张鑫敏 熊燕文 欧阳之辉

在我国内陆长江中下游地区，湖泊或者河流谷地广泛分布着软弱粘性土，软土具有天然强度低，压缩性高，透水性小，固结时间长，流变特性显著等特点[1］，在此类土上修建高等级公路，由于软土地基的固结和剪切变形，路基将产生很大的沉降，且变形持续时间很长，这是由于软土具有蠕变特性，其变形的过程为软土固结蠕变耦合的过程[2，3］。在研究软土固结过程中，传统的固结理论并没有考虑蠕变的影响，无法分析计算蠕变效应，而土的蠕变理论研究中所采用的流体材料不能考虑超静孔隙水压力消散的问题。本文从工程实际出发，采用有限元软件ABAQUS对堆载预压软土路基固结度进行计算，分析结果表明，考虑蠕变的模型计算的固结度具有更高的准确性。

1 工程概况

某高速公路全线穿越多处软基路段，软土分布不均匀，成分不一，主要为流塑状淤泥质亚粘土，软土厚度1.3m～15m，普通路基段采取了塑料排水带加堆载预压的处理方式。本文选取了具有代表性的K59+710断面，根据地勘资料，该路段地基的土层分为:第①层为亚粘土，厚度约0.9m;第②层为淤泥质粘土，厚度约为3m;第③层为亚粘土，厚度约为2.2m;第④层为淤泥，厚度为0.6m;第⑤层为细砂，厚度13.2m。K59+710断面软土层物理力学参数见表 1[4］。

表1 某高速公路软土路基K59+710(7m)土层物理力学参数表

2 软土固结度数值分析

选取具有代表性的K59+710断面，采用ABAQUS有限元分析软件，建立二维的堆载预压加固软基的有限元模型，运用软件中考虑蠕变的扩展的D-P模型进行计算[5］。

1)计算条件。计算网格划分情况如图1所示，土体单元采用耦合的平面应变单元CPE8RP。数值计算土层分层情况与地勘资料一致。有限元计算参数见表2[4］。

填土的重度为19 kN/m3，图2为现场施工堆载高度与时间关系图。计算时间为400 d，其中预压时间为180 d，与现场施工时间一致。

图1 路基有限元计算网格

图2 堆载高度与时间关系

表2 有限元计算参数

2)孔隙水压力结果分析。计算的塑料排水板堆载预压加固区不同深度软土孔隙水压力变化情况见图3～图5。

图3 孔隙水压力云图

图3为堆载预压结束时孔隙水压力变化云图，可以看出软土在固结过程中，塑料排水板边缘区域中出现了较高的应力水平，主要是塑料排水板周围土体固结程度高，而排水板之间部位固结程度低，变形不同产生的剪应力。因此加载不能太快，否则会使排水板周围土体产生剪切变形破坏。

图4和图5为路基中线下不同位置地基土体中孔隙水压力消散图。可以看出，从一次加载到下一次加载孔隙水压力都经历了一个增长—消散—增长—消散的过程，超静孔隙水压力随时间增长是降低的，说明附加总应力在不断向土体有效应力转化，土体固结过程明显，孔压开始消散时消散速率较快，随时间的推移孔压的消散速率减慢，在后期孔压趋于稳定，主要原因是超静孔隙水压力接近消散时，渗透系数变小，土体固结度进一步增长，地基逐步达到了稳定状态。根据ABAQUS计算的不同深处孔隙水压力消散情况，可以得到软土路基的固结度，堆载预压180 d软土路基固结度为92.3%。

图4 路基6m处孔压消散图

图5 路基不同深处（6.5m，7m，7.5m）孔压消散图

3 对比分析与讨论

3.1 按三维固结理论计算固结度

本工程采用塑料排水板对软土路基进行加固处理，此类软土的固结应属于三维固结课题。Terzaghi单向固结理论解决三维固结课题所采用的一个基本假定是:土体受荷后初始的孔隙水压力分布完全由弹性理论计算所得总应力决定[6］。

结合本工程实际，根据两种排水体与周围土体接触面积相等的原理进行换算[7-11］，取软土计算深度H=7m，计算软基400 d土层固结度可得软土固结度Urz=96%。

图6 K 59+710断面固结度变化曲线图

3.2 按实测孔隙水压力计算软土固结度

对于弹性土体，反映孔隙水压力消散程度的固结度等于变形比[6］。图6为K59+710断面固结度变化与时间和堆载情况关系的曲线图，可以看出，软土总固结度随时间增长在不断增大，到加载后期趋于平稳，接近400 d按实测孔隙水压力计算固结度为92.1%。

3.3 固结度结果对比分析

三种方法计算的固结度进行对比见表3。

表3 固结度计算结果对比表

如表3所示，考虑软土蠕变的数值计算结果与按实测孔隙水压力计算固结度结果更为接近，说明考虑软土蠕变的计算模型能有效地分析软土路基固结度的问题。另外，蠕变会导致固结时间变长，加大了软土路基的变形，这在实际工程中应引起高度重视。

4 结语

1)考虑软土蠕变特性的塑料排水板堆载预压加固软土路基的固结度数值分析结果与实测结果比较吻合，说明数值计算是有效并且合理的;2)数值分析固结度与实测孔隙水压力计算软土固结度结果相比理论解稍微偏小，主要原因是实测孔隙水压受到工况的影响更复杂;3)考虑蠕变模型进行固结度计算，超静孔隙水压力消散时间受土体蠕变的影响，模拟结果表明:在后期超静水孔隙水压力有增大的趋势，这必然延长软土的固结时间，与工程实际更为接近;4)考虑蠕变模型对软土固结度进行计算，在参数准确的情况下，采用数值计算方法更为简便，计算结果也更精确。

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