工后沉降量,但相对与填料压实度和填方体高度小得多。

3) 在实际施工中,可以通过控制填料压实度来控制黄土高填方工后沉降;另外应特别注意填方体的高度,填方体过高会使得工后沉降急速增加。

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