控制工后沉降地基处理技术的发展.ppt

控制工后沉降地基处理技术的发展,赵维炳,南京水利科学研究院,水利部交通部电力工业部,NHRI,报告内容,控制工后沉降新一代地基处理技术的发展软土特性和竖井固结理论研究超软路基排水预压固结法试验研究CFG桩复合地基加固高速公路深厚软基技术研究排水固结加固软基新型排水材料应用研究预制预应力管桩复合地基加固深厚软基技术研究砼芯砂石桩复合地基加固深厚软基技术研究SMW工法的设计理论与计算方法研究,NHRI,第一部分控制工后沉降新一代地基处理技术的发展,1.1前言1.2工后沉降的概念及分类1.3按控制工后沉降进行设计及带来的影响1.4排水固结加固按控制工后沉降设计1.5柔性桩复合地基加固按控制工后沉降设计存在的问题1.6结语,NHRI,1.1前言,工程实践中，人们认识到建筑工程仅仅保证稳定性和安全还不够，对变形的要求不断提高；按照稳定性要求进行工程设计时设计位移也远小于地基达到极限平衡状态对应的极限位移，有时地基的允许承载力直接根据允许位移来确定；因此，工程实践提出了设计以位移（多数情况下是工后位移）作为控制目标的新要求，它隐含了稳定性的要求。虽然目前已有控制工后沉降和沉降速率的设计标准，但实际设计中执行不严且计算粗糙，误差较大，亟待解决的问题很多。,NHRI,1.2工后沉降的概念及分类,工后沉降指建筑物竣工至大修或报废止一段时间内发生的沉降。它直接关系到建筑物的使用效果和安全，而再以后和施工期的沉降并不对上部结构产生危害，因此工程设计以工后沉降作为控制目标是合理的。工后沉降Sh按其产生的原因可划分为加固体工后主固结压缩量Sgh，下卧层工后主固结压缩量Sxh、加固体和下卧层工后次固结压缩量Sch三部分，即：,而每一部分工后压缩量又可写成对应的总压缩量S*与变形比增量V*=V*x-V*j之乘积。*表示以上三部分中的一种，x表示大修或报废时，j表示竣工时。因此工后沉降又可表示为：,NHRI,1.3按控制工后沉降进行设计带来的影响,控制工后沉降进行设计将带来许多重要的变化，主要包括：设计方法的变化。变形和固结计算方法的进步。计算范围扩大。处理深度加大。加固新型施工机械和施工工艺的发展。测试技术和工程质量检验技术的发展。,NHRI,1.4排水固结加固按控制工后沉降设计,为便于对问题有清晰的认识，先讨论两个实例。例1京珠高速公路广珠东线堆载预压试验段软土厚度40m以上，长353.43m，地基分层见下表，设计路堤高度为3.85m，实际填土高度5.18m(超载1.33m)。袋装砂井梅花形布置，间距1.5m，直径7.0cm，长度15.0m，砂垫层厚度70cm，内铺两层土工布。,堆载预压试验路段地基分层情况,NHRI,计算最终沉降量,施工期18个月结束时,竣工15年后,推论：下卧层和次固结工后压缩量是造成工后沉降过大的主要原因；在软土地基深厚的情况下，地面下15m软土层的压缩量在地基最终总沉降中是主要的。,NHRI,例2北京珠海高速公路广珠东线软基真空联合堆载预压试验路段长255m，地基分层见表4-2，设计路堤填筑高度在4.8m。实际真空压力80kPa，填土5.0m。砂垫层厚70cm，袋装砂井梅花形布置，间距1.5m，直径7.0cm，长度20.0m。,真空联合堆载预压试验路段地基分层情况,NHRI,施工期12个月结束时,竣工15年后,真空预压除可缩短工期外，还能有效减小下卧层工后主固结沉降和次固结沉降。,NHRI,控制工后沉降设计排水固结可按以下步骤进行：用分层总和法计算各土层最终压缩量。初定加固深度和间距等，分别用巴隆公式和太沙基公式等，计算施工期和大修期加固深度内和下卧层固结度；按次固结理论计算次固结变形比。计算地基工后沉降。校核工后沉降是否在规定的值以内，超出时加大加固深度重新设计。验算地基的稳定性。,NHRI,1.5柔性桩复合地基加固按控制工后沉降设计存在的问题,对于柔性桩复合地基，按控制工后沉降设计的方法与排水固结方法中类似，但以下问题亟待研究解决：对加固体研究的重点应转移。过去：加固体（如水泥土）的力学等方面的性质及加固体压缩量的计算；按控制工后沉降设计：重点研究解决地面荷载随深度的应力扩散和加固体底部的附加应力计算问题。只有解决了这个问题后，才能解决下卧层压缩量的计算问题。,加固体与下卧层的固结度计算理论和方法。必须开发和应用加固深度能达到25m左右的新的复合地基处理方法。,NHRI,1.6结论,通过以上讨论，我们可以得到以下结论：(1)地基处理以控制工后沉降为目标是发展的必然，一些新的地基处理技术将得到开发应用，真空联合堆载法和CFG桩复合地基法等现有方法也将因其在工后沉降小等特点而得到广泛应用。（2）地基处理以控制工后沉降为目标将带来科研、设计、施工及监测等方面许多重要变化。(3)对深厚软土地基，下卧层主固结和整个地基次固结工后压缩量在地基工后沉降中占很大比例。应加强对下卧层主固结和整个地基次固结的最终压缩量及变形比随时间变化的计算理论和方法的研究。(4)为保证地基稳定性和控制总沉降，目前对软土地基进行处理时加固深度一般定为1015m，在软土较厚情况下加固深度不够，导致下卧层工后压缩量和地基工后沉降过大，因此加固深度必须加大。,NHRI,第二部分软土特性和竖井固结理论研究,真空压力卸载软土地基变形规律考虑软土卸载再加载特性、流变性等改进软土本构模型竖井未打穿、粘弹性、成层地基固结理论非线性流变结构性软粘土弹塑性固结理论,NHRI,2.1真空压力卸载软土地基变形规律,研究目的：软土在球应力卸载情况下变形的影响因素、变形规律和变形计算模式，改进软土本构关系模型和沉降计算理论。,真空压力卸载的物理本质土体有效球应力卸载,卸载变形计算的基本理论,土体复杂性,三相散粒体；剪胀性；压硬性；,NHRI,球应力卸载应力应变,结论,NHRI,现有真空卸载回弹模量的计算方法,NHRI,结论,NHRI,软土真空卸载变形规律的试验研究,试验类型,常规单向压缩试验,等向压缩试验,不同应力路径、应力状态的压缩回弹试验,NHRI,常规单向压缩试验结果,NHRI,等向压缩试验结果,NHRI,典型试验曲线,NHRI,不同应力路径应力状态压缩回弹试验,a.试验仪器南京水科院土工所CKC三轴仪,NHRI,b.考虑土体不等向性的等向压缩和膨胀试验模拟天然地基的K0应力状态,NHRI,在球形压力卸除时有明显的体积回弹，但轴向应变减小却很小；如果只按线弹性理论来计算真空卸除的沉降回弹量是偏大的。,NHRI,c.考虑不等向性的等向压缩和不同剪应力水平条件下的等向膨胀试验模拟真空和真空联合堆载预压加固软基时的真空卸载,在球形压力卸载段，体积应变减小的同时轴向应变反而继续增大，验证工程现象，即在卸除真空压力时地面沉降继续发展。真空卸载过程中，随着卸载时剪应力水平的提高，地面沉降将继续增大，而这种现象只可能在真空联合堆载预压中出现。,NHRI,NHRI,试验研究综合结论,NHRI,2.2考虑软土卸载再加载特性、流变性等改进软土本构模型,1.建立卸载阶段的应力应变关系；2.建立再加载阶段的应力应变关系；3.考虑土体流变性；4.考虑土体损伤；,建立改进的软土本构模型及有限元计算方法,NHRI,建立竖井未打穿软土地基下卧层的近似计算方法。将现有竖井地基固结理论推广到竖井打设区和下卧层均为多层的情况，给出固结解答，并编制应用程序，供工程应用。竖井打设区固结速度明显快于下卧层。考虑土体粘滞性影响时，下卧层平均固结度均比线弹性情况下有所降低，下卧层下降幅度则更大。下卧层尚未完成的主固结沉降和整个土体的次固结沉降是引起工后沉降的主要原因，设计时应引起足够重视。,2.3竖井未打穿、粘弹性、成层地基固结理论,NHRI,2.4非线性流变结构性软粘土弹塑性固结理论,研究意义土结构性和流变性对固结有重要影响；土应力应变曲线、孔隙水压力应变曲线、固结压缩曲线和强度包线等都与土结构性有显著关系。,对Yin该项技术属国内外首创，填补了国内外地基处理技术的空白，是一项全新的地基处理新技术;具有施工简单、质量易控、检测方便、加固深度大的特点，在我国软基分布广泛的地区的公路、水利工程等建设领域中具有巨大的潜在市场。,NHRI,软土特性试验,成桩工艺技术与质量控制方法,桩土应力比与荷载分布规律,工后沉降设计计算方法,复合地基固结度计算方法,复合地基孔压与变形规律,研究内容：,NHRI,现场钻孔与室内试验,现场观测与加固效果检验,试验与观测资料分析,理论分析与数值计算,达到预期研究目标,判断施工质量与加固效果；分析地基变形规律；,相互验证,研究方法与技术路线：,NHRI,2005.59,调研；钻孔、室内试验；仪器埋设与观测；载荷试验；,2005.1006.6,现场观测；加固效果检验；,理论分析；数值计算；计算方法；,06.612,07.14,报告编写,2007.5：验收,进度计划：,NHRI,依托工程与设计方案镇溧高速ZL-LY2标深厚软基处理,NHRI,NHRI,工艺流程：,NHRI,现场实景,NHRI,目前已取得成果：已完成加固前的钻孔取土、原位测试及仪器埋设工作；预压土已填筑结束，累计填土厚度约8.0m，取得较为丰富的现场观测资料（包括桩土应力、桩身应力、孔压、分成压缩等），累计地表沉降约0.5m，坡角侧向水平位移约1.0cm，地基处于稳定状态。打桩结束后填土前载荷试验表明，单桩承载力特征值为1528kPa，复合地基承载力特征值为150kPa。理论分析和数值计算正在进行,部分现场观测成果如下：,NHRI,地表沉降过程线,NHRI,深层沉降过程线,NHRI,加载过程水平位移曲线,NHRI,加载过程水平位移曲线,NHRI,加载过程桩身应力变化典型曲线,NHRI,加载过程桩土应力比、荷载分担比变化典型曲线,NHRI,第七部分SMW工法的设计理论与计算方法,NHRI,SMW工法：水泥土柱列式挡墙加强芯材（型钢）复合围护结构特点：对周围环境影响小；防渗性能好；适用土层范围广；工期短，投资省；,NHRI,存在的主要问题,水泥土的反应机理、强度特征以及本构关系；水泥搅拌桩型钢受力变形机理；SMW工法的设计计算方法；,NHRI,主要