，２０１０年第５期 西部探矿工程 １８９ 硬壳层对申嘉湖高速公路软基处理的影响与分析 朱 艳 （四川建筑职业技术学院，四川德阳６１８０００） 摘要：在我国沿海地区，通常上部都分布一较厚的硬壳层。现有的设计方法往往不能充分考虑硬壳 层的作用，对硬壳层破坏处理，没有充分利用这层有利的硬壳层资源，浪费较大。结合申嘉湖高速公 路，对硬壳层的作用机理进行了探讨，并分析了硬壳层效应对临塑荷载及其沉降的影响。 关键词：硬壳层；，临塑荷载；壳体效应；封闭作用 中图分类号：Ｕ４１２．３６ 文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１０）０５—０１８９一Ｏ４ 软土在我国沿海、内陆平原及山区都有广泛的分 地基中的应力分布虽然复杂，但根据土力学的研究，可 布。其成因不同，物理及力学性质存在差异，厚度及深 明确以下几点结论： 度变化悬殊，但在不同类型的软土层上都普遍存在着一 （１）下卧硬层的埋藏深度、硬度与软土层界面上的 个“硬壳层”。随着国家经济建设的不断发展，修建的公 摩擦力影响土中应力的分布。下卧层愈浅，软土层中的 路不可避免地通过软土地基区域。因此，随着软土地区 应力集中愈明显。当下卧层的深度与荷载的分布宽度 高等级公路建设的发展，软土地表的硬壳层已引起工程 相当时，荷载对称轴上竖向应力系数的变化如图１，从 界的广泛关注。郭灿华［１］曾根据萃松公路软土地基沉 图１中可以看出，接近软土层界面时应力集中加强，此 降测试资料提出，当地表存在１．５～３．０ｍ的硬壳层时， 处的竖向应力系数为均质地基条件下竖向应力系数的 天然地基上的最佳填土高度为２．５ｍ左右时，可不对地 １．３８倍。对于高速公路来说，路基荷载分布的平均多 基进行特殊处理。郝传毅［２］等人认为，填土高度较大 在３０ｍ以上，而一般厚层软土的厚度也只是３０ｍ，所以 时，硬壳层的存在，减小了软弱下卧层所承担的荷载比 高速公路下软基中应力分布集中是明显的，是不可忽略 例，当然压缩变形就小了。因此，在工程设计与施工中， 的。 查明硬壳层的先期固结状态，对沉降预估十分重要；对 ０ ０．２ ０．４ ０．６ ０．８ １ ０ 低填路堤，保护和利用超固结硬壳层更有实际意义。为 能更好地说明硬壳层对地基的影响，结合申嘉湖高速公 ０．２ 路分析在其它相同条件下，不同硬壳层厚度对沉降的影 ０．４ 响。 ０．６ １软土地基硬壳层的划分 ０．８ 软土地基硬壳层是相对软土层而言的。在国内外 １．Ｏ 有关软土的研究资料或技术规定中，都有划分软土的定 量标准：一般是软土的天然含水量大于液限，天然孔隙 图１荷载对称轴上竖向应力系数变化 比大于１，压缩系数大于０．５ＭＰａ＿。，不排水抗剪强度小 于２０ｋＰａ；交通部《公路软土地基路堤设计和施工技术 （２）表层硬壳层对下卧软土层中的应力分布有扩散 规范￣（ＪＴＪ０１７—９６）规定软土的划分标准为：软土的天 作用，硬壳层的厚度愈大，相对刚度愈大，这种扩散作用 然含水量大于等于液限，天然孔隙比大于等于１，不排 愈强。 水抗剪强度小于２０ｋＰａ，这更有利于软土的野外鉴别。 一（１７，ｏ１／Ｅｏｚ）［（１一 ）／（１一 ）］ （１） 根据软土的划分标准，相应的软土地基硬壳层的划分指 式中：Ｅ０ 、 ——硬壳层的变形模量与泊松比； 标应该为：软土的天然含水量小于液限，天然孔隙比小 Ｅ ——软土层的变形模量与 自松比。 于１，不排水抗剪强度大于等于２０ｋＰａ。 以上的分析说明：软土地基中应力计算时，图１软 ２软土地基硬壳层的作用机理 基下卧层影响地基中竖向应力系数分布不仅要考虑硬 对于表层有硬壳层或存在下卧层的多层软土地基， 壳层对应力集中的影响；并且一般（图中软基下卧硬层 １９Ｏ 西部探矿工程 ２０１０年第５期 埋深等于条形荷载分布宽度）情况下这种集中影响要大 于扩散作用。这就是说，高速公路软基的沉降不会因硬 壳层的存在而明显地减小。 按地基极限承载力的理论，硬壳层地基的破坏形式 般为冲剪破坏。对于路堤荷载，由于其本身的柔性， 一透性和长期强度较低等原因，致使类帕斯卡效应将在较 长时间内存在。 ３．２．２封闭作用对临塑荷载的影响 问延煦［３］在２００７年通过大量试验研究了封闭作用 下沉后路堤坡脚与硬壳层连成弧面，此时的硬壳层相当 于设计高度等于下沉量的反压护道的作用。在路堤不 发生破坏的前提下，下沉量愈大，这种反压作用愈明显。 ３硬壳层效应分析 对临塑荷载的影响，结果发现：如果没有硬壳层，软土表 层通常是最先达到塑性状态的。如果有硬壳层，则软土 表层的临塑荷载由于封闭作用得到了提高，从而提高了 地基整体的临塑荷载。 ４硬壳层临塑荷载公式分析 ４．１临塑荷载公式 ３．Ｉ硬壳层的“壳体效应” 具有硬壳层的软土地基在荷载作用下，硬壳层与其 下的软土层形成一整体的承力系统，软土层的工程特性 与硬壳层有密切的关系。当硬壳层的平面范围足够大 时，一方面硬壳层的存在限制了下卧软土向四周挤出及 周围软土向上鼓起，使软土层需要较大的外荷载才能发 生剪切变形；另一方面，硬壳层本身具有相对较大的密 实度，而且有一定的刚度，因此它可以分担荷载产生的 一王晓谋在２００２年根据基本假定，推导了考虑硬壳 层因素的临塑荷载公式［４］，推导公式如下： 一—— ７ｏｈ＋— ｃ＋ （２） ｃｏｔ ＋ 一专 ∞ｔｇ－Ｆ９一专 。 式（２）是考虑了硬壳层“壳体效应”作用下的软土地 基临塑荷载公式。 ４．２对临塑荷载公式的修正 部分剪力，即在一定的荷载剪力作用下不产生剪切变 形或变形极小，这就使得硬壳层与下卧软弱层间的荷载 传递方式有了一定的变化，此时的硬壳层已具有了类似 于板体的作用，这种作用可称为硬壳层的“壳体效应”。 “壳体效应”可使外荷传到较大的下卧软土中，使其下卧 软土层的附加应力低于按传统扩散方法计算出来的附 加应力，且分布更加均匀，分布的范围更大。 ３．２硬壳层的封闭作用 当软土的含水量较高时，其结构强度低，抗剪强度 低，具有一定的流动性。软土中有大量自由水存在，而 这种自由水在其连通的孔隙中是能够传递静水压力的。 当软土层上具有硬壳层时，硬壳层与软土层形成了较为 鲜明的强度差和刚度差。硬壳层相对其下的软土既是 种柔性的却又类似板体的结构，它不仅能够将其下部 上式临塑荷载的计算公式没有考虑硬壳层本身的 压缩变形，也没有充分考虑封闭作用对临塑荷载的影 响，且路堤荷载是按一次施加的，因此与实际施工情况 有一定差别，为了更好的接近实际，通过对申嘉湖高速 公路软基硬壳层处理段进行沉降跟踪监测，对采集的沉 降数据进行反算，最终得到了一个修正后的公式，现将 修正后的公式表示如下： ｍ＋ 一 ｒｃｏ ｔ￣ｏ ｒ计 ＋㈣ 一承受的荷载传递到较大的面积上去，起到应力扩散的作 用，同时对下卧淤泥土的变形具有较强的封闭作用。由 于上覆硬壳层的封闭作用以及周围低强度区的约束，当 硬壳层受荷变形后，使淤泥中产生超常的孔隙水压力， 并且这种压力的影响范围较大。这种类似封闭液体受 荷向周围挤压的现象，即所谓类帕斯卡效应。大量工程 实例已经证明了这种现象。 为考虑封闭作用影响的修正系数，在荷载宽度与软 土层厚度比值较小时，此时受到封闭作用的影响较大， 水平向应力增量与竖向应力增量比值较大（可达０．６～ １．Ｏ），此时取值范围为１．１～１．３；当荷载宽度与软土层 厚度比值很大时（大于５～１０倍），此时可不考虑封闭作 用的影响。 ５软基硬壳层对沉降的作用 通过对实测的申嘉湖高速Ｊ１标段的４０多条沉降 曲线（图２为曲线的典型形式）可以看出，地基的沉降速 ３．２．１封闭作用特点 封闭作用主要有两个特点：在一定硬壳层厚度下随 荷载的增长，封闭作用随之发展，且荷载越大、硬壳层的 封闭作用越好，软土中的孔隙水压力也就越大；随着加 载时间的延长，虽然软土会逐渐固结，流动性减弱、强度 提高，会使水平应力逐渐有所减小，但由于软土的低渗 率开始阶段很小，后来随着填土高度的增长，沉降成直 线下降，最后沉降速率有一近似的稳定期。 为了进一步说明问题，对练杭高速公路沉降观测结 果（沉降曲线见图３）分析可知：第二试验段采用塑料排水 板对地基进行了处理，第四试验段未对地基进行处理。 第二、第四两段的路堤填高分别为３．８１ｍ和３．９６ｍ，均小 于极限高度（４．Ｏｒｅ）。从图４中可以看出，第二试验段的 沉降曲线在路堤接近极限高度时变陡。第四试验段的沉 ２０１０年第５期 西部探矿工程 １９ｌ 降曲线则明显不同于第二试验段的沉降曲线，它在速率 上没有大的变化，并且有直线下沉的趋势，说明该条件下 皇 一 的沉降要持续相当长时间，这种沉降过程是路堤下具有 硬壳层的软土地基具有的一般规律。 ＾目 １００ ８ ９ ０ Ｏ 挺 ０ Ｏ ｒ一 ５０ ０ ｌ２ ５Ｏ １００ １５０ ２００ 一一２５０ 重 一 灶～３００ 好 士 ▲一一中 ◆一一右 图２典型沉降曲线 图３不同地基处理形式的沉降曲线 ６工程实例分析 缩短了施工时间。取一典型断面Ｋ４＋３５０为例，从 已建的申嘉湖高速公路Ｋ０—１００～Ｋ４＋７００主 理论上进行计算说明。Ｋ４＋３５０设计堤高为 线路基中，一般路基设计处理方法为塑料排水板，其 ４．１４ｍ，地质资料见表１。 普遍埋设深度为２０ｍ，间距１．４ｍ。但在塑料排水板 由表１可知，地基有关计算指标为Ｃｏ一２６．０ｋＰａ，９ｏ 现场打设过程中却发现插不下去的现象。设计单位 一９．７。，７０—１８．９ｋＮ／ｍ０，Ｃ一１４．０ｋＰａ， 一７．０。， 结合施工单位对此段重新进行了静力触探，通过对 ｙ一１７．６ｋＮ／ｍ３，路基顶面宽度为３５ｍ，边坡为１：１．５， 静力触探资料的分析，此段硬壳层较厚，而下卧软土 折算荷载宽度，根据地质资料硬壳层的厚度ｈ＝３．０ｍ。 层较薄。现根据理论计算，把此段一般路基地基处 将Ｃ、 、 、７ｏ的值代人式（３），则有： 理方案变更为一般预压法。既节约了建造成本，又 Ｐ 一１０１ｋＰａ １９２ 西部探矿工程 ２０１０年第５期 ７结束语 Ｅ１］郭灿华．充分利用软土地基“硬壳层”的研究——兼论路堤 （１）对于软土地基硬壳层存在时，应充分利用硬壳 最佳填土高度［Ｒ］．萃松高速公路学术会议论文，１９９０． ［２］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． 层的作用，当路堤自重不超过具有硬壳层的软土地基的 临塑荷载时，这样的软土地基可不进行处理，这既节省 资金，也可以加快工程进度。 （２）具有硬壳层的软土地基，当填土高度没有超过 ［３］问延煦，周健．封闭作用对双层地基临塑荷载的影响［Ｊ］． 岩土工程学报，２００８（５）：６８５—６８９． ［４］王晓谋．考虑硬壳层作用的软土地基临塑荷载计算ｆＪ］．岩 土工程学报，２００２（６）：７２０—７２８． 极限高度时，其沉降曲线在速率上没有太大的变化，并 且有直线下沉的趋势；但当填高超过极限高度时，沉降 速率明显加大。 （３）硬壳层对路堤稳定的作用不因其变形而丧失， 它在变形后起到反压护道的作用。 参考文献： Ｅ５］黄杨华．路基工程中软基硬壳层的作用分析ｆＪ］．交通科 技，２００４． 收稿日期：２００９—０３—１８ 作者简介：朱艳（１９７９－），女，讲师，现从事软基处理方面的教学及研究工作。 （上接第１７０页） （１）为提高制图的精度和降低成本，运用Ａｕｔｏ— ＣＡＤ２０００下自带的ＬＩＳＰ建立动态矿图符号库，实现地 形要素符号分类绘制、编辑及动态输出。这一方法对于 利用ＡｕｔｏＣＡＤ２０００编辑、绘制地形图，提高地形图的 绘制精度和质量，具有实用价值。 （２）将矿图符号以数字图集的形式存储在计算机 系统中，便于用户更好地使用系统和开发新系统。 （３）将现行矿图绘制规范图式体现在符号库中，使 矿图符号库成为用户进行矿图机助制图的新标准。 （４）通过对点、线、面状符号的具体实现完成了对 （６）面状符号调用的过程也就是图案填充的过程。 其调用的方法有两种：一是在命令提示行输入“ｈａｔｃｈ” （填充命令），然后在对话框中“预定义”项里寻找所需填 充的符号即可（即与调用系统自带的填充图案完全一 样）；二是点击下拉菜单中“独立符号”下的“填充”，屏幕 将弹出一个图像菜单，选择对应的填充符号，双击即可。 参考文献： ［１］中华人民共和国能源部．煤矿地质测量图例［Ｍ］．煤炭工 业出版社，１９８９． 矿图符号库的开发。 （５）点状符号基本上是用ＡｕｔｏＬＩＳＰ语言编写的。 ＡｕｔｏＬＩＳＰ程序一般是以“．Ｉ．ＳＰ”形式编写的，“．ＬＳＰ” 文件可以由Ｌｏａｄ函数装载。如果将它们存在包括 ａｃａｄ．ＬＳＰ”或“．ｍｎｌ”的文件中，则在ＡｕｔｏＣＡＤ起动 “［２］郭朝勇，等．ＡｕｔｏＣＡＤ Ｒ１４（中文版）二次开发技术［Ｍ］．清 华大学出版社，１９９９． ［３］清源计算机工作室．ＡｕｔｏＣＡＤ ２０００应用开发与实例ＥＭ］． 机械工业出版社，２００１． ［４］刘庆红，刘番．跟我学ＡｕｔｏＣＡＤ２０００ＥＭ］．北京：冶金工业 出版社，１９９９． 时，“ａｃａｄ．ＬＳＰ”或以“．ｍｎｌ”为扩展名的文件将自动装 入；因为要使用的矿图符号已经做成菜单，所以如果要 使用新装人的线型，只需点击工具栏中的下拉菜单“线 状符号”，然后选择要使用的线型。 收稿日期：２００９－０４－２０ 作者简介：谢新秀（１９７９一），女，助教，现从事大地测量方面的研究及教学 工作。