廣西花崗巖軟土地基沉降預(yù)測及承載力評價(jià)

劉先林， 駱俊暉， 米德才

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

花崗巖殘積土是由花崗巖經(jīng)過自然風(fēng)化作用后形成的具有特殊性質(zhì)的軟土，具有低強(qiáng)度、壓縮性、易液化等不良性質(zhì)。在工程建設(shè)中易引起地基不均勻沉降及地基承載力不足而造成路堤失穩(wěn)等工程病害。

較多學(xué)者對花崗巖土層參數(shù)進(jìn)行了探究。郭林坪等通過分析土體的關(guān)鍵物理參數(shù)，研究土體參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，得出了花崗巖殘積土地區(qū)工程建設(shè)中的相關(guān)指標(biāo)公式，極大地推動(dòng)了工程建設(shè)在花崗巖地區(qū)的發(fā)展；廖麗萍等通過對廣西桂東南容縣花崗巖殘積土物理參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，揭示了花崗巖的物理性質(zhì)參數(shù)與土層粒度之間存在的聯(lián)系；龐小朝等通過不同條件下花崗巖殘積土的室內(nèi)試驗(yàn)，對影響土體參數(shù)的敏感性因素進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)不同加載路徑下土的參數(shù)性質(zhì)存在較大差異。

基于花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度不確定及沉降計(jì)算及模型難以確定的學(xué)術(shù)及工程難題，該文根據(jù)土體參數(shù)的空間隨機(jī)變異性特征，利用OptumG2軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其原理在于將土體參數(shù)的變異性用對數(shù)正態(tài)分布來模擬，建立空間變異性的隨機(jī)場模型，結(jié)合經(jīng)典的蒙特卡洛隨機(jī)理論進(jìn)行計(jì)算，擬解決沉降及地基承載力計(jì)算中的變異性及不確定性問題，采用上下限法進(jìn)行隨機(jī)場下的沉降及極限承載力分析，結(jié)合工程實(shí)際沉降值，驗(yàn)證不同巖土參數(shù)的準(zhǔn)確性，為工程建設(shè)過程中的沉降分析及模型選取提供建議。

1 隨機(jī)場理論概述

巖土體具有一定的空間變異特性，而考慮空間效應(yīng)的隨機(jī)概率論方法稱之為隨機(jī)場理論。與隨機(jī)概率的方法相比，隨機(jī)場模型兼顧了土的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，而傳統(tǒng)法僅考慮了土的隨機(jī)性，忽略了土的結(jié)構(gòu)性。

為考慮土的結(jié)構(gòu)性及各項(xiàng)特性等特點(diǎn)，提出適合的趨勢函數(shù)對土性參數(shù)隨機(jī)場模型進(jìn)行去趨勢化處理，即為基于隨機(jī)場的去趨勢法。

(1)

波動(dòng)分量函數(shù)：

(2)

去趨勢法均值：

(3)

去趨勢法方差：

(4)

去趨勢法變異系數(shù)：

(5)

2 基于隨機(jī)場理論工程應(yīng)用參數(shù)討論和分析

2.1 隨機(jī)場沉降分析

合理確定軟土的壓縮參數(shù)Es、強(qiáng)度參數(shù)c、φ對路基的壓縮沉降和承載性能評價(jià)精度十分重要。通過對廣西貴合高速公路花崗巖殘積軟土不固結(jié)不排水工況各參數(shù)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖1所示。

由圖1可得：各參數(shù)均表現(xiàn)出顯著的變異性。因此在進(jìn)行路基沉降計(jì)算和承載能力計(jì)算過程中應(yīng)當(dāng)考慮土體參數(shù)的變異系數(shù)。據(jù)此，采用OptumG2軟件進(jìn)行研究，利用它可進(jìn)行隨機(jī)場分析和極限荷載分析。

2.2 基于OptumG2建模

通過對廣西貴合高速公路花崗巖軟土地基進(jìn)行研究，選用表1土體參數(shù)作為典型代表斷面參數(shù)。其中含砂黏土參數(shù)為整個(gè)廣西花崗巖軟土區(qū)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)的均值。采用OptumG2進(jìn)行建模，上覆荷載為200 kPa，網(wǎng)格劃分為2 000個(gè)。

3 隨機(jī)場沉降計(jì)算結(jié)果分析及討論

3.1 隨機(jī)場沉降量分析

對廣西貴合高速公路花崗巖區(qū)軟土地基進(jìn)行隨機(jī)場沉降分析，采用上下限法進(jìn)行求解，得出蒙特卡洛運(yùn)行20次的最終沉降如圖2所示。

圖1 壓縮模量Es、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的對數(shù)正態(tài)分布

由圖2可以得出：由于網(wǎng)格劃分密集且均勻，從第6次(約150 d)蒙特卡洛運(yùn)行起，上下限解范圍越來越合理，但是不同蒙特卡洛運(yùn)行次數(shù)下地基最終沉降量變化較大，這是由含砂黏土參數(shù)的隨機(jī)變化引起的。由圖2得到實(shí)測值在上下限解的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型的有效性及精度。

3.2 隨機(jī)場沉降云圖分析

圖3為蒙特卡洛運(yùn)行20次時(shí)的地基沉降云圖上下限計(jì)算結(jié)果。

由圖3可以得出：盡管依托工程中的土層含砂黏土參數(shù)存在一定變異性，但是當(dāng)土體參數(shù)取為固定值時(shí)，地基沉降較為均勻，與實(shí)際工程不相符。因此，依托廣西貴合高速公路花崗巖區(qū)軟土地基考慮隨機(jī)場的沉降分析更為合理，能更好地模擬分析實(shí)際工程。

表1 廣西貴合高速公路地基土層參數(shù)

圖2 前20次蒙特卡洛運(yùn)行地基沉降量與實(shí)測沉降對比圖

圖3 地基沉降云圖(單位：mm)

圖4為土體參數(shù)隨機(jī)分布與地基沉降關(guān)系圖。

由圖4可得：考慮隨機(jī)場理論的土體參數(shù)隨著運(yùn)行次數(shù)的增長而變化，從而得出不同的上下限解，同時(shí)變化的范圍根據(jù)考慮空間效應(yīng)隨機(jī)概率論確定，結(jié)果更符合軟土參數(shù)變異性特征及現(xiàn)場實(shí)際工程。

4 隨機(jī)場地基承載力計(jì)算結(jié)果分析及討論

4.1 土體不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)分布

對廣西花崗巖軟土進(jìn)行不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 土體參數(shù)隨機(jī)分布與地基沉降關(guān)系圖

圖5 土體不排水抗剪強(qiáng)度對數(shù)正態(tài)分布圖

由圖5可得：廣西貴合高速公路花崗巖區(qū)軟土不排水抗剪強(qiáng)度分布較為符合對數(shù)正態(tài)分布，由此反映出該土具有明顯的不均勻性分布，在工程沉降分析中，應(yīng)結(jié)合參數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。結(jié)合理論及工程實(shí)際分析，利用參數(shù)的隨機(jī)場變換得到相應(yīng)的極限荷載。

4.2 不考慮隨機(jī)場的地基極限荷載分析

相關(guān)巖土參數(shù)如表1所示，結(jié)合25.87 kPa的抗剪強(qiáng)度(不排水)進(jìn)行分析，其他土層參數(shù)根據(jù)表1取值。網(wǎng)格劃分為2 000個(gè)，進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，得出極限荷載上限值為410 kPa，下限值為409.6 kPa(圖6)。

圖6 地基豎向應(yīng)力分布云圖(單位：kPa)

由圖6可知:在固定花崗巖殘積土的不排水抗剪強(qiáng)度后，計(jì)算得到的地基沉降趨于穩(wěn)定。

4.3 考慮隨機(jī)場參數(shù)的地基極限荷載分析

利用如圖5隨機(jī)場代替土體參數(shù)中的不排水抗剪強(qiáng)度分布，采用上下限法進(jìn)行地基極限荷載分析，運(yùn)行20次蒙特卡洛計(jì)算，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 極限荷載變換情況

由圖7可以得到：每運(yùn)行一次蒙特卡洛法，地基軟土的不排水抗剪強(qiáng)度將隨機(jī)變化一次，所得的極限荷載同樣也發(fā)生了變化。利用單一確定的數(shù)值進(jìn)行承載力計(jì)算與實(shí)際不符，應(yīng)利用隨機(jī)場參數(shù)多次計(jì)算承載力極限值，獲得極限承載力的數(shù)值范圍。

5 結(jié)論

通過對廣西花崗巖軟土地基進(jìn)行隨機(jī)場分析，在沉降分析中考慮了軟土參數(shù)Es、c、φ的空間變異性，在承載性能分析中考慮了花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度參數(shù)Su的空間變異性。所得結(jié)論如下：

(1) 通過對花崗巖軟土區(qū)域進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)可知軟土參數(shù)Es、c、φ服從對數(shù)正態(tài)分布，選取典型監(jiān)測斷面進(jìn)行隨機(jī)場建模，考慮了軟土參數(shù)Es、c、φ的空間變異性，模擬所得地基最終沉降值區(qū)間與實(shí)測斷面最終沉降值較為一致，預(yù)測地基沉降時(shí)考慮地基土的空間變異性可更好地給出地基沉降區(qū)間。

(2) 對花崗巖殘積土參數(shù)Su進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知其結(jié)果服從對數(shù)正態(tài)分布，建模過程中分別取Su平均值、Su隨機(jī)分布進(jìn)行地基極限承載力分析，表明僅取Su平均值將高估地基的承載性能，因此在進(jìn)行地基承載性能評價(jià)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮地基土參數(shù)的空間變異性。