压实填土地基承载力深度修正系数研究

第37卷第11期岩土力学Vol.37No.112016年11月RockandSoilMechanicsNov.2016收稿日期：2016-01-05基金项目：国家自然科学基金项目（No.51378345）。ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51378345).第一作者简介：郑帅群，男，1991年生，硕士，主要从事土力学及岩土工程的科研工作。E-mail:[e-mail]通讯作者：周海祚，男，1987年生，博士研究生，主要从事土力学及岩土工程的科研工作。E-mail:[e-mail]：10.16285/j.rsm.2016.11.025压实填土地基承载力深度修正系数研究郑帅群1,2,3，周海祚1,2,3，郑刚1,2,3（1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072；3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）摘要：软弱土层上的压实填土地基作为一种非均质地基广泛应用，但目前关于这种地基的破坏模式和承载力机制的研究还不够深入，工程中仍采用现行规范深度修正系数取值为2的方式进行设计。采用有限差分方法建立数值模型，研究了影响压实填土地基承载力深度修正系数的因素，并与现行规范推荐方法的取值进行对比。结果表明：填土越深、基础外超载越大，参与地基剪切破坏运动的土体体积越大，地基极限承载力越高；而随着填土宽度的增大，地基极限承载力先提高，后趋于稳定；砂土内摩擦角的增大也会提高地基极限承载力。总体来说，规范中的推荐值是偏于保守的，会造成承载力的浪费；而在下卧层强度很小、填土深度较大时该推荐值可能高估压实填土地基承载力，存在偏于不安全的可能，在工程设计时应予以考虑。关键词：压实填土地基；承载力；基础埋深；深度修正系数中图分类号：TU44文献标识码：A文章编号：1000－7598(2016)11－3240－13ResearchondepthmodifiedcoefficientofbearingcapacityofcompactedfillgroundZHENGShuai-qun1,2,3,ZHOUHai-zuo1,2,3,ZHENGGang1,2,3(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafetyofMinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;3.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Compactedfillfoundationonsoftsoillayeriswidelyusedasakindofheterogeneousfoundation.Butfewstudiesareconductedonthefailuremodeandbearingcapacitymechanismofthiskindoffoundation.Thedepthmodifiedcoefficientistakenas2ingeotechnicalengineeringpractice.Finitedifferencemethodisusedtoestablishanumericalmodel,andthenthefactorsthataffectthedepthmodifiedcoefficientofthebearingcapacityofcompactedfillfoundationarestudied.Furthermore,acomparisonwiththevaluesofthecurrentstandardrecommendedmethodismade.Theresultsshowthatthedeeperthesoilis,thelargerthefoundationloadis,thelargerthevolumeofthesoilis,thegreaterthebearingcapacityofthefoundationis.Withtheincreaseofsoilwidth,theultimatebearingcapacityofthefoundationincreasesfirstlyandthentendstobestable.Theincreaseofthefrictionalangleinthesandcanalsoincreasetheultimatebearingcapacityofthefoundation.Generally,therecommendedvalueofthespecificationisconservative,whichwillcausethewasteofthebearingcapacitywhilethestrengthoftheunderlyinglayerisverysmall,therecommendedvaluemayoverestimatethebearingcapacityofcompactedfillfoundation,leadingtoarisktosafeforengineering,thusintheprojectdesign,itshouldbetakenintoconsideration.Keywords:compactedfillfoundation;bearingcapacity;foundationdepth;depthmodifiedcoefficient1引言在地基处理过程中，可以挖除基础下一定宽度和深度的软黏土，换填砂、碎石土并进行压实。或对大面积松散填土，对基础下一定范围和深度的填土进行压实。这两种处理方式均可形成上硬、下软的局部非均质压实填土地基。当天然地基大面积分布上硬、下软或上软、下硬的成层土层时，则形成双层地基。与压实填土地基广泛应用的现状不符的是，目第11期郑帅群等：压实填土地基承载力深度修正系数研究3241前针对这种局部非均质地基极限承载力的研究很少，对其极限承载力和破坏机制的认识还不够深入。与之相比，对于均质地基极限承载力的研究则开展得比较广泛。Prandtl[1]根据塑性理论推导了无重度情况下光滑浅基础地基土体达到塑性极限平衡状态时的极限承载力，提出了地基极限承载力公式为ucqfcNqN（1）式中：c为土体黏聚力；q为基础两侧超载；cN和qN分别为与土体黏聚力和基础埋深相关的为承载力系数，并分别给出了计算公式，得到了不同土体内摩擦角时基础底面光滑条件下cN和qN的严密解。Terzaghi[2]在Prandtl的基础上提出了条形浅基础在有重度情况下中心竖向地基承载力公式为u2cqBfcNqNN（2）式中：为基础以下土体重度；B为基础宽度；N为与土体重度相关的承载力系数。Terzaghi考虑土体重度对极限承载力的贡献，给出了基础底面粗糙条件下cN和qN的严密解。在Prandtl和Terzaghi理论中，地基的深度系数qN仅随地基土体内摩擦角的增大而单调增大。Skempton[3]假定滑动面为圆弧，推导出饱和软黏土的极限承载力的表达式为uucfcNq（3）即饱和软黏土的承载力深度修正系数qN1。式中：uc为不排水抗剪强度。双层土地基作为一种典型的非均质地基也引起了学者的广泛关注，Terzaghi等[4]、Meyerhof[5]对砂土-黏土双层地基承载力计算公式进行了极限平衡法推导。之后，Michalowski等[6]利用极限分析上限解分析双层地基的极限承载力，指出非均质地基的承载力不仅取决于内摩擦角，还与土的黏聚力/cB和基础外超载/qB有关，并对地基承载力进行无量纲化处理，得到极限承载力的表达式为,,pcqfBBB（4）式中：p为地基极限承载力；、c、分别为基础以下土体内摩擦角、黏聚力和重度；B为基础宽度。秦会来等[7]，郑刚等[8]分别采用多块体上限解和有限差分法分析了双层土地基极限承载力及破坏模式。相比于双层地基形式，目前针对有限区域换填、压实的压实填土地基极限承载力的研究较少，缺乏对有限区域压实填土地基承载力及埋置深度对承载力贡献的深入认识。本文采用有限差分法建立有限区域填土的数值模型，分析了刚性条形基础下不同填土范围、超载和砂土内摩擦角对有限区域填土压实形成的非均质地基的破坏机制及极限承载力的影响，并与现行国家标准《建筑地基基础设计规范》[9]的推荐值进行对比分析，并评价其适用性。2规范推荐的计算方法我国《建筑地基处理技术规范》[10]指出，压实填土地基，当其处理的面积较大（一般应视处理宽度大于基础宽度的2倍），可按规范[9]的相关规定进行修正。规范[9]中建议采用如下计算公式计算地基承载力特征值：aak(3)(0.5)bdmffbd（5）式中：af为修正后的地基承载力特征值；akf为地基承载力特征值；b、d分别为地基承载力基础宽度和埋置深度的修正系数；和m分别为基础底面以下和基础底面以上土的重度；b和d分别为基础底面宽度和基础埋置深度。对采用砂土进行大面积压实填土的地基，规范[9]规定：当压实填土采用最大干密度大于2.1g/cm3的级配砂石，且填土质量满足要求时，承载力修正系数b、d分别取0和2。此外，规范[9]还规定，这种形式的地基应按下式验算软弱下卧层的地基承载力：azczzppf≤（6）其中k()2tanczBpppBz（7）式中：zp为软弱下卧层顶面处的附加压力值；czp为软弱下卧层顶面处土的自重压力值；azf为软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值；z为基础底面至软弱下卧层顶面的距离；kp为基础底面处的平均压力；cp为基础底面处土的自重压力值；为地基压力扩散线与垂直线的夹角。根据《建筑地基处理技术规范》[10]，当换填材料为砂石且/zb≥0.5时，取30°。规范推荐的方法有着概念简单、参数意义明确等优点，在工程设计时易于应用。但这一方法是建立在均质天然地基浅基础极限承载力理论上来考虑对基础宽度和基础埋深所能提高的地基承载力设计取值的经验方法[10]。不同于天然地基，压实填土地基作为一种非均质地基，填土层和下卧土层强度、填土范围和基础埋深等因素都有可能对其实际破坏3242岩土力学2016年模式和承载力造成影响，采用这一方法对压实填土地基进行设计时，存在某些情况下对地基承载力估计略高或承载力利用率偏低的可能。因此，有必要对压实填土地基的极限承载力进行深入研究。对于饱和黏土，其深度修正系数qN1.0[3]，当采用换填方法进行地基处理后，其破坏模式和极限承载力将变得尤其复杂，所以，本文主要针对这种情况开展研究。3数值分析模型及验证3.1数值模型及计算参数介绍当压实填土地基的填土范围可以覆盖整个场地或基础宽度与填土范围相比较小时，压实填土地基可以认为是一种双层土地基。因此，压实填土地基的极限承载力和破坏模式与双层土地基有着内在的联系，同时又存在着一定的不同。由于已有的针对压实填土地基承载力的数值分析和试验研究均较少，因此，本文建立数值分析模型时，借鉴了郑刚等[8]分析双层土地基极限承载力时基于有限差分法建立的刚性条形基础下复合地基模型。通过改变换填压实的砂土区域在水平和竖直方向上的分布范围以实现填土区域范围的变化。根据计算模型对称性，取1/2模型进行计算，条形基础半宽为/2B，压实填土区域半宽为/2H，填土深度为D，选定的地基横向计算范围为20B，深度为16B。地基土符合理想Mohr-Co