硬殼層理論圍海造陸中的應(yīng)用研究

1、<p>　　硬殼層理論圍海造陸中的應(yīng)用研究</p><p>　　摘要：用真空預壓法加固圍海造陸形成的吹填土地基需要利用大型機械插入塑料排水板。本文提出了在吹填土上吹填一層粉細砂形成硬殼層作為上部打板機械的工作層，從而滿足插板機承載力的要求。首先通過小比尺模型試驗驗證了硬殼層地基對于提高地基承載力的有效性，探討了具有硬殼層的地基的承載特性和機理，采用Plaxis有限元分析軟件對硬殼層厚度與荷載寬度和承載力

2、關(guān)系進行了系統(tǒng)的分析計算，對具有粉細砂形成的硬殼層對上硬下軟的地基承載力的貢獻做出了定量的研究，并給出了塑性區(qū)和位移場的開展狀況，為該工藝提高了理論依據(jù)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：硬殼層；吹填土；有限元；極限承載力；真空預壓 </p><p>　　中圖分類：U655.54+4.文獻標識碼：A 文章編號： </p><p>　　隨著天津濱海新區(qū)的快速發(fā)展，為緩解

3、用地緊張矛盾，大量土地需通過圍海造陸形成，總面積約為477km&sup2;[1]。圍海造陸所用吹填土一般采用港池和航道的疏浚淤泥，強度及承載力極低，需經(jīng)加固處理才能形成人工地基。采用真空預壓法對吹填土進行加固時，首先要用插板機在吹填土上打設(shè)排水板，但承載力極低的吹填土不能承受插板機的重量，必須在插板前提高地基的極限承載力。傳統(tǒng)的工藝是通過二三年晾曬形成一個硬殼層，再鋪土工布和2m左右的好土，才能進行插板機的操作[2]。我們通過試

4、驗研究、理論分析和工程實踐驗證，提出了在吹填土上吹填一層粉細砂形成硬殼層，增加地基的承載能力，來滿足插板機的承載力要求的新工藝。本文首先通過小比尺模型試驗驗證了硬殼層地基對于提高地基承載力的有效性，探討了具有硬殼層的地基的承載特性和機理，采用Plaxis有限元分析軟件對硬殼層厚度與荷載寬度的承載力關(guān)系進行了系統(tǒng)的分析計算，定量地研究了具有粉細砂形成的硬殼層對上硬下軟的地基承載力的貢獻，并給出了塑性區(qū)和位移場的開展狀況，為該工藝提高了理論

5、依據(jù)。 </p><p>　　1硬殼層地基的承載機理 </p><p>　　在強度極低的吹填土上鋪設(shè)粉細砂，使得地基形成由上下兩層土體性質(zhì)差別很大的成層土。對于層狀地基的極限承載力，Hansen 建議用加權(quán)平均法確定[3]。當各層土的強度指標相差懸殊時，加權(quán)平均法就不宜采用。邁耶霍夫、漢納和魏錫克對成層土的特性進行了研究，提出了相應(yīng)的計算理論。該理論假設(shè)地基基礎(chǔ)中軟弱土層上部的較硬土層發(fā)生

6、剪切破壞并假定剪切破壞面為豎直向下。 </p><p>　　2硬殼理論的室內(nèi)模擬試驗 </p><p>　　2.1試驗用土的物理力學性質(zhì) </p><p>　　為了驗證在吹填土表面吹填粉細砂可以使地基具有較大的極限承載力的硬殼層理論，進行了小比尺的室內(nèi)試驗[5]，并與理論計算結(jié)果進行了比較。 </p><p>　　淤泥層的含水率為72%，強度

7、約為1 kPa。粉細砂層的土樣取自灤河口，根據(jù)顆粒級配曲線可以確定，該土樣屬于粉細砂。其主要指標見表1。 </p><p>　　表1 灤河口土樣的物理性質(zhì) </p><p>　　根據(jù)試驗結(jié)果可見，粉細砂的滲透系數(shù)較高，因此作為地基土在荷載作用下排水固結(jié)很快，因此地基極限承載力提高很快，具備作為硬殼層的條件。 </p><p>　　2.2試驗結(jié)果分析 </p&g

8、t;<p>　　2.2.1 吹填土的極限承載力試驗 </p><p>　　將現(xiàn)場取來的吹填土土樣加水攪拌均勻，靜置24小時使其含水量均勻，土樣表面無明顯積水。測得其含水量為72%左右，不排水強度約為1.0 kPa。將11 cm×11 cm的玻璃片作為荷載板，在其上緩慢放置砝碼和玻璃片作為荷載。 </p><p>　　當荷載板產(chǎn)生過量沉降時，共加玻璃片30塊，每塊重0

9、.15kg，砝碼重1.3kg，施加的荷載為：W=(0.15×32+1.3)×9.8=59.78 (N)。 </p><p>　　由此可估算地基極限承載力為qu=59.78÷1000÷0.11÷0.11=4.94 (kPa)。 </p><p>　　若按理論公式計算，則有q’u=(π+2)c=5.14×1.0=5.14(kPa)，兩

10、者相差僅為3.9%。 </p><p>　　2.2.2 硬殼層地基極限承載力 </p><p>　　① 粉細砂含水量較高時成層土的極限承載力試驗及計算結(jié)果 </p><p>　　將同樣的吹填土土樣表面整平，上面覆蓋4 cm左右的攪拌均勻的粉細砂（含水量為25%）。放置24小時后，用吸耳球?qū)⒈砻娴姆e水吸凈，然后開始加載試驗。荷載板仍采用11 cm×11 cm

11、的玻璃片，上面放置每個重2 kg的砝碼。當施加7層砝碼（14 kg）時荷載板還能保持穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)此可估計成層土的極限承載力為quf=14×9.8÷1000÷0.11÷0.11=11.33(kPa)。 </p><p>　　硬殼層地基極限承載力可按Vesic提出的成層土地基極限承載力公式計算： </p><p>　　由qb=4.94 kPa，c1=3.

12、0 kPa，φ1=28°，L=B=0.11 m，H=0.04 m，可算得地基極限承載力的理論值：q’uf=13.7kPa。兩者相差為17%，在可接受的范圍內(nèi)，證明該理論計算公式基本上是比較可靠的。 </p><p>　?、?粉細砂含水量較小時成層土的極限承載力試驗及計算結(jié)果 </p><p>　　將同樣的吹填土土樣表面整平，上面覆蓋4 cm左右的攪拌均勻的粉細砂，靜置5天左右，粉

13、細砂層的含水量由25%下降到10%左右，然后開始加載試驗。 </p><p>　　荷載板仍采用11 cm × 11 cm的玻璃片，上面放置每個重2kg的砝碼。當施加13層砝碼（26 kg）時，荷載板還能保持穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)此可估計成層土的極限承載力為quf=26×9.8÷1000÷0.11÷0.11=21.05(kPa)。 </p><p>　

14、　硬殼層地基極限承載力可按Vesic提出的成層土地基極限承載力公式計算（測得的強度指標為c1=10.0 kPa，φ1=30°）：由qb=4.94 kPa，，L=B=0.11m，H=0.04m，可算得地基極限承載力的理論值：q’uf=26.9kPa，兩者比較接近。由試驗后的土剖面可見，粉細砂的厚度很薄，而下面的軟土層土很軟。 </p><p>　　實驗表明，由粉細砂形成的具有硬殼層地基，能夠提供原來吹填土

15、地基若干倍的極限承載力，硬殼層理論在室內(nèi)實驗得到了很好的驗證。為了進一步驗證硬殼層理論在實際工程的應(yīng)用，通過有限元軟件對現(xiàn)場工況進行模擬、計算。 </p><p>　　3 具有硬殼層特性地基的有限元分析 </p><p>　　PLAXIS 是一個用于巖土工程分析的有限元程序，其中巖土的性質(zhì)用各種模型來模擬[6]。本文選擇彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，采用Mohr-Coulomb屈服準則作為土體的本構(gòu)

16、模型[7]，模擬硬殼層地基受到荷載后，從初始線彈性狀態(tài)逐漸過渡到塑性流動的極限狀態(tài)的破壞過程，以此能較為準確地解決具有硬殼層的土體的承載力問題。 </p><p>　　3.1 實際工況的有限元模型 </p><p>　　在實際工程中，通過在強度極低的吹填土上鋪設(shè)一定厚度的粉細砂來提高承載力，以滿足插板機械的要求，為了研究此類具有硬殼層的地基土體，分別取粉細砂層厚H分別為0.6m、1.0m、

17、1.5、2.0m，從而研究地基的變形和承載特性以及應(yīng)力場和位移場特性，吹填土的厚度一般取5m，來求解成層土的極限承載力，土體性質(zhì)如表2。 </p><p><b>　　表2 土體參數(shù) </b></p><p>　　3.2 上層土厚H變化對極限承載力qu的影響 </p><p>　　極限承載力qu與B/H的關(guān)系如圖1， </p>&

18、lt;p>　　(a)H=0.6m </p><p><b>　　(b)H= </b></p><p><b>　　1.0m </b></p><p>　　(c) H=1.5m </p><p>　　(d) H=2.0m </p><p>　　圖1 H變化時，極限承載力q

19、u的數(shù)值解與理論解對比圖 </p><p>　　分析qu與B/H關(guān)系歸一化現(xiàn)象，Plaxis數(shù)值解見圖2， </p><p>　　圖2 隨H變化，數(shù)值解qu與B/H的關(guān)系圖 </p><p>　　分析qu與B/H關(guān)系歸一化現(xiàn)象，理論解見圖3 </p><p>　　圖3隨H變化，理論解qu與B/H的關(guān)系圖 </p><p&g

20、t;　　通過對比Plaxis數(shù)值解與魏錫克理論解，在B/H大于2時，吻合很好，在B/H較小時，魏錫克理論認為上層硬土的破壞面是理想的對數(shù)螺旋曲線，這在實際工程中是不現(xiàn)實的，受到載荷之后，土體的壓縮固結(jié)、塑性區(qū)的發(fā)展等因素會對承載力產(chǎn)生耦合作用，Plaxis能夠更加準確的考慮這些因素，更加接近現(xiàn)場的真實情況。下面為土體破壞的三種基本形式： </p><p>　　上層土的剪切破壞的情況，如圖4， </p>

21、<p><b>　　(a)網(wǎng)格變形圖 </b></p><p><b>　　(b)位移矢量圖 </b></p><p>　　(c)平均正應(yīng)力云圖 </p><p>　　(d)相對剪切應(yīng)力比云圖 </p><p>　　圖4H=2m，B=1m，Plaxis計算結(jié)果 </p>

22、<p>　　沖剪破壞的情況，如圖5， </p><p><b>　　(a)網(wǎng)格變形圖 </b></p><p><b>　　(b)位移矢量圖 </b></p><p>　　(c) 平均正應(yīng)力云圖 </p><p>　　(d) 相對剪切應(yīng)力比云圖 </p><p>　

23、　圖5H=1m，B=1m，Plaxis計算結(jié)果 </p><p>　　整體剪切破壞的情況，如圖6， </p><p><b>　　(a)網(wǎng)格變形圖 </b></p><p><b>　　(b)位移矢量圖 </b></p><p>　　(c) 平均正應(yīng)力云圖 </p><p>

24、　　(d) 相對剪切應(yīng)力比云圖 </p><p>　　圖6H=1m，B=3m，Plaxis計算結(jié)果 </p><p><b>　　4計算結(jié)果分析 </b></p><p>　　通過以上實驗和Plaxis計算，可以看出： </p><p>　　4.1 Plaxis有限元軟件模擬地基極限承載力值與魏錫克理論值差別不大，而限元

25、法可以對位移場和應(yīng)力場以及對土體的變形特性具有更加詳細的描述。 </p><p>　　4.2 上層為粉細砂的成層土地基的破壞模式主要是上層土的剪切破壞、沖剪破壞和整體剪切破壞這三種形式。具體由那種破壞模式發(fā)生破壞與成層土上部粉細砂層的相對厚度H、荷載寬度B決定，在相對厚度H較大載荷寬度B較小的情況下，成層土僅在上層硬土中發(fā)生剪切破壞，當相對厚度H較小載荷寬度B較大時，非均質(zhì)承載介質(zhì)產(chǎn)生沖剪破壞，當載荷寬度B相對于

26、上層厚度H很大時，發(fā)生整體剪切破壞。 </p><p>　　4.3 粉細砂層之所以能夠提高地基的極限承載力，在于荷載作用于硬殼層上，應(yīng)力并不是垂直刺入土中，而是以一定的擴散角分布到硬殼層中，當剪應(yīng)力大于土體的抗剪強度時，在硬殼層中形成破壞面，隨著荷載寬度B增加，破壞面剛要擴散到下層吹填土時，極限承載力qu達到最大；隨后吹填土不能承受過大的剪應(yīng)力，極限承載力開始降低，最終趨于穩(wěn)定。 </p><

27、p>　　4.4 當鋪設(shè)的粉細砂厚度H達到0.8m左右時，具有硬殼層的成層土的極限承載力為60kPa左右，已經(jīng)能夠滿足插板機等機械的施工要求。 </p><p><b>　　5結(jié)語 </b></p><p>　　通過本文的實驗與理論分析，硬殼層能夠提高地基承載力；通過有限元的模擬，了解到地基的變形特性與應(yīng)力場和位移場，分析硬殼層厚度H和荷載寬度B的變化與承載力關(guān)系

28、，得到成層土的三種破壞模式，并分析了其破壞機理。證明在強度極低的吹填土上鋪設(shè)一層粉細砂可以大大提高成層土地基的極限承載力，這種新工藝不僅能夠滿足插板機等機械的施工要求，而且可以立即進行吹填土的加固，從而大大縮短了工期。該方法已在天津濱海新區(qū)圍海造陸工程中得到廣泛應(yīng)用。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 董志良, 張功新,

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30、p><p>　　[4] 錢家歡, 殷宗澤. 土工原理與計算[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1996. </p><p>　　[5] 趙杰, 邵龍?zhí)? 有限元穩(wěn)定分析法在確定土體結(jié)構(gòu)極限承載力中的應(yīng)用[J]. 2006, 37(6): 668-672. </p><p>　　[6] 張學言. 巖土塑性力學[M]. 北京: 人民交通出版社, 1993. </p