毛成琦，安泰瑩，毛艷蕾

(1.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司) 太原市 030006； 2.北部戰(zhàn)區(qū)海軍保障部直屬保障隊(duì) 青島市 266001； 3.人民解放軍91206部隊(duì) 青島市 266108)

軟土地基表面在光照和降水作用下，一般是非飽和的，壓縮性低，強(qiáng)度高，在多次干濕循環(huán)作用下變得越來(lái)越“硬”，通常稱(chēng)之為軟土硬殼層。

高等級(jí)公路對(duì)路基不均勻沉降要求嚴(yán)格，當(dāng)公路穿越軟土地區(qū)時(shí)，通常都是進(jìn)行軟基處理，忽略了硬殼層的整體性，增加施工成本和延長(zhǎng)工期，如果能通過(guò)精確的地質(zhì)勘查和理論計(jì)算，不對(duì)地基進(jìn)行處理而又能保證在軟土硬殼層上直接填筑路基的穩(wěn)定性，將對(duì)工程設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性意義。

1 研究背景及工程簡(jiǎn)介

在軟土地區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)中積累了大量的數(shù)據(jù)、資料，其中在軟土硬殼層地區(qū)，有部分試驗(yàn)段路堤是直接填筑在原地面上的，其沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1：

表1 軟土硬殼層地區(qū)路基觀測(cè)數(shù)據(jù)

研究者認(rèn)為對(duì)軟土硬殼層地基可以不進(jìn)行處理的條件是：軟土表層有1.5～3.0m的硬殼層，路堤高度為2.5m左右。研究人員將低路堤沉降較小的原因歸結(jié)為：

(1)硬殼使得基底處的附加壓力向下傳播時(shí)，將應(yīng)力擴(kuò)散到下臥軟土層上，稱(chēng)為應(yīng)力擴(kuò)散作用；

(2)硬殼層像板體一樣覆蓋在軟土層上，當(dāng)荷載作用于硬殼層并向下傳遞時(shí)，由于表層硬殼層的約束，限制了軟土的自由位移，從而改變了軟土地基中的應(yīng)力分布，稱(chēng)為封閉作用。

沿海高速公路海豐段至滄州歧口位于河北省滄州市東部，為主要依托工程。為了明確路基下軟土硬殼層地基中的位移變化規(guī)律，在該試驗(yàn)段選擇斷面進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè),各斷面的監(jiān)測(cè)設(shè)備布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備布置平面圖

2 地表硬殼層對(duì)地基沉降的影響

2.1 硬殼層地基豎向附加應(yīng)力系數(shù)

路堤填筑在硬殼層上時(shí)，將出現(xiàn)應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象，豎向附加應(yīng)力迅速減小，如圖2中曲線(xiàn)3所示。圖中曲線(xiàn)1表示均質(zhì)地基情況，曲線(xiàn)2則表示上軟下硬地基。應(yīng)力擴(kuò)散與土層厚度、泊松比、軟土變形模量有關(guān)。

圖2 地基應(yīng)力分布

(1)

式中： E01—變形模量(硬殼層，kPa)；

E02—變形模量(軟土地基，kPa)；

μ1—泊松比(硬殼層)；

μ2—泊松比(軟土地基)。

葉果洛夫?qū)l形荷載作用在軟土硬殼層上時(shí)，硬殼層與軟土分界面上的一點(diǎn)的附加應(yīng)力求解方法：

σz=αEP0

(2)

式中：αE—軟硬分界面上豎向附加應(yīng)力系數(shù)。

葉果洛夫計(jì)算公式針對(duì)的是條形均布荷載的情況，只能計(jì)算出中心線(xiàn)與硬殼層底交點(diǎn)的應(yīng)力。為了計(jì)算路堤荷載作用下任一點(diǎn)的附加應(yīng)力，需要先將路堤梯形荷載轉(zhuǎn)化為條形均布荷載，以便用葉果洛夫方法計(jì)算出中心線(xiàn)與硬殼層底面交點(diǎn)處的附加應(yīng)力。

表2 豎向附加應(yīng)力系數(shù)αE

2.2 梯形荷載等價(jià)寬度的確定

為了準(zhǔn)確地計(jì)算出地基的沉降量，本節(jié)借助于ABAQUS有限元分析找到均布荷載與梯形荷載的等價(jià)關(guān)系。

圖3 均布荷載有限元模型

兩個(gè)模型唯一的區(qū)別是荷載形狀，計(jì)算參數(shù)、加載方式完全一樣，模擬分析時(shí)，保持某一個(gè)模型不變(梯形荷載)，通過(guò)調(diào)整矩形荷載的寬度使兩種荷載下地基的附加應(yīng)力基本一致，從而找到與梯形荷載對(duì)應(yīng)的矩形荷載的寬度。

圖5 等價(jià)模型

為了找到梯形荷載與條形均布荷載的等效寬度，對(duì)兩種荷載進(jìn)行模擬，計(jì)算分析可知：

ES1/ES2<3時(shí)，L=b+(B-b)/3

(3)

ES1/ES2>3時(shí)，L=b+(B-b)/4

(4)

式中：ES1—硬殼層壓縮模量(kPa)；

ES2—軟土層壓縮模量(kPa)；

H—路堤高度(m)；

B—梯形荷載下底寬度(m)；

L—條形均布荷載寬度(m)；

b—梯形荷載上底寬度(m)。

3 路堤荷載作用下軟土硬殼層地基沉降計(jì)算方法

(1)根據(jù)式(3)或式(4)將需要計(jì)算沉降的路堤荷載轉(zhuǎn)化成條形均布荷載。

(2)根據(jù)式(1)計(jì)算上硬下軟地基路堤中心線(xiàn)與軟硬交界面交點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力。

(3)利用線(xiàn)彈性理論，計(jì)算硬殼層內(nèi)豎向附加應(yīng)力。

(4)等效深度確定：原理是將軟土硬殼層地基轉(zhuǎn)化為均質(zhì)地基，使均質(zhì)地基Z(圖6)深度處M點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力與軟土硬殼層地基M點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力相同。主要方法就是比較第二步與第三步的計(jì)算結(jié)果，找到等效深度。

圖6 等效深度確定

(5)求得Z值后，按照線(xiàn)彈性理論計(jì)算地基中各點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力系數(shù)，硬殼層中的應(yīng)力則近似按照線(xiàn)性分布來(lái)計(jì)算。建筑規(guī)范中地基沉降公式如下：

S=ΦSS′=ΦS∑P0/ES1(Ziαi-Zi1αi1)

(5)

式中：s—基礎(chǔ)總沉降，mm；

S′—地基沉降量(分層總和法)；

ΦS—變異系數(shù)；

n—計(jì)算深度內(nèi)劃分的土層數(shù)量；

ES1—第i層土的壓縮模量(MPa)；

P0—附加壓力(kPa)；

Zi—?jiǎng)澐滞翆拥暮穸?m)；

αi—第i層土的附加應(yīng)力系數(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較

沿海高速公路滄州試驗(yàn)段K42+400、K42+500、K42+600三個(gè)試驗(yàn)斷面的路堤填土高度分別為5.5m、4.1m、3.4m。路堤頂寬28m，邊坡坡度1∶1.5，填土容重18.5kN/m，對(duì)地基未作處理。

分別計(jì)算k42+400～k42+600的總沉降量，將最終計(jì)算結(jié)果列于表3：

表3 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，分層總和法的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，修正后理論計(jì)算結(jié)果略大于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，這說(shuō)明修正的計(jì)算公式還是起到了一定作用。當(dāng)不進(jìn)行軟基處理地段與軟基加固地段想銜接時(shí)，需要考慮地基的不均勻沉降，這就需要考慮硬殼層的加筋作用以滿(mǎn)足地基工后沉降的要求。

5 結(jié)論

(1)在軟基處理路段與直接填筑路段，要注意沉降不均勻性，因?yàn)橹苯犹钪范诬浲凉探Y(jié)較慢，因此必須要有足夠的時(shí)間使直接填筑路段充分沉降。

(2)若不考慮硬殼層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，設(shè)計(jì)中很可能會(huì)因?yàn)榭偝两涤?jì)算偏大導(dǎo)致計(jì)算出的工后沉降過(guò)大而達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此有必要對(duì)傳統(tǒng)的地基沉降計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了修正后的軟土硬殼層地基沉降計(jì)算方法。