李昕，劉華春，鄧睿

(1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400015；2重慶市城市建設(shè)發(fā)展有限公司，重慶401120)

1 概述

強(qiáng)夯法處理地基加固效果顯著，設(shè)備簡(jiǎn)單，施工方便，在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于公路、碼頭、機(jī)場(chǎng)及工業(yè)與民用建筑地基中[1]。在山區(qū)填方地基中，填方深度大、強(qiáng)夯有效加固深度有限是強(qiáng)夯應(yīng)用的瓶頸。山區(qū)地基填土以開山泥巖或砂巖碎塊石為主，滲透性良好，孔隙水壓消散時(shí)間短，為填土在附加應(yīng)力作用下強(qiáng)度指標(biāo)提高提供了有利條件。

本文在強(qiáng)夯地基工程實(shí)踐中引入上部有效加固土層對(duì)下部彈性區(qū)域土層的預(yù)壓作用，一定條件下提高了強(qiáng)夯的可加固深度。從而擴(kuò)大了強(qiáng)夯法在山區(qū)高填方地基處理中的應(yīng)用范圍。

2 堆載預(yù)壓非飽和土理論

堆載預(yù)壓法作為處理飽和土地基的常用方法已被列入規(guī)范[2]。預(yù)壓加固飽和土機(jī)理是通過(guò)加載給地基施加應(yīng)力，使飽和土中液體排出，孔隙水壓消散，顆粒間有效應(yīng)力增加，從而提高地基的強(qiáng)度。工程中經(jīng)過(guò)開挖、重塑再壓實(shí)的土一般為非飽和土，而非飽和土則在外加荷載作用下，排出氣體和液體，地基的有效應(yīng)力一樣增大。

土體的承載能力等都與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，土的抗剪強(qiáng)度又取決于土中的應(yīng)力狀態(tài)，利用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則和有效應(yīng)力概念(Terzaghi，1936)，可表達(dá)飽和土的抗剪強(qiáng)度：

式中：

τff-破壞時(shí)破壞面上的剪應(yīng)力；

c'-有效粘聚力，即法向有效應(yīng)力為零時(shí)的抗剪強(qiáng)度；

(σf-uw)f-破壞時(shí)破壞面上的法向有效應(yīng)力；

φ'-有效內(nèi)摩擦角。

非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式可用獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)表達(dá)，F(xiàn)redlund等1978年提出雙變量理論[3]，其非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式如下：

式中：

(ua-uw)f-地基土破壞時(shí)在破壞面上的基質(zhì)吸力；

c'-有效粘聚力；

(σf-ua)f-破壞面上凈法向應(yīng)力；

φ'-與凈法向應(yīng)力有關(guān)的內(nèi)摩擦角；

φ''-表示抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增大而增大的速度。

由式(2)可以看出，當(dāng)土接近飽和狀態(tài)時(shí)，孔隙水壓接近孔隙氣壓，此時(shí)無(wú)基質(zhì)吸力，從而變成飽和土的公式(1)。對(duì)非飽和土施加法向應(yīng)力時(shí)，總應(yīng)力增加，當(dāng)空隙水壓和空隙氣壓隨時(shí)間消散后，土粒間的有效應(yīng)力增大，抗剪強(qiáng)度相應(yīng)提高。

3 預(yù)壓固結(jié)的時(shí)間效應(yīng)

在實(shí)際工程中，通常取附加應(yīng)力與土自重應(yīng)力的比值為0.1的深度作為在該附加應(yīng)力下受壓層的計(jì)算深度。不難看出，在一般多層建筑物自重作為附件應(yīng)力條件下的計(jì)算深度難以超過(guò)強(qiáng)夯有效加固深度。從而在高填方地基上的建筑物建成后的沉降變形主要由強(qiáng)夯有效加固深度以下的彈性區(qū)域自重固結(jié)產(chǎn)生。

將強(qiáng)夯有效加固土層作為預(yù)壓荷載施加到下部彈性區(qū)域土層時(shí)，將對(duì)下部土層產(chǎn)生超孔隙氣壓力和孔隙水壓力。超孔隙壓力會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而消散，這個(gè)過(guò)程將導(dǎo)致下部彈性區(qū)域土層體積減小或沉降。在強(qiáng)夯處理地基中考慮這個(gè)固結(jié)過(guò)程，可在一定條件下降低強(qiáng)夯有效加固深度以下土層的自重固結(jié)，從而降低建筑物在建成以后因這部分土體自重固結(jié)引起的沉降變形。

Terzaghi(1943)導(dǎo)出了飽和土—維固結(jié)的經(jīng)典理論，將飽和土的本構(gòu)方程與流動(dòng)定律結(jié)合起來(lái)，用本構(gòu)方程描述應(yīng)力狀態(tài)變化同土結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系。

式中：

t-固結(jié)的時(shí)間；

y-壓縮層的厚度；

cv-土的固結(jié)系數(shù)。

非飽和土的一維固結(jié)理論同樣依據(jù)上述方法建立，此時(shí)土單元體的總體積變化等于水體積變化和氣體積變化之和。在一定加荷條件下，土體的一維固結(jié)方程如下：

式中：

Vv-土的孔隙體積；

V0-土的初始體積；

從工程實(shí)際出發(fā)，由于山區(qū)填土成分的滲透良好，孔隙水壓可以很快消散掉，故在研究預(yù)壓固結(jié)的時(shí)間效應(yīng)上僅需對(duì)孔隙氣體的偏微分方程求解。在非飽和土的固結(jié)過(guò)程中，氣體和水可能同時(shí)流動(dòng)，相互作用，F(xiàn)redlund等對(duì)非飽和土氣相的固結(jié)方程進(jìn)行了推導(dǎo)：

式中：

Ca-與氣相偏微分方程有關(guān)的相互作用系數(shù)。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

重慶某工程為4層框架結(jié)構(gòu)，地基填方深度約15m，填土以泥巖碎塊石夾粉質(zhì)粘土組成，泥巖碎塊石約占50%～70%，填方時(shí)間約10個(gè)月。原始地貌距設(shè)計(jì)標(biāo)高約8m。擬采用4000kN·m點(diǎn)夯夯擊能對(duì)地基進(jìn)行加固處理。試夯有效加固深度為8m，難以滿足工程需要，有效加固深度以下土層的自重固結(jié)為影響房屋變形的主要因素（表1）。

4.2 沉降變形分析

正如Fredlund1999年指出“實(shí)踐證明非飽和土力學(xué)很難應(yīng)用于實(shí)際工程”[4]，堆載預(yù)壓非飽和土理論僅僅對(duì)山區(qū)高填方強(qiáng)夯地基處理可加固深度的提高指明了方向和理論基礎(chǔ)。在實(shí)際中，因?yàn)橛?jì)算參數(shù)的量測(cè)難度大、費(fèi)用高。依據(jù)巖土工程的半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，本文采用深層沉降變形觀測(cè)的方式來(lái)驗(yàn)證強(qiáng)夯有效加固層對(duì)下部彈性區(qū)域的預(yù)壓作用。

表1 填土與變形有關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)

在地基變形計(jì)算中常常需要假定一個(gè)固結(jié)度，求得達(dá)到這個(gè)固結(jié)度所需要的時(shí)間。因土體的固結(jié)往往需要幾十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，工程中我們采用達(dá)到75%固結(jié)度的地基土近似認(rèn)為固結(jié)已被消除。

本工程試夯區(qū)采用深層沉降環(huán)對(duì)上部8m填土填筑后，再對(duì)下部7m填土的沉降變形進(jìn)行測(cè)試。下部填土的總沉降量采用規(guī)范法[2]進(jìn)行計(jì)算。

為測(cè)試下部填土的固結(jié)時(shí)間。在20m×20m的試夯區(qū)內(nèi)均勻設(shè)置9個(gè)深層沉降觀測(cè)點(diǎn)。沉降測(cè)點(diǎn)設(shè)置在下層7m填土表面，在進(jìn)行8m填土過(guò)程選取具有代表性的3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 深層沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 各測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變形趨勢(shì)

可以看出，強(qiáng)夯有效加固深度內(nèi)填土作為預(yù)壓荷載施加給下部土層后40d可以使該土層平均固結(jié)度超過(guò)75%。這樣，通過(guò)強(qiáng)夯有效加固層內(nèi)土對(duì)下部彈性區(qū)域土層的預(yù)壓作用，有效消除了下部彈性區(qū)域土層自重固結(jié)，在一定條件下增加了強(qiáng)夯可加固深度，目前該工程已正常使用一年，最大沉降量?jī)H12mm，最大不均勻沉降量?jī)H3mm。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)工程實(shí)踐證明，強(qiáng)夯有效加固層對(duì)下部彈性區(qū)域土層的預(yù)壓作用明顯，8m有效加固深度內(nèi)填土可在40d以內(nèi)使下層7m填土的自重固結(jié)消除75%左右，采用預(yù)壓非飽和土固結(jié)理論提高強(qiáng)夯處理山區(qū)碎塊石高填方地基可加固深度，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)預(yù)壓非飽和土理論及固結(jié)方程在工程中的應(yīng)用因其參數(shù)多、量測(cè)難度大、費(fèi)用高等原因，有待進(jìn)一步研究。

[1]地基處理手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[2]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]D.G Fredlund，H.Rahardjo.非 飽 和 土 土 力 學(xué)[M].陳 仲頤，張?jiān)诿?，陳愈烔，等，譯.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[4]姚攀峰，張明，張振剛.非飽和土土力學(xué)工程應(yīng)用方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005(3).

[5]孔凡林，李成芳，李昕.重慶地區(qū)強(qiáng)夯地基遇水穩(wěn)定性分析與防止對(duì)策研究[J].重慶建筑，2010(2).

[6]孔凡林，李成芳.強(qiáng)夯法在山區(qū)塊石拋填地基中的工程實(shí)踐[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010(S2).