不同加载速率和地基处理方式下软土地基稳定性的研究

杨国宝，徐申力，王大可，丁 峰

(1.浙江大学 建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028； 2.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006)

随着我国经济的高速发展，促进我国的交通基建项目大幅获批建设，公路修建工程规模也日益庞大。在各类公路项目施工建设过程中，经常会遇到沉降大、排水凝固低、压缩性高以及较差稳定性的软土地质带。对软土地基的沉降速率和沉降量进行科学控制，以确保软土地基的稳定性。这已经成为众多工程设计及施工人员直面并加亟待解决的工程问题[1-4]。现行的行业标准及相关规范均对软土地基的稳定性监测和施工控制措施、运行监测指标进行了一系列规定。通常，在软土地基的稳定性监测过程中，主要将软土地基坡脚处的水平位移和土质地表沉降作为主要的监测指标，通过设定水平位移速率和沉降速率作为监测模型的控制指标，实现对软土地基稳定性的判断。该种对软土地基的稳定性判断方法具有直观方便的优势，因此受到工程行业的广泛应用和认可。

通常情况下，地基的变形速率会随其稳定性增加而逐渐降低，但能影响软土地基的稳定性和沉降变形的因素众多，仅依靠监测软土地的水平位移和沉降速率的数值变化作为其稳定性判据的手段是不够准确的。已有众多的工程实例监测资料说明：工程施工中遇到的软土地基表层形变速率经常超过设定的限值标准，但未发现软土地基失去稳定性的情况[5-6]；而对于软土地基发生整体失稳的事故中，其地表形变的速率在发生失稳前又未出现超过设定的控制标准，但软土地基突然产生整体性失稳。目前，国内众多学者对制定的判别标准进行了深度解析。文献[7-9]详细分析了软土地基的排水固结地基情况，且结合工程实际情况对制定的沉降速率的控制限值进行了模拟分析；文献[10-12]考虑到堆载工程的加载速率对软土地基形变具有重要影响，但仅基于不同软基工程简单的标准并非完全合理化。

综上所述，结合工程实际的情况，本文基于软土地基的不同加载速率和处理方式对地基形变的影响研究，通过有限元法进行仿真计算，算例仿真结果说明了本文方法可为软土地基的堆载工程监测工作提供相关工程经验参考。

1 工程概况

本文选取某地区软土地基下人工地形堆筑工程设计高程为+11.5 m，长150 m，近正方形布置，从上往下土层分布依次为堆土、砂土垫层、淤泥质粉质黏土、淤泥质软黏土和粉质黏土。为了保证工程区域淤泥质黏土的固结速率，采用打设塑料排水板的方式加快土体排水固结。在工程堆筑施工过程中，进行地表沉降、测斜、孔隙水压力、分层沉降等内容的必要地基稳定性监测。土层分布及勘查物理指标见表1。

表1 土层勘察参数Tab.1 Parameters of soil investigation

2 建立数值模型

目前，针对岩土工程的有限元计算软件较多，但其软土地基的监测计算理论和方法大致相同，本文利用Plaxis计算软件可很好地处理变形、固结、回填开挖、卸载加载、土体工程的稳定性分析、渗流等各类计算，已逐渐在行业广泛推广使用。本文宜利用该软件进行建模仿真分析。

为不断提高模型的计算效率，优化内存占用，采用对称性建模的方式建立了本文涉及的软土地基工程的有限元仿真模型。模型的设置的尺寸宽度及深度均设定为75 m，其设计坡度比例设置为1.0∶1.5，填土底部宽度设置为24 m。此外，仿真模型的边界条件设定如下：软土地基底部设置为固定边界，且软土地基的左右两侧均为水平位移约束，软土地基的上部表面设定为排水边界。其土体的上方堆土和砂土垫层选择Mohr-Coulomb模型仿真计算，下部黏土则利用改进的Cam-Clay模型进行计算。建立的有限元分析模型如图1所示。

图1 有限元分析模型 Fig.1 Finite element analysis model

建立的仿真模型的土体详细参数见表2和表3。结合文献[13]讨论的Cam-Clay模型原理，利用加工硬化规律应用于Cam模型中，对软土地基的形变特性进行详细阐述，获得一个较完整的软土地基下的计算模型，模型能反映软土地基的弹塑性特性，尤其考虑了软土体的塑性体积变形。基于经典塑性位势理论，采用了单屈服面和关联流动法则，它在主应力空间上的形状就像一顶帽子，亦称帽子模型。

表2 上方堆土和砂土垫层参数Tab.2 Parameters of soil and sand cushion

表3 软土体参数Tab.3 Soil parameters of soft soil

3 不同加载速率对软土地基稳定性影响

现阶段，工程中经常采用等速较慢、等速较快和不等速3种加载模式，为更好地模拟工程现状，数值计算中亦分别采用这3种加载模式进行加载。其中，等速较慢(工况1) 的加载速率为0.25 m/d，等速较快(工况2)的加载速率为0.5 m/d，不等速加载(工况3)开始加载速率为1.0 m/d，而改为低速0.25 m/d进行加载。对上述3种加载工况进行数值计算，并提取3种不同加载速率下的地基沉降变化曲线和沉降速率变化曲线，如图2和图3所示。

图2 不同加载速率下地基沉降变化曲线 Fig.2 Variation curve of foundation settlement under different loading rates

由图2可以看出，3种工况下的极限土体堆高均在5.0 m左右，不同加载速率下，相同堆积高度下地基土体的沉降变化量差距很小。

图3 不同加载速率下沉降速率变化曲线Fig.3 Curves of settlement rate under different loading rates

从图3可以看出，3种工况下，加载速率对地基土体沉降速率影响很大。等速加载2种工况下，在土体发生失稳破坏前沉降速率没有大的波动，随着荷载的增加，地基土体沉降速率表现为缓慢增长，土体内部应力水平增加，宏观表现为整体稳定安全度降低，当土体达到极限破坏状态时，沉降速率发生突变，土体发生破坏。不等速加载工况下，加载速率的变化对土体沉降速率影响显著，虽然在土体稳定性安全度高，但由于加载速率大，沉降速率也大，后期随着加载速率的减小，土体沉降速率下降明显；达到土体极限破坏状态时，随着进一步的加载，土体发生破坏；沉降速率变化会出现先快后慢的反常情况。可见，地基变形速率大不一定代表地基土体处于危险状态，地基变形速率小也不一定代表土体整体稳定安全，简单地通过地基变形速率对地基稳定性进行判断并不合理，需要综合考虑多种因素进行判断。

4 不同地基处理方式对地基稳定性的影响

现阶段，针对软土地基处理依据排水和不排水方式分为2类地基处理手段。常见的不排水地基处理有抗滑桩地基和水泥土桩复合地基；对于排水地基，主要通过设置塑料排水板和塑料排水板联合抗滑桩等手段进行排水加固。为了研究不同地基处理方式对地基稳定性的影响，选用上述4种典型处理方式的地基和天然地基分别进行数值计算，即抗滑桩复合地基(工况1)、水泥土桩复合地基(工况2)、塑料排水板复合地基(工况3) 、塑料排水板联合抗滑桩复合地基(工况4)和天然地基(工况5)5种工况。在前述已建数值分析模型的基础上，进行4种地基处理方式的设置。地基中采用直径0.5 m、长度为15 m的抗滑桩和水泥土桩，间距为2.0 m；地基处理方式的具体模拟过程参考文献[16]提出的水泥土桩和塑料排水板简化方法进行设置处理；土工格栅单元采用有限元内置土工格栅单元进行模拟。另外，需要说明的是不排水地基的加载方式采用加载速率为0.5 m/d的恒速加载，而对于排水地基加载速率亦为0.5 m/d，但增加了预压阶段，进行逐级加载。对上述5种工况分别进行数值计算，并提取5种不同地基处理方式下的地基沉降速率曲线和水平位移(坡脚特征点) 速率变化曲线，如图4和图5所示。

图4 不同地基处理方式下地基沉降速率变化曲线Fig.4 Curves of ground settlement rate under different ground treatment methods

图5 不同地基处理方式下地基水平位移速率变化曲线Fig.5 Curves of horizontal displacement rate under different foundation treatment methods

由图4、图5可以看出，排水地基处理方式与不排水地基处理方式相比，两者差别很大，排水地基的极限堆高约为未排水地基土体极限堆高的2.5倍，地基土体安全度得到明显提升；不排水地基(工况1、工况2和工况5)在地基土体发生破坏之前，地基土体的沉降速率和坡脚处水平位移速率始终未超过20.0 mm/d，究其原因，主要是软黏土地基内部未进行排水固结，土体内部超孔隙水压力消散速度缓，一方面与土体排水密实，颗粒间的空隙变小有关；另一方面，排水系统功能的弱化也不可忽视，主要表现为后期塑料排水板往往发生扭曲变形，内部通道被土体颗粒堵塞，从而影响了水体的进一步排出。

综上，地基稳定性的影响复杂，需要多方面的考虑和合理的分析，才能给出更为科学的评价；对于采用排水地基处理方式，在加载初期沉降速率就很大，加载后期由于土体间空隙排水固结、颗粒之间密实，地基变形速率显著降低。

对于水平位移速率，排水复合地基在堆高5 m左右时出现了一个快速增长期，但随后又降了下来，过大的位移速率并没有引发土体地基发生破坏，究其原因主要是由于地基土体内部超孔隙水压力消散速度快，变形速率增大，地基抗剪强度也随之快速提升。可见，不同的地基处理方式对软土地基的稳定性有重要影响。需要指出的是，采用塑料排水板进行软土地基排水固结，实际工程中往往会出现前期变形速率大后期变形速率小。

5 结语

道路建设过程中会遇到较多的软土地基，软土地基的稳定性直接决定了道路的安全可靠。文章结合实际工程，开展不同加载速率和地基处理方式对软土地基变形的影响的研究，得出以下结论：

(1)地基变形速率大不一定代表地基土体处于危险状态，地基变形速率小也不一定代表土体整体稳定安全，简单地通过地基变形速率对地基稳定性进行判断并不合理，需要综合考虑多种因素进行判断。

(2)不同的加载速率对软土地基的变形速率有着显著影响，等速加载和不等速加载方式不宜采用相同变形速率控制指标，在实际工程中应综合考虑土体特性及工程情况进行分析，以给出科学的评定。

(3)不同的地基处理方式对软土地基的稳定性有重要影响，地基的排水性能好，能显著提升软土地基的稳定性；排水地基和不排水地基的稳定性也不宜采用单一的变形速率控制指标进行评定。