基于ABAQUS的軟土地基土工格柵硬殼層作用對比分析

李雨潤 楊皓天 袁喜魁 何文臣

摘要 采用硬殼層對表層素填土進行換填，并通過ABAQUS有限元軟件，考慮有無降雨條件，對素填土地基、硬殼層地基以及含土工格柵硬殼層地基的沉降以及豎向應力進行對比分析。經研究發(fā)現：在晴天和降雨時，采用硬殼層以及土工格柵硬殼層換填素填土都能減小地基的沉降變形，同時可以降低下臥土層的豎向應力大小;在降雨時，含土工格柵硬殼層地基比晴天時對減小地基沉降變形和控制豎向應力會發(fā)揮更有效的作用。本文研究成果為道路工程設計和施工提供重要的指導。

關 鍵 詞 軟土地基;硬殼層;土工格柵;沉降;豎向應力;ABAQUS有限元軟件

中圖分類號 TU447 ? ? 文獻標志碼 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

軟土在我國分布十分廣泛，由于含水率較高、承載力較低、壓縮性較高等特點，在施工設計過程中必須對其進行地基處理。粉噴樁、插板排水等傳統地基處理方法可以提高軟土地基的承載力，但并沒有達到減小地基沉降變形的效果[1]。目前在許多地區(qū)采用軟土表面經過風吹日曬形成較為堅硬的土層或對上層軟土地基進行開挖換填強度較高的土層來當持力層，即硬殼層。這種方法可以提高地基承載力、減少沉降，又可以減少工程造價，具有明顯的社會效益和經濟效益[2-3]。

隨著硬殼層軟土地基的推廣，硬殼層及下層軟土這種“上硬下軟”地基的研究也越來越多。早在20世紀80年代，金問魯等[4]、王杰光等[5]就對硬殼層軟土地基的承載力、雙層甚至多層地基應力進行理論計算分析，并通過實際工程進行驗算。經緋等[6]探究硬殼層和軟土層厚度對路基沉降的影響，并預判填土的臨界高度。王曉謀等[7]采用有限元軟件探究硬殼層軟土地基豎向應力擴散范圍的影響因素。Zheng等[8]結合工程實際，分析了硬殼層的承載能力和破壞模式。閆澍旺等[9]通過室內模型試驗對硬殼層吹填土的承載力進行探究，并綜合采用理論分析與有限元軟件對其作用機制進一步研究。曹?，摰萚10]借助FLAC3D有限元軟件對交通荷載作用下上覆硬殼層軟土地基動力響應特征展開分析。張宗濤等[11]分別基于小變形理論和大變形理論，建立含硬殼層的軟土地基有限元模型對比分析，并探究析人工硬殼層不同參數對軟基的影響規(guī)律。付秀艷等[12]采用拋石擠淤的加固機理填埋人工硬殼層，并通過有限元軟件對有無硬殼層的沉降變形進行分析。目前學者在該領域做了大量的研究工作，硬殼層的材料組成也頗多，但是利用磚渣土充當硬殼層的研究并不多見。

由于我國水文地質情況復雜，很多市政工程處于高水位軟弱地基上，工程區(qū)域內有大量的水塘，道路工程通過水塘段要進行相應的地基處理或擠淤置換。為了經濟、快速、環(huán)保的實施項目，在道路修建的過程中，往往采用建筑固體廢棄磚渣與黏土混合作為換填材料。為了保證換填路基滿足強度和變形要求，在換填土層厚度較大時通常會加入土工合成材料以防止路基發(fā)生破壞。本文以“三里河東路市政工程軟土地基處理”為工程背景，利用ABAQUS有限元軟件，分別對無硬殼層、有硬殼層以及含土工格柵的硬殼層軟土地基進行對比分析，研究地基的沉降變形和下臥土層豎向應力變化規(guī)律，對實際道路工程設計和施工具有重要的指導意義。

1 工程背景與有限元模型建立

1.1 工程背景與模擬工況

根據三里河東的勘察情況，表層存在厚度為1.9 m的素填土，地下水位距地表1.9 m，采用建筑固體廢棄磚渣與黏土混合（磚渣土）作為換填材料對素填土進行換填，并在硬殼層和軟土層之間鋪設土工格柵，以增強其穩(wěn)定性。利用ABAQUS有限元軟件，分別對無硬殼層、有硬殼層以及含土工格柵的硬殼層軟土地基建立數值計算模型，同時考慮有無降雨發(fā)生情況下進行對比分析，研究地基的沉降變形和下臥土層豎向應力變化規(guī)律，為實際道路工程設計和施工提供理論指導。

1.2 有限元模型建立

根據勘察報告實際情況，采用二維實體單元模型進行簡化。如圖1所示，路基截面尺寸為21 m[×]11 m（長[×]寬），路基受到的壓實作用以及荷載作用由寬7 m的對稱條形均布荷載代替。在路基模型的兩側施加水平約束，底部施加豎向約束和水平約束，頂部設置孔壓為0以便于孔隙水壓力的排出?？紤]到土層的透水性，設置土體單位類型為CPE4P，土工格柵單元類型為T2D2，嵌入到土體單元中。模型首先進行地應力平衡，存在降雨時在施加荷載前設置降雨邊界條件，降雨從開始到結束共計24 h，降雨入滲強度隨時間的曲線如圖2所示。晴天無降雨時直接施加100 kPa均布荷載，荷載隨時間變化曲線如圖3所示，并研究荷載作用20 d后的土層沉降變形等工程特性的變化情況。

1.3 模型參數

在對比模擬工況中，僅表層的土層特性不同，下部土層均保持一致，具體土體參數見表1。土工格柵加筋材料水平鋪設于硬殼層與軟土層之間，彈性模量為2 600 MPa，密度為0.95 kg/m2。

2 模擬計算結果對比分析

2.1 沉降結果對比分析

地基受到荷載作用時會出現土層的壓縮，變形沉降量是衡量地基穩(wěn)定性的一個重要指標。取土體變形向下為負，圖4給出表層土為素填土、硬殼層以及含土工格柵的硬殼層軟土地基在荷載作用時晴天和降雨條件下沉降隨時間變化曲線。晴天時荷載作用下發(fā)生沉降變形，并隨著固結時間的增長地基繼續(xù)下沉;降雨后地基含水率增大地基出現一定的上浮，受到荷載作用后地基下沉，并隨固結時間的增長的增大。沉降具體數值見表2，在晴天條件下，在0～1 h荷載施加過程中，硬殼層地基可以降低23.58%，含土工格柵硬殼層地基可以降低23.62%，20 d內固結基本完成，硬殼層地基可以降低25.1%，含土工格柵硬殼層地基可以降低25.22%;在降雨條件下，在24～25 h荷載施加過程中，硬殼層地基可以降低31.45%，含土工格柵硬殼層地基可以降低36.54%，20 d內固結基本完成，硬殼層地基可以降低25.62%，含土工格柵硬殼層地基可以降低26.68%。

無論在晴天還是降雨時，土體表層為硬殼層的地基沉降要低于表層為素填土的地基沉降，并且存在土工格柵的硬殼層地基沉降量要小于不含土工格柵的硬殼層地基，這是由于當土體表層的素填土被換填為硬殼層后，地基承載力增大，并且硬殼層可以發(fā)揮其板體支撐作用，以及較高的變形模量可以減少沉降變形。在減小豎向沉降的方面，硬殼層發(fā)揮主要作用，土工格柵起到輔助作用。

地基經過降雨后土質變軟，在素填土地基和硬殼層軟土地基中，受到荷載作用后地基的沉降量要大于晴天時地基沉降量。與上述不同的是，當在硬殼層和軟土層之間鋪設后土工格柵后發(fā)現，初始受荷時下雨后地基的沉降量要比晴天時的沉降量小，經過20 d固結后，仍然是晴天時的沉降量要小于雨天時的沉降量。這是由于下雨濕潤后土體的強度降低，使得土工格柵加筋產生的筋土整體性更加突顯出來，對沉降變形的影響較大，從而出現初始受到荷載作用時降雨后地基的沉降量要小于晴天時地基沉降量;隨著固結時間的增長，表層土中的孔隙水排出蒸發(fā)，土體強度增大，進而出現晴天時的沉降量要小于雨天時的沉降量。除此之外，在地基基本固結完成后，雨天時添加土工格柵的硬殼層地基沉降量與不含土工格柵的硬殼層地基沉降量的差值要大于晴天時添加土工格柵的硬殼層地基沉降量與不含土工格柵的硬殼層地基沉降量的差值，即在雨天時土工格柵對減小地基沉降的作用要大于晴天時。

地基表層面上沉降隨水平橫向距離變化曲線如圖5所示，在晴天和降雨時，表層土中間受到荷載作用，在素填土地基和硬殼層以及含土工格柵的地基中間下陷，越靠近荷載位置產生的沉降越大，兩側均存在一定的土體隆起，而且隨著固結時間的增長，地基整體會發(fā)生沉降。對比發(fā)現，硬殼層地基隆起的高度要小于軟土地基隆起高度，硬殼層地基隆起的范圍也要小于軟土地基隆起范圍，并且在硬殼層以及含土工格柵地基在受荷范圍內沉降量要小于素填土地基沉降量。這是由于硬殼層地基相對于素填土地基更具有整體性，并且存在反壓護道的作用，可以減少不均勻沉降。在晴天時，含土工格柵的硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線與未含土工格柵硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線基本重合;降雨時，含土工格柵的硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線比未含土工格柵硬殼層地基橫向距離與沉降的變化曲線更加平緩。圖6給出了固結20 d后橫向距離與沉降的曲線，對比荷載中點處的沉降可以發(fā)現：沉降晴天時含土工格柵硬殼層地基的沉降要比不含土工格柵硬殼層地基的小0.015 cm，降雨時含土工格柵硬殼層地基的沉降要比不含土工格柵硬殼層地基的小0.139 cm，因此在降雨時土工格柵阻止地基沉降的作用要大于晴天時土工格柵阻止地基沉降，即當地基受到降雨作用時土工格柵更易發(fā)揮作用。晴天和雨天荷載初始作用的規(guī)律與上述一致，由于圖幅較多，不一一列舉。

2.2 應力對比分析

圖7給出晴天受荷載作用地基固結20 d后豎向應力云圖，在素填土地基要比硬殼層地基以及土工格柵硬殼層地基中在相同軟土層受到的豎向應力要大，說明硬殼層確實存在減小豎向應力的作用。晴天和雨天荷載初始作用以及雨天荷載作用地基固結20 d后的規(guī)律一致，由于圖幅較多，不一一列舉。圖8給出在硬殼層與軟土地基分界面處（z=1.9 m）豎向應力隨水平橫向距離變化曲線。晴天時，當初始受到荷載作用，素填土地基和硬殼層地基的豎向應力基本相同，含土工格柵的硬殼層地基豎向應力比前兩者略低;隨著荷載的持續(xù)作用，各個地基受到豎向應力都會增大，但含土工格柵的硬殼層地基和不含土工格柵的硬殼層地基豎向應力基本相同，均比素填土地基的豎向應力要小，尤其是在受荷載位置，因此硬殼層相對于素填土可以緩沖外來荷載的作用，并且在受荷初期，土工格柵的存在更會幫助硬殼層減小下部軟土層的豎向應力。降雨時，當初始受到荷載作用，硬殼層相對于晴天條件就存在明顯減小豎向應力的表現，并且含土工格柵的硬殼層軟土地基相對于不含土工格柵的硬殼層軟土地基更能抵抗荷載作用;隨著荷載的持續(xù)作用，含土工格柵的硬殼層地基和不含土工格柵的硬殼層地基豎向應力基本相同，均比素填土地基的豎向應力要小。

圖9給出了晴天受荷載作用地基固結20 d后等效應力云圖，根據顏色的不同可以很明顯發(fā)現，素填土軟土地基受荷載作用時是下部軟土層承受壓力，而硬殼層軟土地基受荷載作用時是上部硬殼層承受壓力，并且加筋土工格柵的存在會進一步的減小地基承受的壓力。圖10給出晴天時地基受荷固結20 d后換填土以下等效應力隨豎向距離的變化曲線，硬殼層地基的等效應力和含土工格柵硬殼層地基的等效應力大致相同，素填土地基的等效應力要大于硬殼層以及土工格柵硬殼層地基的等效應力。晴天和雨天荷載初始作用以及雨天荷載作用地基固結20 d后的規(guī)律一致，由于圖幅較多，不一一列舉。

3 結論

本文采用ABAQUS有限元模型，建立3種不同類型的軟土地基模型，通過施加相同的荷載作用，比較3種軟土地基的沉降以及應力分布情況，得出以下主要結論。

1）無論晴天或降雨條件下，當地基受到荷載作用時，硬殼層以及含土工格柵硬殼層地基沉降量要小于素填土地基沉降量，并且含土工格柵硬殼層地基在雨天比晴天時減小豎向沉降的效果更好。

2）無論晴天或降雨條件下，當地基受到荷載作用時，兩側地基隆起，荷載位置下沉，并隨時間推移地基整體下沉。由于硬殼層的反壓護道作用以及整體性，硬殼層以及含土工格柵硬殼層地基相對于素填土地基各點處變化更加均勻。降雨時含土工格柵硬殼層地基相對于晴天時在減小地基不均勻性的效果更加明顯。

3）硬殼層地基以及含土工格柵硬殼層地基可以減小軟土地基承受的豎向應力，并隨著固結時間的增長更加明顯。相較于晴天時，降雨時土工格柵硬殼層地基豎向應力減少效果更加明顯。

4）硬殼層的存在可以將地基的承受的最大壓力由軟土層轉移到硬殼層上，并且土工格柵可以提高地基整體性，減小地基受力。

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[責任編輯 ? ?楊 ? ?屹]