（岩土工程专业论文）真空预压软土路基的沉降计算及预测.pdf

摘要 软土在我国广泛分布，软土地基的处理和沉降计算一直是软土地区的工程建设中的 重点问题，在软土路基的诸多处理方法中，真空预压法作为一种新兴的方法获得越来越 多的研究和应用。正是如此，本文主要研究了真空预压法处理软土路基时的沉降计算及 预测问题。具体内容如下： ( 1 ) 在前人研究的基础上，从宏观和微观两方面分析了真空预压加固软土路基的 固结机理，从理论上解释了该方法的可行性； ( 2 ) 在分析了真空预压固结机理的基础上，结合工程实例，用数值计算程序 f l a c 3 d 模拟了真空预压加固过程并计算了最终沉降量，对所获结果作了较为深入的分 析，得出了真空预压处理后软土路基的竖向和水平向位移的一些特征； ( 3 ) 用曲线拟合法中的双曲线法、指数曲线法和泊松曲线法分别对软土路基的沉 降量进行了预测，对预测结果进行分析，指出每种方法应如何获得较为准确的预测结果， 同时得出了最适合该工程所在地区的曲线拟合方法为指数曲线法； ( 4 ) 研究了灰色理论法在软土路基沉降预测中的应用，用g m ( 1 ，1 ) 模型对软土路 基的沉降量进行了预测，分析了在该工程实例中，灰色理论法预测结果精度不高的原因。 综上，本文对真空预压加固软土路基时的沉降计算及预测做了一定的研究，得出了 一些有用的结论，可以更好的指导工程施工。 关键词：软土路基，沉降，数值计算，曲线拟合法，灰色理论法 a b s t r a c t s o f ts o i li sw i d e l yd i s t r i b u t e di nc h i n a p r o c e s s i n ga n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o na r ek e y i s s u e so fc o n s t r u c t i o ni ns o f t s o i la r e a v a c u u mp r e l o a d i n g ，a san e wm e t h o di n l o t so f p r o c e s s i n gm e t h o d s ，i sg e t t i n gm o r ea n dm o r er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e ss e t t l e m e n tc a l c u l a t i o na n df o r e c a s to fs o f ts o i ls u b g r a d eb yv a c u u mp r e l o a d i n g d e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，t h i sp a p e r , b o t hm a c r o s c o p i c l ya n dm i c r o s c o p i c l y , a n a l y z e st h ec o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mo fs o f ts o i lr e i n f o r c e db yv a c u u mp r e l o a d i n g s o ， f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o dw a se x p l a i n e di ns c i e n t i f i ct h e o r y ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mo fs o f ts o i lr e i n f o r c e db yv a c u u m p r e l o a d i n g ，a ne n g i n e e r i n gc a s eo fv a c u u mp r e l o a d i n gw a ss i m u l a t e db yf l a c 3 d ，w h i c hi sa n e x c e l l e n tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o np r o c e d u r e s i m u l t a n e o u s ，u l t i m a t es e t t l e m e n tw a sc a l c u l a t e d b yf l a c 3 d v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t sc h a r a c t e r i s t i c sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ha r e l a t i v e l yd e e pa n a l y s i s ( 3 ) t h i sp a p e rf o r e c a s t st h es o f ts o i ls e t t l e m e n tw i t hh y p e r b o l i cm e t h o d ，e x p o n e n t i a l c u r v em e t h o da n dp o i s s o n sc u r v em e t h o d ，a l lo ft h e ma l ec u r v ef i t t i n gm e t h o d t h r o u g ht h e a n a l y s i so ff o r e c a s t i n gr e s u l t s ，w el e a r nh o wt og e t t i n ga c c u r a t e rf o r e c a s t i n gr e s u l t s a tt h e s a m et i m e ，w ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a te x p o n e n t i a lc u r v em e t h o di st h eb e s tf o r e c a s tm e t h o d d u r i n gt h e s em e t h o d s ( 4 ) t h i sp a p e rs t u d i e st h eg r e ys y s t e mt h e o r y sa p p l i c a t i o ni nt h ef o r e c a s to fs o f ts o i l s u b g r a d es e t t l e m e n t s e t t l e m e n to fs o f ts o i lw a sc a l c u l a t e db yg m ( 1 ，1 ) m o d e la n dt h er e a s o n o fl o w p r e c i s i o nw a sa n a l y z e d t os l i mu p ，t h i sp a p e rs t u d i e st h es e t t l e m e n tc a l c u l a t i o na n df o r e c a s to fs o f ts o i ls u b g r a d e b yv a c u u mp r e l o a d i n ga n do b t a i n ss o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw h i c hc a ng u i d ec o n s t r u c t i o n b e t t e r k e y w o r d s ：s o f ts o i ls u b g r a d e ，s e t t l e m e n t , n u m e r i c a lc a l c u l a t i o np r o c e d u r e , c u r v e f i t t i n gm e t h o d ，g r e ys y s t e mt h e o r y 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出【1 1 第一章绪论 软土是一种区域性的特殊土，是在一定的地质条件下形成的，具有变形大、承载 力低等特点。在软土地区的工程建设需要特别重视了解和研究软土的工程特性，采取 有针对性的技术措施以使建设工程得到技术先行、经济合理和使用安全的效益。 软土在英语词汇里，习惯称为s o f tc l a y ，译为软黏土。我国通常称为软土，在浅 层的地基中分布有软土的地区，称为软土地区。 岩土工程名词术语标准( g b t 5 0 2 7 9 9 8 ) 的解释是：“软黏土，s o f tc l a y 。天然 含水率高，呈软塑到流塑状态，具有压缩性高、强度低等特点的黏土。 建筑岩土工程勘察基本术语标准( j g j 8 4 - 9 2 ) 的解释是“软黏土，s o f tc l a y ， 天然含水量大，压缩性高、承载力低、软塑到流塑状态的黏性土。” 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 卜2 0 0 1 ) 将软土划归为“特殊土”，定名的标准规范 定为“天然孔隙比大于或等于1 0 ，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，包 括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。 我国软土的分布，按软土的区域性可分为沿海软土、内陆软土和山区软土。沿海 地区分布有三角洲相沉积的软土，如长江三角洲、瓯江三角洲、闽江三角洲和珠江三 角洲等。当河流流至海洋时，流速急剧减小，因此河水所携带的沉积物质在河口沉积， 以这种方式在堆积在陆相和海相环境边界上的沉积物形成了三角洲。三角洲相沉积的 软土，其主要特点是厚度比较大，黏性土和砂土或粉土相间成层，土层的厚度和工程 性质一般比较均匀，在沿海地区的软土，除了三角洲相外，分布有泻湖相和滨海相等 成因形成的软土。 在内陆地区，河流相沉积软土沿江河分布十分广泛，主要是由于河流改道泛滥期 形成的沉积物和河岸沉积物形成的冲击平原。这种沉积物都具有层理和纹理特征，有 时夹细砂层，分布的范围比较小，土层厚度变化比较大，一般不会遇到很厚的均匀黏 土层。 在内陆和山区，还分布有湖相沉积和冰湖相沉积。湖相沉积物是所有沉积物种成 第一章绪论 分变化最大的，通常还有大量的黏土颗粒，但在湖边缘处沉积物一般是较粗的颗粒。 冰湖沉积物常常由主要为粉粒的浅色土层和主要含黏粒的深色土层交替组成。 总的来说，软土具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、 中等灵敏度等特点。在这种软弱地基上修筑建筑物或建设公路，地基将由于固结和剪 切变形会产生很大的沉降和差异沉降，而且沉降的延续时间很长，从而影响建筑物或 公路的正常使用。另外，由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求 而容易产生地基破坏。为保证在施工和使用期间的承载力与稳定性安全、消除过大的 沉降变形和正常使用，首先要对这种软土地基进行处理。1 2 】 地基处理从原理上可以分为置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等基本 方法。目前在软基处理中常用的方法有垫层法、堆载预压、粉喷桩、砂井法、强夯法、 灌浆法、散体材料桩和复合地基等。任何一种加固技术都有它的优越性，也有其局限 性，如目前最常用的堆载预压方法由于软弱地基土的强度很低，快速加载将危及路堤 的稳定性，因此施工工期很长，制约着工程的进度，另外超载预压需要额外土方，在 平原地区如江浙地区将会多占用耕地，破坏环境；垫层法只能处理2 , - 3 米深的浅层软 弱土、素填土和杂填土；砂井法适用于透水性低的饱和黏性土，但对于泥炭土等有机 质沉积物不适用；粉喷桩处理方法加固深度有限，且施工质量不易控制；复合地基是 指天然地基在地基处理工程中部分土体得到增强，通过置换或者在天然地基中设置加 筋材料从而使加固区由天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基，造价相对偏高。 其它软基处理方法同样有自身的地基适用条件和缺点。i l j 】 真空预压法是正在软土地区推广应用的有效的处理软黏土地基的方法【4 】。最早由瑞 典皇家地质学院杰尔曼【5 ( w k j e l l n m a ) 教授f19 5 2 年提出。19 5 8 年美国费城国际机场 跑道扩建工程首次采用真空预压法与深井降水联合加固获得成功【6 7 1 ，随后日本、芬兰、 法国、苏联、瑞典等国家都有该工法的报道，但由于当时抽真空效率、密封技术、气 水分离等关键因素的制约，效果没有预期的显著，在很长一段时间内没有得到广泛的 应用。我国直到1 9 8 0 年交通部一航局科研所在塘沽新港进行了几次现场试验，解决了 一些施工工艺后才在工程应用方面获得成功。我国真空预压法的工艺技术在真空度和 大面积加固方面处于国际领先水平，由于该方法在处理软土，特别是超软土时，。不会 因土体的侧向挤出变形而破坏，同时施工期较短和对环境污染小，故而得到了广泛的 2 长安大学硕士学位论文 应用。目前，真空预压法广泛应用于港口堆场、仓库、机场、高速公路、堤坝边坡、 变电所等地基处理中，取得了良好的工程和经济效益。 由于软土的压缩性高，渗透性低，固结变形持续时间长，所以软土地基的沉降量 及其沉降速率的预估就成了工程设计中的重要问题。随着我国基本建设的发展，在软 土地区兴建公路、铁路、水利、建筑、机场以及码头等项目将会日益增多，对软基沉 降估算的精度要求也将不断提高。因此，改进软基沉降的计算方法，准确地预估软基 沉降具有重大的学术价值和社会效益。 自从太沙基1 9 2 4 年提出一维固结理论以来，地基沉降的理论研究已经取得了长足 的发展，软土地基沉降量的估算精度也有了很大的提高。然而，从工程建设发展的要 求来看，实测沉降量和理论计算值之间往往还存在较大的差距。因此，还需要对现有 的地基沉降计算方法做进一步的分析研究。 1 2 地基最终沉降量的计算 1 2 1 地基最终沉降量计算的概念【8 】 在荷载作用下，地基土将在x , y , z 三个方向发生变形，我们最关心的是地基竖向变 形引起的基础沉降。饱和黏性土地基的总沉降按其发生的先后分为：初始沉降s d ； 固结沉降s e ；次固结沉降s 。三种沉降都与时间有关系，如图1 1 所示。 加荷历时一 沉 降 量 图1 1时间与沉降量关系曲线 总沉降的计算公式可表示为： s = s d 七s c 七s s 3 第一章绪论 初始沉降是在荷载作用下由于土的畸变所引起，并在荷载作用后很快发生。一般 指建筑物建成后立即发生的沉降。固结沉降是由于孑l 隙水排出而引起土体积的减小所造 成，缓慢发生，以上两部分沉降占总沉降量中的主要部分。次固结沉降则是由于超静水 压力消散后在恒值有效应力作用下土骨架的蠕变所致。 1 2 2 沉降量计算方法综述 地基的沉降量计算方法，经过多年的理论理论和实践探索，已形成了丰富的内容。 邱发兴按照计算的理论路径，采用如下的分类方法：【9 】 沉 降 计 算 路 径 广分层总和法 r 只考虑单向应力的单向压缩沉降法 i l 附加应力系数面积分层总和法 压缩变形法考虑三向变形效应的单向压缩沉降法一斯肯普顿一贝伦法 i l 考虑三向受力和三向变形的单向压缩沉降法黄文熙法 应力历史法法 厂室内模拟试验法 应力路径法一兰布法 l 应变等值线法 弹性理论法 r 瞬时沉降的单向弹性力学法 i 时间阶段法主固结沉降的单向压缩法 l l 次固结沉降的单向压缩法 剑桥模型法物态界面法 r 标准灌入法一希默特曼( s c h m e r t m a n n ) 法 l 现场试验法 旁压试验法一梅纳( m e n a r d ) 法 i 载荷试验法 l 静力触探法 r 双曲线法 曲线拟合法1 l 指数曲线法 三相沉降法 李广信把地基沉降计算方法分为四类：( 1 ) 数值计算法，包括有限单元法、差分 法、集总参数法；( 2 ) 弹性理论法，包括线性和非线性弹性理论法；( 3 ) 经验法，又 4 长安大学硕士学位论文 称现场试验法，主要有荷载试验法、动力触探法、静力触探法和旁压仪法；( 4 ) 工程 实用法，包括单向压缩沉降法、三向效应法、切线模量法、三向压缩法、应力路径法、 物态界面法、和曲线拟合法( 根据现场观测资料) 。 【1 0 1 1 2 3 沉降量计算方法分析 之所有存在这么多的地基沉降量计算方法，是因为没有一种方法能完美地模拟出 地基的变形特性，因此每种方法都有其优点和不足，对常用的地基沉降量计算方法分 析如下： ( 1 ) 分层总和法f 8 1 2 1 分层总和法是目前地基沉降计算中使用最广泛的方法，其假定：基底附加应力 ( p o ) 是作用于地基表面的局部柔性荷载；地基土为弹性半无限体；地基应力的 大小分布服从布辛奈斯克( j b o u s s i n e s q ，1 8 8 5 ) 单个集中应力的弹性理论应理解；地 基应力的大小分布与土的类型无关，对非均质地基，由其引起的附加应力分布可按均 质地基计算；在外荷载作用下的变形只发生在有限厚度的范围( 即压缩层) 内； 只需计算竖向附加应力吒的作用使土层压缩变形导致的地基线沉降，而剪应力可略去 不计；土层压缩时不发生侧向变形( 侧限) 。 基本思路是：将压缩层范围内地基分层，用公式( 1 2 ) 计算每一分层的压缩量，。： 然后累加得总沉降量，如式( 1 3 ) 。实际应用时，公式( 1 2 ) 中的位可以根据e p 曲 线求得，也可以根据e - - - l g p 曲线确定。即分层总和法可以分为e p 曲线法和e - q g p 曲线法两种。 s = 等导吩 ( 1 2 ) l + 。 r 一7 s = 喜s = 喜静 m 3 ， 两种方法基本相似，都是以无侧向变形条件下压缩量的基本公式和分层总和法为 前提。所不同的是利用e - - q g p 曲线能推出现场压缩曲线并考虑土的固结应力历史，分 别计算正常固结土、超固结土和欠固结土的最终固结沉降量。 分层总和法的优点是反映了压缩层内各土层的压缩性，原理简单，所用数据容易 第一章绪论 由土工试验得出，计算方便，多年的使用积累了丰富的经验，当基础面积大大超过压 缩层厚度或压缩土层埋藏较深，用此法可取得较好结果。缺陷是：以均质弹性半空间 来计算非均质地基的变形，理论上是不合理的；应力分布和大小按照弹性理论来计 算，而变形参数按照压缩变形( 一般采用完全侧限) 选用，理论上是不协调的。 地基土的压缩层深度，常用的有应力控制法和应变控制法【1 3 】。 应力控制法是将地基压缩层厚度自基础底面算起，算到附加应力等于土层自重应力 的某一比值作为沉降计算的终止条件。应变控制法是指地基压缩层厚度自基础底面算 起，算到某一厚度土层的压缩量满足一定条件作为沉降计算的终止条件。 夏正中【1 4 1 对地基土变形机理提出粘弹塑性力学模型，并根据此模型来解释地基压缩 层深度：地基土层中，由于外荷载作用产生的压缩应力随深度递减，地基土的粘结强 度圪则随深度递增，当有效压缩应力仉= 呸一p c = 0 时，土体就不再产生显著的变形， 因而有效压缩层深度可以由该条件确定：孑；s0 或嘎 p c 。 何思吲1 5 l 提出了基于弹塑性理论的修正分层总和法，并对于压缩层计算深度建议了 一个判别公式( 1 4 ) ： 圭( s ) 肿。 一 二兰一6 ( s ) ( 1 4 ) 式中，n 指将地基分为n 层，j 指将总荷载分为j 级，逐级施加，6 指人为设置的计 算精度要求。 ( 2 ) 考虑三向变形效应的单向压缩沉降计算法1 9 , 1 0 】 斯肯普顿( s k e m p t o n ) 和贝伦( b j e r r u m ) 为了考虑一般地基固有的三向变形特性， 将单向压缩公式的卸以不排水条件下饱和土上瞬时加荷产生的空隙水压力增量“代 替，认为沉降过程即为甜的消散过程。按斯肯普顿推导，当饱和土同时受压力增量a t r 。 和吒作用时，土体内孔隙水压力增量“见式( 1 5 ) ： 血= 犀蚬+ 耻i 一蛔) 】( 1 5 ) 6 长安大学硕士学位论文 对于饱和土，b = i 0 ，地基沉降量计算公式为( 1 6 ) ： 疋= h 缸小胁蛔m ( 1 一句鲁】吃 ( 1 6 ) 该法对单向压缩法作了改进，因为初始孔隙水压力系数由三轴试验测定，计及了土 的剪胀性。由于计算中涉及孔隙压力系数a ，可以说它也考虑了应力历史。该法的不完 善处是将三轴应力状态下测得的孔隙压力用于地基中的一般应力状态，系数a 随土变形 而改变，较难确定。 ( 3 ) 三向变形计算法1 9 1 0 j 黄文熙考虑了地基土体的空间变形特点，提出采用三轴试验应力应变关系进行沉降 计算。假设地基某一微元体上的附加正应力q 、丐、仃；，其应力应变关系遵守弹性模 型，记附加应力的和为o = 吒+ q + 吒，则三向应变条件下的竖向应变为： = 寺( 1 + p 妙；一p o 】 ( 1 7 ) 按弹性理论，由o 引起土的体应变应为： 8 ，：些q 2 1 产 而土体孔隙比由e l 变为c 2 引起的土的体应变为下式： 氐= 嚣 由式( 1 8 ) 和式( 1 9 ) ，可得 e ：( 1 2 j l l ) 旦旦。 将( 1 1 0 ) 的e 值代入式( 1 7 ) ，得 白一吃 ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 铲南 ( 1 + 脚等刊莆 ( 1 1 1 ) 三向变形计算法具有单向压缩计算法的各种优点，并且考虑了土的三向变形，更接 近于实际。但是计算中需要采用土的泊松比p 和土的应力应变关系，这些要求模拟实 际应力条件下用三轴试验测取，较为复杂。 7 第一章绪论 7 ( 4 ) 应力路径法1 9 , 1 0 l 1 9 6 4 年，兰布( t w i ，a m b e ) 提出应力路径法，使试验的应力状态与实际的应力 状态尽可能一致，该方法的计算程序可以表述为： 首先计算某点的自重应力，并根据弹性理论计算附加应力引起的竖向、水平应力； 然后进行三轴试验，土样先在自重应力下固结，再施加附加应力；量取在附加应力作 用前( 即尚未排水) 以及固结后的竖向应变；用量取的两种应变分别计算地基的初始 沉降及固结沉降。 该方法概念清楚，使人们得以全盘理解土的变形过程，计算思路较为先进，但也 存在一些缺点：试验工作量大( 要求高质量的原状试样与测试技术) ；计算依据的 代表性点不易选择恰当；应力系按弹性理论求得，实际的原位应力未必与计算应力 相同。 ( 5 ) 数值计算方法【1 6 ，1 7 】 在土木工程中，地基的变形和稳定性的问题的计算十分复杂，这些问题的边界条 件也很复杂，而且非线性、非均质等问题使得用数学方法很难获得精确解。但是随着 计算机技术的飞速发展和各种数值分析方法的逐渐成熟，使这些课题能够借助计算机 和数值分析方法获得近似解。目前用于软土路基沉降量计算的数值方法主要有有限差 分法、有限元法、边界元法等。 数值计算法的优点是能够将比较准确但复杂的理论和公式用于实际工程计算，计 算机能够迅速准确的计算出结果。其缺点是模型建立及做一些假定和参数选择时，需 要有丰富的经验，否则一些小的偏差可能导致较大的误差，尤其是流固耦合问题更为复 杂。 1 3 软土地基沉降预测方法的发展现状【1 睨2 1 在现今的各种沉降计算方法中，由于对压缩土层剖面、荷载条件以及在计算模型 等方面都作了简化，所用的计算土性指标也未必具有真正代表性，沉降计算结果与实 测资料往往有不同程度的差异，尤其是对于沉降过程的预估，所以利用沉降实测数据 来推算路基的沉降量具有很重要的意义。根据实测资料推算沉降量，有曲线拟合法、 灰色系统法、遗传算法和神经网络法等。本节对前两种作简单介绍。 r 长安大学硕士学位论文 。 1 3 1 曲线拟合法 曲线拟合法包括双曲线法、指数曲线法、泊松曲线法、抛物线法及“s 形曲线法 等。常用的双曲线法是假设该曲线的数学表达式为： s 。= 二s ( 1 1 2 ) a + t 式中，a 为待定系数，s 为地级最终沉降量。假设在地基沉降过程中的时刻t l 和时 刻t 2 分别测得沉降为s l 和s 2 ，代入上式联立求解，即可解得式中的未知量s 和a 。将 算得得s 和a 代入式( 1 1 2 ) ，即得到估算沉降过程的表达式。 1 3 2 灰色系统法 灰色系统理论( g r e ys y s t e mt h e o r y ) 是由邓聚龙教授于1 9 8 2 年提出的。该理论 主要针对系统模型之不明确性、信息之不完整性之下，进行关于系统的关联分析、模 型建构、借助预测及决策的方法来探讨和了解系统。 灰色系统理论的基本模型是灰色模型( g r e ym o d e l ) 模型，简称g m 模型。它是以 灰色模块( 模块是指时间数列在时间数据平面上的连续曲线或逼近曲线与时间轴所围成 的区域) 为基础，以微分法拟合而建成的模型。 在实际中应用最多的预测模型为g m ( 1 ，1 ) 模型： 譬+ 测= 甜 ( 1 1 3 ) 班 、 式中x 0 ) 的含义是：记原始数据为 p ) = 。g ) i f = 垃，刀 ( 1 1 4 ) 对x ( o ) 做一次累加生成，即得 p ) ：窆妒纯) k = - i ( 1 i s ) 诸多学者【2 3 2 6 1 对灰色理论在地基沉降预测中的应用进行了研究，证明用灰色理论 预测地基的沉降是可信合理的。 9 第一章绪论 1 4 本文的研究内容和技术路线 本文将在分析软土地基的特点和真空预压法加固软土路基的加固机理上，结合工 程实例，重点研究真空预压加固软土路基的沉降计算及预测问题，分为两项主要内容： ( 1 ) 数值计算程序f l a c 3 d 在真空预压法中的应用。在该项内容中，将对f l a c 3 d 模拟真空预压的过程详细介绍，并对其模拟结果与实际情况进行对比分析，验证数值 计算沉降量的准确性的同时根据数值模拟结果分析软土加固后应力、位移等变化情况； ( 2 ) 沉降预测方法在软土路基沉降预测中的应用。在该项内容中，将结合工程实 例，分别用曲线拟合法中的双曲线法、指数曲线法及泊松曲线法进行沉降预测，另外 还将用新兴的灰色理论法对沉降进行预测，对比分析几种方法的优劣性并分析其原因。 技术路线图如下图1 2 。 图1 2 本文技术路线图 l o 长安大学硕士学位论文 2 1 概述【2 7 ，2 8 1 第二章真空预压加固软基的固结机理 真空预压处理软土地基，先在地基表面铺垫大概5 0 c m 厚的砂垫层，作为水平排水 体，然后将袋装砂井或者塑料排水板打入土体中，将不透气的薄膜铺在需要加固的软基 表面的砂垫层上，将薄膜四周埋入土中，借助埋设在砂垫层里的管道，将薄膜下地基中 的空气抽出，使形成相对负压。由于砂井的渗透性比较大，使该负压传递到砂井深处， 在砂井和其周围土体之间形成一定的压力差，使土中的孔隙水渗透进砂井被排除，进而 使土体固结。 如图2 1 所示。真空预压系统由三部分组成：抽真空系统、排水排气系统和密封系 统。 密封膜 ? 图2 1 真空预压加固软土路基示意图 2 2 真空预压加固软土地基的机理 2 2 1 真空预压加固地基的固结模型2 9 3 如图2 2 所示，真空预压可以用该模型表示。该模型由以下几部分组成：盛满水的 钢桶、带排水孔的活塞、支撑活塞的弹簧以及一抽气管路。 在抽气管路开始抽气之前，活塞一弹簧系统为平衡状态，孔隙水压力维持不变， 测压管中的水面与钢桶中的水面平齐，孔隙水压力等于大气压力，即 l l 第二章真空预压加固软基的固结机理 t - - 0 时，= u 2 = u 3 = 见， 仃= 0 ( 2 1 ) 在抽气管路抽气的瞬间，模型中各点的孔隙水应力还没变，然后抽气管路中的压 力下降，绝对压力小于大气压力，与模型中各点形成压力水头差，使孔隙水向抽气管 路中流动。假设管路中的绝对压力为战且保持不变，则孔隙中任一点与管路中的绝对 压力的压力差水头为 = 魄一b ) ( 2 2 ) 由于孔隙水流动需要克服阻力并维持一定的流速，因此该处的h o 的一部分转变成 动能，造成该点位势水头降低，测压管水头下降，表明该处的孔隙水压力降低。由此 说明该模型中各点的孔隙水应力都随着抽气逐渐下降。由于各层排水有先后，所以有 o t o o 时，a 吻 见 ( 2 3 ) 白 气 t 图2 2 真空预压固结模型 设活塞下面在某一时刻的孔隙水应力降低“，则由于活塞受力不平衡而向下移 动，使弹簧变形，于是这部分压力差转移到弹簧上，即a c t = 一a u 直到模型中各点的 孔隙水压力降低到与抽气管路中的绝对压力相等时，压力水头消失，渗流停止，大气压 力与抽气管路中的绝对压力的压力差全部由弹簧承担，即 t 一时，珥= 吃= u 3 = a ，幻= 见一b( 2 4 ) 绘制其应力分布图，如图2 3 所示。图中，面积b c g e b 表示时间为t 时由孔隙水承担 的超静水压力，面积a b e d a 表示由骨架承担的有效应力口。曲线b e 的位置随时间而变 化，当t - - o 时，b e 与a d 重合，即全部附加应力由水承担；当t - = o o 时，b e 与b f 重合， 1 2 长安大学硕士学位论文 即全部附加应力由土骨架与孔隙水共同承担。在整个固结过程中，土体中的超静水压 力和附加有效应力是深度z 和时间t 的函数。 量：墨i ：j 乏囊；鼻t j 奠：i ：j 觏囊_ ：! j 誓0 c 曼 群ak c 纲舔 一 6 么u 7 d f e ig 能- q p a p vpp v 艄 i _ _ 二 一一 二 图2 3 真空预压孔隙压力与有效应力的关系 2 2 2 真空预压加固机理的有效应力分析【3 0 。3 3 】 真空预压加固软土地基的过程是：土体被抽真空后真空压力直接作用在砂垫层中 的水气流体上，先提高排水边界中的真空度，使下部土体与砂垫层之间形成的压差， 使得表层土体中的水和气在压差的作用下，通过塑料排水板或砂井流到砂垫层中，再： 通过与真空泵链接的排水管被抽出。随着时间的延续，真空度沿着砂井或塑料排水板 向深处传递，并向周围土体扩散传递，使深层土体中的水和气体被抽出，由于土体本、 身的渗透系数很小，水源补给不可能大于或等于地下水被抽出的速度，因此真空预压 伴随着地下水位的逐渐下降。在整个过程中，土体中产生负的超静孔隙水压力，随着 水气的排除，超静孔隙水压力不断消散，土体有效应力的不断增加，土体得到加固。 从整个加固过程可以看出，真空预压法是通过抽真空对加固区域施加真空负压， 它作用于砂垫层和砂井内的孔隙水，在短时间内砂垫层和砂井内的孔隙水压力迅速降 低并排出水和气。由于土和砂井的渗透系数的极大差别，土体在刚开始抽气时仍保持 抽气前孔隙水压力( u ) 分布状态。这样，土体内与作为边晃的砂井和砂垫层间形成孔 压差。孔隙水在压差作用下，伴随着渗流使水排出并使u 降低。u 势的不平衡逐渐由近 及远地向局里较远的点波及，形成土体内砂井和砂垫层远与近各点间的u 势差。根据 太沙基的有效应力原理，在总应力基本不变的情况下，孔压的降低即为有效应力的增 加值，从而使土体固结压密，直到土体内与边界上的u 势达到新的平衡为止。 1 3 第二章真空预压加固软基的固结机理 下面从真空预压处理的地基中任一点的有效应力状态变化来分析加固后土体的强 度增长机理。 取土体中一点a ，其在真空预压前状态如图2 4 a 所示，为正常固结状态， 仃。3 0 k o ol o ( x o 1 ) 。它的有效应力圆如图2 5 中圆1 所示。真空预压后，假设其有 效应力大增空为a u ，即孔隙水压力减小量为u ，其有效应力状态如图2 4 b 所示，有效 应力圆如图2 5 中圆2 所示。 在图2 5 中，o c 为正常固结土的强度包线，o c 为超固结土的强度包线。由图2 5 可看出，圆l 和圆2 半径相同，表明土体强度增大而剪应力没有改变。所以加固过程 中不会出现地基失稳的情况。这是真空预压的一个重要特征。当停止抽真空后，被加 固的土体由正常固结状态变成超固结状态。土中的强度沿强度包线返回d 点。由该图 可见，d 点比e 点具有更高的抗剪强度，比初始应力状态下他的强度得到了提高。 6 3 0 0 + a u 圈2 4 a 加固前a 点的应力状：态图2 4 b 加固后a 点的应力状：态 图2 5 加固前后a 点应力圆与强度包线 1 4 长安大学硕士学位论文 2 2 3 真空预压加固机理的微观分析【3 4 0 5 】 真空预压过程中真空压力直接作用于孔隙水和气，而不是作用在土体骨架上。在抽 真空初期，土体排水量很大，轴向位移很小，说明土体中的自由水和气被抽出，同时这 也是真空度在土体中传递的过程，但由于土体颗粒之间存在粘聚力、排斥力、接触点支 撑力等，土体中的有效应力增加但并未发生变形，随着孔隙水和气体的大量抽出和时 间的持续，土体颗粒间的孔隙逐渐增大，使得土体颗粒发生错位重新排列，并相互挤压 密实，使得土体的有效应力和变形都增加，这是由于外因所引起的其内部“自发 调整 的过程，使得土体密实而得到加固，在整个变化过程中，真空压力作用于孔隙水和气， 再通过孔隙水和气作用于土体颗粒。由于真空压力是一种球应力，不会产生剪切破坏， 因此发生的只是土颗粒的重新排列，而不会发生破碎。 2 3 真空预压与堆载预压相比较 堆载预压是在地基上加荷载使土体发生固结，其固结机理是当在地基上施加荷载 的初期，所产生的附加应力由孔隙水压力承担，形成超孔隙水压力，而随着孔隙水逐 渐排出，荷载产生的附加应力转而由土体颗粒承担，超孔隙水压力逐渐消散，有效应 力随之增加，最终超孔隙水压力完全转化为有效应力。 真空预压加固路基的固结机理前面已经介绍。下表从几个方面比较了真空预压和 堆载预压的不同之处【3 6 j 。 表2 1 真空预压与堆载预压相比较 比较内容堆载预压真空预压 总应力增加，随着超静孔隙水压力总应力不变，超静孔隙水压力消散，有 土中应力 的消散而使有效应力增加效应力增加 剪切破坏可能会发生剪切破坏不会发生剪切破坏 加载速率要控制加载速率不用控制加载速率 侧向变形 加固区产生向外的侧向变形土体产生朝向加固区的侧向变形 加固深度主要与荷载大小和堆载面积有关与真空度、竖向排水体、孔隙分布有关 地下水位地下水位不变化地下水位降低 1 5 第二章真空预压加固软基的固结机理 2 4 本章小结 本章从真空预压加固地基的方法出发，结合真空预压加固软土地基的固结模型，分 别从有效应力分析和微观分析两方面对真空预压加固机理进行了阐述，较为清楚地解释 了真空预压法加固软土地基的固结机理。同时对真空预压和堆载预压这两种较为相似的 地基加固方法进行了比较，分析了真空预压法较为优越的地方。 1 6 长安大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章真空预压软土路基沉降的数值计算 目前在岩土工程领域中常用的数值计算方法有有限差分法、有限元法、边界元法 等，特别是后两种方法随着计算机的发展应用尤为广泛。但是，这两种数值计算方法 都是以连续介质为出发点，而且往往限于小变形的假定。它们虽然也可以用来解决由 几种介质所组成的非均质的问题，并且对于个别的断层或弱面，也可以用设置节理单 元的办法来解决，但是用以解决富含节理和大变形的岩土力学问题，往往所得的结果 与实际的物理情形相差甚远。有限差分方法是求解微分方程的最古老的方法之一，为 了表示场变量的变化率，用差分来代替微分，用割线斜率来代替切线斜率。 在真空预压施工中对某些参数的现场监测具有一定的片面性，为了更全面地理解 地基作用机理，提高真空预压的设计和施工水平，有必要对真空预压软处理进行数值 模拟，以真实地再现地基的力学行为和结构响应。针对真空预压加固软基时的沉降量 计算问题，本章结合具体工程实例，拟在有限差分程序f l a c 3 d 的基础上对真空预压时 产生的沉降进行分析研究，并与现场试验结果进行对比，验证数值计算方法的合理性， 为数值计算在真空预压软土路基上的应用积累经验，以更好的指导施工。 3 2f l a c 3 d 基本介绍1 3 7 - j 9 f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 由美国i t a s c a 公司研发推出的 连续介质力学分析软件，是该公司旗下最知名的软件系统之一。f l a c 目前已在全球七 十多个国家得到广泛引用，在国际土木工程( 尤其是岩土工程) 学术界和工业界享有 盛誉。 f l a c 有二维和三维计算软件两个版本，i p f l a c 2 d 和f l a c 3 d 。f l a c 3 d 是f l a c 的扩 展程序，不仅包括f l a c 的所有功能，并且在其基础上进行了进一步的开发，使之能够 模拟计算三维岩、土体及其他介质中工程结构的受力与变形形态，本文采用的是f l a c 3 d 程序进行有限差分分析。 1 7 第三章真空预压软土路基沉降的数值计算 3 2 1f l a c 3 d 的主要特点 f l a c 3 d 的界面简洁明了，特点鲜明，其使用特征和计算特征在众多数值模拟软件 中别具一格。 f l a c 3 d 的使用特征主要表现为： ( 1 ) 命令驱动模式 f l a c 3 d 有两种输入模式：人际交互模式和命令驱动模式。其中命令驱动模式是 f l a c 3 d 的主要输入模式，尽管这种驱动方式对于简单问题的分析过于繁杂，但对于那 些从事大型复杂工程问题的分析而言，因涉及多次参数修改、命令调试，这种方式无 疑是最有效、最经济的。 ( 2 ) 专一性 f l a c 3 d 专为岩土工程力学分析而开发，内置1 2 种弹、塑性材料本构模型，有静力、 动力、蠕变、渗流、温度5 种计算模式，各种模式间可以相互耦合，以模拟各种复杂的 工程力学行为。 f l a c 3 d 可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料试题梁、锚元、桩、 壳以及人工结构，如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。通过设 置界面单元，可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等。 ， 借助其强大的绘图功能，用户能绘制各种图形和表格。用户可以通过绘制计算时 步函数关系曲线来分析、判断体系何时达到平衡与破坏状态，并在瞬态计算或动态计 算中进行量化监控，从而通过图形直观地进行各种分析。 ( 3 ) 开放性 f l a c 3 d 几乎是一个全开放的系统，为用户提供了广阔的研究平台。通过其独特 的命令驱动模式，用户几乎参与了从网格模型的建立、边界条件的设置、参数的调试到 计算结果输出等的全部求解过程，自然能更深刻的理解分析的实现过程。 利用其内置程序语言f i s h ，用户可以定义新的变量或函数，以适应特殊分析的需 要。例如，利用f i s h ，用户可以设计自己的材料本构模型，可以在数值试验中进行伺 服控制，可以指定特殊的边界条件，自动进行参数分析，可以获得计算过程中节点、单 元的参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。 此外，用户还可以利用c + + 程序语言自定义新的本构模型，编译成d l l ( 动态链接库) ， l r 长安大学硕士学位论文 在需要时载入f l a c 3 d ，用户还可以利用有限元软件或其他专业建模工具建立复杂三维模 型，导入f l a c 3 d ，以弥；i j f l a c 3 d 在建立复杂三维模型方面的不足。 f l a c 3 d 的计算特征主要表现为： 作为有限差分软件，相对于其他有限元软件，在算法上，f l a c 3 d 有几个优点： ( 1 ) 采用“混合离散法”来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。这种方法比有限元 法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。 ( 2 ) 即使模拟静态系统，也采用动态运动方程进行求解，这使得f l a c 3 d 模拟物理 上的不稳定过程不存在数值上的障碍。 ( 3 ) 采用显式差分法求解微分方程。对显式法来说，非线性本构关系和线性本构 关系并无算法上的差别，根据已知应变增量，可以很方便地求得应力增量、不平衡力 并跟踪系统的演化过程。此外，由于显式法不形成刚度矩阵，每一时步计算所需内存 很小，因而使用较少的内存就可以模拟大量的单元，特别适合于在微机上操作。在大 氟。 变形问题的求解过程中，由于每一时步变形很小，因此可采用小变形本构关系，将各 时步的变形叠加，得到大变形。这就避免了推导并应用大变形本构关系时所遇到的麻 烦，也使得它的求解过程与小变形问题一样。 3 2 2f l a c 3 d 的求解流程 采用f l a c 3 d 进行数值模拟时，有三个基本部分必须制定：有限差分网格、本构关鼍一， 系和材料特性、边界和初始条件。 网格用来定义分析模型的集合形状，本构关系和与之对应的材料特性用来表征模 型在外力作用下的力学响应特性，边界和初始条件用来定义模型的初始状态( 即边界 条件发生变化或者受到扰动之前，模型所处的状态) 。 定义完这些条件之后，即可进行求解获得模型的初始状态；接着，执行开挖或变 更其他的模拟条件，进而求解获得模型对模拟条件变更后做出的响应。图3 1 给出的是 f l a c 3 d 的一般求解过程。 对于多单元模型复杂问题，如动力分析、多场耦合分析等的模拟，可以按这一求 解流程，先采用简单模型观察类似模拟条件下的响应，接着再进行复杂问题的模拟使 之更有效率。 1 9 第三章真空预压软土路基沉降的数值计算 图3 1f i a c 3 d 的般求解流程 3 2 3 本构模型 岩土本构关系是指通过一些试验测试少量的岩、土体弹塑性应力一应变关系曲线， 长安大学硕士学位论文 然后再通过岩土塑性理论及某些必要的补充假设，将这些试验结果推广到复杂应力、 组合状态上去，以求取应力一应变的普遍关系；将这种应力一应变关系以数学表达式表 达，即称为岩土本构模型。岩土材料的多样性及其力学特性的差异性，使得人们无法 采用统一的