堆载刚度对地基附加应力及稳定性的影响

徐书平 李锡银 庞建成 张纯根

0 引言

随着我国经济技术的高速发展，基础建设中常遇到各种软土的地基处理问题。不论是工程运用范围还是理论上，堆载预压法在软土地基处理方向的运用较为成熟，且其施工简单及经济效益好，已成为广泛应用的软土加固方法之一，对其的研究也越来越受到工程研究人员的重视，国内学者也取得了一定的成果。张媛在堆载预压中采用袋装砂井作为工程案例系统地分析了排水系统设计的具体步骤。赵家成对深厚软基采用堆载预压法的加固效果提出了相应的加固控制指标。张国联基于ABAQUS 有限元软件对堆载预压处理软土地基的可靠性进行了分析。仝帅以及Yao等也都采用类似的方法对堆载预压的加固机理进行研究。徐书平等则探讨了分期堆载预压过程中考虑强度增长的总应力法和考虑超孔隙压力的有效应力法对地基稳定性计算的影响。涂园等分析了现有预压地基抗剪强度理论（有效应力法和有效固结压力法）的计算原理，在有效固结压力法的基础上，提出了计算堆载预压地基抗剪强度的一个新公式。

一般认为堆载预压法的处理效果取决于堆料的重量及软土承受的外部荷载大小，却忽略了堆料刚度（弹性模量）对其影响，对于堆料荷载的刚度变化对地基中的附加应力及其稳定性的影响很少研究。本文根据改变荷载刚度的变化，来分析地基中附加应力及其稳定性的变化，探讨一些相关因素之间的关联结论。

1 有限元计算及结果

依据某实际工程，设计土体完整模型宽度90 m，高度20 m，梯形堆料高6 m，短边长30 m，斜坡40 度。利用对称性，以对称轴为分界线取其一半创建模型，土体及堆料参数见表1、表2，仅以堆料参数为变量，计算分析各种堆料作用下土体变形及内力；在模型中设置堆料为弹性体，采取瞬时一次加载方式，土体采用摩尔库伦本构模型，底边设置为固定边界。计算剖面及有限元网格划分如图1 所示。

表1 土层及堆料物理性质

表2 相同重度下各堆料参数

图1 计算剖面图及有限元网格划分

图2 不同的弹性模量下AO 线上各节点沉降量

取堆料与土层接触面水平线AO、堆料边缘竖直线AC 及土层中心轴线OB 为路径，将所得数据绘成图表，依据对称性得出模型另一部分数据。

计算结果表明：在堆料重度相同的前提下，堆料弹性模量越大，软土地表最终沉降量越小，并且在堆料弹性模量小于10MPa 的时候这种区别尤为明显。在A 点附近各曲线存在共同相交点。

表3 不同的弹性模量下AO 线上各节点沉降量/cm

取堆载中心处及边缘处软土即模型OB（如表4、表5、图3）边上节点作为对象，计算其有效应力。结果显示堆料弹性模量的变化对于软土地基的有效应力也有较大影响，但这影响只发生在地表浅层，对于层底部的有效应力几乎没影响。对于AC边也有相同的规律性。

表4 不同的弹性模量下OB 线上各节点有效应力/kPa

表5 不同的弹性模量下OB 线上各节点有效应力 yσ/KPa

图3 不同的弹性模量下OB 线上各节点有效应力 yσ/kPa

在实际施工中，堆载边缘处土体水平变形对软土周边环境影响较大，而堆料弹性模量对堆载边缘处的土体水平位移影响也是较大的，具体表现为：堆料弹性模量越大堆载边缘土体水平位移反而越小，对周边环境的影响也是越小（见表6、图4）。

表6 不同的弹性模量下AO 线上各节点水平位移u1

图4 不同的弹性模量下AO 线上各节点水平位移u1

2 稳定性分析

在堆载预压法中，当现场取料使用土体作为堆料时，需要考虑堆料的安全稳定性，这里使用毕肖普法计算分析堆料在坡比为1.2 及1.732（对应坡角40°、30°）堆载区的整体稳定性（取土体堆料土体粘聚力为0，对于堆料内摩擦角分别取15～35）以计算堆载区的安全性判断其堆载时是否需要加固措施。

结果表明在堆料整体稳定性对于大多数土体是不满足安全要求的，尤其是现场堆料进行堆载预压时需进行边坡加固处理，以确保不会发生滑动。

表7 不同条件下堆载区整体稳定性

3 结论

（1）在相同形式和重度的堆料作用下，堆料刚度（弹性模量）会影响软土地表最终沉降量：堆料弹性模量越小，地表最终沉降量越大，堆载边线的水平位移也越大；值得一提的是，堆料边缘处土体存在一定区域（沉降曲线相交点图2的p 点处），其沉降量不受堆料弹性模量的影响，具体原因有待于深入研究。

（2）堆料的弹性模量只会影响到上部土层的应力，而对深处土层的应力几乎没有影响：土层地表处附近应力随堆料弹性模量的增大而增大，而在土层底部及堆载边线处，各种堆料作用下的土层应力几乎完全相等，这是由于堆料刚度存在，使荷载中部形成了一个应力拱，刚度越大，应力拱越明显。

（3）当堆料的弹性模量大于土层弹性模量时，依据土力学理论，简单成层土应力分布的理论解，土层将会发生应力扩散现象，从而堆料弹性模量只会影响堆料边缘处应力分布而对于底层软土应力则几乎没有影响。

（4）当现场取料使用现场软土作为堆料时，能达到较大的加载能力，堆载区能达到较大的沉降量，同时堆料区土体边坡稳定性不满足要求，需要保持合适的边坡坡度，或采取边坡加固处理措施。