（岩土工程专业论文）申嘉湖高速公路超载软基沉降卸载标准研究.pdf

摘要 摘要 高速公路的建设和发展是国家经济发展水平的风向标。中国的高速公路发展 比西方发达国家晚近半个世纪的时间，从8 0 年代末才开始起步，加快高速公路建 设是中国经济社会发展的需要。高速公路软土路基有两大技术问题：一是施工期 稳定控制；二是工后沉降控制。施工期的稳定主要是对加载速率和每次加载的高 度进行控制，相对来说比较容易达到。工后沉降问题是影响建成后路面质量、行 车速度、使用寿命的关键性问题，所以需要对软土路基进行处理。堆载预压是公 路工程中常用的一种地基处理方法。堆载预压的卸载时机判断一直是工程建设中 的难点问题，既要尽早卸载也要保证工后沉降满足要求。规范对路基允许卸载时 的沉降速率和允许工后沉降都作了规定，但在工程实践中这种规定往往会有不合 理的地方，满足沉降速率了但工后沉降过大或是在沉降速率不满足要求时工后沉 降满足要求，因此增加了不必要的预压时间。 本文对超载预压加速地基土固结的机理和减小工后沉降的原因进行了简要分 析，认为超载程度、软土层厚度和预压时间是影响预压期沉降速率的主要因素。 基于一维沉降固结理论，结合申嘉湖高速公路超载预压路段的现场实测沉降资料， 利用考虑次固结与卸载回弹的沉降预测程序预测最终沉降量和工后沉降，并得出 超载情况下的工后沉降及卸载时的沉降速率，计算结果表明在沉降速率超出规范 要求的5 m m 月的卸载标准时，工后沉降也能够满足要求。为验证这一结论，利用 比奥固结有限元程序对软基不同超载工况下的沉降进行拟合，得出预压期沉降速 率的变化规律符合指数曲线形式，上述卸载标准合理可靠。根据计算结果及现场 实测数据，给出了适合嘉兴地区的以沉降速率为参考的卸载标准。 关键词：高速公路；软土地基：超载预压；工后沉降；卸载标准；沉降速率法； 一维固结；比奥固结 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ed e v d o p m e n t 趱证e 棚1 s 细c t i o no fe x p f e s s 嗍s h o wt h ee c o n o m l cl e 、坨lo fa c ( m m m 。n l ed e v e l o d m e n to fe x _ p r e s s 、a yi na l i n ai sa b o u th a l fc c n t u n rl a t e rt h a nt 1 1 a ti n t 1 1 e 唁s t e mc o u 】1 试e s ，w m c hb e g a ni nt h el a t co f1 9 8 0 s ，a n d 血ec o n s 帆c t i o no f e x p r e s s w a y 采a nf i 鹳睾e rs 拼站di st 圭l en e e do fe c i o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n ti nc 坛n a 1 、帕m a j o rt e c h n i c a lp r o b l e m se x 泌i ne x p r e s s 、a yc o n s t n j c t e do ns o r s o i lg r o u n d ， w h i c hi n c l 耐：es t a b l ec o n t l 嘶n g n s 缸似i o na n = ds e t t l e 狂l e n ta r e rc o n s 扭玉c t i o n c o n t l d l t h es t 曲l ec o n t li h l r i n gc o n s t r u c t i o ni sm a i n l ya b o u tl o a 出n gr a t ec o l m 。o la n d h e i 曲to fe a c hi o a d i n gc o n 们l ，w h i c ha r ee a s yt og e t s e t t l e m e ma f t e rc o n s h l j c t i o ni sm e k e yp 抽l e mw l 西出i 越骓e n c 蹦t l ep a v e m e n t 蚪a l i t y ，v e h i c l es 弦e d ，雒dl i f cl e n g 熏ho f r o a d ，s os o 缸。s o i l 目_ 0 m l ds h o u l db et r e a t e d p r e i o a d i n gi so n eo ft i l ec o m m o nm e t h o d s f o rg r o m 试t r e a t m e n ti ne x p r e s s w a yc o n s t r i j c t i o n 1 kt i m eu n l o a d i n gi sad i m c u h 即b l e m 证f o a dc o n s 鼬c t i 锄w h e np 羚l o a d i n g 珏l c 趣) di su s 耐i ns o i lt r e 甜m e 嘛b e c a u s e b o mf a s tu n l o a d i n ga n d 血l ：f i u n l e n to f 血en o e do fc o n t r o l “n gs e t t l e m e ma r e r c o n s 枉u c t i o ns h o l l l db ec o n s i ( i c 蚤e d c r i 矧o nh a ss p e c 赴矗p f e s c r i p t i o no n 稚l o u 7 a b l e s e 仕l e 翔e n tr a t ca f k ru n l o a d i f l ga n dt o t ms e t t l e m e n ta 矗e rc o n s 鲰】c t i o n ， 王o w e v 书f i ns o m e c o n d i t i o n s s e m e m e n tr a t ei sm i f i l l e dw i t ht o t a ls e n l e m e n td i s s a “s f i e da n d s o m eo m e r l 姑i 矗o n s t h et w o 冀or e v e 瑙e 耳t h ef e s u l li s 越o r ep r e l o a d 主n gt i 扛l e 主sn e e d e d t h e 出e o 珂o fp r e l o a d i n go ni n c r e a s i n gs o nc o n s o l i d a t i o na i l dd e c e a s i n gs 眦l e m e n t a d 晒c o n s 仃u c t i o na r ea n a l y z e d ，a n do v e r l o a d i n gr a 士i o t h et l l i c k n e s so fs o 拽s o i l ，柚d p r e l o 娥gt i i n ea r et h k e yp o i n t s w h i c hi n 日u e n 。e p 羚l o a m n gs 畦t l e m e n t r a 把。 a c c o r d i n gt oo n e d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n ds e t t l e m e n td a t ao fp r e l o a d i n g m e t b o du s e ds e c t i 瓣o fs h e n 一 i 扣h ue x p r e s s w a y 恤et o t a ls e t i e m e n ta n ds e t t l c m e ma r e r c o n s t 重。u c t i o na 1 e 口r e d i c t l 巴d ，a n dt b es e t t l e m e n tu n d e ro v e f l o a dc o n d i t i o na n ds c n l 锄e n t r a t eo fu n l o a d i n g 捌屺g o t t h ec a l c u i a t i o ns h o 、醐：t b a tt h es e t t l e m e n ta 丘e ru i l l o a d i n g c 矗t 2 彝ac a n 圭赡& l f i l l e di fm ：es e t h e m e 瞳怒把i sg r e 8 l e rt h a n5 l n b h o n t h i op r o 、椎也i s c o n c l u s i o n b i o t sc o n s o l i d a t i o nf e ms o n w a r ei su s e dt os i m u l a t et 1 1 es e t t l e m e n t su n d e r d i 艏e l n to v e d o a dc o n d i t i o n s t h es e t t l e m e mr a t ed u r i n g1 ，r e l o a d i f l gc u n 他c a nb ef i 捌 圭oat y p eo fs p 。c i a l 向i 拉t i o n t h eu n l o a 碰n gm h o dw 圭l i c bc o | l s i d e r ss e 牡l e m e n tr 糠ei s p 】f e s e n t a j l dt t l eu n l o a dc r i t e r i o nb a s e do nt h i sm e t h o di nj i a x i n g 铷瞎ai sd e s c r i b e d 矗r e yw o 柏s ：e ) 【p r e s s w a y 、s o 昏s o i lf o u n d 舐o n 、s u r c 量i a q 驴p l o a d i n g 、p o s t c o n s 订u c t i o n s e m e m e n t 、u l l l o a d i f 唱s t a n 出糟d 、s e 碟e m e n tr a t em e m o d 、o 羝：一d i m e n s i o n 畦 c o n s o l i 出陋o n 、b i o t sc o n s o l i d a t i o n 珏 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 门 论文作者( 签名) 刁理d吕年占月夕日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 l 论文作者( 签名) ： 军裆v 柳年月夕日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 高速公路的建设和发展是国家经济发展水平的风向标。中国的高速公路发展比西方 发达国家晚近半个世纪的时间，从8 0 年代末开始起步，经历了8 0 年代末至1 9 9 7 年的起 步建设阶段和1 9 9 8 年至今的快速发展阶段。从1 9 8 8 年中国大陆第一条高速公路沪嘉高 速公路的建成通车到现在，中国高速公路从无到有，进入一个中国高速公路快速发展的 过程，中国的高速公路建设取得了举世瞩目的成就。根据交通部的规划，到2 0 2 0 年，中 国将建成国家骨架公路网，全国高速公路总里程预计将达到7 万公里。根据交通部最新 公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建 5 1 万公里高速公路，使中国高速公路里程达到8 5 万公里。 加快高速公路建设是中国经济社会发展的需要。随着国民经济的快速发展，物流、 人流、商品流大幅度增加，提高运输效率、降低运输成本的要求日益迫切。到目前为止 所修建的高速公路仅满足了所需高速公路的3 0 多。应该说对高速公路的需求还是突出 的。在中国经济比较发达的珠江三角洲、长江三角洲和京津冀地区，高速公路的建设和 发展速度最快，同时高速公路为这些地区带来的经济效益也十分显著。在今后的经济发 展中，这些地区仍旧是高速公路的重点需求区域。 沿海发达地区如珠江三角洲、长江三角洲地区的高速公路大部分都属于软土路基， 高速公路软土路基有两大技术问题：一是施工期稳定控制；二是工后沉降控制。施工期 的稳定相对来说是比较容易控制的，主要是对加载速率和每次加载的高度进行控制，可 以对路堤进行动态观测，以保证施工期的路堤稳定。工后沉降问题是影响建成后路面质 量、行车速度、使用寿命的关键性问题【l 】。为了解决工后沉降的问题，就需要对软土路 基进行处理，关键路段还需采用复合地基的处理方法，但为了节约成本，一般路段多是 直接进行堆载预压或是打设塑料排水板再堆载预压，加速路基软土的排水固结。公路软 土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 9 6 ) 、公路路基设计规范( j t g d 3 0 2 0 0 4 ) 等 规范都规定了预压连续两个月沉降速率小于5 m m 月即可卸载，同时对高等级公路的容许 工后沉降也作了规定，如表1 1 【2 】【3 】o 表1 1 容许工后沉降值表 公路等级 桥台与路堤相邻处涵洞或箱涵通道处一般路段 高速公路、一级公路 o 1 mo 2 mo 3 m 二级公路 o 2 m o 3 mo 5 m 河海大学硕士学位论文 刘吉福等 4 】也认为公路容许工后沉降单一，对于非软基路段、软土深度较小的路段 比较容易满足容许工后沉降的要求，但对于软土深度大、软土性质较差、工期较紧等情 况的路段，工后沉降往往不能满足规范要求。建议将一般路段容许工后沉降与公路建设 水平特别是地基处理水平、经济水平、维修水平、公路等级等有关，地基处理水平高、 经济实力强、高等级公路可以采用较严格的标准；维修水平高时，可以采用较宽松的标 准，这样可以减少一次性投资。一般路段容许工后沉降可以由设计单位或专家小组根据 地区经验、公路的具体情况分段提出。 娄炎等【5 】对港口工程地基规范( j t j 2 5 0 一9 8 ) 中真空预压的沉降稳定标准进行了分 析和讨论，其中规定：“真空预压的沉降稳定标准为：实测地面沉降速率连续5 1 0 d 平 均沉降量小于或等于2 m m d 。”认为这个规定基本上是建立在经验总结基础上的，具有区 域局限性，不具有广泛的代表性。 按照这样的规定卸载是不是就能满足工后沉降的要求是个还需解决的问题，同时对 于是超载还是等载，路基的软土地质情况等都没有明确说明。这就给工程实践带来了难 题，有的高速公路出现了工后沉降过大，而有的又由于预压期过长，增加了工程建设不 必要的成本。 1 2 软土路基堆载预压卸载方法的研究现状 堆载预压是公路工程中常用的种地基处理方法。堆载预压通常分为三种：等载预 压、超载预压和欠载预压。超载预压法是在拟建的结构物施工以前就对地基施加超载进 行预压，使结构物在使用期间发生的沉降绝大部分在预压期间完成，并使地基土的抗剪 强度得到提高。为了加快排水过程，超载预压一般可结合砂井、塑料排水板等排水体一 起使用。这样可以缩短预压时间，提高固结度的增长速率。一般情况下不宜采用欠载预 压。 堆载预压的卸载时机判断一直是工程建设中的难点问题，何时卸载才能在保证工期 的前提下满足工后沉降的要求。目前有以下几种关于结束预压时间的标准： 1 2 1 工后沉降法 赵维炳【6 】提出的工后沉降法是通过预测最终沉降值，将预测的结果与卸载时的实测 沉降值比较，以计算工后沉降小于容许值作为卸载标准。 一般要求通车后一定时期内( 新建高速公路规定为1 5 年) 的沉降小于容许工后沉降。 为安全起见，忽略预压结束后路面施工期沉降，卸载标准为： s ，年一墨 p ：j ( 1 一1 ) 式中s 。盈设计荷载下竣工通车后1 5 年时的总沉降量( 包括施工期沉降) ； 2 第一章绪论 s 预压过程中时间，的实测沉降； kj 拟建建筑物的容许工后沉降。 利用推算剩余沉降也可确定卸载时机，采用双曲线法反算时间7 】， s e p r 】一2 赫 ( 1 - 2 ) 式中，疋为使用荷载下最终沉降，b 】为允许工后沉降，& 为f 0 时刻的沉降量，口、6 为 双曲线拟合参数。 配= s 。 ( 1 3 ) 仃。 式中，皿为使用荷载的等效填土厚度，以、分别为预压荷载下沉降完成后的填土高 度和最终沉降量。 这种方法需要对& 进行预测，并根据实测沉降反算出双曲线拟合参数口、6 。 超载情况下工后沉降达到以下要求认为可以卸载8 】： b ，j p 一陋，】尸+ p s 。 ( 1 4 ) 式中，眵，j p 为等载最终沉降量，b 】p + a p 为超载到f 时刻完成的沉降量，s 。为允许工后沉 降。 林川9 1 根据现场实测数据建立了沉降预测方法，这种方法不考虑地基土的非线性特 征，认为各级荷载引起的最终沉降量与荷载大小成正比， 墨= 【1 一么e x p ( _ b f ：) 】c 卸 ( 1 - 5 ) 式中，彳、b 和c 认为是反映土体固结性质的参数，不随荷载变化，f ：为第七级荷载增 量施加时刻“到计算沉降时刻f ，的时间间隔，卸为荷载增量，朋为加载总级数。 根据实测资料，利用式( 1 5 ) 进行拟合，反算出参数么、b 和c ，再利用超载情况下 反算的参数值预测等载条件下的最终沉降bj p ，由此可进行卸载时机的判断。 刘吉福等【l o 】在对工后沉降法确定卸载时机的研究中，认为公路工程中的工后沉降要 小于剩余沉降，尤其是对于存在软土下卧层或不处理的地基，采用剩余沉降确定卸载时 机是不合适的，在某些情况下，会严重推迟卸载时间，延长工期。 采用工后沉降法卸载的思路大体相同，但方法各有不同。目前对公路路基进行沉降 预测采用较多的一般就是双曲线法，指数曲线法，三点法，a s a o k a 法【1 1 1 等。但是这些方 法可能在某个地方拟合预测的效果较好，到另一个地方沉降规律不同，拟合的效果会有 所偏差，所以对最终沉降量的预测是卸载标准的关键。 3 河海大学硕士学位论文 由于在设计荷载作用下竣工通车后1 5 年时的总沉降量难以确定，因此赵维炳【6 1 提出 了在实际工程中改用沉降速率控制方法，即要求卸载后路面施工前的沉降速率小于规定 值【圪】( 一般为5 l o m 州月) 。记软土初始加载压缩和卸载后再加载压缩变形比为七，实 测预压结束前沉降速率为圪，则按式( 1 - 2 ) 作为卸载标准： 【1 + 后( d 锨一1 ) 】圪， k 】 ( 1 - 6 ) d c r 2 u 名& 馅原地面加固时施加荷载； 对于真空堆载联合预压，赵维炳等【1 2 】认为以5 m m 月的沉降速率作为路面施工前的控 制标准过于严格，所以提出采用双重控制办法确定停止抽真空的时间，既要控制施工总 沉降量满足设计要求，还要控制停泵前沉降速率满足设计要求。按式( 1 3 ) 作为开始卸载 雨蒜 【圪】 ( 1 - 7 ) 1 + 后( d c r 一1 ) ” 、 七：躲( d 础一1 ) 式中七由室内卸载再加载压缩试验测定或根据现场实测卸载前后沉降速率对比分 d c 定= 篆= 瓦鼍，届为停泵前加固荷载，& 空为真空压力荷载。 沉降速率法实际上是以容许工后沉降为标准，按设计使用期计算平均沉降速率，一 般以月沉降速率作为控制参数，以实测月沉降速率小于计算值作为确定卸载的标准。刘 吉福等【1 3 】提出了某一恒载下沉降速率与工后沉降的关系： 屹= s ， ( 1 8 ) 式中，圪为f 时的沉降速率；s ，为f 的剩余沉降；是根据室内试验或原位试验确定的固 4 第一章绪论 结系数c 和c 。计算得到的系数，也可由沉降监测资料或孔压监测资料反算得到。 由f 时的沉降速率可以得到对应的剩余沉降量，由剩余沉降量也可以得到对应的沉降 速率。 当砂井下部压缩层较厚时，压缩层由厚度差别不大、固结系数差别较大的黏性土层 组成时，未设砂井且固结度小于3 0 时，这种方法不能适用，且未考虑次固结的影响，具 有一定的局限性，且只适用于等载预压下的卸载控制。 张长牛等【1 4 】在刘吉福提出的沉降速率法基础上，应用a s a o k a 法推导出均质地基沉降 速率与时间的关系， 雪= 筇 叫一喝 ( 1 9 ) ，= l 对式( 1 9 ) 两边取以p 为底的对数得到 l n 雪= 一f ，+ l n 筇 吲一) = 一肛+ c ( 1 一l o ) f ；l ，= l 式中，c 为常数，c = l n 筇一s 肼) 。 忙l 由此可见，沉降速率雪以p 为底的对数与堆载预压时间f 成线性关系，斜率为一。 据此可以得到满足卸载要求时的沉降速率所对应的卸载时间。 同样，杨涛等【”3 根据改进的高木俊介固结度计算公式，推导出超载与等载条件下的 沉降速率之比， 名：堕：l + 纽垒竺：二! 竺j 路 窆口屉戚一p 戚一) ，= l 式中，口，为第f 级荷载增量的加荷速率；卸为各级荷载增量累计值； 荷载增量起始时间和终止时间；刀为总的荷载级数。 因此，得到超载沉降速率与等载工后沉降之间的关系， = 邢， 由等载允许工后沉降p ，】获得相应超载情况下的沉降速率卸载标准， 砭一、z 为第f 级 ( 1 1 2 ) 峪磊j _ 筇bj ( 1 1 3 ) 当软基沉降发展符合双曲线或指数曲线规律时，应用上述方法能够获得实际工程超 载预压法处理断面的卸荷时间与超载沉降速率控制值的关系曲线，及时进行卸荷时间预 报；若沉降发展不符合上述两种曲线规律，则可由超载阶段的实测沉降速率，根据超载 沉降速率控制值直接确定超载卸荷时间。 钟才根等【l6 】提出了等载条件下基于双曲线计算模式的沉降速率表达式， 河海大学硕士学位论文 2 舌爵 o - 1 4 ) 式中，s 为沉降速率；f 为恒载持续的时间；口、为双曲线法的拟合参数。 通过对某工程实例的拟合计算，认为一般路段连续两个月平均沉降小于8 姗，桥头路 段连续两次月平均沉降小于5 咖可作为开始路面底基层施工的控制标准。 超载条件下的沉降速率控制标准 s 毛= 五s 备 ( 1 _ 1 5 ) 式中，名为沉降速率放大系数。 当超载高度不大时，地基中附加应力分布曲线形状与等载条件下大致呈平行关系， 则兄可简化为 旯：垒竺 ( 1 1 6 ) 办 式中，办为等载填土高度，幽为超载高度。 因此，根据等载条件下的沉降速率控制标准可以得出相应的超载条件下的沉降速率 控制标准。 柳和气等【1 7 】根据深汕高速公路软基实测沉降规律，提出了两种情况下的沉降速率卸 载标准：1 无土工布路段，卸载标准小于o 2 姗d ，工后沉降控制在2 0 c m 以内；2 铺设 两层土工布路段，卸载标准0 2 m m d 0 3 m m d ，工后沉降控制在3 0 c m 以内。 另外，还有一些工程根据经验以月沉降速率控制，如杭甬高速公路卸荷标准为：一 般路段小于2 3 咖月，桥头路段小于1 咖月；广东省的一些单位按5 姗月控制。 沉降速率法在超载状态下如果使用等载状态下的沉降速率指标控制卸载，必然过于 保守，致使预压时间加长，这就违背了用超载保证工期的初衷【18 1 。在超载状态下使用沉 降速率法控制卸载，显然应与等载情况下使用的指标不同，但由于影响因素复杂，很难 确定一个合理的指标。另外，沉降速率不直接说明工后沉降问题，因此不便应用。 1 2 3 有效应力面积比法 朱向荣等【1 9 1 提出了有效应力面积比法，通过计算在路堤使用荷载作用下压缩土层中 总应力分布面积a 与超载作用下有效应力分布面积b 之比，根据比值r 判定卸载时机。 b 为超载作用下压缩土层中的总应力分布面积减去实测的孔隙水压力分布的面积。土体次 固结系数随有效应力面积比的减小而减小，也即残余变形随着有效应力面积比的减小而 减小。事实上，根据有效力原理，当持荷时间一定，土在超载作用下的有效应力一定， 也即卸载后土的前期固结压力一定，则卸载越大，土的超固结比越大，土的有效应力面 积比越小。当堆载与超载大小一定，则堆载与持荷时间越长，土的有效应力面积比越大， 6 第一章绪论 卸载后土的前期固结压力越大，由于使用荷载一定，则卸载后土的超固结比越大，也即 卸载后土样的有效应力面积越小。但超固结比越大，次固结系数减小越多，发生次固结 的时间也越迟【2 0 1 。这是由于超载卸除后，土体由原来的正常固结状态变成超固结状态而 使次固结系数减小【2 1 1 。 为了同时考虑卸除超载时地基达到的平均固结度和超载比对地基残余变形的影响， 较合理的是以有效应力面积比r 作为超载预压设计和卸载控制的标准。当r = 1 时，在路堤 荷载作用下，土层将不会产生主固结变形，但仍然产生一定的次固结变形；当r 1 时， 如r 0 7 5 ，在使用期，工后沉降很小，一般控制有效应力比卸载标准为r 0 7 5 o 8 0 。 参照固结度的概念，罗志光等2 2 1 提出了有效应力系数的概念，定义为： 以：生捌( 1 1 7 ) o l 式中：矿为f 时路中线处平均总应力； 仃，为使用荷载下路中线处压缩层的平均总应力； “。为f 时路中线处平均孔压； 为路中线处平均初始孔压。 有效应力系数实质上与有效面积比成倒数关系，与固结度定义类似，对真空联合堆 载预压工程非常适用。采用有效应力系数时，【瓯】1 2 5 。 张光永等【2 3 1 对有效应力面积比法提出了不同的看法，当r 越小，卸载后土层的回胀变 形所占比例越大，当r 小到某一数值时，土层的变形将以回胀变形为主，在文献【2 l 】的一 个工程实例中r 取o 7 5 ，但是这里仍有值得商榷的地方，不妨考虑某种极端情况，假设在 超载作用下地基的平均固结度达1 0 0 ，大面积堆载下压缩土层中竖向附加应力近似均布， 设土层厚日，则 r = 心h ) 忱+ 只) h j 3 3 ，也就是说超载比至少在3 3 以上时后续变形才可能以回胀为主。而实际上 即使只b 民仃：， 其应力路径指向k 线的下方，其侧向变形呈收缩趋势，指向加固区。但离地表一定深度 的地点( 如b 、c 各点) ，其有效应力增量盯；( = 仃：) 沿深度的衰减大于叫( = ) ， 所以一 k 叫，其应力路径都指向k 线上方，这些点的侧向变形呈膨胀趋势，土体 朝加固区外位移。所以用堆载预压法加固地基时，土体大都发生侧向挤出变形。 1 3 河海大学硕士学位论文 o 、 b e n i i 钆 d p 7 = 1 2 p ；+ 盯；) 图2 5 应力路径下堆载预压土的侧向挤出变形分析 对堆载排水预压法来说，土越软、加荷速率越快，土的侧向挤出变形越大，由其引 起的垂直附加沉降量也越大。因此在堆载时，特别是高填土路堤，要严格控制土体堆载 速率，防止路堤失稳破坏【3 1 1 。 2 2 2 堆载预压的沉降计算 堆载预压的设计以及后期施工依据的是沉降量的大小和工后沉降能否满足工程的要 求，沉降计算对于整个工程都是非常重要的一步，也能检验堆载预压的效果。 沉降的计算包括：( 1 ) 沉降量，( 2 ) 沉降速率两部分【3 2 1 。 2 2 2 1 沉降量的计算 1 主固结沉降配合经验系数修正法 以主固结沉降为主条件下，地基的最终沉降量s ，按下式计算： s f = m s s c q 由 2 喜器她 ( 2 5 ) 疋= 窆争她 ( 2 - 6 ) 式中主固结沉降量； 掰。经验修正系数，堆载预压朋，= 1 1 1 4 ； 1 4 第二章堆载预压的机理及沉降分析 q ，b 分别为第f 分层与计算点荷载应力相对应的压缩系数= 鱼直和 p l l p o i 压缩模量巨：监。由该土层试样压缩试验的p p 曲线中求得； ，巳，分别为第f 土层计算点的天然孔隙比和a ，= 风，+ 在压力下对应的孔 隙比； 觚第f 分层的厚度； 盯，第f 层中点的附加应力。 这种计算方法是在工程实践中逐步积累提出的一个半经验公式，计算结果尚能接近 实际，关键在于经验系数所。的选取。 所。是一个受多种因素影响的经验系数。它与建筑物基础类型，地基侧向变形，次固 结和塑性蠕变，预压荷载的类型，加载方式、荷载水平、加载速率控制和施工对土的扰 动有关。建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 7 2 0 0 2 规定的沉降经验系数见表2 1 。 表2 - 1 建筑地基基础设计规范沉降经验系数所， n 芝 2 54 07 01 5 02 0 o p n = f ： 1 4 1 31 00 40 2 粘性土 = 0 7 5 以 1 11 0o 7o 40 2 注：表中以为承载力特征值，风为基础底面附加应力。 对于正常固结和稍微超固结软弱粘性土地基，采用堆载预压的排水固结工程，沉降 系数所，宜为1 1 1 4 ，压缩模量较小( e 2 5 m p a ) ，不排水抗剪强度较小( 毛1 5 k p a ) 时采用大值；反之，压缩模量较大( e 4 0 m p a ) ，不排水抗剪强度较大( t 。2 0 k p a ) 时 用小值，其中间可用内插值。对于在预压过程中未能严格控制加载速率，地基土出现较 大的塑性蠕变变形，册。值将显著增大，超过1 4 ，所以在预压过程中必须严格控制加荷 速率，保证地基在稳定条件下排水固结。 沉降计算时，计算深度应达到荷载作用下产生压缩变形的土层厚度，称为压缩层厚 度，可按以下原则确定。 1 ) 控制压缩量原则 地基压缩层厚度日根据下式确定： 竖o 0 2 5 ( 2 7 )、， 蝇 1 5 河海大学硕士学位论文 式中刀地基分层总数； 丛i 在计算深度范围内第f 层计算的沉降值； 丛。从压缩层底以上取1 o m 厚土层计算的沉降值。 若所确定的计算厚度之下还存在软弱土层时，应继续计算。若计算压缩层厚度范 围内，存在基岩表面或较厚的坚硬粘土层和较厚的密实砂砾石层，h 值应取至该土层表 面为止。 2 ) 控制应力比原则 在地基中某一深度日，计算该深度的附加应力吒和自重应力风，当满足下式要求， 可确定为压缩层厚度。 生o 1 或o 2( 2 8 ) 风 2 沉降量分类计算法 1 ) 总沉降量计算 一般认为在外力作用下地基土的总沉降量由三部分组成。瞬时沉降是荷载作用下体 积不变，由剪切变形引起的竖向位移，施加后立即发生的部分沉降量；主固结沉降是在 主固结过程中体积压缩引起的部分沉降量，随时间发展而增大；而次固结沉降是土骨架 在持续荷载下发生蠕变引起。因此，地基总沉降量s ，表示为 s ，= 蜀+ + 墨 ( 2 9 ) 式中& 瞬时沉降量； 墨主固结沉降量； s 。次固结沉降量。 2 ) 主固结沉降量( 足) 主固结沉降量可用常规的分层总和法计算。根据计算所采用的压缩性指标又可分为 压缩指数法和压缩模量法。 用压缩指数c 。计算主固结沉降量 采用p p 曲线时，主固结沉降按正常固结及超固结两种情况分别计算。 结情况，可用下式进行计算： 疋= 喜羔啪( 警 对于超固结情况，可用下式计算： 1 6 对于正常固 ( 2 1 0 ) 第二章堆载预压的机理及沉降分析 墨= 喜羔卜虹- g ( 警 妒见一风弘 & = 喜羔卜( 警) 卸 见一风 陪蚴 式中 疗地基分层层数； c c ，土层的压缩指数。 风，地基中各分层中点的自重应力； 办前期固结压力，正常固结时办= 岛，； c 。，回弹指数； 其余符号意义同上。 用压缩模量计算主固结沉降量 主固结沉降量可按下式计算： 耻喜苛酏2 喜薏，她 陋聊 3 ) 瞬时沉降( 砖) 瞬时沉降量可按下式计算： 岛：掣w ( 2 - 1 4 ) 式中 p 荷载作用在地基面上的平均压力； 6 基础宽度； 泊松比，饱和软粘土= 0 5 ； w 荷载面积形状和计算点的影响系数，见表2 2 ： 瓯不排水条件下剪切变形模量，通常要求由三轴不排水剪切试验求得。实用 上常用现场十字板强度e 推算，即： 乜= 服 ( 2 1 5 ) 系数，变化范围约5 0 0 1 5 0 0 ，土层塑性指数大的取大值，反之取小值。 1 7 河海大学硕士学位论文 表2 2 影响系数w 荷载面积形状长宽比三b中心点角点短边中点长边中点平均 方形 l1 1 2o 5 60 7 6o 7 6o 9 5 1 51 3 6o 6 7o 8 9o 9 71 1 5 21 5 2o 7 6o 9 81 1 21 3 0 31 7 80 8 81 1 l1 3 51 5 2 矩形 52 1 01 0 51 2 71 6 81 8 3 1 02 5 31 2 61 4 92 1 22 2 5 l o o4 0 02 1 02 2 03 6 03 7 0 圆形 1 o o 圆形周边0 6 4 0 8 5 4 ) 次固结沉降( s ) 次固结沉降量可按下式计算： 墨= 喜熹，g 卧 口峋 q = ( q 一吃) ( 1 9 如一l g ) ( 2 - 1 7 ) 式中 巴，各土层的次固结系数； p l ，p ，分别为孔隙比与时间( 对数) 曲线尾端直线上两点的孔隙比； f l ，f 2 分别为相应于孔隙比巳、吃的时间； 庇各土层厚度( m ) 。 2 2 2 2 沉降速率计算 当排水体打穿土层或者未打穿下卧层厚度较小时，沉降速率可按下时计算： 对于单级瞬时施加荷载，f 时刻的地基沉降速率为 k = p ，一曲) 筇p 巾 ( 2 一1 8 ) 当多级加荷时，f 时刻的地基沉降速率为 杉：怫一) 筇( 卜警j ( 2 1 9 ) 式中 s 疗第f 级荷载相应最终沉降量； 瓯第，级荷载相应瞬时沉降量； 矿，时刻沉降速率； _ l ，分别为第f 级荷载加载起始和终止的天数( d ) ，从零起计时，当f 处于第 1 8 第二章堆载预压的机理及沉降分析 f 级加载的过程中( 一。 ， 丁) 当瞬时加载时，平均固结度按下式计算 u = 1 一口，p 一虬4 ( 3 7 ) 式中：办为软土层的厚度；口，、以为待估参数，设6 ：= 以2 ；f 为计算时间；丁为加载历 时；u 为平均固结度。 ( 2 ) 砂井地基 砂井打穿软土层 当线性加载时，平均固结度按下式计算 u =争去”p 也7 ， 卜南( 1 _ 一1 矿姒) 当瞬时加载时，平均固结度按下式计算 u = l p 一屯。 砂井未打穿软土层 当线性加载时，平均固结度按下式计算 u = u 2 = ；一去c - 百， 卜古( 卜p 也1 矿坩) 争南( ) 卜南( 卜p 也1 姒卜n q = h s h u = g u l + ( 1 一q ) u 2 当瞬时加载时，平均固结度按下式计算 u = 1 一p k 。 u 2 = l 一口，p 一屯。 3 l ( f 丁) ( 3 8 ) o 丁) o 丁) o r ) ( f 丁) ( f 丁) ( 3 9 ) ( 3 一1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 一1 4 ) ( 3 1 5 ) 河海大学硕士学位论文 u = g u l + ( 1 一g ) u 2 ( 3 1 6 ) 式中：6 。为砂井地基待估参数，吒= 6 。2 ；q 、乱为天然地基待估参数；红为砂井 打设深度。 根据以上求解过程编制了相应的沉降预测程序，利用该程序对申嘉湖高速公路部分 堆载预压断面进行沉降预测，以分析超载预压对软基沉降卸载标准的影响。通过实测资 料反演土体的平均固结和压缩参数，参数的可靠性由预测曲线与实测曲线间的相关性来 衡量，根据深软基工程沉降特点和大量实例对比分析，预测外延曲线采用指数曲线法。 观测时间越长、数据越准确，预测结果精度越高。 3 3 2 计算结果比较分析 为了分析不同超载情况下对不同软土层厚度断面的预压效果及对卸载时机的判定， 文中选取了5 个超载情况不同的一般预压断面：k 4 + 0 0 0 、k 1 6 + 0 5 0 、k 2 3 + 8 7 0 、k 4 5 + 7 5 0 、 和k 5 4 + 9 5 0 ；5 个塑料排水板处理断面，k 7 + 6 0 0 、k 2 7 + 8 5 0 、k 3 7 + 6 7 0 、k 4 8 + 1 5 0 和k 5 4 + 7 5 0 。 上述断面均为一般路段，规范规定工后沉降允许值为3 0 c m ，计算中假设了卸载再施工路 面的过程，并预测1 5 年最终沉降量，工后沉降即为最终沉降量与施工路面完成时已完成 沉降量的差值。各断面沉降计算结果如下： 一实测沉降m 荷载k p a 一预测沉降咖 图3 1k 4 + 0 0 0 荷载时间沉降曲线 7 0 0 天数d 0 o o o o o o o o o o o 0 o o 0 0 2 1 1 2 3 4 5 6 一 一 一 一 一 一 盘耱稼 重咖遨蜉 第三章基于一维固结理论的沉降预测及卸载标准讨论 罡1 0 0 甾 辐5 0 柱 o 一5 0 一1 0 0 一1 5 0 一2 0 0 营 高- 2 5 0 蹩一3 0 0 辱 、一， 一一 一实测沉降唧荷载k p a 斗一预测沉降唧 图3 0k 1 6 十0 5 0 蘅载时睡浣降 l l l 线 + 一安测沉降黼祷载k p a 一预测沉降糯 图3 3k 2 3 + 8 7 0 荷载时问沉降曲线 3 3 天数d 天数