预压理论在强夯处理山区高填方地基中的应用

李昕，刘华春，邓睿

(1重庆市建筑科学研究院，重庆400015；2重庆市城市建设发展有限公司，重庆401120)

1 概述

强夯法处理地基加固效果显著，设备简单，施工方便，在国内外已广泛应用于公路、码头、机场及工业与民用建筑地基中[1]。在山区填方地基中，填方深度大、强夯有效加固深度有限是强夯应用的瓶颈。山区地基填土以开山泥岩或砂岩碎块石为主，渗透性良好，孔隙水压消散时间短，为填土在附加应力作用下强度指标提高提供了有利条件。

本文在强夯地基工程实践中引入上部有效加固土层对下部弹性区域土层的预压作用，一定条件下提高了强夯的可加固深度。从而扩大了强夯法在山区高填方地基处理中的应用范围。

2 堆载预压非饱和土理论

堆载预压法作为处理饱和土地基的常用方法已被列入规范[2]。预压加固饱和土机理是通过加载给地基施加应力，使饱和土中液体排出，孔隙水压消散，颗粒间有效应力增加，从而提高地基的强度。工程中经过开挖、重塑再压实的土一般为非饱和土，而非饱和土则在外加荷载作用下，排出气体和液体，地基的有效应力一样增大。

土体的承载能力等都与土的抗剪强度有关，土的抗剪强度又取决于土中的应力状态，利用Mohr-Coulomb破坏准则和有效应力概念(Terzaghi，1936)，可表达饱和土的抗剪强度：

式中：

τff-破坏时破坏面上的剪应力；

c'-有效粘聚力，即法向有效应力为零时的抗剪强度；

(σf-uw)f-破坏时破坏面上的法向有效应力；

φ'-有效内摩擦角。

非饱和土的抗剪强度公式可用独立的应力状态变量来表达，Fredlund等1978年提出双变量理论[3]，其非饱和土的抗剪强度公式如下：

式中：

(ua-uw)f-地基土破坏时在破坏面上的基质吸力；

c'-有效粘聚力；

(σf-ua)f-破坏面上净法向应力；

φ'-与净法向应力有关的内摩擦角；

φ''-表示抗剪强度随基质吸力增大而增大的速度。

由式(2)可以看出，当土接近饱和状态时，孔隙水压接近孔隙气压，此时无基质吸力，从而变成饱和土的公式(1)。对非饱和土施加法向应力时，总应力增加，当空隙水压和空隙气压随时间消散后，土粒间的有效应力增大，抗剪强度相应提高。

3 预压固结的时间效应

在实际工程中，通常取附加应力与土自重应力的比值为0.1的深度作为在该附加应力下受压层的计算深度。不难看出，在一般多层建筑物自重作为附件应力条件下的计算深度难以超过强夯有效加固深度。从而在高填方地基上的建筑物建成后的沉降变形主要由强夯有效加固深度以下的弹性区域自重固结产生。

将强夯有效加固土层作为预压荷载施加到下部弹性区域土层时，将对下部土层产生超孔隙气压力和孔隙水压力。超孔隙压力会随时间增长而消散，这个过程将导致下部弹性区域土层体积减小或沉降。在强夯处理地基中考虑这个固结过程，可在一定条件下降低强夯有效加固深度以下土层的自重固结，从而降低建筑物在建成以后因这部分土体自重固结引起的沉降变形。

Terzaghi(1943)导出了饱和土—维固结的经典理论，将饱和土的本构方程与流动定律结合起来，用本构方程描述应力状态变化同土结构变形之间的关系。

式中：

t-固结的时间；

y-压缩层的厚度；

cv-土的固结系数。

非饱和土的一维固结理论同样依据上述方法建立，此时土单元体的总体积变化等于水体积变化和气体积变化之和。在一定加荷条件下，土体的一维固结方程如下：

式中：

Vv-土的孔隙体积；

V0-土的初始体积；

从工程实际出发，由于山区填土成分的渗透良好，孔隙水压可以很快消散掉，故在研究预压固结的时间效应上仅需对孔隙气体的偏微分方程求解。在非饱和土的固结过程中，气体和水可能同时流动，相互作用，Fredlund等对非饱和土气相的固结方程进行了推导：

式中：

Ca-与气相偏微分方程有关的相互作用系数。

4 工程实例

4.1 工程概况

重庆某工程为4层框架结构，地基填方深度约15m，填土以泥岩碎块石夹粉质粘土组成，泥岩碎块石约占50%～70%，填方时间约10个月。原始地貌距设计标高约8m。拟采用4000kN·m点夯夯击能对地基进行加固处理。试夯有效加固深度为8m，难以满足工程需要，有效加固深度以下土层的自重固结为影响房屋变形的主要因素（表1）。

4.2 沉降变形分析

正如Fredlund1999年指出“实践证明非饱和土力学很难应用于实际工程”[4]，堆载预压非饱和土理论仅仅对山区高填方强夯地基处理可加固深度的提高指明了方向和理论基础。在实际中，因为计算参数的量测难度大、费用高。依据岩土工程的半经验设计法，本文采用深层沉降变形观测的方式来验证强夯有效加固层对下部弹性区域的预压作用。

表1 填土与变形有关的物理力学参数

在地基变形计算中常常需要假定一个固结度，求得达到这个固结度所需要的时间。因土体的固结往往需要几十年甚至更长的时间，工程中我们采用达到75%固结度的地基土近似认为固结已被消除。

本工程试夯区采用深层沉降环对上部8m填土填筑后，再对下部7m填土的沉降变形进行测试。下部填土的总沉降量采用规范法[2]进行计算。

为测试下部填土的固结时间。在20m×20m的试夯区内均匀设置9个深层沉降观测点。沉降测点设置在下层7m填土表面，在进行8m填土过程选取具有代表性的3个观测点数据如表2。

表2 深层沉降观测数据

图1 各测点随时间变形趋势

可以看出，强夯有效加固深度内填土作为预压荷载施加给下部土层后40d可以使该土层平均固结度超过75%。这样，通过强夯有效加固层内土对下部弹性区域土层的预压作用，有效消除了下部弹性区域土层自重固结，在一定条件下增加了强夯可加固深度，目前该工程已正常使用一年，最大沉降量仅12mm，最大不均匀沉降量仅3mm。

5 结语

(1)工程实践证明，强夯有效加固层对下部弹性区域土层的预压作用明显，8m有效加固深度内填土可在40d以内使下层7m填土的自重固结消除75%左右，采用预压非饱和土固结理论提高强夯处理山区碎块石高填方地基可加固深度，具有很大的经济效益。

(2)预压非饱和土理论及固结方程在工程中的应用因其参数多、量测难度大、费用高等原因，有待进一步研究。

[1]地基处理手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ79-2002建筑地基处理技术规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]D.G Fredlund，H.Rahardjo.非 饱 和 土 土 力 学[M].陈 仲颐，张在明，陈愈烔，等，译.北京：中国建筑工业出版社，1997.

[4]姚攀峰，张明，张振刚.非饱和土土力学工程应用方法[J].工程地质学报，2005(3).

[5]孔凡林，李成芳，李昕.重庆地区强夯地基遇水稳定性分析与防止对策研究[J].重庆建筑，2010(2).

[6]孔凡林，李成芳.强夯法在山区块石抛填地基中的工程实践[J].地下空间与工程学报，2010(S2).