高应力荷载作用下软土地基稳定性分析

陶 琳

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

1 概述

近些年来，城市人工造景堆山工程施工过程中经常发生山体失稳。发生失稳的根本原因主要是因为地基土中的软弱土层承载力不足，地基发生冲剪破坏，从而进一步导致山体沉陷和滑坡。

关于人工堆山的研究，国内外均有不同程度的进展。Rajaram等[3]、顾凤祥等[1]、廖辉[2]、翁鑫荣[4]、陈国栋[5]、王威[6]、韦智等[7]学者分别从堆山材料的选择、山体稳定性的理论及有限元分析、施工技术手段等方面进行了一定程度的研究。

结合堆山工程的特性，考虑土体固结作用下土体强度增长特性，提出一种运用土体强度指标考虑固结作用的地基承载力计算方法，对地基中每层土均进行地基承载力分析。通过案例分析，对所提出的方法进行运用和说明。

2 考虑强度增长的承载力计算方法

2.1 土体固结对土体强度的影响

关于固结作用下的强度增长估算，沈珠江[8]认为不排水抗剪强度增量与竖向有效应力增量和内摩擦角有关，软黏土抗剪强度的增加取决于破坏前潜在破坏面上的有效应力增量，可用下式表示：

Δτ=Δσ′tanφ

(1)

其中，Δτ为不排水强度增量；Δσ′为竖向有效应力增量；φ为地基土内摩擦角。根据有效应力原理和地基平均固结度的定义，可得到如下表达式：

Δσ′=Δu=UtΔσ

(2)

其中，Δu为孔压变化量；Ut为地基平均固结度；Δσ为附加应力引起的竖向应力增量。将式(2)代入式(1)可得：

Δτ=UtΔσtanφ

(3)

式(3)即为JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[9]中推荐的考虑固结作用的强度增长公式。由此，考虑固结作用的地基不排水强度可表示为：

τf=τ0+Δτ=UtΔσtanφ

(4)

其中，τf为考虑固结作用的土体不排水抗剪强度；τ0为地基土初始强度。

2.2 考虑固结作用的承载力计算公式

地基极限承载力理论以力的极限平衡为基础，建立了极限承载力与地基土强度指标之间的关系。常用的极限承载力的计算公式，如太沙基公式[10]、梅耶霍夫公式[11]等，计算结果一般相差不大，都具有如下的表达形式：

(5)

其中，qu为地基承载力；c为土体粘聚力；q为边载；γ为地基土容重；B为基础宽度；Nc，Nq，Nγ均为承载力系数。

由式(5)计算所得的承载力只和地基土的初始参数有关，并未考虑固结作用下的强度增长，因此计算出的承载力属于土体天然承载力。对于高应力荷载作用下的地基来说，仅依靠天然承载力是无法承受上部荷载的。另外，地基中的冲剪破坏往往容易发生在软粘土层中，且软粘土层对地基承载力的影响很显著。软粘土层越厚，地基承载力越低[12]。为了更合理地考虑承载力的影响，应对地基中每一层土均进行承载力分析，并考虑固结作用下的土体强度增长。

对于工程中土体强度指标的选用问题，LADD[13]曾提出将工程问题分为排水问题、部分排水问题和不排水问题。堆山工程采用分层堆填施工，虽然在过程中地基土发生了排水固结，但每层堆填的施工期不算很长，且破坏的发生往往是突然性的，可认为是发生了不排水破坏。另外，根据摩尔—库仑强度理论，土的强度可划分为两部分，分别为粘聚强度c和摩擦强度σtanφ。然而，实际中土的强度是一种综合表现，难以简单地划分开来。不排水强度虽是在φu=0的假定下得出的，但这种取值方法可以避免将土体的粘聚强度和摩擦强度划分开来。因此，堆山工程中选用不排水指标进行分析是合理的[14]。

当采用不排水指标验算地基承载力时，土体的cu可用τf表示，则式(5)可表示为：

(6)

根据前文所述，固结作用下的强度增长体现为地基土的不排水强度增大，因此将式(4)代入式(6)可得考虑固结作用的承载力为:

(7)

对于堆山工程而言，若对每层地基土均进行承载力计算，可将边载与所选择的计算土层之上的土重合并为一项进行考虑，即式(7)中第二项和第三项合并为一项，则式(7)简化为:

(8)

其中，γi为计算土层之上第i层土的容重;Di为与γi相应的土层厚度。

式(8)与Prandtl提出的承载力公式具有相似的形式。若考虑Skempton提出的不排水地基承载力系数Nc为(π+2)，式(8)可改写为:

(9)

根据式(9)即可对堆山工程进行地基承载力验算。

为了直观表示堆山下地基承载力稳定性，引入如下安全系数定义：

(10)

其中，Fs为地基承载力安全系数；p为上覆总荷载。根据式(10)，可得出施工不同时期的地基承载力安全系数，直观地反映整个施工期中地基的稳定性。

3 工程案例分析

3.1 案例概况

图1所示等高线为江苏苏南某市[1]在其地势低洼的软土地基上进行施工的人工堆山，其设计高度为54 m。

根据该工程施工过程中的沉降资料，在施工开始后约370 d时，沉降出现了明显的突变，由将近1 m突然增长到接近6 m。破坏发生时，堆山高度达到40 m，最大荷载约为760 kPa，对于地基土而言属于高应力作用。

由地质资料可知，该工程地基中除土层④淤泥质黏土层外，各土层孔隙比和压缩模量差异不大。土层④淤泥质黏土层的压缩系数为0.46，其余各层土按厚度平均所得压缩系数为0.28，因此所有土层均属于中压缩性土,见表1，表2。

表1 地基土体主要参数

表2 地基土样物理性质指标

3.2 考虑固结作用的承载力分析

该案例中，地基土中包含含水量大而强度低的软弱层，因此采用了打设竖向砂井的方式进行地基处理。为了考虑砂井作用，在计算固结度时，砂井贯穿的土层采用巴隆三维固结理论进行分析，砂井底部以下土层按太沙基一维固结理论分析。其中，土层④只有部分受到砂井作用的影响，因此将该层分为两部分，一部分被砂井贯穿，受到砂井的径向排水作用影响，称为④-1；另一部分为砂井未贯穿的部分，不受砂井径向排水的影响，称为④-2。

按照前文所述方法，对地基中每一层土均进行承载力验算。经过计算，得到各层土的承载力安全系数变化曲线如图2所示，各层土的最小承载力安全系数如表3所示。由图2和表3可知，随着荷级不断增加、时间不断增长，土体的安全系数不断减小。在堆山高度达到40 m时，土层④-2的承载力安全系数降低至1以下，说明该层土体的承载力不足，地基发生破坏。这一计算结果与实际情况较为符合，说明通过这种计算方式来验算该工程的地基承载力是可行的。

表3 地基各层土体最小承载力安全系数

4 结语

1)堆山工程地基稳定问题需要考虑土体固结对强度和承载力的影响。根据案例分析，本文提出的考虑固结作用的承载力分析方法能得到与实际情况较为符合的结果，说明本文所述的方法用于堆山工程承载力验算是可行的。

2)堆山工程的稳定分析应同时考虑地基和边坡的稳定。地基承载力往往是堆山工程中起决定性的方面，而边坡稳定也不容忽视。

3)对于堆山一类高应力作用下的工程，可充分利用土的固结特性来提高地基土的承载能力。山体的建设不宜过快，应采用分层堆载方式进行施工，每一级荷载施加完毕后，待地基固结至一定程度、地基承载力提高至足以承受下一级荷载后，再进行下一步的施工。