高应力荷载作用下软土地基稳定性分析.docxVIP

? ? 高应力荷载作用下软土地基稳定性分析 ? ? 陶 琳 (中国铁路设计集团有限公司,天津 300142) 1 概述 近些年来，城市人工造景堆山工程施工过程中经常发生山体失稳。发生失稳的根本原因主要是因为地基土中的软弱土层承载力不足，地基发生冲剪破坏，从而进一步导致山体沉陷和滑坡。 关于人工堆山的研究，国内外均有不同程度的进展。Rajaram等[3]、顾凤祥等[1]、廖辉[2]、翁鑫荣[4]、陈国栋[5]、王威[6]、韦智等[7]学者分别从堆山材料的选择、山体稳定性的理论及有限元分析、施工技术手段等方面进行了一定程度的研究。 结合堆山工程的特性，考虑土体固结作用下土体强度增长特性，提出一种运用土体强度指标考虑固结作用的地基承载力计算方法，对地基中每层土均进行地基承载力分析。通过案例分析，对所提出的方法进行运用和说明。 2 考虑强度增长的承载力计算方法 2.1 土体固结对土体强度的影响 关于固结作用下的强度增长估算，沈珠江[8]认为不排水抗剪强度增量与竖向有效应力增量和内摩擦角有关，软黏土抗剪强度的增加取决于破坏前潜在破坏面上的有效应力增量，可用下式表示： Δτ=Δσ′tanφ (1) 其中，Δτ为不排水强度增量；Δσ′为竖向有效应力增量；φ为地基土内摩擦角。根据有效应力原理和地基平均固结度的定义，可得到如下表达式： Δσ′=Δu=UtΔσ (2) 其中，Δu为孔压变化量；Ut为地基平均固结度；Δσ为附加应力引起的竖向应力增量。将式(2)代入式(1)可得： Δτ=UtΔσtanφ (3) 式(3)即为JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[9]中推荐的考虑固结作用的强度增长公式。由此，考虑固结作用的地基不排水强度可表示为： τf=τ0+Δτ=UtΔσtanφ (4) 其中，τf为考虑固结作用的土体不排水抗剪强度；τ0为地基土初始强度。 2.2 考虑固结作用的承载力计算公式 地基极限承载力理论以力的极限平衡为基础，建立了极限承载力与地基土强度指标之间的关系。常用的极限承载力的计算公式，如太沙基公式[10]、梅耶霍夫公式[11]等，计算结果一般相差不大，都具有如下的表达形式： (5) 其中，qu为地基承载力；c为土体粘聚力；q为边载；γ为地基土容重；B为基础宽度；Nc，Nq，Nγ均为承载力系数。 由式(5)计算所得的承载力只和地基土的初始参数有关，并未考虑固结作用下的强度增长，因此计算出的承载力属于土体天然承载力。对于高应力荷载作用下的地基来说，仅依靠天然承载力是无法承受上部荷载的。另外，地基中的冲剪破坏往往容易发生在软粘土层中，且软粘土层对地基承载力的影响很显著。软粘土层越厚，地基承载力越低[12]。为了更合理地考虑承载力的影响，应对地基中每一层土均进行承载力分析，并考虑固结作用下的土体强度增长。 对于工程中土体强度指标的选用问题，LADD[13]曾提出将工程问题分为排水问题、部分排水问题和不排水问题。堆山工程采用分层堆填施工，虽然在过程中地基土发生了排水固结，但每层堆填的施工期不算很长，且破坏的发生往往是突然性的，可认为是发生了不排水破坏。另外，根据摩尔—库仑强度理论，土的强度可划分为两部分，分别为粘聚强度c和摩擦强度σtanφ。然而，实际中土的强度是一种综合表现，难以简单地划分开来。不排水强度虽是在φu=0的假定下得出的，但这种取值方法可以避免将土体的粘聚强度和摩擦强度划分开来。因此，堆山工程中选用不排水指标进行分析是合理的[14]。 当采用不排水指标验算地基承载力时，土体的cu可用τf表示，则式(5)可表示为： (6) 根据前文所述，固结作用下的强度增长体现为地基土的不排水强度增大，因此将式(4)代入式(6)可得考虑固结作用的承载力为: (7) 对于堆山工程而言，若对每层地基土均进行承载力计算，可将边载与所选择的计算土层之上的土重合并为一项进行考虑，即式(7)中第二项和第三项合并为一项，则式(7)简化为: (8) 其中，γi为计算土层之上第i层土的容重;Di为与γi相应的土层厚度。 式(8)与Prandtl提出的承载力公式具有相似的形式。若考虑Skempton提出的不排水地基承载力系数Nc为(π+2)，式(8)可改写为: (9) 根据式(9)即可对堆山工程进行地基承载力验算。 为了直观表示堆山下地基承载力稳定性，引入如下安全系数定义： (10) 其中，Fs为地基承载力安全系数；p为上覆总荷载。根据式(10)，可得出施工不同时期的地基承载力安全系数，直观地反映整个施工期中地基的稳定性。 3 工程案例分析 3.1 案例概况 图1所示等高线为江苏苏南某市[1]在其地势低洼的软土地基上进行施工的人工堆山，其设计高度为54 m。 根据该工程施工过程中的沉降资料，在施工开始后约370 d时，沉降出现了明显的突变，由将近1