【摘 要】土體是固相、液相、氣相結(jié)合而成的材料，其承載力取決于土顆粒之間建立的結(jié)構(gòu)骨架；變形程度取決于土顆粒之間的孔隙大小。土體的變形程度越大，表明土顆粒之間的孔隙已明顯變小，土顆粒之間的接觸面增大、構(gòu)成的結(jié)構(gòu)骨架越穩(wěn)定，有效應(yīng)力明顯增大。

通過試驗(yàn)并結(jié)合原理探究，發(fā)現(xiàn)分級加載較一次性加載能充分考慮到土體排水情況，更能很好的提高土體的極限抗剪能力，在道路路基的加固處理、提高地基強(qiáng)度上具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】分級加載；極限抗剪承載力；道路路基加固處理

前言

路基施工是公路工程施工建設(shè)中非常重要的一關(guān)，其施工安全性直接影響道路面層的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，間接與人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全緊密的聯(lián)系在一起。同時(shí)地下工程是個(gè)隱蔽的工程，土體具有不均勻性，承載后其變化過程也具有多樣性，因此路基施工往往要求的安全度很高。當(dāng)路基土體達(dá)到極限承載能力時(shí)，往往伴隨著地面坍塌下陷，此時(shí)道路主體多會傾向一方，甚至倒塌。因此為增加地基施工的安全性，就要使基層土體能夠有足夠的強(qiáng)度來支撐由道路面層傳來的荷載。

目前路基施工中應(yīng)用的地基處理方法有很多，根據(jù)各類場地土質(zhì)的不同，采用合適的處理方法對地基或加固或置換。對于簡單地基多采用排水固結(jié)法，即將需要加固的地基內(nèi)孔隙水排出，繼而增加了土體顆粒之間的有效應(yīng)力，增大了地基的極限承載力。加固地基時(shí)采用排水固結(jié)法，施工簡單、經(jīng)濟(jì)，對于砂土類及飽和軟粘土類地基的強(qiáng)度改善效果非常明顯。

根據(jù)排水固結(jié)法原理的研究，并結(jié)合工程實(shí)踐，目前采用預(yù)壓方法和排水方法來對地基進(jìn)行排水、固結(jié)，本文將就預(yù)壓方法中的堆載方法進(jìn)行原理上的討論，由此來說明分級加載產(chǎn)生的加固效果要優(yōu)于一次性加載方式，采用分級加載的方式對提高地基承載力是十分必要的。

1 土體承重的原理

土是由巖石經(jīng)過風(fēng)化作用后形成的礦物顆粒堆積在一起而形成的，中間貫穿著孔隙，孔隙之間存在水和空氣。因而土是由各種大小不同的土粒、水和氣體按各種比例組成的集合體，當(dāng)土是由土粒、空氣和水組成時(shí)，土為固相、氣相和液相組成的三相體系。

土體的結(jié)構(gòu)與混凝土相似，具有細(xì)觀上差異大、宏觀上可視為同性體特性，但是其力學(xué)性能卻完全不同。土體可看作為粘彈性材料，內(nèi)部總是存在空隙或存在自由水，是一種結(jié)構(gòu)較松散，可以經(jīng)排水后不斷被壓實(shí)的物體。對土體微觀觀察發(fā)現(xiàn)，土顆粒部分接觸，隨著荷載逐漸增大，土顆粒之間的接觸面逐漸增大，同時(shí)顆粒與顆粒之間形成的孔隙越來越小，伴隨著孔隙內(nèi)部自由水的排出；土顆粒之間形成了新的骨架，具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加了土體的承載能力。通過該研究可以發(fā)現(xiàn)，土體是通過土顆粒之間形成的結(jié)構(gòu)骨架來承受外部荷載的，對地基進(jìn)行加固處理的過程就是打破原本土顆粒骨架形成新的更穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系的過程，因此土顆粒之間形成的結(jié)構(gòu)骨架是土體承重的根本，當(dāng)將土從地下取出時(shí)，該結(jié)構(gòu)骨架很容易遭到破壞，失去原來穩(wěn)定的承載能力，并且土體具有明顯的地區(qū)不均勻性。 排水固結(jié)法就是建立在此研究上發(fā)展起來的地基加固方法，通過不斷抽出土體內(nèi)部孔隙間的自由水，使土顆粒之間的接觸面增多，形成更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)骨架，增強(qiáng)地基的承載能力。

2 土體變形的試驗(yàn)研究

采用堆載預(yù)壓法對場地路基進(jìn)行加固處理時(shí)，將堆載分批次施加到需要加固的場地上的方法為分級加載，將堆載一次性的全部加到需要加固的場地上的方法為一次性加載。為研究這兩種方法在路基加固效果上的優(yōu)劣，首先需要研究土體在荷載作用下的力學(xué)性能。

現(xiàn)有一剛從地下取出的原狀土，置于設(shè)有排水面的試驗(yàn)裝置中，先不施加外界荷載使其只在自重條件下固結(jié)。足夠長的時(shí)間（以該土不再發(fā)生明顯的沉降為準(zhǔn)）后，開始對該土進(jìn)行緩慢的加載過程。

經(jīng)觀察可見：該土在外界荷載緩慢的加載過程中，其變形先有很小部分的線性階段，然后一部分的非線性彈性階段，接著會發(fā)生一段明顯的非線性、非彈性的大變形，當(dāng)這樣的沉降使土顆粒重新排列形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)抵抗外界荷載時(shí)，土體又開始進(jìn)入很小部分的線性階段，然后較長一部分的非線性彈性階段，最終仍會接著發(fā)生一段明顯的非線性、非彈性的大變形，發(fā)生較大的沉降。但越接近后期加載，土體越接近密實(shí)，變形越不明顯，同時(shí)發(fā)現(xiàn)有孔隙水排出。變形曲線見圖，圖中的點(diǎn)為土受力變形過程中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試驗(yàn)中非線性、非彈性的大變形過程簡化成直線。

土受力的荷載-變形曲線簡化圖

對該土的荷載-變形曲線加以分析可得，土體的變形特性是：1）每階段的線性區(qū)間斜率越來越大，即每一次大變形后，土體的剛度都得到很大程度上的提高；2）每階段的非線性、非彈性變形的程度越來越少，這是由于隨著外界荷載的增大，土體內(nèi)的土顆粒重新排布，內(nèi)部的孔隙逐漸被土顆粒及內(nèi)部存在的自由水填充，土體內(nèi)部的孔隙越來越少；3）隨著加載的進(jìn)行，土體內(nèi)的孔隙水被排出，且隨著孔隙水的排出，土體的承載力明顯的增大。

由于土體承載時(shí)，土顆粒構(gòu)成的骨架起到了根本作用，并且提高土體承載能力關(guān)鍵是增大土顆粒之間的接觸面，形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)骨架，因此當(dāng)土體內(nèi)的自由水全部或接近全部填充土體內(nèi)的孔隙時(shí)，如果孔隙水壓力不能及時(shí)消散的話，繼續(xù)加載就會引起孔隙水壓力，土顆粒之間的接觸面就得不到增大，土體的承載力就不能得到提高。所以，在指定堆載方案時(shí)，就要以土體內(nèi)部的孔隙水壓力盡快消散，提高土顆粒之間的傳遞力，達(dá)到提高路基承載能力的目的。

3 兩種加載方式下的應(yīng)力路徑分析研究

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，土體內(nèi)部土顆粒之間的傳遞力是決定土體整體承載能力的關(guān)鍵，該傳遞力即有效應(yīng)力，是研究土體承載問題的關(guān)鍵物理量，設(shè)路基土體是正常固結(jié)的，采用分級加載的方式進(jìn)行路堤填土施工，其應(yīng)力路徑與一次性加載下的應(yīng)力路徑如下圖所示。

分級加載與一次性加載的應(yīng)力路徑圖

由圖中可見，a-b曲線反映的是一次性加載對應(yīng)的有效應(yīng)力路徑，a-1-1’-2-2’-3-3’-4反映了分三級加載對應(yīng)的有效應(yīng)力路徑。

圖中一次加載的有效應(yīng)力路徑中，在a點(diǎn)位置只加載一次，則得到的土體極限抗剪承載力為τfb。三級加載的有效應(yīng)力路徑中，對a點(diǎn)位置分三次逐級加載，則得到的土體極限抗剪承載力τfc。由此可見，兩種不同的加載方式產(chǎn)生的土體極限抗剪承載力相差較大，如圖Δτ所示的長度。由此可見分級加載對提高土體承載能力具有重要的意義。

4 結(jié)語

土體是由土顆粒、自由水及空氣共同構(gòu)成的三相體，其力學(xué)性能的表現(xiàn)與土內(nèi)部構(gòu)成具有很大的關(guān)聯(lián)性。在試驗(yàn)中，隨著外部荷載的持續(xù)增加，土體的壓縮變形逐漸減少，并逐漸趨于0。因此土體是一類可以不斷壓縮但是總達(dá)不到極限的材料，在研究中通常作為粘彈性材料來處理。

土這種變形特性引發(fā)了工程業(yè)界人士對如何提高土體承載能力的思考，在工程實(shí)踐中，工程師采用分級堆載和強(qiáng)夯并輔助以良好的排水措施的方式對即將進(jìn)行公路工程建設(shè)的地基進(jìn)行加固。實(shí)踐證明：分級加載并注意進(jìn)行通暢的現(xiàn)場排水的方式遠(yuǎn)好于一次性加載模式，可以將孔隙水壓力及時(shí)消散，有效應(yīng)力逐漸增大，極大的提高了土體的極限承載能力；強(qiáng)夯對地基土體承載能力的提高主要體現(xiàn)在能夠很好的使土體中土顆粒進(jìn)行重組排布，大大減少了土體的孔隙，增加了土體的剛度，由此提高了土體的極限承載能力，其根本原理是一致的。

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