軟土路基堆載預壓過程中的變形及控制標準分析研究

繆 丹，陳 洋，王鳳之

（1、廣州廣檢建設工程檢測中心有限公司 廣州 510600；2、廣東省建筑物健康監測與安全預警工程技術研究中心 廣州 510600）

0 引言

軟基處理作為工程建設中的重要環節，對后續工程的質量至關重要，受到越來越多的關注和重視［1-3］。軟土具有高含水率、高壓縮性、高孔隙比、低滲透性、高靈敏度、低強度和低承載力特點。軟土地基上進行工程建設存在多個問題：地基的極低強度無法滿足工程建設的要求；高壓縮性和低透水性導致地基發生較大的沉降且沉降時間較長。這些問題將對工程建設產生不利影響，甚至可能造成危害，需要對軟土地基進行加固處理。目前常用的軟土地基加固方法包括真空預壓法、堆載預壓法、真空聯合堆載預壓法和強夯法等［4-6］。為了確保施工安全和減少后期沉降，必須進行相關的施工變形監測工作，施工監測已成為軟基處理的重要組成部分。多年的工程經驗積累表明，施工監測可以采用不同的控制標準，其中包括速率控制標準、沉降/位移比值法、圖示判別法、孔隙水壓力系數法和綜合分析法［7］。然而，這些監測控制標準通常是針對特定工程提出的，具有較大的差異和個體特征，缺乏普適性和通用性［8-9］。監測控制標準直接關系到工程建設的安全、穩定性和質量。因此，基于某路堤軟土工程，通過有限元模擬路基工程堆載預壓法施工過程，分析土體的固結排水過程。將有限元計算得到的沉降變形和坡角位移的時程曲線與實測結果進行比對，以確定數值分析所采用的模型和參數的準確性和可靠性。同時，利用數值模擬計算結果，分析土體固結過程中沉降速率和水平位移速率的變化情況。最后使用強度折減法進行安全因子分析，以此探討將速率作為控制標準的合理性，為路基堆載預壓工程的監測和預測提供了參考，在優化工程設計和施工過程中具有實際應用的意義。

1 工程概況

本工程為路堤工程，擬建路堤堤底寬度為50.0 m，堤身兩側按1∶2坡度放坡，堤身下部為原位淤泥，土質較差，淤泥層厚度約為25.0 m，淤泥層下部為中密砂土層，地下水位位于原泥面以下2.0 m 處。堤身設計高度為5.0 m，考慮到下部淤泥層會產生較大的固結變形，設計堆載高度為7.2 m，利用堤身作為堆載材料，加固下部軟土層，淤泥層打設塑料排水板，塑料排水板采用SPB-B 型，按1.0 m 間距進行正方形布置，打設深度為20.0 m。

2 堆載預壓數值模擬

2.1 模型建立

通過上述工程概況，建立有限元模型，采用PLAXIS 8.2 進行數值分析。為了簡化問題，將軟基處理排水固結三維問題轉化為二維平面應變問題，將垂直排水通道轉化為平面排水砂墻，具體轉換方法采用陳立宏的第一種方法［10-11］，即保持垂直排水通道間距不變，調整井距，在此僅考慮水平滲透系數的轉換，砂墻間距等于砂井有效影響直徑B=re，np=n。土體單元本構關系選用Mohr-Coulomb模型，垂直排水通道塑料排水板采用程序中的Drain單元來模擬，在砂墊層和原淤泥層之間也設置一層Drain單元，用以模擬水平排水通道。計算采用的土體物理力學性質如表1所示。

表1 土的物理力學性能指標Tab.1 Physical and Mechanical Properties of Soil Index

考慮到轉換后的平面應變問題的對稱性，只取其右半部分進行分析，取第一層淤泥土層作為分析對象，深度范圍取25.0 m，水平影響范圍取坡角外25.0 m范圍，建立如圖1所示的有限元計算模型，采用平面三角形15 節點單元劃分網格。底邊界既無水平位移也無豎向位移，為不透水邊界；左、右垂直邊界只有豎向位移右邊界為不透水邊界，左邊界在排水板深度范圍內為透水邊界，其余為不透水邊界。

圖1 有限元模型示意圖Fig.1 Diagram of Finite Element Model

2.2 加載工況

堆載采用分級加載，共四級，具體工程施工工況如下：

①工況1：第一級加載，堤身填筑高度2.2 m，至標高+15.2 m，填筑時間為10 d；

②工況2：第一級加載完成后，間歇期為30 d，進行排水固結；

③工況3：第二級加載，堤身填筑高度2.0 m，至標高+17.2 m，填筑時間為15 d；

④工況4：第二級加載完成后，間歇期為30 d，進行排水固結；

⑤工況5：第三級加載，堤身填筑高度1.5 m，至標高+18.7 m，填筑時間為15 d；

⑥工況6：第三級加載完成后，間歇期為30 d，進行排水固結；

⑦工況7：第四級加載，堤身填筑高度1.5 m，至標高+20.2 m，填筑時間為20 d；

⑧工況8：加載完成，進入恒載期，恒載時間一共120 d。

3 計算結果分析

采用有限元對該路堤的沉降變形情況進行了計算分析，經過四級分級加載，共歷時270 d 的排水固結，路堤發生顯著的沉降和水平向位移變形。計算結果顯示：在路堤堤頂中心處最大沉降量達2.32 m，中心處沉降大于邊緣處，同時在路堤坡角外發生了一定的地表隆起，隆起量約為0.36 m，路堤坡角處的也發生了向堤外的水平擠出變形，最大水平位移達0.25 m，具體計算結果如圖2所示。

圖2 路堤位移示意圖Fig.2 Diagram of Embankment Displacement

3.1 模型驗證

目前多個規范［12-15］中建議采用的加載控制標準多是以豎向沉降速率和邊樁的水平位移速率作為判斷方法，下面分析將從這兩方面對加載安全進行探討。坡角處深層水平位移實測值與計算值的對比如圖3 所示，可知，在深度20 m 以內，水平位移量的最大誤差約為18%，這與實測監測點位置與計算取值位置不同有一定的關系，說明數值分析所采用的計算模型基本反映堆載預壓變形所引起的變形特性。同時從各級加載后的計算變形曲線可以看出：水平位移量在加載初期發展較快，隨著加載量的增加，其水平位移增量越來越小，趨于穩定，后期位移速率越來越少，這一變化特性也正是目前工程中常用的水平位移速率作為加載控制標準的重要根據。

圖3 水平位移實測值與計算值對比Fig.3 Comparison of Horizontal Displacement Measured Value and FEM Value

3.2 計算結果分析

坡角外的地表水平位移速率隨時間變化曲線如圖4 所示。隨加載進行，坡角處的地表水平位移速率逐漸減少。在第一級加載時，坡角的水平位移速率基本達到10 mm/d以上；而至第四級加載時，坡角處的水平位移速率基本小于5 mm/d以下，水平位移速率日趨減小，反映出堆載預壓的擠出變形在加載初期表現的更明顯，與圖3 所得到結論相一致。而在加載間歇期內，坡角水平位移還表現出不同程度的回彈特性，即向加固區內部變形，造成水平位移速率出現負值，這種情況也被工程實測數據所驗證。至加載后期，水平位移速率基本接近于0 mm/d，與實測情況基本接近。

圖4 坡角外地表水平位移速率隨時間變化曲線Fig.4 Curve of Horizontal Displacement Rate of Surface Outside Slope Angle Changing with Time

堤身沉降量隨時間變化曲線如圖5 所示，計算結果與實測成果基本吻合，最終沉降量實測值與計算值的差異僅有3%，表明數值分析所采用的計算模型可以反映本工程堆載預壓變形所引起的變形特性。有限元計算結果表現出明顯的分級加載特點，即各級加載期內的沉降變形明顯加速。間歇期內沉降變形則相對平緩，有明顯階段性加載的特點。而實測成果表現得并不明顯，這是由于有限元計算所采用的計算工況比較理想化?？赡芘c實際施工加載工藝有所區別，現場荷載施加并不是很勻速進行，直接跟現場施工進度有很大的關系。

圖5 堤身沉降量隨時間變化曲線Fig.5 Embankment Settlement Curve with Time

沉降速率隨時間變化曲線如圖6所示。無論是實測值還是計算值，在加載期內，沉降速率都明顯加大。第一級加載期內的沉降速率可達到60 mm/d，其他各級加載期內也都在20 mm/d；間歇期內，土體的沉降速率基本控制在10 mm/d 左右。在大部分時間，是沉降速率是小于10 mm/d，而10 mm/d 也正是《港口工程地基規范：JTS 147-1—2010》［12］和《建筑地基處理技術規范：廣東省標準DBJ/T 15-38—2019》［13］等所推薦采用的以沉降速率作為加載控制標準的臨界取值。說明使用速率指標對于工程實踐中控制加載安全有一定的指導意義。

圖6 沉降速率隨時間變化曲線Fig.6 Settlement Rate Curve with Time

坡角水平位移速率/沉降速率隨時間變化曲線如圖7所示。其中，SH為坡角處水平位移速率；SV為堤身的沉降速率。該比值變化規律與坡角處水平位移速率規律相近，即第一級加載期內的SH/SV明顯大于其他各級加載情況下，達到40%以上。且SH/SV隨著加載級的增加，有逐漸減小的趨勢。第二、第三、第四級加載期內的峰值分別為33.1%、24.9%、18.3%，可見以相同的標準控制不同的加載階段并不合理。

圖7 水平位移速率/沉降速率隨時間變化曲線Fig.7 Horizontal Displacement Rate / Settlement Rate Curve with Time

4 加載過程中穩定性分析

PLAXIS 軟件中提供了phi-c 折減的方法進行安全因子分析，該方法使土體的強度參數tanφ和c逐步減小，直到結構破壞為止。若使用了界面的強度，則界面強度參數也按相同方式進行折減。分析當中某個階段的土體強度參數的取值，用總乘子∑Msf定義見式⑴：

式中：input 的強度參數是指在材料組中輸入的取值，reduced的強度參數是指在分析時所采用的折減值。

計算開始時，所有的材料強度并未減小，即∑Msf的初始取值設置為1.0。據此可以由式⑵得到加載條件下的安全因子SF：

各級加載條件下的滑移面情況如圖8 所示，隨著堆載高度的增加，滑移區域在不斷的擴大，相應的安全因子也在不斷的減小。PLAXIS 有限元計算所得到的各級加載下的安全因子如表2所示，第四級加載時，計算得安全因子僅有1.003，接近于臨界狀態，基本處于失穩的邊緣狀態，隨著土體的固結排水，有效應力增加，強度提高，安全性也得到了顯著改善，恒載120 d時的安全因子達到1.107。

圖8 各級加載條件下的滑移面示意圖Fig.8 Lip Surface under Different Loading Conditions

表2 加載安全因子Tab.2 Loading Safety Factors

5 結論

在路堤工程堆載預壓法施工過程中，速率控制方法具有便于應用，易于判斷的優點。但其理論根據不足，以經驗為主。在沒有充分經驗的前提下，具有相當的盲目性，反會給工程應用帶來一定的誤導作用。因此，為分析路基軟土堆載預壓過程中的變形情況，根據某路基工程的實際情況，采用有限元分析軟件進行模擬堆載預壓施工過程，利用數值計算結果和已有的實測資料對目前加載控制方法的合理性和可行性進行分析，得到以下結論：

⑴受到監測點位置與計算取值影響，水平位移量的最大誤差約為18%，但最終沉降量實測值與計算值的差異僅有3%，說明數值分析所采用的計算模型可以反映堆載預壓變形所引起的變形特性；

⑵在加載初期，路基水平位移量發展較快，隨著加載量的增加，其水平位移增量越來越小，最終趨于穩定；在各級加載期，路基沉降變形明顯加速；而在間歇期，沉降變形則相對平緩，有明顯階段性加載的特點；

⑶地表沉降速率應根據不同的施工期采取不同的控制指標。對于加載初期（約為加載量的25%），沉降速率不設置控制標準，以坡角水平位移為控制標準；對于其他時間，沉降速率控制標準取10～20 mm/d；

⑷當沉降速率大于10 mm/d時，不可以進行下一級加載。20 mm/d 為其他加載期的沉降速率控制標準。一旦沉降速率超限，應立即看坡角水平位移速率是否越限；

⑸坡角水平位移速率應控制在5 mm/d，一旦水平位移也超限，應立即停止施工。