李雨潤 楊皓天 袁喜魁 何文臣

摘要 采用硬殼層對(duì)表層素填土進(jìn)行換填，并通過ABAQUS有限元軟件，考慮有無降雨條件，對(duì)素填土地基、硬殼層地基以及含土工格柵硬殼層地基的沉降以及豎向應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：在晴天和降雨時(shí)，采用硬殼層以及土工格柵硬殼層換填素填土都能減小地基的沉降變形，同時(shí)可以降低下臥土層的豎向應(yīng)力大小;在降雨時(shí)，含土工格柵硬殼層地基比晴天時(shí)對(duì)減小地基沉降變形和控制豎向應(yīng)力會(huì)發(fā)揮更有效的作用。本文研究成果為道路工程設(shè)計(jì)和施工提供重要的指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞 軟土地基;硬殼層;土工格柵;沉降;豎向應(yīng)力;ABAQUS有限元軟件

中圖分類號(hào) TU447 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract A hard shell was used to replace the surface fill. Through ABAQUS finite element software， the settlement and vertical stress of plain filled land foundation， hard shell foundation and hard shell foundation with geogrid were compared and analyzed considering whether there was rainfall condition. It is found that in sunny days and rain， the settlement deformation of the foundation and the vertical stress of the underlying soil can be reduced by using the hard shell layer and the geogrid hard shell layer to replace the element and fill the soil. It is more effective to reduce the settlement deformation and control the vertical stress of the foundation when the ground is raining than when the ground is sunny. The research results of this paper provide important guidance for road engineering design and construction.

Key words soft soil foundation; shell layer; geogrid; settlement; vertical stress; ABAQUS finite element software

0 引言

軟土在我國分布十分廣泛，由于含水率較高、承載力較低、壓縮性較高等特點(diǎn)，在施工設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)其進(jìn)行地基處理。粉噴樁、插板排水等傳統(tǒng)地基處理方法可以提高軟土地基的承載力，但并沒有達(dá)到減小地基沉降變形的效果[1]。目前在許多地區(qū)采用軟土表面經(jīng)過風(fēng)吹日曬形成較為堅(jiān)硬的土層或?qū)ι蠈榆浲恋鼗M(jìn)行開挖換填強(qiáng)度較高的土層來當(dāng)持力層，即硬殼層。這種方法可以提高地基承載力、減少沉降，又可以減少工程造價(jià)，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。

隨著硬殼層軟土地基的推廣，硬殼層及下層軟土這種“上硬下軟”地基的研究也越來越多。早在20世紀(jì)80年代，金問魯?shù)萚4]、王杰光等[5]就對(duì)硬殼層軟土地基的承載力、雙層甚至多層地基應(yīng)力進(jìn)行理論計(jì)算分析，并通過實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)緋等[6]探究硬殼層和軟土層厚度對(duì)路基沉降的影響，并預(yù)判填土的臨界高度。王曉謀等[7]采用有限元軟件探究硬殼層軟土地基豎向應(yīng)力擴(kuò)散范圍的影響因素。Zheng等[8]結(jié)合工程實(shí)際，分析了硬殼層的承載能力和破壞模式。閆澍旺等[9]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)硬殼層吹填土的承載力進(jìn)行探究，并綜合采用理論分析與有限元軟件對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)一步研究。曹?，摰萚10]借助FLAC3D有限元軟件對(duì)交通荷載作用下上覆硬殼層軟土地基動(dòng)力響應(yīng)特征展開分析。張宗濤等[11]分別基于小變形理論和大變形理論，建立含硬殼層的軟土地基有限元模型對(duì)比分析，并探究析人工硬殼層不同參數(shù)對(duì)軟基的影響規(guī)律。付秀艷等[12]采用拋石擠淤的加固機(jī)理填埋人工硬殼層，并通過有限元軟件對(duì)有無硬殼層的沉降變形進(jìn)行分析。目前學(xué)者在該領(lǐng)域做了大量的研究工作，硬殼層的材料組成也頗多，但是利用磚渣土充當(dāng)硬殼層的研究并不多見。

由于我國水文地質(zhì)情況復(fù)雜，很多市政工程處于高水位軟弱地基上，工程區(qū)域內(nèi)有大量的水塘，道路工程通過水塘段要進(jìn)行相應(yīng)的地基處理或擠淤置換。為了經(jīng)濟(jì)、快速、環(huán)保的實(shí)施項(xiàng)目，在道路修建的過程中，往往采用建筑固體廢棄磚渣與黏土混合作為換填材料。為了保證換填路基滿足強(qiáng)度和變形要求，在換填土層厚度較大時(shí)通常會(huì)加入土工合成材料以防止路基發(fā)生破壞。本文以“三里河?xùn)|路市政工程軟土地基處理”為工程背景，利用ABAQUS有限元軟件，分別對(duì)無硬殼層、有硬殼層以及含土工格柵的硬殼層軟土地基進(jìn)行對(duì)比分析，研究地基的沉降變形和下臥土層豎向應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)實(shí)際道路工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程背景與有限元模型建立

1.1 工程背景與模擬工況

根據(jù)三里河?xùn)|的勘察情況，表層存在厚度為1.9 m的素填土，地下水位距地表1.9 m，采用建筑固體廢棄磚渣與黏土混合（磚渣土）作為換填材料對(duì)素填土進(jìn)行換填，并在硬殼層和軟土層之間鋪設(shè)土工格柵，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。利用ABAQUS有限元軟件，分別對(duì)無硬殼層、有硬殼層以及含土工格柵的硬殼層軟土地基建立數(shù)值計(jì)算模型，同時(shí)考慮有無降雨發(fā)生情況下進(jìn)行對(duì)比分析，研究地基的沉降變形和下臥土層豎向應(yīng)力變化規(guī)律，為實(shí)際道路工程設(shè)計(jì)和施工提供理論指導(dǎo)。

1.2 有限元模型建立

根據(jù)勘察報(bào)告實(shí)際情況，采用二維實(shí)體單元模型進(jìn)行簡化。如圖1所示，路基截面尺寸為21 m[×]11 m（長[×]寬），路基受到的壓實(shí)作用以及荷載作用由寬7 m的對(duì)稱條形均布荷載代替。在路基模型的兩側(cè)施加水平約束，底部施加豎向約束和水平約束，頂部設(shè)置孔壓為0以便于孔隙水壓力的排出?？紤]到土層的透水性，設(shè)置土體單位類型為CPE4P，土工格柵單元類型為T2D2，嵌入到土體單元中。模型首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，存在降雨時(shí)在施加荷載前設(shè)置降雨邊界條件，降雨從開始到結(jié)束共計(jì)24 h，降雨入滲強(qiáng)度隨時(shí)間的曲線如圖2所示。晴天無降雨時(shí)直接施加100 kPa均布荷載，荷載隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，并研究荷載作用20 d后的土層沉降變形等工程特性的變化情況。

1.3 模型參數(shù)

在對(duì)比模擬工況中，僅表層的土層特性不同，下部土層均保持一致，具體土體參數(shù)見表1。土工格柵加筋材料水平鋪設(shè)于硬殼層與軟土層之間，彈性模量為2 600 MPa，密度為0.95 kg/m2。

2 模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 沉降結(jié)果對(duì)比分析

地基受到荷載作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)土層的壓縮，變形沉降量是衡量地基穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。取土體變形向下為負(fù)，圖4給出表層土為素填土、硬殼層以及含土工格柵的硬殼層軟土地基在荷載作用時(shí)晴天和降雨條件下沉降隨時(shí)間變化曲線。晴天時(shí)荷載作用下發(fā)生沉降變形，并隨著固結(jié)時(shí)間的增長地基繼續(xù)下沉;降雨后地基含水率增大地基出現(xiàn)一定的上浮，受到荷載作用后地基下沉，并隨固結(jié)時(shí)間的增長的增大。沉降具體數(shù)值見表2，在晴天條件下，在0～1 h荷載施加過程中，硬殼層地基可以降低23.58%，含土工格柵硬殼層地基可以降低23.62%，20 d內(nèi)固結(jié)基本完成，硬殼層地基可以降低25.1%，含土工格柵硬殼層地基可以降低25.22%;在降雨條件下，在24～25 h荷載施加過程中，硬殼層地基可以降低31.45%，含土工格柵硬殼層地基可以降低36.54%，20 d內(nèi)固結(jié)基本完成，硬殼層地基可以降低25.62%，含土工格柵硬殼層地基可以降低26.68%。

無論在晴天還是降雨時(shí)，土體表層為硬殼層的地基沉降要低于表層為素填土的地基沉降，并且存在土工格柵的硬殼層地基沉降量要小于不含土工格柵的硬殼層地基，這是由于當(dāng)土體表層的素填土被換填為硬殼層后，地基承載力增大，并且硬殼層可以發(fā)揮其板體支撐作用，以及較高的變形模量可以減少沉降變形。在減小豎向沉降的方面，硬殼層發(fā)揮主要作用，土工格柵起到輔助作用。

地基經(jīng)過降雨后土質(zhì)變軟，在素填土地基和硬殼層軟土地基中，受到荷載作用后地基的沉降量要大于晴天時(shí)地基沉降量。與上述不同的是，當(dāng)在硬殼層和軟土層之間鋪設(shè)后土工格柵后發(fā)現(xiàn)，初始受荷時(shí)下雨后地基的沉降量要比晴天時(shí)的沉降量小，經(jīng)過20 d固結(jié)后，仍然是晴天時(shí)的沉降量要小于雨天時(shí)的沉降量。這是由于下雨濕潤后土體的強(qiáng)度降低，使得土工格柵加筋產(chǎn)生的筋土整體性更加突顯出來，對(duì)沉降變形的影響較大，從而出現(xiàn)初始受到荷載作用時(shí)降雨后地基的沉降量要小于晴天時(shí)地基沉降量;隨著固結(jié)時(shí)間的增長，表層土中的孔隙水排出蒸發(fā)，土體強(qiáng)度增大，進(jìn)而出現(xiàn)晴天時(shí)的沉降量要小于雨天時(shí)的沉降量。除此之外，在地基基本固結(jié)完成后，雨天時(shí)添加土工格柵的硬殼層地基沉降量與不含土工格柵的硬殼層地基沉降量的差值要大于晴天時(shí)添加土工格柵的硬殼層地基沉降量與不含土工格柵的硬殼層地基沉降量的差值，即在雨天時(shí)土工格柵對(duì)減小地基沉降的作用要大于晴天時(shí)。

地基表層面上沉降隨水平橫向距離變化曲線如圖5所示，在晴天和降雨時(shí)，表層土中間受到荷載作用，在素填土地基和硬殼層以及含土工格柵的地基中間下陷，越靠近荷載位置產(chǎn)生的沉降越大，兩側(cè)均存在一定的土體隆起，而且隨著固結(jié)時(shí)間的增長，地基整體會(huì)發(fā)生沉降。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硬殼層地基隆起的高度要小于軟土地基隆起高度，硬殼層地基隆起的范圍也要小于軟土地基隆起范圍，并且在硬殼層以及含土工格柵地基在受荷范圍內(nèi)沉降量要小于素填土地基沉降量。這是由于硬殼層地基相對(duì)于素填土地基更具有整體性，并且存在反壓護(hù)道的作用，可以減少不均勻沉降。在晴天時(shí)，含土工格柵的硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線與未含土工格柵硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線基本重合;降雨時(shí)，含土工格柵的硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線比未含土工格柵硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線更加平緩。圖6給出了固結(jié)20 d后橫向距離與沉降的曲線，對(duì)比荷載中點(diǎn)處的沉降可以發(fā)現(xiàn)：沉降晴天時(shí)含土工格柵硬殼層地基的沉降要比不含土工格柵硬殼層地基的小0.015 cm，降雨時(shí)含土工格柵硬殼層地基的沉降要比不含土工格柵硬殼層地基的小0.139 cm，因此在降雨時(shí)土工格柵阻止地基沉降的作用要大于晴天時(shí)土工格柵阻止地基沉降，即當(dāng)?shù)鼗艿浇涤曜饔脮r(shí)土工格柵更易發(fā)揮作用。晴天和雨天荷載初始作用的規(guī)律與上述一致，由于圖幅較多，不一一列舉。

2.2 應(yīng)力對(duì)比分析

圖7給出晴天受荷載作用地基固結(jié)20 d后豎向應(yīng)力云圖，在素填土地基要比硬殼層地基以及土工格柵硬殼層地基中在相同軟土層受到的豎向應(yīng)力要大，說明硬殼層確實(shí)存在減小豎向應(yīng)力的作用。晴天和雨天荷載初始作用以及雨天荷載作用地基固結(jié)20 d后的規(guī)律一致，由于圖幅較多，不一一列舉。圖8給出在硬殼層與軟土地基分界面處（z=1.9 m）豎向應(yīng)力隨水平橫向距離變化曲線。晴天時(shí)，當(dāng)初始受到荷載作用，素填土地基和硬殼層地基的豎向應(yīng)力基本相同，含土工格柵的硬殼層地基豎向應(yīng)力比前兩者略低;隨著荷載的持續(xù)作用，各個(gè)地基受到豎向應(yīng)力都會(huì)增大，但含土工格柵的硬殼層地基和不含土工格柵的硬殼層地基豎向應(yīng)力基本相同，均比素填土地基的豎向應(yīng)力要小，尤其是在受荷載位置，因此硬殼層相對(duì)于素填土可以緩沖外來荷載的作用，并且在受荷初期，土工格柵的存在更會(huì)幫助硬殼層減小下部軟土層的豎向應(yīng)力。降雨時(shí)，當(dāng)初始受到荷載作用，硬殼層相對(duì)于晴天條件就存在明顯減小豎向應(yīng)力的表現(xiàn)，并且含土工格柵的硬殼層軟土地基相對(duì)于不含土工格柵的硬殼層軟土地基更能抵抗荷載作用;隨著荷載的持續(xù)作用，含土工格柵的硬殼層地基和不含土工格柵的硬殼層地基豎向應(yīng)力基本相同，均比素填土地基的豎向應(yīng)力要小。

圖9給出了晴天受荷載作用地基固結(jié)20 d后等效應(yīng)力云圖，根據(jù)顏色的不同可以很明顯發(fā)現(xiàn)，素填土軟土地基受荷載作用時(shí)是下部軟土層承受壓力，而硬殼層軟土地基受荷載作用時(shí)是上部硬殼層承受壓力，并且加筋土工格柵的存在會(huì)進(jìn)一步的減小地基承受的壓力。圖10給出晴天時(shí)地基受荷固結(jié)20 d后換填土以下等效應(yīng)力隨豎向距離的變化曲線，硬殼層地基的等效應(yīng)力和含土工格柵硬殼層地基的等效應(yīng)力大致相同，素填土地基的等效應(yīng)力要大于硬殼層以及土工格柵硬殼層地基的等效應(yīng)力。晴天和雨天荷載初始作用以及雨天荷載作用地基固結(jié)20 d后的規(guī)律一致，由于圖幅較多，不一一列舉。

3 結(jié)論

本文采用ABAQUS有限元模型，建立3種不同類型的軟土地基模型，通過施加相同的荷載作用，比較3種軟土地基的沉降以及應(yīng)力分布情況，得出以下主要結(jié)論。

1）無論晴天或降雨條件下，當(dāng)?shù)鼗艿胶奢d作用時(shí)，硬殼層以及含土工格柵硬殼層地基沉降量要小于素填土地基沉降量，并且含土工格柵硬殼層地基在雨天比晴天時(shí)減小豎向沉降的效果更好。

2）無論晴天或降雨條件下，當(dāng)?shù)鼗艿胶奢d作用時(shí)，兩側(cè)地基隆起，荷載位置下沉，并隨時(shí)間推移地基整體下沉。由于硬殼層的反壓護(hù)道作用以及整體性，硬殼層以及含土工格柵硬殼層地基相對(duì)于素填土地基各點(diǎn)處變化更加均勻。降雨時(shí)含土工格柵硬殼層地基相對(duì)于晴天時(shí)在減小地基不均勻性的效果更加明顯。

3）硬殼層地基以及含土工格柵硬殼層地基可以減小軟土地基承受的豎向應(yīng)力，并隨著固結(jié)時(shí)間的增長更加明顯。相較于晴天時(shí)，降雨時(shí)土工格柵硬殼層地基豎向應(yīng)力減少效果更加明顯。

4）硬殼層的存在可以將地基的承受的最大壓力由軟土層轉(zhuǎn)移到硬殼層上，并且土工格柵可以提高地基整體性，減小地基受力。

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