雙層地基模型下的軟土層承載力分析

雙層地基模型下的軟土層承載力分析

在沿海地區(qū)，大多數(shù)軟土層，如粘土和粘土。地表層為土層性質(zhì)相對較好,承載力可滿足一般建筑物地面荷載作用要求的硬表層。但是工程中更多關(guān)注的是下臥軟土層的承載力問題。類似情況發(fā)生于處理后的填土地基,以及復(fù)合地基的下臥層。以下主要采用雙層地基模型討論下臥軟土層的承載力,并運(yùn)用有限單元法分析水泥土攪拌樁的承載性質(zhì)。結(jié)合工程實(shí)際,最后從現(xiàn)場試驗(yàn)角度分析下臥軟土層承載力。一、應(yīng)力擴(kuò)散角的計(jì)算雙層地基分析模型是將地基視為由上下兩層具有不同力學(xué)性質(zhì)的土層組成,分析其在外力荷載作用下應(yīng)力、變形特征。大量理論和實(shí)測結(jié)果表明,在上軟下硬的雙層地基中,會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;而在上硬下軟的雙層地基中,會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象。因此,軟土地區(qū)中硬殼層的存在對地基中的應(yīng)力分布是有利的。對軟土層上的填土進(jìn)行壓密或夯實(shí),也有利于軟土層的受力。如圖1所示,雙層地基的承載力分析模型假定外力荷載作用按某一應(yīng)力擴(kuò)散角度θ向下臥層擴(kuò)散,即下臥層的附加應(yīng)力:pcz=pB(B+2htgθ)(1)pcz=pB(B+2htgθ)(1)其中p為外力作用荷載,B為p的作有寬度,h為上層土厚度。應(yīng)力擴(kuò)散角θ可表示為上下土層的變形模量Eu和Ed之比n(=EuEd)n(=EuEd)和上層土厚度h與荷載作用寬度B比值k(=hB)k(=hB)的函數(shù)θ=f(n,k)(2)通過有限元程序分析,可以給出應(yīng)力擴(kuò)散角θ與n、k的變化關(guān)系。國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ7-89)給出了n=3,5,10和k=0.25,0.50對應(yīng)的應(yīng)力擴(kuò)散角θ的取值,與有限元的分析結(jié)果相符合。二、復(fù)合地基的力學(xué)特性運(yùn)用有限元方法,對圖2.(a)所示的樁——土體系進(jìn)行分析,可以得到承臺(tái)下不同深度的豎向附加應(yīng)力分布,見圖2.(b)、(c),(d)。在外力荷載作用下,承臺(tái)下水泥土樁作用的荷載隨深度逐漸向樁周土擴(kuò)散,而在水泥土樁底部,應(yīng)力集中平緩,分布比較平均;邊樁的受力要比內(nèi)樁大,但應(yīng)力擴(kuò)散程度大。因此,加固區(qū)內(nèi),水泥土樁和樁周土共同承擔(dān)外力荷載,實(shí)際分析時(shí)可按如下方法進(jìn)行復(fù)合體承載力計(jì)算。在工作荷載作用下,復(fù)合地基不發(fā)生很大的沉降量,不發(fā)生塑性流動(dòng)和局部土體塑性蠕動(dòng),因此可以將水泥土攪拌樁和樁周土視為整體進(jìn)行分析。運(yùn)用復(fù)合單元常應(yīng)變假設(shè)和應(yīng)變能理論分析可以推導(dǎo)出復(fù)合單元的彈性參數(shù)計(jì)算公式:[D]c=m[D]p+(1-m)[D]s(3)其中,m為復(fù)合地基的置換率,[D]p、[D]s分別為水泥土樁和樁周土的彈性剛度矩陣。在復(fù)合地基實(shí)際計(jì)算時(shí),由樁、土變形模量按公式(3)計(jì)算復(fù)合單元的變形模量,求出加固區(qū)和加固區(qū)底土層的應(yīng)力擴(kuò)散角,運(yùn)用雙層地基對下臥軟土層復(fù)合地基進(jìn)行承載力分析,見實(shí)例2所示。三、不同地基承載力試驗(yàn)[實(shí)例1]擬建場地為大型工業(yè)廠區(qū)建設(shè)地。在廠區(qū)建造前一年,對耕植土上的人工填土進(jìn)行壓實(shí)。填土的主要成份為粘土、粉質(zhì)粘土和輕砂質(zhì)粘土,壓實(shí)系數(shù)λc=0.94～0.97,厚度2.0～3.0m。填土下土層分布為:0.8～2.0m耕植土;0.55～4.70m粉質(zhì)粘土。為了確定填土地基和耕植土地基的承載力,進(jìn)行9組平板載荷試驗(yàn),承壓板面積為2m×2m,試驗(yàn)荷載按地基承載力150kPa進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。填土地基承載力按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ7-89)取值為150kPa。1.試驗(yàn)荷載的deo試驗(yàn)影響深度內(nèi)地基土變形模量Eo:Eo=(1-μ2)?Qs?dEo=(1?μ2)?Qs?d其中,Q為試驗(yàn)荷載600kN,s為對應(yīng)沉降量,μ為粘土的泊松比,取0.42,d為承壓板的等效直徑2257mm。計(jì)算所得地基土變形模量為17.69MPa。2.復(fù)合地基的力學(xué)性質(zhì)及承載力下臥層耕植土的承載力按雙層地基進(jìn)行計(jì)算。填土層厚度h=2.0～3.0m,耕植土的變形模量Ed=3.0MPa。則n=EuEd=5.9,k=hB=1.0～1.5n=EuEd=5.9,k=hB=1.0～1.5,查規(guī)范應(yīng)力擴(kuò)散角θ=23。,下層耕植土產(chǎn)生的附加應(yīng)力:Ρcz=Q(B+2htgθ)2=29.0～43.9kΡaPcz=Q(B+2htgθ)2=29.0～43.9kPa耕植土面受到的自重應(yīng)力:pz=γh=39.1～58.7kPa則耕植土層面的受力:p=pz+pcz=87.7～83.0kPa即通過試驗(yàn)確定的耕植土的承載力大于80kPa。[實(shí)例2]場地土層自上而下分布為:人工填土,主要由素填土、人工填砂組成,可～硬塑,層厚1.1～2.5m;粘土I,可塑,層厚0.90～3.4m;淤泥,軟～流塑,層厚0.90～9.10m,粘土Ⅱ,主要包括粘土和砂質(zhì)粘土,可～硬塑,層厚2.30～8.1m。各土層的力學(xué)指標(biāo)及承載力見表2所示。本工程采用水泥土攪拌樁加固,加固深度為7.0～10.0m之間,要求進(jìn)入軟入粘土Ⅱ0.30～0.50m,水泥土樁截面形狀為“八”字形,復(fù)合地基的置換率23.3%,水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可取fcu=1.2MPa。本工程共進(jìn)行八組單樁承載力試驗(yàn)和三組雙樁帶臺(tái)復(fù)合地基承載力試驗(yàn),荷載板的尺寸為2.0m×3.0m,試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。根據(jù)規(guī)范《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-91)深層攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算公式(9.2.2-1)得出的承載力為135kPa與試驗(yàn)測得的承載力130kPa很接近。這十一組試驗(yàn)的Q-S曲線見圖3所示。從圖中可以看出,水泥土攪拌樁在承載力為323kN的范圍內(nèi),Q-S曲線基本呈線性關(guān)系,復(fù)合地基Q-S曲線變化相類似,均可以將其視為彈性關(guān)系。下述分析淤泥層復(fù)合地基的承載力。水泥土的變形模量取Ep=(120～150)fcu=144MPa。按彈性公式(3)計(jì)算的各土層復(fù)合變形模量為:Ec1=37.9MPa,Ec2=34.8MPa,Ec3=37.9MPa。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的土層分布情況,各加固區(qū)的土層層厚取:填土層h1=2.0m,淤泥h2=4.5m,粘土Ⅱ的h3=0.5m。則整個(gè)加固區(qū)的復(fù)合變形模量取加權(quán)平均值Ec=ΣhiEciΣhi=35.9ΜΡaEc=ΣhiEciΣhi=35.9MPa。加固區(qū)與下層未加固粘土Ⅱ的模量比n=EcEo=7.18。加固區(qū)視為上層土,未加固粘土Ⅱ視為下層土,則加固深度與荷載板寬度比k=7.02.0=3.5。由n=7.18和k=3.5,應(yīng)力擴(kuò)散角可取θ=25。。復(fù)合淤泥層產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力:pca=Q2(B+2h1tgθ)(L+2h1tgθ)=41.5kΡa上層土產(chǎn)生的自重應(yīng)力:pz=γh1=37.4kPa復(fù)合淤泥層的受力