软弱路基填土中地基超孔隙水压力变化探讨

刘雄美

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃　兰州　730000）



软弱路基填土中地基超孔隙水压力变化探讨

刘雄美

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃兰州730000）

摘要：为了研究软土地基在填土荷载作用下超孔隙水压力的变化特性，利用大型有限元分析软件ADINA，以实际工程条件为例建立数值计算模型，分析了填土荷载变化与超孔隙水压力的关系。结果表明：路基土体中超孔隙水压力由于分级填土加载缘故，在7级加载完成时，土中水来不及排出，超孔隙水压力骤升，之后随着路基土体固结，超孔隙水压力逐渐消散；填土加载完毕时超孔隙水压力增加到最大值；填土结束300 d时，超孔隙水压力逐渐降低，超过33%的超孔隙水压力消散完毕。关键词：软弱地基；有限单元法；超孔隙水压力

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.01.017

0　引言

软土是第四纪后期地表流水所形成的沉积物，多数分布于海滨、湖滨、河流沿岸等地势比较低洼地带。饱和软土由于孔隙中充满水，水在稳定状态时有一个平衡的压力，就是孔隙水压力。当土体受到外力挤压，土中原有水压力会上升，上升的这部分压力就是超孔隙水压力。在路基填筑时，地基内部将引起超孔隙水压力的迅速增长，超孔隙水压力增长和消散的大小及速度在一定程度上反映了土体填筑效果的好坏。

在地基处理时，由于机械化施工程度的提高和施工速度的加快，在路堤填筑过程中，易引起超孔隙水压力。因此，只有正确地估计软土地基超孔隙水压力的产生和消散规律，才能更好地运用有效应力原理解决工程中遇到的实际问题。国内有些学者作了一些特定地质条件下的研究工作，例如：李学伟等[1]对粉质粘土地基超孔隙水压力作了研究；郑太原[2]结合漳州市某大道工程对软土地基超孔隙水压力排水强夯法进行简要的分析；宋修广等[3]通过在济乐高速公路试验区地层不同深度埋设孔隙水压力计，观测并分析强夯过程中超孔隙水压力的变化规律；张宏博等[4]为研究强夯加固地基的超孔隙水压力增长规律，进行了强夯现场试验。

本论述基于大型有限元分析软件ADINA，结合某软土地基的工程实例，建立有限元模型进行计算，通过分析得出超孔隙水压力的消散规律，对软土地基填筑有一定的指导意义。

1　有限单元法原理及数值计算模型建立

1.1有限单元法原理

随着计算机技术的不断革新，越来越多的工程实际问题可以用有限元法解决。尤其当传统的理论方法无法解决或无法求解实际问题时，有限单元法更是发挥了显著的作用。有限元法是以离散化原则为前提，它把一个完整的复杂问题离散化为若干较小的等价单元体，通过单元节点传递应力与位移，采用对每个单元体赋予不同的物理参数，实现与原结构体在实际物理意义上的等价，然后对全部单元逐个分析与处理，最后进行整体分析，把各单元的力和位移方程联立求解，得到总体位移与应力。

1.2模型建立

利用ADINA生死单元来模拟填土加载，根据某软弱路基具体工程地质情况及施工条件，选取合理的土层物理力学参数、几何尺寸、边界条件、施工步长等，采用ADINA非线性有限元软件对建立的三维实体软弱路基模型在不同填土荷载作用下对超孔隙水压力进行分析。取半幅路基进行研究，其几何形状和有限元网格划分见图1所示。采用8节点六面体自由网格划分，加固区下卧层及非加固区采用8节点六面体映射网格划分，利用布尔相减运算将桩和土体分别开来，采取face-link连接各个面，土体单元采取一致的网格密度，利用ADINA软件实体单元来模拟。路基的底部设为竖向约束，不透水固定边界，路基上表面及非加固区路基表面为透水边界，路基及路基左右侧面为Y向位移固定不透水边界，路基及路基前后面为X向位移固定，不透水边界。

图1　路基三维有限元模型网格划分

2　土体参数

工程地质主要为冲洪积地层，成份为卵砾石及粘性土，地层的分布有：①杂填土：厚度0.5～1.9 m，土质不均匀，黄褐色，稍密、过湿，含有植物根系及零星小砾石；②淤泥质粉质粘土：厚度2.8～4.5 m，淡红色夹灰青、淡黄色，以粉质粘土、粉土为主，有层理，较均匀，饱和，软塑状；③卵石：厚度2～3.9 m，青灰色，中密，饱和，磨圆度较好，分选性差，骨架成份以砂岩碎屑组成，一般粒径3～10 cm约占30%，最大粒径可见13 cm，砂土充填，含土量较高；④强风化泥岩：未见底，红褐色夹有零星灰绿色，原岩结构构造现已破坏，尚可辨认，原岩已风化成呈土柱状夹有块状，遇水易软化、易崩解，岩性软弱，岩芯呈短柱状。各试验地层物理力学性质见表1。

表1　试验地层物理力学性质表（平均值）

3　路基土中超静孔隙水压随时间关系

路基土在受到填土荷载作用时，由于土中附加应力的瞬时增大，使得土体中的水无法及时向外排出，因此在土体中形成超静孔隙水压力，超静孔隙水压力随着土体骨架上有效应力的增长，土体固结沉降的进行而逐渐缓慢消散。由于路基中心点处沉降最大，取路基表面中心线以下0.9 m、1.9 m、2.9 m处节点为研究对象，得到路基土体超孔隙水压随时间的变化关系，见图2所示。

图2　超孔隙水压随时间变化关系曲线

4　不同加载级数下软土中超静孔隙水压云图

软土中超孔隙水压力由于分级填土加载的缘故，在7级加载完成时，土中水来不及排出，超孔隙水压力骤升，之后随着路基土体固结，超孔隙水压力逐渐消散。填土加载完毕时，超孔隙水压力增加到最大值，填土结束300 d时，超孔隙水压力逐渐降低，超过33%的超孔隙水压力消散完毕；随着土体深度的增加，超孔隙水压峰值越大，超孔隙水压基本保持不变，在工后300 d内，超孔隙水压明显下降。从经验来看，所得结果还是比较符合实际的。路基土体内总体超孔隙水压分布云图见图3～8所示。

图3　三级加载时超孔隙水压分布

图4　五级加载时超孔隙水压分布

图5　七级加载时超孔隙水压分布

图6　工后90 d时超孔隙水压分

图7　工后180 d时超孔隙水压分布

图8　工后300 d时超孔隙水压分布

从图中可以看出，在填土加载过程中土体内部超孔隙水压不断增大，在工后阶段超孔隙水压逐渐消散；路基范围内，超孔隙水压分布较为集中，超孔隙水压路基中心线处最大，沿着路基中心线逐渐向路基边缘减小。

5　结束语

基于以上的研究，有以下初步结论：

（1）路基土体中超孔隙水压力由于分级填土加载的缘故，在7级加载完成时，土中水来不及排出，超孔隙水压力骤升；

（2）随着路基土体固结，超孔隙水压力逐渐消散；

（3）路基范围内，超孔隙水压分布较为集中，超孔隙水压路基中心线处最大，沿着路基中心线逐渐向路基边缘减小。

参考文献：

［1］李学伟,宋小金,车法.粉质粘土地基超孔隙水压力消散规律研究［J］.中外公路，2014,34（2）：86-89.

［2］郑太原.软土地基超孔隙水压力排水强夯法的探讨［J］.科技咨询，2010（26）：72-73.

［3］宋修广,岳红亚,周志东,等.强夯作用下地基超孔隙水压力的变化规律现场试验研究［J］.铁道建筑，2015（7）：99-102.

［4］张宏博，厉超，陈晓光，等.强夯加固粉土地基超孔隙水压力增长规律研究［J］.铁道建筑，2015（8）：01-105.

作者简介：刘雄美（1980-），男，汉族，甘肃省会宁人，大学本科，工程师，主要从事建筑结构工程施工研究工作。

收稿日期：2015-11-16

中图分类号：TU447

文献标识码：A