李雨润 杨皓天 袁喜魁 何文臣

摘要 采用硬壳层对表层素填土进行换填，并通过ABAQUS有限元软件，考虑有无降雨条件，对素填土地基、硬壳层地基以及含土工格栅硬殼层地基的沉降以及竖向应力进行对比分析。经研究发现：在晴天和降雨时，采用硬壳层以及土工格栅硬壳层换填素填土都能减小地基的沉降变形，同时可以降低下卧土层的竖向应力大小;在降雨时，含土工格栅硬壳层地基比晴天时对减小地基沉降变形和控制竖向应力会发挥更有效的作用。本文研究成果为道路工程设计和施工提供重要的指导。

关 键 词 软土地基;硬壳层;土工格栅;沉降;竖向应力;ABAQUS有限元软件

中图分类号 TU447     文献标志码 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

软土在我国分布十分广泛，由于含水率较高、承载力较低、压缩性较高等特点，在施工设计过程中必须对其进行地基处理。粉喷桩、插板排水等传统地基处理方法可以提高软土地基的承载力，但并没有达到减小地基沉降变形的效果[1]。目前在许多地区采用软土表面经过风吹日晒形成较为坚硬的土层或对上层软土地基进行开挖换填强度较高的土层来当持力层，即硬壳层。这种方法可以提高地基承载力、减少沉降，又可以减少工程造价，具有明显的社会效益和经济效益[2-3]。

随着硬壳层软土地基的推广，硬壳层及下层软土这种“上硬下软”地基的研究也越来越多。早在20世纪80年代，金问鲁等[4]、王杰光等[5]就对硬壳层软土地基的承载力、双层甚至多层地基应力进行理论计算分析，并通过实际工程进行验算。经绯等[6]探究硬壳层和软土层厚度对路基沉降的影响，并预判填土的临界高度。王晓谋等[7]采用有限元软件探究硬壳层软土地基竖向应力扩散范围的影响因素。Zheng等[8]结合工程实际，分析了硬壳层的承载能力和破坏模式。闫澍旺等[9]通过室内模型试验对硬壳层吹填土的承载力进行探究，并综合采用理论分析与有限元软件对其作用机制进一步研究。曹海莹等[10]借助FLAC3D有限元软件对交通荷载作用下上覆硬壳层软土地基动力响应特征展开分析。张宗涛等[11]分别基于小变形理论和大变形理论，建立含硬壳层的软土地基有限元模型对比分析，并探究析人工硬壳层不同参数对软基的影响规律。付秀艳等[12]采用抛石挤淤的加固机理填埋人工硬壳层，并通过有限元软件对有无硬壳层的沉降变形进行分析。目前学者在该领域做了大量的研究工作，硬壳层的材料组成也颇多，但是利用砖渣土充当硬壳层的研究并不多见。

由于我国水文地质情况复杂，很多市政工程处于高水位软弱地基上，工程区域内有大量的水塘，道路工程通过水塘段要进行相应的地基处理或挤淤置换。为了经济、快速、环保的实施项目，在道路修建的过程中，往往采用建筑固体废弃砖渣与黏土混合作为换填材料。为了保证换填路基满足强度和变形要求，在换填土层厚度较大时通常会加入土工合成材料以防止路基发生破坏。本文以“三里河东路市政工程软土地基处理”为工程背景，利用ABAQUS有限元软件，分别对无硬壳层、有硬壳层以及含土工格栅的硬壳层软土地基进行对比分析，研究地基的沉降变形和下卧土层竖向应力变化规律，对实际道路工程设计和施工具有重要的指导意义。

1 工程背景与有限元模型建立

1.1 工程背景与模拟工况

根据三里河东的勘察情况，表层存在厚度为1.9 m的素填土，地下水位距地表1.9 m，采用建筑固体废弃砖渣与黏土混合（砖渣土）作为换填材料对素填土进行换填，并在硬壳层和软土层之间铺设土工格栅，以增强其稳定性。利用ABAQUS有限元软件，分别对无硬壳层、有硬壳层以及含土工格栅的硬壳层软土地基建立数值计算模型，同时考虑有无降雨发生情况下进行对比分析，研究地基的沉降变形和下卧土层竖向应力变化规律，为实际道路工程设计和施工提供理论指导。

1.2 有限元模型建立

根据勘察报告实际情况，采用二维实体单元模型进行简化。如图1所示，路基截面尺寸为21 m[×]11 m（长[×]宽），路基受到的压实作用以及荷载作用由宽7 m的对称条形均布荷载代替。在路基模型的两侧施加水平约束，底部施加竖向约束和水平约束，顶部设置孔压为0以便于孔隙水压力的排出。考虑到土层的透水性，设置土体单位类型为CPE4P，土工格栅单元类型为T2D2，嵌入到土体单元中。模型首先进行地应力平衡，存在降雨时在施加荷载前设置降雨边界条件，降雨从开始到结束共计24 h，降雨入渗强度随时间的曲线如图2所示。晴天无降雨时直接施加100 kPa均布荷载，荷载随时间变化曲线如图3所示，并研究荷载作用20 d后的土层沉降变形等工程特性的变化情况。

1.3 模型参数

在对比模拟工况中，仅表层的土层特性不同，下部土层均保持一致，具体土体参数见表1。土工格栅加筋材料水平铺设于硬壳层与软土层之间，弹性模量为2 600 MPa，密度为0.95 kg/m2。

2 模拟计算结果对比分析

2.1 沉降结果对比分析

地基受到荷载作用时会出现土层的压缩，变形沉降量是衡量地基稳定性的一个重要指标。取土体变形向下为负，图4给出表层土为素填土、硬壳层以及含土工格栅的硬壳层软土地基在荷载作用时晴天和降雨条件下沉降随时间变化曲线。晴天时荷载作用下发生沉降变形，并随着固结时间的增长地基继续下沉;降雨后地基含水率增大地基出现一定的上浮，受到荷载作用后地基下沉，并随固结时间的增长的增大。沉降具体数值见表2，在晴天条件下，在0～1 h荷载施加过程中，硬壳层地基可以降低23.58%，含土工格栅硬壳层地基可以降低23.62%，20 d内固结基本完成，硬壳层地基可以降低25.1%，含土工格栅硬壳层地基可以降低25.22%;在降雨条件下，在24～25 h荷载施加过程中，硬壳层地基可以降低31.45%，含土工格栅硬壳层地基可以降低36.54%，20 d内固结基本完成，硬壳层地基可以降低25.62%，含土工格栅硬壳层地基可以降低26.68%。

无论在晴天还是降雨时，土体表层为硬壳层的地基沉降要低于表层为素填土的地基沉降，并且存在土工格栅的硬壳层地基沉降量要小于不含土工格栅的硬壳层地基，这是由于当土体表层的素填土被换填为硬殼层后，地基承载力增大，并且硬壳层可以发挥其板体支撑作用，以及较高的变形模量可以减少沉降变形。在减小竖向沉降的方面，硬壳层发挥主要作用，土工格栅起到辅助作用。

地基经过降雨后土质变软，在素填土地基和硬壳层软土地基中，受到荷载作用后地基的沉降量要大于晴天时地基沉降量。与上述不同的是，当在硬壳层和软土层之间铺设后土工格栅后发现，初始受荷时下雨后地基的沉降量要比晴天时的沉降量小，经过20 d固结后，仍然是晴天时的沉降量要小于雨天时的沉降量。这是由于下雨湿润后土体的强度降低，使得土工格栅加筋产生的筋土整体性更加突显出来，对沉降变形的影响较大，从而出现初始受到荷载作用时降雨后地基的沉降量要小于晴天时地基沉降量;随着固结时间的增长，表层土中的孔隙水排出蒸发，土体强度增大，进而出现晴天时的沉降量要小于雨天时的沉降量。除此之外，在地基基本固结完成后，雨天时添加土工格栅的硬壳层地基沉降量与不含土工格栅的硬壳层地基沉降量的差值要大于晴天时添加土工格栅的硬壳层地基沉降量与不含土工格栅的硬壳层地基沉降量的差值，即在雨天时土工格栅对减小地基沉降的作用要大于晴天时。

地基表层面上沉降随水平横向距离变化曲线如图5所示，在晴天和降雨时，表层土中间受到荷载作用，在素填土地基和硬壳层以及含土工格栅的地基中间下陷，越靠近荷载位置产生的沉降越大，两侧均存在一定的土体隆起，而且随着固结时间的增长，地基整体会发生沉降。对比发现，硬壳层地基隆起的高度要小于软土地基隆起高度，硬壳层地基隆起的范围也要小于软土地基隆起范围，并且在硬壳层以及含土工格栅地基在受荷范围内沉降量要小于素填土地基沉降量。这是由于硬壳层地基相对于素填土地基更具有整体性，并且存在反压护道的作用，可以减少不均匀沉降。在晴天时，含土工格栅的硬壳层地基横向距离与沉降的变化曲线与未含土工格栅硬壳层地基横向距离与沉降的变化曲线基本重合;降雨时，含土工格栅的硬壳层地基横向距离与沉降的变化曲线比未含土工格栅硬壳层地基横向距离与沉降的变化曲线更加平缓。图6给出了固结20 d后横向距离与沉降的曲线，对比荷载中点处的沉降可以发现：沉降晴天时含土工格栅硬壳层地基的沉降要比不含土工格栅硬壳层地基的小0.015 cm，降雨时含土工格栅硬壳层地基的沉降要比不含土工格栅硬壳层地基的小0.139 cm，因此在降雨时土工格栅阻止地基沉降的作用要大于晴天时土工格栅阻止地基沉降，即当地基受到降雨作用时土工格栅更易发挥作用。晴天和雨天荷载初始作用的规律与上述一致，由于图幅较多，不一一列举。

2.2 应力对比分析

图7给出晴天受荷载作用地基固结20 d后竖向应力云图，在素填土地基要比硬壳层地基以及土工格栅硬壳层地基中在相同软土层受到的竖向应力要大，说明硬壳层确实存在减小竖向应力的作用。晴天和雨天荷载初始作用以及雨天荷载作用地基固结20 d后的规律一致，由于图幅较多，不一一列举。图8给出在硬壳层与软土地基分界面处（z=1.9 m）竖向应力随水平横向距离变化曲线。晴天时，当初始受到荷载作用，素填土地基和硬壳层地基的竖向应力基本相同，含土工格栅的硬壳层地基竖向应力比前两者略低;随着荷载的持续作用，各个地基受到竖向应力都会增大，但含土工格栅的硬壳层地基和不含土工格栅的硬壳层地基竖向应力基本相同，均比素填土地基的竖向应力要小，尤其是在受荷载位置，因此硬壳层相对于素填土可以缓冲外来荷载的作用，并且在受荷初期，土工格栅的存在更会帮助硬壳层减小下部软土层的竖向应力。降雨时，当初始受到荷载作用，硬壳层相对于晴天条件就存在明显减小竖向应力的表现，并且含土工格栅的硬壳层软土地基相对于不含土工格栅的硬壳层软土地基更能抵抗荷载作用;随着荷载的持续作用，含土工格栅的硬壳层地基和不含土工格栅的硬壳层地基竖向应力基本相同，均比素填土地基的竖向应力要小。

图9给出了晴天受荷载作用地基固结20 d后等效应力云图，根据颜色的不同可以很明显发现，素填土软土地基受荷载作用时是下部软土层承受压力，而硬壳层软土地基受荷载作用时是上部硬壳层承受压力，并且加筋土工格栅的存在会进一步的减小地基承受的压力。图10给出晴天时地基受荷固结20 d后换填土以下等效应力随竖向距离的变化曲线，硬壳层地基的等效应力和含土工格栅硬壳层地基的等效应力大致相同，素填土地基的等效应力要大于硬壳层以及土工格栅硬壳层地基的等效应力。晴天和雨天荷载初始作用以及雨天荷载作用地基固结20 d后的规律一致，由于图幅较多，不一一列举。

3 结论

本文采用ABAQUS有限元模型，建立3种不同类型的软土地基模型，通过施加相同的荷载作用，比较3种软土地基的沉降以及应力分布情况，得出以下主要结论。

1）无论晴天或降雨条件下，当地基受到荷载作用时，硬壳层以及含土工格栅硬壳层地基沉降量要小于素填土地基沉降量，并且含土工格栅硬壳层地基在雨天比晴天时减小竖向沉降的效果更好。

2）无论晴天或降雨条件下，当地基受到荷载作用时，两侧地基隆起，荷载位置下沉，并随时间推移地基整体下沉。由于硬壳层的反压护道作用以及整体性，硬壳层以及含土工格栅硬壳层地基相对于素填土地基各点处变化更加均匀。降雨时含土工格栅硬壳层地基相对于晴天时在减小地基不均匀性的效果更加明显。

3）硬壳层地基以及含土工格栅硬壳层地基可以减小软土地基承受的竖向应力，并随着固结时间的增长更加明显。相较于晴天时，降雨时土工格栅硬壳层地基竖向应力减少效果更加明显。

4）硬壳层的存在可以将地基的承受的最大压力由软土层转移到硬壳层上，并且土工格栅可以提高地基整体性，减小地基受力。

參考文献：

[1]    郝传毅，陈国靖. 硬壳层软土地基的工程特性[J]. 中国公路学报，1993，6（2）：68-74.

[2]    彭月明，张铁壮，窦远明. 硬壳层对软土地基沉降特性影响的研究[J]. 河北工业大学学报，2007，36（1）：101-105.

[3]    冷伍明，赵健，何群. 路堤下软土地基承载力的计算研究[J]. 土木工程学报，2005，38（4）：120-124.

[4]    金问鲁，谢德贵. 双层基础承载力的计算及其在天然软土地基中的应用[J]. 岩土工程学报，1987，9（1）：61-71.

[5]    王杰光. 双层及多层水平地基中的应力分布与沉降计算[J]. 桂林工学院学报，1995，15（1）：43-53.

[6]    经绯，刘松玉，邵光辉. 软土地基上路堤沉降变形特征分析[J]. 岩土工程学报，2001，23（6）：728-730.

[7]    王晓谋，尉学勇，魏进，牛有来. 硬壳层软土地基竖向附加应力扩散的数值分析[J]. 长安大学学报（自然科学版），2007，27（3）：37-41.

[8]    ZHENG J J，WU L J，GUO R H. Bearing capacity characteristics of lacustrine soft clay hard shell layer foundation[J]. Applied Mechanics and Materials，2013，347/348/349/350：1203-1206.

[9]    闫澍旺，郭炳川，孙立强，等. 硬壳层在吹填土真空预压中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32（7）：1497-1503.

[10]  曹海莹，刘云飞，任晓军，等. 交通荷载作用下上覆硬壳层软土地基动力响应特征[J]. 河北工业大学学报，2015，44（3）：94-98.

[11]  张宗涛，张洪亮，李志刚，等. 人工硬壳层上低路堤大变形理论分析[J]. 长安大学学报（自然科学版），2017，37（2）：18-25.

[12]  付秀艳，薛皓辰. 基于有限元模拟的抛石挤淤沉降控制对比研究[J]. 公路与汽运，2018（2）：75-78.

[责任编辑    杨    屹]