周志敏

（廣東冠生土木工程技術有限公司，廣州，511400）

廣東省交通運輸廳科技項目，編號：科技-2013-02-001

摘要  針對我國沿海、內陸平原及山區廣泛分布的軟土上覆的硬殼層，簡要介紹了硬殼層的成因、對其下軟土的作用、以及硬殼層軟基的承載力分析方法及沉降分析方法，為上覆硬殼層軟基設計施工提供幫助。

關鍵詞  軟土  硬殼層  固結變形  性狀

1.硬殼層下軟基固結變形性狀

在我國沿海和內陸平原地區分布著大量的軟土地基，這些軟土地基的表層由于水分蒸發，地下水位降低，荷載遷移，可溶鹽及其它成份的沉淀等因素長期作用，形成了一層厚度不大但性質較好的土層，即所謂硬殼層。這種硬殼層面積廣大，呈中等壓縮性或低壓縮性，膠結結構性強，與其下的軟土層相比含水量和孔隙比較小，容重、變形模量和地基承載力較大。

1.1 硬殼層成因

1）地下水位影響

由于軟粘土層出露于地表，開始蒸發失水，土層中地下水位下降，地下水在毛細力作用下向著地表面流動并蒸發。地下水位降低后，土體的有效應力增加，產生土體固結，使孔隙比減少。

圖2.1.1  地下水位變化對硬殼層的影響

2）化學風化

化學風化既能在水下也能在地面上發生，不過，一旦軟粘土沉積表面上升到水面以上，風化作用立即加劇。土層頂部的風化由含有溶氧的雨水滲透所引起, 因此風化的深度由滲透深度和孔隙水的含氧量所決定。有兩種基本的、決定風化結果的變化過程，即：（1）礦物的分解，（2）離子交換。控制這兩個變化過程的方向和速率的環境因素是酸度值（PH值），氧化還原電勢（Eh）和溫度。

3）淋濾作用

淋濾是從土層剖面中排除易溶物質例如可溶鹽的過程。這種過程可以在水力梯度下發生，也可以通過擴散產生。淋濾主要靠雨水引起，隨著雨水的不斷下滲，靠近地表的土層含鹽量較低，隨深度遞增有一定量的增加，直到基本不變。

淋濾可以減少液限，而塑限下降不多，因此塑性指數減少，因含水量變化不大，因此被淋濾粘土的原狀土強度下降。對上部硬殼層來說，淋濾作用雖然使原狀土強度減小，因相對其它作用來說相對較小，因此影響不大。

4）膠結作用

如前所述，風化產物可以生成膠結物質。膠結是一種成巖過程，它的產生取決于軟粘土沉積期所存在的物質。膠結粘土含有由強聯結結合在一起的顆粒，這種聯結具有與非膠結粘土不同的特性，在非膠結粘土中占優勢的是“有效摩擦力”和“有效粘聚力”所產生的聯結。膠結作用甚至表現為很大的抗拉強度或表現為很大的粘聚力。膠結作用增加了粘土結構的強度，并表現為較高的原狀土強度和臨界壓力的增加。

1.2 硬殼層特殊作用

上覆硬殼層軟土地基與一般的均質地基作用機理有很大的不同，主要表現在硬殼層的幾個特殊作用，它們分別為殼體效應、封閉作用、滯后作用和反壓護道作用等。

1.2.1 殼體效應

具有硬殼層的軟土地基在荷載作用下，硬殼層與其下的軟土層形成一整體的承力系統，軟土層的工程特性與硬殼層有密切的關系。硬殼層本身具有相對較大的密實度，而且有一定的剛度，因此它可以分擔荷載產生的一部分剪力，即在一定的荷載剪力作用下不產生剪切變形或變形極小，這就使得硬殼層與下臥軟弱層間的荷載傳遞方式有了一定的變化，此時的硬殼層已具有了類似于板體的作用，這種作用可稱為硬殼層的“殼體效應”又稱為擴散作用。殼體效應可使外荷傳到較大的下臥軟土中，使其下臥軟土層的附加應力低于按傳統擴散方法計算出來的附加應力，且分布更加均勻，分布的范圍更大。硬殼層的厚度愈大，相對剛度愈大，這種擴散作用越大。

1.2.2 封閉作用

軟土中有大量自由水存在，而這種自由水在其連通的孔隙中是能夠傳遞靜水壓力的。當軟土層上具有硬殼層時, 硬殼層與軟土層形成了較為鮮明的強度差和剛度差。硬殼層相對其下的軟土既是一種柔性的卻又類似板體的結構，它不僅能夠將其下部承受的荷載傳遞到較大的面積上去，起到應力擴散的作用，同時對下臥淤泥土的變形具有較強的封閉作用。

1.2.3 路基沉降滯后作用

關于硬殼層作用的另一看法是硬殼層對沉降的滯后作用，它延緩了沉降速率，對沉降不利。假如填土荷載較大，而硬殼層又較薄，形成的沉降盆幾乎完全破壞了硬殼層的支撐力，這時滯后效應將會明顯；相反，硬殼層較厚，荷載低，支撐作用將會是主要的。實際上，大多數情況下沉降盆對硬殼層的破壞是微小的，所以滯后效應不明顯。

1.2.4 反壓護道作用

當硬殼層在荷載作用下失去板體作用后，如果路堤中心土壓力繼續增大，基礎隨著地基的壓縮變形而下沉。當基礎刺入一定深度后，路基基腳周圍硬殼層土體發生垂直剪切破壞。在周圍硬殼層下軟土體的類帕斯卡效應下，路堤坡腳外側的土壓力便會從比較平穩變為逐漸增大，說明由于軟土層的壓縮產生的側向變形對其上硬殼層產生了向上的作用力。路基下部硬殼層相當于設了高度等于下沉量的反壓護道。在路堤不發生破壞的前提下，下沉量愈大，這種反壓作用愈明顯。

2  硬殼層軟土地基極限承載力分析

含上覆硬殼層的軟土地基本質上是上硬下軟的雙層地基，因此對該類型地基的研究類屬于雙層地基的研究。對于含上覆硬殼層的軟土地基地基承載力的研究，國內外不少學者以均質地基承載力研究為基礎，針對各自遇到的由不同類型土組成的雙層地基進行了一系列深入探討。

2.1 非均質介質地基極限承載力的幾種理論計算方法

1）擴散角法

由太沙基（Terzaghi）和派克(Peck)提出的擴散角法計算非均質介質地基的基礎極限承載力。該理論假定上部基底壓力沿較硬土層向下線性擴散，直至下部軟弱土層。如圖 2.3.1 在兩土層交界表面有一個長度寬度都變大的等效基礎，在這個基礎上的極限承載力即可等效為作用在下部較軟土層基礎的整體極限承載力承載力。可由式（2.5）進行計算。

                （2.5）

                 （2.6）

式中：

D — 基礎的埋置深度；

H —上部土層的厚度；

qb — 下臥土層的極限承載力；

B — 基礎的寬度；

Nc、Nq — 承載力系數；

γ1 — 上覆土體的容重。

圖2.3.1  擴散角法計算簡圖

2）漢森加權平均法

當各土層的強度相差不是太大時，漢森建議采用按土厚度加權平均的方法計算整個地基的抗剪強度指標。若基層寬度為 B，則在滑動面最大切割深度 Zmax范圍內的各土層指標均需參與加權平均計算。然后，用加權平均的抗剪強度指標計算地基極限承載力，持力層越薄，軟弱下臥層所占的比重越大，加權平均抗剪強度指標下降越多，則整個地基的承載力越低。

根據漢森的建議，滑動面最大切割深度 Zmax由下式計算：

                       （2.7）

式中： B — 基礎寬度（m）；

       λ — 系數，根據持力層的內摩擦角，由表2.1 查得。

表2.1   λ值表

然后取有效深度范圍內不同土層的厚度或面積的加權平均強度而直接用均質土的漢森公式計算極限承載力容重和強度指標的計算如式（2.8）

                          （2.8）

式中：γi、?i、ci — 分別為第 i 層土的容重、內摩擦角和凝聚力；

              h — 第 i 層土的厚度。

計算示意圖如圖2.3.2。

圖2.3.2  漢森加權平均法示意圖

因而成層土極限承載力可由式（2.9）所示公式進行計算。

         （2.9）

式中：sc、sq、sγ — 基礎形狀修正系數:

  ic、iq、iγ — 荷載傾斜修正系數；

  dc、dq、dγ — 基礎埋深修正系數；

  gc、gq、gγ — 地面傾斜修正系數；

  bc、bq、bγ — 基底傾斜修正系數；

  Nc、Nq、Nγ — 承載力分項系數。

漢森的加權平均法，實際上就是把層狀地基簡化成以土的平均指標來表示的均質地基的一種近似方法。因此，當各土層的強度指標相差懸殊時，加權平均法不宜采用。

3） 邁耶霍夫和漢納的沖剪破壞理論

邁耶霍夫和漢納的沖剪破壞理論主要解決由兩層土體（硬土層有下臥軟土層）組成的地基的極限承載力問題，它假設地基基礎中軟弱土層上部的較硬土層發生剪切破壞，并假定剪切破壞面為豎直向下，如圖2.3.3所示，地基底面與土層分界面之間的土體垂直地貫入軟土層下臥軟土發生彈塑性破壞，中間柱狀土體受到兩側的被動土壓力 Pp、 基礎上部壓力Q及下部軟土層的反力qb，由極限平衡方程即可求得基礎極限承載力。基礎的承載力將由上下兩土層聯合組成，即：

圖2.3.3  邁耶霍夫、漢森理論計算示意圖

            （2.10）

式中：qb —下臥土層的極限承載力；

  γ1 —上層土的容重；

  Pp  —上層剪切破壞面上的被動土壓力；

  Ca — 破壞面上的附著力；

  δ — 被動土壓力作用線與水平面的傾角。

下臥土層的極限承載力可由式（2.11）確定即：

               （2.11）

式中：Nc、Nq、Nγ — 承載力系數；

              γ2 — 下層土的容重；

              c2 — 下臥軟土層的粘聚力；

              H — 硬殼層厚度。

3  硬殼層軟土地基沉降估算

含硬殼層軟土地基沉降可分為兩部分，一部分是硬殼層在路基及車輛荷載作用下的壓縮變形，另一部分是下伏軟基的固結變形。

3.1 硬殼層變形估算

填筑土、沉積砂層、粘性土等承載力高和自身壓縮模量大的硬殼層地基，已完成大部分固結變形，在一定范圍新增路基荷載作用下硬殼層的土層在路基荷載作用下會產生變形，但雜填土或砂土等土體變形完成較快，一般在路基填筑完工后便可完成大部分變形，工后沉降量較小。因此，硬殼層的壓縮變形近似按彈性變形估算。硬殼層壓縮變形S1，即：

                        （2.1.2）

式中：σ1 —路堤硬殼層頂部壓力；

  E1 —硬殼層彈性模量；

  H1  —硬殼層厚度；

  S1 — 硬殼層壓縮變形。

  3.2 軟基變形估算

根據軟土的固結變形規律，采用分層總和法估算軟基最終沉降量。分層總和法計算地基沉降是目前沉降計算中最普遍的方法。它在假定地基材料是彈性的、應力分布符合布西奈斯克解的同時，又假設地基材料是彈塑性的，其變形特性符合側限一維壓縮情況。用分層總和法計算最終沉降變形時一般取基底中心點下地基附加應力來計算各分層土的豎向壓縮量，認為基礎的平均沉降量 s 為各分層豎向壓縮量Δsi之和。即得到下面的公式：

    （2.1.3）

式中：ΔPi — 第i層土體孔隙比e1i由變化到 e2i得到的基底附加應力增量；

        p0 — 基底附加壓力；

       Esi — 基底第i層土的壓縮模量；

        zi — 基底以下第i層至基底的距離；

        αi — 基底面第i層底面范圍內的平均附加應力系數。