黃 明，薛道銳，史春華，李 宏，溫學(xué)鈞

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

基于環(huán)保的需求，浦東機(jī)場承接消納了大量的本市建筑渣土。依據(jù)地勘數(shù)據(jù)可見，渣土層受沉積環(huán)境影響表現(xiàn)出土質(zhì)松散、黏性土和粉性土呈層狀交叉分布等特點(diǎn)，整體的土質(zhì)也不均勻，土體性質(zhì)較差，且表現(xiàn)出液化現(xiàn)象。對于市政道路或建筑地基而言，其承載力過低，回彈模量均較小，且沉降尚未完全穩(wěn)定，因此必須進(jìn)行固結(jié)處理方可進(jìn)行道路工程建設(shè)[1]?；诂F(xiàn)場情況、施工特性和經(jīng)濟(jì)性原則，擬對渣土層進(jìn)行由上至下的逐層化學(xué)固結(jié)處理[2]。在工程實(shí)施之前，其受力和破壞方式需進(jìn)行基于各種變量的模擬分析和研究，才可確定固結(jié)的指標(biāo)[2-3]。

化學(xué)固結(jié)劑穩(wěn)定渣土的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特性要求都與我國通常所用的無機(jī)結(jié)合料不同，其混合料設(shè)計(jì)必須與結(jié)構(gòu)性能要求相適應(yīng)[3]。固結(jié)的土層將會在原軟土層的上方形成硬殼層，其強(qiáng)度達(dá)到道路或建筑承載力的需求之后，此層與下部承載層的作用如何，將如何產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，對其沉降預(yù)測是極為重要的研究關(guān)鍵點(diǎn)[4]。

借助有限元分析軟件Ansys，以取土固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析固結(jié)層地基在路堤荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變特點(diǎn)，以確定不同影響因素作用下固結(jié)層地基的沉降模式。為了簡化計(jì)算，路堤荷載作用下固結(jié)層地基的簡化計(jì)算模型如圖1所示。路堤基礎(chǔ)簡化為一定寬度的均布荷載，同時(shí)根據(jù)不同工況確定硬殼層以及軟土層的厚度。

圖1 簡化分析模型

1 固結(jié)劑穩(wěn)定渣土混合料設(shè)計(jì)

1.1 固結(jié)劑的選擇

根據(jù)市場調(diào)研和前期實(shí)驗(yàn)室土質(zhì)研究，WK+型固結(jié)劑是較為適合的固結(jié)劑，具有前期強(qiáng)度較高且后期穩(wěn)定增長的特性，較傳統(tǒng)的水泥固結(jié)劑有著更加優(yōu)異的性能。因此此次研究選用固結(jié)劑WK+進(jìn)行固結(jié)渣土的設(shè)計(jì)。

1.2 固結(jié)渣土用于路面結(jié)構(gòu)層位

將固結(jié)渣土應(yīng)用于浦東機(jī)場區(qū)域，首先應(yīng)進(jìn)行上海地區(qū)常規(guī)路面結(jié)構(gòu)的把握。長期研究和工程經(jīng)驗(yàn)得到的穩(wěn)定且性價(jià)比較高的常規(guī)處理方式如下：路基采用石灰土處理；墊層為礫石砂墊層；基層為水泥穩(wěn)定集料。通過對比分析，當(dāng)WK+劑量為4.5%與6%時(shí)，WK+固結(jié)渣土強(qiáng)度、模量都能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出石灰土路基與礫石砂墊層要求；當(dāng)WK+劑量為8%以上時(shí)，WK+固結(jié)渣土強(qiáng)度、模量都能達(dá)到水泥穩(wěn)定碎石性能要求。通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，采用WK+固結(jié)渣土可以用于路基、墊層與基層，如圖2所示。

圖2 固結(jié)劑穩(wěn)定渣土作為道路墊層與土基

1.3 固結(jié)劑穩(wěn)定渣土材料設(shè)計(jì)過程

1.3.1 一般規(guī)定

（1）根據(jù)渣土的種類和性質(zhì)，確定選用WK+-1型，再通過配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，選用最適宜的用量。

（2）WK+固結(jié)渣土的配合比應(yīng)采用質(zhì)量比。WK+質(zhì)量占全部粗細(xì)土顆粒干質(zhì)量的百分率，即WK+劑量＝WK+質(zhì)量/（WK+質(zhì)量+干土質(zhì)量）。

（3）WK+固結(jié)渣土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求及WK+固結(jié)渣土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)確定。

（4）WK+固結(jié)渣土中的各集料的試驗(yàn)方法可按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）執(zhí)行。

1.3.2 渣土試驗(yàn)

被固結(jié)渣土中建筑廢渣的粒徑不應(yīng)大于施工厚度的1/3。其最大粒徑應(yīng)通過配合比設(shè)計(jì)，并綜合考慮施工工藝最終確定。

應(yīng)用的廢棄物中不得含有種植土、腐殖土、垃圾土、淤泥質(zhì)土等，也不得含有雜草、樹根或農(nóng)作物殘根等雜物。廢棄物的粒徑不應(yīng)大于100 mm，還應(yīng)滿足表1要求。

表1 建筑廢棄物應(yīng)用要求

被固結(jié)渣土中建筑廢渣粒料的含量宜控制在50%～60%。

對于上海浦東機(jī)場堆填的渣土，應(yīng)取代表性的試樣，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）進(jìn)行下列試驗(yàn)：

（1）顆粒分析。

（2）液限和塑性指數(shù)。

（3）最佳含水量。

（4）擊實(shí)試驗(yàn)（重型擊實(shí)）。施工現(xiàn)場混合料最大干密度分布極不均勻，按現(xiàn)場取樣做室內(nèi)試驗(yàn)確定。

1.3.3 WK+固結(jié)渣土的配合比設(shè)計(jì)

（1）WK+固結(jié)渣土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同工程部位選用不同的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

（2）浦東機(jī)場的市政道路等級為主干路、次干路和支路，WK+固結(jié)渣土均處于道路的土路基、墊層和基層部位。

（3）WK+固結(jié)渣土各層的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、摻量設(shè)計(jì)指標(biāo)見表2。

表2 WK+固結(jié)渣土抗壓強(qiáng)度、摻量設(shè)計(jì)值

2 模型尺寸及邊界條件

為了清楚地了解固結(jié)層地基在路堤填筑過程中的變形機(jī)理，針對一般硬殼層及軟土的特點(diǎn)，模擬了固結(jié)層和未處理渣土變形破壞情況。模型尺寸及有限元網(wǎng)格如圖3、圖4所示。其中，固結(jié)層模型中，硬殼層厚度為3 m，下臥軟土厚度為100 m，模型長度為200 m，路堤基礎(chǔ)寬度為50 m。軟土地基模型中，軟土厚100 m，長度為200 m，路堤基礎(chǔ)寬度為50 m。

圖3 硬殼層計(jì)算模型（單位：m）

圖4 軟土層計(jì)算模型（單位：m）

數(shù)值模型所選用的參數(shù)見表3。硬殼層和軟土層選用通用的Drucker-Prager模型。模型的左右、前后及底部取法向支座約束。模型選取單元情況如下：硬殼層和軟土層都選用6面體8節(jié)點(diǎn)單元，如圖3、圖4所示。固結(jié)層模型單元數(shù)為2 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 000個(gè)。軟土模型單元數(shù)為1 500個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 400個(gè)。

表3 計(jì)算參數(shù)

對于有限元分析而言，現(xiàn)有的研究認(rèn)為判斷地基是否完全破壞主要有地基內(nèi)部塑性區(qū)貫通以及有限元求解不收斂[5]。但導(dǎo)致有限元求解不收斂的因素是多方面的，并不能作為判斷地基完全破壞的標(biāo)準(zhǔn)[6]。因此在以下分析中，將地基內(nèi)部塑性區(qū)貫通作為判斷地基完全破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

3 應(yīng)力和位移分析

固結(jié)層地基的特殊工程性質(zhì)使得其在路堤荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變也有別于均質(zhì)地基。圖5為未處理渣土地基和硬殼層地基在路堤極限荷載下的位移云圖。

圖5 位移矢量圖

由圖5可知，兩種地基破壞模式明顯不同。對于未處理渣土，路堤荷載在施加過程中，地基發(fā)生明顯下沉，地層發(fā)生破壞，當(dāng)路堤基底刺入一定深度后，地層土體發(fā)生垂直剪切破壞。而對于固結(jié)層地基，路堤荷載施加過程中，路堤土體隨地基的壓縮變形而下沉，硬殼層發(fā)生破壞，路堤基底刺入一定深度后，坡腳周圍土體發(fā)生整體剪切破壞。但在硬殼層的保護(hù)下，地基破壞深度明顯小于軟土層破壞深度，說明硬殼層起到了很好的保護(hù)效果。

圖6為未處理渣土地基和固結(jié)層在路堤極限荷載下的地表沉降曲線。

圖6 地表沉降曲線

如圖6所示，對于固結(jié)地基形式而言，沉降的最大位置都在路基中心線下，均質(zhì)地基地表最大沉降量約為6.5 m，固結(jié)層地表最大沉降量約為1.3 m。同時(shí)在距路基中心線一定距離后，兩種類型的地基均發(fā)生一定程度的隆起。

圖7為極限荷載作用下，路基中心線附加應(yīng)力隨深度變化曲線。

圖7 中心線下附加應(yīng)力分布曲線

如圖7所示，在相同的路堤荷載作用下，均質(zhì)渣土的地基附加應(yīng)力值為135 kPa，固結(jié)層地基的地表附加應(yīng)力值為90 kPa。相對于未處理渣土地基，在路基中心線下相同深處，固結(jié)層地基附加應(yīng)力更小，而且隨著深度的增加，固結(jié)層路基的附加應(yīng)力衰減更快。

通過對比分析，可以認(rèn)為相對于未處理渣土地基，上覆固結(jié)渣土層的地基可以有效保護(hù)下方軟土地層，下臥軟土層在受力時(shí)，只有在克服了上部硬殼層的封閉作用后，才能向上隆起直至地基破壞。硬殼層的擴(kuò)散應(yīng)力以及封閉效應(yīng)的存在使得其更好地保護(hù)下部軟土層，從而體現(xiàn)出固結(jié)層更好的工程特性。

4 結(jié)語

利用有限元對浦東機(jī)場渣土層進(jìn)行模擬的化學(xué)固結(jié)進(jìn)行研究，分析了固結(jié)層地基在路堤荷載作用下破壞面發(fā)展過程及應(yīng)力、應(yīng)變特點(diǎn)，并確定不同影響因素作用下固結(jié)層地基的破壞模式。得到結(jié)論如下：

（1）根據(jù)WK+固結(jié)渣土試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合路面結(jié)構(gòu)層性能要求，提出了固結(jié)劑穩(wěn)定渣土材料設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，總結(jié)了固結(jié)劑穩(wěn)定渣土材料的設(shè)計(jì)步驟。

（2）對于未處理的渣土，路堤荷載在施加過程中，地基發(fā)生明顯下沉，地層發(fā)生破壞，當(dāng)路堤基底刺入一定深度后，地層土體發(fā)生垂直剪切破壞。而對于固結(jié)層地基，路堤荷載施加過程中，路堤土體隨地基的壓縮變形而下沉，硬殼層發(fā)生破壞，路堤基底刺入一定深度后，坡腳周圍土體發(fā)生整體剪切破壞。但在硬殼層的保護(hù)下，地基破壞深度明顯小于軟土破壞深度，說明固結(jié)的硬殼層起到了很好的保護(hù)效果。

（3）相對于未處理渣土地基，上覆固結(jié)渣土層地基可以有效保護(hù)下方軟土地層，下臥軟土層在受力時(shí)，只有在克服了上部硬殼層的封閉作用后，才能向上隆起直至地基破壞。固結(jié)的硬殼層的擴(kuò)散應(yīng)力以及封閉效應(yīng)的存在使得其更好地保護(hù)下部軟土層。基于模型，在相同的路堤荷載作用下，均質(zhì)地基地表最大沉降量約為6.5 m，固結(jié)層地表最大沉降量約為1.3 m；均質(zhì)軟土層的地基附加應(yīng)力值為135 kPa，固結(jié)層地基的地表附加應(yīng)力值為90 kPa。