硬壳层软土地基应力分布研究

罗宇霖， 李雪宇， 刘 启， 文武飞

(1. 湖南省水务规划设计院有限公司，湖南长沙 410001； 2.湖南省地质调查院，湖南长沙 410001；3.湖南省自然资源事务中心，湖南长沙 410001)

软土在我国的分布十分广泛，尤其是沿海地区与江河流域范围内，软土具有抗剪强度较低、压缩性较高、含水率较高等特点，是施工组织设计中一大难点，必须对软土地基进行处理[1-3]。传统处理地基的方法有粉喷桩、插板排水等，其目的多为提高软土层的地基承载力，效果较好，但对地基的沉降量影响较小，地基沉降形式难以预测[4-5]。而一般在软土的上部，往往由于风吹日晒、水分蒸发而形成了一层硬度较大的土层——硬壳层，相比于下覆软土地基，上覆硬壳层更为密实，具有较大刚度，其含水率较低，抗剪强度较高，对外部荷载有较好的承受能力。目前我国众多工程中会就地选取选取硬壳层对软土地基的上部进行换填处理，将双层地基设计为持力层。硬壳层处理软土地基的方法可以有效提高地基承载力并减少沉降量，也能提高工程效率，减少工程造价，是目前应用最为广泛、最为优质的软土地基处理方法。

早在20世纪80年代，硬壳层软土地基就已提出[4-5]，当时由于施工方、设计方均对上覆硬壳层这一天然的保护层认识不足，因此在很长的一段时间里，硬壳层并没有得到充分利用，当时工程中一般的如砂井排水固结法、化学加固法、换土法等软土地基的处理办法，都是采取了破坏天然硬壳层的措施，工程造价高昂、工程效率低下等缺点较为明显。随着硬壳层软土地基逐渐推广向全国，上覆硬壳层和下覆软土地基所形成的“上硬下软”的双层地基的研究也水涨船多，才形成了如今比较成熟的双层地基处理方法[6-8]。本文以国内某工程作为背景，采用ABAQUS有限元软件，分别对不同厚度、弹性模量、路基荷载等参数的的硬壳层软土地基进行模拟，将各类破坏形式对比分析，以达到研究地基的沉降量、变形特征和竖向应力的变化规律，对此类路基工程的前期设计、现场施工和后期监测都具有重要意义。

1 有限元模型建立及验证

为充分考虑“上硬下软”的双层地基作用，结合该现场坡面地质勘测，如图1所示，简化硬壳层软土双层地基结构层。因纵向长度远大于横向长度，模型简化为平面应变问题。由于分析地基受路基荷载附加应力的分布规律，在数值计算分析中未考虑土体自重的影响。路基荷载简化为宽度20 m的矩形均布荷载，模型中地基总厚度为50 m，宽度160 m，分为2层，由上往下分别为玄武岩硬壳层、软土。有限元模型主要分析硬壳层厚度、弹性模量和路堤荷载等因素对硬壳层软土地基竖向附加应力扩散的影响，计算参数见表1。

表1 模型计算参数

图1 有限元模型建立

模型上表面为自由面，底面限制X、Y方向位移，左右侧面限制X方向位移。模型网格划分为八节点平面应变单元CPE8R，减缩积分，共计单元数8 000，节点总数8 211，上覆硬壳层和下卧软土层之间接触面采用Tie模式的绑定约束，确保接触面上各个方向上的变形位移为连续一致。

为验证模型的准确性与合理性，首先建立50 m厚均质软土，表面施加大小为60 kPa的条形均布荷载模型，同时采用布辛奈斯克理论计算该工况下路基中心沿深度方向的竖向附加应力，有限元模拟结果及布辛奈斯克理论计算结果如图2(a)所示；建立上覆厚度3 m的玄武岩硬壳层软土地基模型，与无上覆硬壳层地基模型竖向附加应力结果如图2(b)所示。

由图2(a)可知，均质软土地基荷载中心竖向附加应力有元限解与弹性理论解基本保持一致；由图2(b)可以发现，地基有上覆硬壳层时，在地基荷载作用下硬壳层中附加应力较大，衰减较慢，硬壳层和软土交界面上出现突变，下覆软土竖向附加应力减小，在地基深处附加应力趋于一致，表明上覆硬壳层的“扩散效应”改变了附加应力在地基模型中的传递规律，计算模型合理，可用于进一步计算分析。

图2 模型合理性验证

2 模拟结果及分析

2.1 硬壳层厚度对附加应力分布影响

路堤荷载取q=60 kPa，玄武岩硬壳层弹性模量取50 MPa，软土弹性模量取10 MPa，选取0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m的玄武岩硬壳层厚度变化区间，硬壳层软土地基竖向附加应力结果如图3所示。

图3 竖向附加应力随水平距离分布规律

由图3可知，在相同地基深度处，硬壳层厚度越大，竖向附加应力在路堤荷载作用宽度范围内相比于无硬壳层均质地基明显减小，但在路堤荷载作用范围之外，竖向附加应力随着水平距离的增大而减小的速度越慢，进而大于相同深度处无硬壳层均质地基条件下的附加应力，曲线拐点距离路基中心越远，可见硬壳层具有显著的应力扩散作用，扩散范围随着硬壳层厚度的增加逐渐扩大。

2.2 弹性模量对附加应力分布影响

现场硬壳层形状、性质不一，有结构性完整的玄武岩、有风化破碎较严重的风化岩。数值分析中，用弹性模量近似替代变形模量。深入分析不同弹性模量下硬壳层软土地基的竖向应力分布规律，明确硬壳层存在完整性、结构性区别下的应力扩散效果，进而指导硬壳层软土地基的设计、施工措施。取路堤均布荷载q=60 kPa，荷载分布宽度20 m，硬壳层宽度160 m，硬壳层厚度取3 m，固定软土弹性模量为10 MPa，硬壳层弹性模量分别取50 MPa、100 MPa、150 MPa、200 MPa和250 MPa(上下层地基弹性模量比值分别为5、10、15、20和25)，硬壳层软土地基交界面上竖向附加应力分布如图4(a)所示，路基中心不同深度的竖向附加应力如图4(b)所示。

由图4(a)可知，当壳厚一定时，随着硬壳层与软土弹性模量比的增大，硬壳层软土界面处竖向附加应力在荷载作用范围内明显减小，但在荷载作用范围外，竖向附加应力随着水平距离的增加，减小速度变慢，进而大于相同厚度硬壳层弹性模量较小的工况。由图4(b)可知，硬壳层弹性模量越大，在硬壳层范围内竖向附加应力沿深度的衰减越快，表明竖向应力沿水平方向的扩散越多，进而传递至软土界面的附加应力越小。当深度超过30 m时，不同弹性模量下地基的附加应力基本趋于一致，表明改变弹性模量比主要引起地基一定深度范围内的应力重分布。提取3m深度处，硬壳层软土地基路基中心位置附加应力系数，得到弹性模量比5、10、15、20和25的附加应力系数分别为0.981、0.967、0.951、0.935和0.920，表明随着弹性模量比的增大，硬壳层的应力扩散效应近似呈线性增大。

2.3 路基荷载大小对附加应力分布影响

为研究路堤荷载大小对玄武岩硬壳层软土地基附加应力分布的影响规律，固定荷载分布宽度20 m，硬壳层宽度160 m，硬壳层厚度取3 m，软土弹性模量为10 MPa，硬壳层弹性模量取50 MPa，计算不同荷载大小分别为60 kPa、120 kPa、180 kPa、240 kPa、300 kPa、360 kPa、600 kPa工况下硬壳层软土地基交界面上和路基中心竖向附加应力，如图5所示。

图5 竖向附加应力系数随路堤荷载大小变化分布规律

由图5可知，在路堤荷载较小时(均布荷载小于240 kPa)，由于硬壳层变形较小，硬壳层“扩散效应”充分发挥，在水平方向与深度方向上地基附加应力系数基本保持一致，表明双层地基处于弹性状态，改变荷载大小对地基内部附加应力的分布基本不产生影响；但当荷载增大至300 kPa时，路基中心处浅层范围内地基的附加应力系数减小，但减小幅度较小，在远离荷载中心的地基附加应力系数保持不变，表明软土地基开始出现塑性变形，导致应力集中，远离荷载的地基部分仍处于弹性状态；当荷载继续增大至360 kPa、600 kPa后，竖向附加应力系数变化幅度较大，表明此时双层地基的弹性平衡状态被打乱，软土地基已经产生较大的塑性应变，且随着荷载的增大，塑性区进一步增加，地基趋于破坏，在工程中尽量避免这样的工况发生。

2.4 破坏形式分析

ABAQUS在岩土工程应用领域的输出变量PEEQ代表整个加载过程中土体等效塑性应变的积累结果，岩土体任意一点的PEEQ可将其定义为该点塑性应变的累计值，PEEQ大于零表示岩土体己经发生了屈服，因此PEEQ云图可以反映地基的塑性变形区的发展形成过程，进而可以分析地基的破坏形式。本节为研究均质软土地基与上覆玄武岩硬壳层双层地基的破坏形式，取路堤荷载宽度20 m，模型宽度160 m，土层厚度50 m，上覆硬壳层厚度取3 m，硬壳层弹性模量取50 MPa，软土弹性模量为10 MPa，考虑到土体自重的影响，首先对土体模型施加重力，利用Abaqus地应力分析步geostatic进行模型地应力平衡，然后分级施加路堤荷载，每级荷载大小6 kPa，最大荷载600 kPa。输出路堤荷载大小分别为300 kPa、360 kPa、600 kPa工况下地基的等效塑性应变云图，如图6所示。

图6 不同路堤荷载下等效塑性应变云图

有限元模型运行结果显示：

(1)对于均质软土地基，当路堤荷载为300 kPa时，路基中心下约12 m深度处开始出现塑性变形区，此时大部分土体处于良好的弹性状态，地基处于稳定状态，如图6(a)所示。

(2)随着路堤荷载的增大，塑性区迅速开始向地基深处延伸，同时以一定角度(本工况下，破坏面与水平线夹角约60°)向路堤荷载两侧的边缘贯通，当路堤荷载增大至360 kPa时已基本形成了贯通地表的塑性区,塑性区深度约20 m，如图6(c)所示。

(3)当路堤荷载继续增大时，塑性区开始不断向地基深处扩展，当路堤荷载增大至600 kPa时，塑性区向上贯通地面，向下延伸至地基30 m深度处，已经发生完全的整体剪切破坏，如图6(e)所示。

(4)对于上覆3 m玄武岩硬壳层地基，当路堤荷载为300 kPa时，路基中心下约11 m深度处开始出现塑性变形区，但塑性区范围及塑性应变大小均小于同等荷载作用下的均质软土地基，此时双层地基基本处于良好的弹性变形状态，如图6(b)所示；随着路堤荷载的增大，塑性区开始向上以一定角度向路堤荷载两端在玄武岩硬壳层底部的投影位置延伸，同时向四周与下部延伸，但塑性区的扩展速率与塑性应变的大小均远小于同等条件下的均质软土地基，从而可以看出上覆玄武岩硬壳层对于地基变形起着良好的支撑和延缓作用。当路堤荷载增大至360 kPa时，塑性区上部延伸至玄武岩硬壳层底部，如图6(d)。

(5)当路堤荷载继续增大时，塑性区向上沿硬壳层底部向路基中心延伸，向下不断向地基深层及路堤荷载宽度范围之外延伸，由于硬壳层的“反压护道”及“封闭作用”，当荷载增大至600 kPa时，双层地基发生典型的冲切破坏，如图6(f)所示。

3 结论

本文采用ABAQUS有限元模型，在控制变量的前提下建立了7种不同厚度、5种不同弹性模量和7种不同大小路基荷载的硬壳层软土地基模型，分别比较3个参数变化对于硬壳层软土地基的应力分布情况的影响，得出结论：

(1)根据相同地基深度处，不同深度的硬壳层竖向附加应力变化情况得知，硬壳层具有显著的应力扩散作用，扩散范围随着硬壳层厚度的增加逐渐扩大，但存在上限，在达到某一特定深度(本工况是15 m)时，分界面竖向附加应力变化不再明显。可知在有效深度范围内硬壳层厚度越大，处理效果越好。

(2)当壳厚一定时，在荷载作用范围内，随着硬壳层与软土弹性模量比越大，硬壳层软土界面处竖向附加应力越小。而弹性模量比主要引起地基一定深度范围内的应力重分布，在这一范围(本工况是30 m)内，随着弹性模量比的增大，硬壳层的应力扩散效应会近似呈线性增大，附加应力减小，地基的承载能力更好。

(3)在荷载较小时(均布荷载小于240 kPa)，双层地基处于弹性状态，荷载大小对地基内部附加应力的分布基本不产生影响；当荷载增大至300 kPa时，软土地基开始出现塑性变形，远离荷载的地基部分仍处于弹性状态；当荷载继续增大至360 kPa以上，软土地基已经产生较大的塑性应变，且随着荷载的增大，塑性区进一步增加直至趋于破坏。过大的交通荷载对路基破坏效果显著，在使用中须尽可能避免以延长道路寿命。