分级加载对提高地基承载力的必要性浅析

摘要：

土体是固相、液相、气相结合而成的材料，其承载力取决于土颗粒之间建立的结构骨架；变形程度取决于土颗粒之间的孔隙大小。土体的变形程度越大，表明土颗粒之间的孔隙已明显变小，土颗粒之间的接触面增大、构成的结构骨架越稳定，有效应力明显增大。

通过试验并结合原理探究，发现分级加载较一次性加载能充分考虑到土体排水情况，更能很好的提高土体的极限抗剪能力，在道路路基的加固处理、提高地基强度上具有重要的意义。

关键词：分级加载，极限抗剪承载力，道路路基加固处理

中图分类号：TU312文献标识码： A

0 前言

地基施工是土木工程施工建设中非常重要的一关，其施工安全性直接影响上层建筑的安全性，间接与人民的生命、财产安全紧密的联系在一起。同时地下工程是个隐蔽的工程，土体具有不均匀性，承载后其变化过程也具有多样性，因此地基施工往往要求的安全度很高。当地基达到极限承载能力时，往往伴随着地面坍塌下陷，此时上层建筑多会倾向一方，甚至倒塌。因此为增加地基施工的安全性，就要使地基能够有足够的强度来支撑上层建筑传来的荷载。

目前地基施工中应用的地基处理方法有很多，根据各类场地土质的不同，采用合适的处理方法对地基或加固或置换。对于简单地基多采用排水固结法，即将需要加固的地基内孔隙水排出，继而增加了土体颗粒之间的有效应力，增大了地基的极限承载力。加固地基时采用排水固结法，施工简单、经济，对于砂土类及饱和软粘土类地基的强度改善效果非常明显。

根据排水固结法原理的研究，并结合工程实践，目前采用预压方法和排水方法来对地基进行排水、固结，本文将就预压方法中的堆载方法进行原理上的讨论，由此来说明分级加载产生的加固效果要优于一次性加载方式，采用分级加载的方式对提高地基承载力是十分必要的。

1 土体承重的原理

土是由岩石经过风化作用后形成的矿物颗粒堆积在一起而形成的，中间贯穿着孔隙，孔隙之间存在水和空气。因而土是由各种大小不同的土粒、水和气体按各种比例组成的集合体，当土是由土粒、空气和水组成时，土为固相、气相和液相组成的三相体系。

土体的结构与混凝土相似，具有细观上差异大、宏观上可视为同性体特性，但是其力学性能却完全不同。土体可看作为粘弹性材料，内部总是存在空隙或存在自由水，是一种结构较松散，可以经排水后不断被压实的物体。对土体微观观察发现，土颗粒部分接触，随着荷载逐渐增大，土颗粒之间的接触面逐渐增大，同时颗粒与颗粒之间形成的孔隙越来越小，伴随着孔隙内部自由水的排出；土颗粒之间形成了新的骨架，具有更好的结构稳定性，增加了土体的承载能力。通过该研究可以发现，土体是通过土颗粒之间形成的结构骨架来承受外部荷载的，对地基进行加固处理的过程就是打破原本土颗粒骨架形成新的更稳定结构体系的过程，因此土颗粒之间形成的结构骨架是土体承重的根本，当将土从地下取出时，该结构骨架很容易遭到破坏，失去原来稳定的承载能力，并且土体具有明显的地区不均匀性。 排水固结法就是建立在此研究上发展起来的地基加固方法，通过不断抽出土体内部孔隙间的自由水，使土颗粒之间的接触面增多，形成更稳固的结构骨架，增强地基的承载能力。

2 土体变形的试验研究

采用堆载预压法对场地地基进行加固处理时，将堆载分批次施加到需要加固的场地上的方法为分级加载，将堆载一次性的全部加到需要加固的场地上的方法为一次性加载。为研究这两种方法在地基加固效果上的优劣，首先需要研究土体在荷载作用下的力学性能。

现有一刚从地下取出的原状土，置于设有排水面的试验装置中，先不施加外界荷载使其只在自重条件下固结。足够长的时间（以该土不再发生明显的沉降为准）后，开始对该土进行缓慢的加载过程。

经观察可见：该土在外界荷载缓慢的加载过程中，其变形先有很小部分的线性阶段，然后一部分的非线性弹性阶段，接着会发生一段明显的非线性、非弹性的大变形，当这样的沉降使土颗粒重新排列形成更稳定的结构可以继续抵抗外界荷载时，土体又开始进入很小部分的线性阶段，然后较长一部分的非线性弹性阶段，最终仍会接着发生一段明显的非线性、非弹性的大变形，发生较大的沉降。但越接近后期加载，土体越接近密实，变形越不明显，同时发现有孔隙水排出。变形曲线见图，图中的点为土受力变形过程中的转折点，试验中非线性、非弹性的大变形过程简化成直线。

土受力的荷载-变形曲线简化图

对该土的荷载-变形曲线加以分析可得，土体的变形特性是：1）每阶段的线性区间斜率越来越大，即每一次大变形后，土体的刚度都得到很大程度上的提高；2）每阶段的非线性、非弹性变形的程度越来越少，这是由于随着外界荷载的增大，土体内的土颗粒重新排布，内部的孔隙逐渐被土颗粒及内部存在的自由水填充，土体内部的孔隙越来越少；3）随着加载的进行，土体内的孔隙水被排出，且随着孔隙水的排出，土体的承载力明显的增大。

由于土体承载时，土颗粒构成的骨架起到了根本作用，并且提高土体承载能力关键是增大土颗粒之间的接触面，形成稳固的结构骨架，因此当土体内的自由水全部或接近全部填充土体内的孔隙时，如果孔隙水压力不能及时消散的话，继续加载就会引起孔隙水压力，土颗粒之间的接触面就得不到增大，土体的承载力就不能得到提高。所以，在指定堆载方案时，就要以土体内部的孔隙水压力尽快消散，提高土颗粒之间的传递力，达到提高地基承载能力为目的。

3 两种加载方式下的应力路径分析研究

经研究发现，土体内部土颗粒之间的传递力是决定土体整体承载能力的关键，该传递力即有效应力，是研究土体承载问题的关键物理量，设地基是正常固结的，采用分级加载的方式进行路堤填土施工，其应力路径与一次性加载下的应力路径如下图所示。

分级加载与一次性加载的应力路径图

由图中可见，a-b曲线反映的是一次性加载对应的有效应力路径，a-1-1’-2-2’-3-3’-4反映了分三级加载对应的有效应力路径。

图中一次加载的有效应力路径中，在a点位置只加载一次，则得到的土体极限抗剪承载力为τfb。三级加载的有效应力路径中，对a点位置分三次逐级加载，则得到的土体极限抗剪承载力τfc。由此可见，两种不同的加载方式产生的土体极限抗剪承载力相差较大，如图Δτ所示的长度。由此可见分级加载对提高土体承载能力具有重要的意义。

4 结语

土体是由土颗粒、自由水及空气共同构成的三相体，其力学性能的表现与土内部构成具有很大的关联性。在试验中，随着外部荷载的持续增加，土体的压缩变形逐渐减少，并逐渐趋于0。因此土体是一类可以不断压缩但是总达不到极限的材料，在研究中通常作为粘弹性材料来处理。

土这种变形特性引发了工程业界人士对如何提高土体承载能力的思考，在工程实践中，工程师采用分级堆载和强夯并辅助以良好的排水措施的方式对即将进行房屋建设的地基进行加固。实践证明：分级加载并注意进行通畅的现场排水的方式远好于一次性加载模式，可以将孔隙水压力及时消散，有效应力逐渐增大，极大的提高了土体的极限承载能力；强夯对地基土体承载能力的提高主要体现在能够很好的使土体中土颗粒进行重组排布，大大减少了土体的孔隙，增加了土体的刚度，由此提高了土体的极限承载能力，其根本原理是一致的。

参考文献：

[1]杨平主编. 土力学(M). 北京: 机械工业出版社, 2005.8.

[2]刘斌等编著. 高等土力学(M). 北京: 地质出版社, 2008.10.

[3]谢定义, 姚仰平等. 高等土力学(M). 北京: 高等教育出版社, 2008.1.