堆载预压的计算

4.2.1　堆载预压的计算

1）提高地基承载力与稳定性的预压设计

软黏土地基的抗剪强度较低，快速加载往往会引起稳定问题，可采用分级逐渐加荷并控制加荷速率的堆载预压法加固地基。分级逐渐加荷时，需在前一级荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时才可加下一级荷载。因此设计主要是制订合理的堆载预压分级进程图，包括：①确定分级堆载的大小；②确定每一级荷载要达到的固结度和预压持续时间。

具体设计时，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降，其步骤如下：

（1）利用地基的天然地基土抗剪强度，计算第一级容许施加的荷载p₁。对于矩形或圆形基础，一般可根据斯开普顿极限荷载的半经验公式作为估算，即

式中：K——安全系数，建议采用1.3～1.5；

　c_u——天然地基土的不排水抗剪强度（kPa），由无侧限、三轴不排水剪切试验或原位十字板剪切试验测定；

　D——基础埋置深度（m）；

　A、B——分别为基础的长边和短边长度（m）；

　γ——基底标高以上土的重度（kN／m³）；

　N_c——承载力因子，圆形基础N_c＝6，矩形基础N_c＝5.52。对长条形填土可采用下列公式估算：

根据工程经验，加荷速率应进行控制，分层填筑时每层厚度0.3～0.5m，控制每天加荷速率q＝4～6kN／d，则第一级荷载加荷时间为t₁＝p₁／q。

（2）计算第一级荷载下地基强度增长值。在p₁荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高后的地基强度为c_u1：

式中：Δ——p₁作用下地基因固结而增长的强度；

　η——考虑剪切蠕变的强度折减系数。

采用有效应力法时，Δc_u′可由式（4.4）计算：

式中：Δσ——外荷载引起的剪切面上的法向压应力增量；

　Δu——相应点的孔隙水压力增量；

　φ′——土的有效内摩擦角。

式（4.4）可近似表示为

它与土层的固结度有关，一般可先假定一固结度，通常可假设为70%，然后求出强度增量Δc_u′。具体内容可参见4.3节。

（3）计算p₁作用下达到所确定固结度所需要的时间t。达到某一固结度所需要的时间t可根据固结度与时间的关系式（4.5）求得。这一步计算的目的在于确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。

式中：β——地基的固结指数；

　U_t——预压历时t时的固结度。

（4）根据第二步所得到的地基强度c_u1计算第二级所能施加的荷载p₂。p₂可近似地按式（4.2）计算。

同样，求出在p₂作用下地基固结度达70%时的强度以及所需要的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次可计算出以后的各级荷载和停歇时间。这样，初步的加荷计划也就确定下来。

图4.5　公路超载预压减小工后沉降示意图

2）消除沉降的堆载预压设计

高速公路工程中常利用路堤荷载和附加的荷载使地基充分压缩固结，达到基本消除设计路堤荷载长期作用下所产生的沉降、减小工后沉降的目的。如图4.5所示，先施加预压荷载p＋Δp，使地基在该荷载下排水固结，经过t时刻后，达到消除的沉降值S_p＋Δp，然后卸载再铺装路面，由于路面施工时的沉降是预压荷载卸载后的再压缩，产生的沉降减小，不再出现过大的工后沉降。因此消除沉降的预压设计内容包括：确定必需的预压荷载的大小；确定预压需要的时间。计算原理和方法可参考4.3节。