软土路基堆载预压过程中的变形及控制标准分析研究

缪 丹，陈 洋，王凤之

（1、广州广检建设工程检测中心有限公司 广州 510600；2、广东省建筑物健康监测与安全预警工程技术研究中心 广州 510600）

0 引言

软基处理作为工程建设中的重要环节，对后续工程的质量至关重要，受到越来越多的关注和重视［1-3］。软土具有高含水率、高压缩性、高孔隙比、低渗透性、高灵敏度、低强度和低承载力特点。软土地基上进行工程建设存在多个问题：地基的极低强度无法满足工程建设的要求；高压缩性和低透水性导致地基发生较大的沉降且沉降时间较长。这些问题将对工程建设产生不利影响，甚至可能造成危害，需要对软土地基进行加固处理。目前常用的软土地基加固方法包括真空预压法、堆载预压法、真空联合堆载预压法和强夯法等［4-6］。为了确保施工安全和减少后期沉降，必须进行相关的施工变形监测工作，施工监测已成为软基处理的重要组成部分。多年的工程经验积累表明，施工监测可以采用不同的控制标准，其中包括速率控制标准、沉降/位移比值法、图示判别法、孔隙水压力系数法和综合分析法［7］。然而，这些监测控制标准通常是针对特定工程提出的，具有较大的差异和个体特征，缺乏普适性和通用性［8-9］。监测控制标准直接关系到工程建设的安全、稳定性和质量。因此，基于某路堤软土工程，通过有限元模拟路基工程堆载预压法施工过程，分析土体的固结排水过程。将有限元计算得到的沉降变形和坡角位移的时程曲线与实测结果进行比对，以确定数值分析所采用的模型和参数的准确性和可靠性。同时，利用数值模拟计算结果，分析土体固结过程中沉降速率和水平位移速率的变化情况。最后使用强度折减法进行安全因子分析，以此探讨将速率作为控制标准的合理性，为路基堆载预压工程的监测和预测提供了参考，在优化工程设计和施工过程中具有实际应用的意义。

1 工程概况

本工程为路堤工程，拟建路堤堤底宽度为50.0 m，堤身两侧按1∶2坡度放坡，堤身下部为原位淤泥，土质较差，淤泥层厚度约为25.0 m，淤泥层下部为中密砂土层，地下水位位于原泥面以下2.0 m 处。堤身设计高度为5.0 m，考虑到下部淤泥层会产生较大的固结变形，设计堆载高度为7.2 m，利用堤身作为堆载材料，加固下部软土层，淤泥层打设塑料排水板，塑料排水板采用SPB-B 型，按1.0 m 间距进行正方形布置，打设深度为20.0 m。

2 堆载预压数值模拟

2.1 模型建立

通过上述工程概况，建立有限元模型，采用PLAXIS 8.2 进行数值分析。为了简化问题，将软基处理排水固结三维问题转化为二维平面应变问题，将垂直排水通道转化为平面排水砂墙，具体转换方法采用陈立宏的第一种方法［10-11］，即保持垂直排水通道间距不变，调整井距，在此仅考虑水平渗透系数的转换，砂墙间距等于砂井有效影响直径B=re，np=n。土体单元本构关系选用Mohr-Coulomb模型，垂直排水通道塑料排水板采用程序中的Drain单元来模拟，在砂垫层和原淤泥层之间也设置一层Drain单元，用以模拟水平排水通道。计算采用的土体物理力学性质如表1所示。

表1 土的物理力学性能指标Tab.1 Physical and Mechanical Properties of Soil Index

考虑到转换后的平面应变问题的对称性，只取其右半部分进行分析，取第一层淤泥土层作为分析对象，深度范围取25.0 m，水平影响范围取坡角外25.0 m范围，建立如图1所示的有限元计算模型，采用平面三角形15 节点单元划分网格。底边界既无水平位移也无竖向位移，为不透水边界；左、右垂直边界只有竖向位移右边界为不透水边界，左边界在排水板深度范围内为透水边界，其余为不透水边界。

图1 有限元模型示意图Fig.1 Diagram of Finite Element Model

2.2 加载工况

堆载采用分级加载，共四级，具体工程施工工况如下：

①工况1：第一级加载，堤身填筑高度2.2 m，至标高+15.2 m，填筑时间为10 d；

②工况2：第一级加载完成后，间歇期为30 d，进行排水固结；

③工况3：第二级加载，堤身填筑高度2.0 m，至标高+17.2 m，填筑时间为15 d；

④工况4：第二级加载完成后，间歇期为30 d，进行排水固结；

⑤工况5：第三级加载，堤身填筑高度1.5 m，至标高+18.7 m，填筑时间为15 d；

⑥工况6：第三级加载完成后，间歇期为30 d，进行排水固结；

⑦工况7：第四级加载，堤身填筑高度1.5 m，至标高+20.2 m，填筑时间为20 d；

⑧工况8：加载完成，进入恒载期，恒载时间一共120 d。

3 计算结果分析

采用有限元对该路堤的沉降变形情况进行了计算分析，经过四级分级加载，共历时270 d 的排水固结，路堤发生显著的沉降和水平向位移变形。计算结果显示：在路堤堤顶中心处最大沉降量达2.32 m，中心处沉降大于边缘处，同时在路堤坡角外发生了一定的地表隆起，隆起量约为0.36 m，路堤坡角处的也发生了向堤外的水平挤出变形，最大水平位移达0.25 m，具体计算结果如图2所示。

图2 路堤位移示意图Fig.2 Diagram of Embankment Displacement

3.1 模型验证

目前多个规范［12-15］中建议采用的加载控制标准多是以竖向沉降速率和边桩的水平位移速率作为判断方法，下面分析将从这两方面对加载安全进行探讨。坡角处深层水平位移实测值与计算值的对比如图3 所示，可知，在深度20 m 以内，水平位移量的最大误差约为18%，这与实测监测点位置与计算取值位置不同有一定的关系，说明数值分析所采用的计算模型基本反映堆载预压变形所引起的变形特性。同时从各级加载后的计算变形曲线可以看出：水平位移量在加载初期发展较快，随着加载量的增加，其水平位移增量越来越小，趋于稳定，后期位移速率越来越少，这一变化特性也正是目前工程中常用的水平位移速率作为加载控制标准的重要根据。

图3 水平位移实测值与计算值对比Fig.3 Comparison of Horizontal Displacement Measured Value and FEM Value

3.2 计算结果分析

坡角外的地表水平位移速率随时间变化曲线如图4 所示。随加载进行，坡角处的地表水平位移速率逐渐减少。在第一级加载时，坡角的水平位移速率基本达到10 mm/d以上；而至第四级加载时，坡角处的水平位移速率基本小于5 mm/d以下，水平位移速率日趋减小，反映出堆载预压的挤出变形在加载初期表现的更明显，与图3 所得到结论相一致。而在加载间歇期内，坡角水平位移还表现出不同程度的回弹特性，即向加固区内部变形，造成水平位移速率出现负值，这种情况也被工程实测数据所验证。至加载后期，水平位移速率基本接近于0 mm/d，与实测情况基本接近。

图4 坡角外地表水平位移速率随时间变化曲线Fig.4 Curve of Horizontal Displacement Rate of Surface Outside Slope Angle Changing with Time

堤身沉降量随时间变化曲线如图5 所示，计算结果与实测成果基本吻合，最终沉降量实测值与计算值的差异仅有3%，表明数值分析所采用的计算模型可以反映本工程堆载预压变形所引起的变形特性。有限元计算结果表现出明显的分级加载特点，即各级加载期内的沉降变形明显加速。间歇期内沉降变形则相对平缓，有明显阶段性加载的特点。而实测成果表现得并不明显，这是由于有限元计算所采用的计算工况比较理想化。可能与实际施工加载工艺有所区别，现场荷载施加并不是很匀速进行，直接跟现场施工进度有很大的关系。

图5 堤身沉降量随时间变化曲线Fig.5 Embankment Settlement Curve with Time

沉降速率随时间变化曲线如图6所示。无论是实测值还是计算值，在加载期内，沉降速率都明显加大。第一级加载期内的沉降速率可达到60 mm/d，其他各级加载期内也都在20 mm/d；间歇期内，土体的沉降速率基本控制在10 mm/d 左右。在大部分时间，是沉降速率是小于10 mm/d，而10 mm/d 也正是《港口工程地基规范：JTS 147-1—2010》［12］和《建筑地基处理技术规范：广东省标准DBJ/T 15-38—2019》［13］等所推荐采用的以沉降速率作为加载控制标准的临界取值。说明使用速率指标对于工程实践中控制加载安全有一定的指导意义。

图6 沉降速率随时间变化曲线Fig.6 Settlement Rate Curve with Time

坡角水平位移速率/沉降速率随时间变化曲线如图7所示。其中，SH为坡角处水平位移速率；SV为堤身的沉降速率。该比值变化规律与坡角处水平位移速率规律相近，即第一级加载期内的SH/SV明显大于其他各级加载情况下，达到40%以上。且SH/SV随着加载级的增加，有逐渐减小的趋势。第二、第三、第四级加载期内的峰值分别为33.1%、24.9%、18.3%，可见以相同的标准控制不同的加载阶段并不合理。

图7 水平位移速率/沉降速率随时间变化曲线Fig.7 Horizontal Displacement Rate / Settlement Rate Curve with Time

4 加载过程中稳定性分析

PLAXIS 软件中提供了phi-c 折减的方法进行安全因子分析，该方法使土体的强度参数tanφ和c逐步减小，直到结构破坏为止。若使用了界面的强度，则界面强度参数也按相同方式进行折减。分析当中某个阶段的土体强度参数的取值，用总乘子∑Msf定义见式⑴：

式中：input 的强度参数是指在材料组中输入的取值，reduced的强度参数是指在分析时所采用的折减值。

计算开始时，所有的材料强度并未减小，即∑Msf的初始取值设置为1.0。据此可以由式⑵得到加载条件下的安全因子SF：

各级加载条件下的滑移面情况如图8 所示，随着堆载高度的增加，滑移区域在不断的扩大，相应的安全因子也在不断的减小。PLAXIS 有限元计算所得到的各级加载下的安全因子如表2所示，第四级加载时，计算得安全因子仅有1.003，接近于临界状态，基本处于失稳的边缘状态，随着土体的固结排水，有效应力增加，强度提高，安全性也得到了显著改善，恒载120 d时的安全因子达到1.107。

图8 各级加载条件下的滑移面示意图Fig.8 Lip Surface under Different Loading Conditions

表2 加载安全因子Tab.2 Loading Safety Factors

5 结论

在路堤工程堆载预压法施工过程中，速率控制方法具有便于应用，易于判断的优点。但其理论根据不足，以经验为主。在没有充分经验的前提下，具有相当的盲目性，反会给工程应用带来一定的误导作用。因此，为分析路基软土堆载预压过程中的变形情况，根据某路基工程的实际情况，采用有限元分析软件进行模拟堆载预压施工过程，利用数值计算结果和已有的实测资料对目前加载控制方法的合理性和可行性进行分析，得到以下结论：

⑴受到监测点位置与计算取值影响，水平位移量的最大误差约为18%，但最终沉降量实测值与计算值的差异仅有3%，说明数值分析所采用的计算模型可以反映堆载预压变形所引起的变形特性；

⑵在加载初期，路基水平位移量发展较快，随着加载量的增加，其水平位移增量越来越小，最终趋于稳定；在各级加载期，路基沉降变形明显加速；而在间歇期，沉降变形则相对平缓，有明显阶段性加载的特点；

⑶地表沉降速率应根据不同的施工期采取不同的控制指标。对于加载初期（约为加载量的25%），沉降速率不设置控制标准，以坡角水平位移为控制标准；对于其他时间，沉降速率控制标准取10～20 mm/d；

⑷当沉降速率大于10 mm/d时，不可以进行下一级加载。20 mm/d 为其他加载期的沉降速率控制标准。一旦沉降速率超限，应立即看坡角水平位移速率是否越限；

⑸坡角水平位移速率应控制在5 mm/d，一旦水平位移也超限，应立即停止施工。