（岩土工程专业论文）软土固结沉降反分析研究.pdf

摘要 连云港地区的软土是海相淤泥质土，天然含水量高、孔隙比大、渗透系数小、压缩性高。在该地区 修建高速公路，对于浅层处理的天然地基路段在填筑过程中沉降速率比较大，预压期末沉降速率迟迟难 以稳定。为了进行路面施工必须要了解这些预压路段沉降速率达到稳定所需的时间。为此，本文根据连 盐高速公路连云港段现场实测数据，对该软土地区进行沉降反分析研究。主要工作如下： ( 1 ) 在连盐高速公路连云港段进行现场观测试验，并对实验数据进行分析，揭示了连云港海相软土 在加荷和堆载预压下的一些变形特性。结果表明连云港软土地基不排水剪切沉降s 。与路基的最大侧向 位移d 。和固结沉降s a 均成线性关系，其中k s 。比值为2 3 ，s j s 一比值为0 o l - , , o 0 8 。 ( 2 ) 用c + + 语言编写了比奥固结有限元反分析程序，并采用了相对于常规优化方法，具有全局寻优， 而且对目标函数的要求较少，适应性较强的遗传算法。 ( 3 ) 用编制的比奥固结有限元反分析程序对连云港软土地区进行固结沉降反分析研究。以连盐高速 公路连云港段天然地基为算例，分析结果表明，通过遗传算法优化计算获得较为适合连云港软土的计算 参数。在施工阶段，该程序能够较好的预测地基沉降。 关键词：遗传算法；连云港海相软：反分析；目标函数；天然地基：有限元 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ec o n s o f i d a t i o ns e t t l e m e n to f s o f ts o i lb yb a c k a n a l y s i s a b s t r a c t ：l i e n y u n g a n gm a r i n e s o f tc l a yi sd e p o s i t e db ym u c ka n dm u c k ys o i l i th a s t h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：h i g hm o i s t u r ec o n t e n t th i g hv o i dr a t i o ，h i g hc o m p r e s s i b i l i t y ，l o wp e r m e a b i l i t y c o n s t r u c t i n g e x p r e s s w a ye n m b a n k m e n t si nt h en a t u r a lg r o u n d , s e a l i n g r a t ei s c o m p a r a t i v e l yg r e a ti n t h ee n g i n e e r i n g p e r i o d , a n dt h es t a b i l i t yo fs e t t l e m e n th a r d l ya c c o m p l i s hb yt h ee n do fp r e l o a d i n gp e r i o d i ti sn e c e s s a r yt o p r e d i c tp o s tc o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to fe x p r e s s w a ye m b a n k m e n to nt h i s s o f ts o i la c c u r a t e l yi no r d e rt o g u a r a n t e et h es a f e t yc o n s t r u c t i n go fr o a ds u r f a c e t h i sp a p e ri sc o n c e r n e do nt h ec o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n to f s o f ts o i lb yb a c ka n a l y s i s ，b a s i n go nt h ef i e l do b s e r v e dd a t ao fl i e n - y e nh i g h w a yp r o j e c ti nt h ep a r to f l i a n y u n g e n g t h em a i nr e s u l t so f t h es d u t ya r co b t a i n e da sf o l l o w ： ( 1 ) a n a l y s i n gt h ef i e l do b s e r v e dd a t a , f i n do u ts o m ed e f o r m a n t i o np r o p e r t i e so fl i e n y u n g e n gm a r i n es o f t c l a y t h er e s u l t st a mo u tt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nu n d r a i n e ds h e a rs e t t l e m e n to fl i a n y u n g e n gm a l i n es o f t c l a y ( s n ) e n dt h em a x i m u ml a t e r a ld i s p l a c e m e n t ( d 一) i ng r o u n di sl i n e a r i t y , t h es a n l et ot h ec o n s o l i d a t i o n s e t t l e m e n t ( s d ) t h er a t i oo f d 。s 。i s2 3 ，w h i l es 。s di s0 0 l 0 0 8 ( 2 ) d e s i g n i n gt h eb a c ka n a l y s i sp r o g r a mo fb l o t c o n s o l i d a t i o nf e m t h ep r o g r a ma d o p t e dg e n e t i c a l g o r i t h ma so p t i m i z a t i o nm e t h o d c o n t r a s t i n gt ot h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，g e n e t i ca l g o r i t h mh a si t sm e r i t s ： f i n d i n gb e s tv a l u ei nt h eo v e r a l lr e s u l t s ；n o tv e r ys t r i c tw i t ht h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s t r o n ga d j u s t a b i l i t y ( 3 ) r e s e a r c h i n go nt h ec o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n to fl i e n y u n g a n gm a r i n es o f tc l a yb yb a c ka n a l y s i s p r o p g a m t a k et h ep a r to f n a t u r a lf o u n d a t i o ni nl i a n - y a ne x p r e s s w a ya sc o n m p u t i n ge x a m p l e s ，t h er e s u l t st u r n o u tt h a tt h ep r o g a mc a r lo b t a i ns u i t a b l ec o a m p u t i n gp a r a m e t e r sf o rt h el i a n y u n g e n gn l a r i n es o f tc l a yb yt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do f g e n e t i ca l g o r i t h m i tc a l lp r e d i c tt h eg r o u n ds e t t l e m e n ti nt h el o a d i n gs t a g e k e y w o r d s ： g e n e t i ca l g o r i t h m ；l i e n y u n g e n gm a r i n es o f tc l a y ；b a c ka n a l y s i s ；o b j e c t i v ef u n c t i o n ；n a t u r a l f o u n d a t i o n ；f e m 学位论文独创性声明 本人声明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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志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。 签名：秘锋日期：础j ， 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，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，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 签名：裕导师签名：j 毕日 期：，柙j 哆 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 正在修建的连盐高速公路( 连云港到盐城) 位于江苏省东部沿海地区。工程地质勘察资料表明，线 路所经区域绝大部分地势平坦，河流纵横成网，工程地质条件复杂，软土分布广泛且工程性质差。根据 全线不良土层特点，尤其是连云港段软土的复杂性，以及高速公路对桥头、桥头过渡段、构造物和一般 路段工后沉降的不同要求，结合该地区其它高速公路软基处理的经验，同时考虑到经济最优原则，确定 了沿线软基的处理方法：对于设计堤高大于2 5 m 采用深层处理，而小于2 5 m l j 采用浅层处理。深层处理 主要有：搅拌桩( 粉喷桩和浆喷桩) 、局部桥头路段采用c f g 桩和p t c 管桩；浅层处理为：加筋处理及预 压、手摆片石+ 碾压砼，土工格栅+ 等载预压。对于浅层处理的天然地基路段在填筑过程中沉降速率比较 大，预压期末沉降速率迟迟难以稳定。为了进行路面施工必须要了解这些预压路段沉降速率达到稳定所 需的时间，如何能够较准确的估计这些路段在怎么时间内沉降速率达到稳定，这一棘手问题需要我们着 手解决的。目前，计算沉降量与时间关系的方法有两大类第一类为理论方法，它包括传统方法和数值 方法两类。传统方法( 即经典的沉降计算方法) 就是按分层总和法计算最终沉降量，计算分层沉降时考虑 初始沉降和固结沉降。计算速率时，则采用t e r z a g h i 的一维固结理论。数值方法则是根据固结理论，结 合土的本构模型，计算地基最终沉降量的差分法，有限元法和边界元法，如考虑非线性弹性模型和弹塑 性模型的有限元法、考虑粘弹塑性模型的有限元法、考虑结构性损伤模型的有限元法以及大变形固结的 有限元法“”。第二类是根据实测资料推算沉降量与时间关系的预测方法，如指数曲线法、对数曲线 法、双曲线法、星野法、a s a o k a 法及灰色预测法等等。但由于土作为特殊的工程材料，其特 性复杂，无论传统方法还是数值方法，本构模型存在的缺点己有共识，如参数的取得，屈服条件和破坏 准则的确定以及适用性等等问题，除了模型本身的问题外还需依赖试验所取得的参数和试验的技术水 平；另一类根据实测资料来推算沉降量，虽然得到了大量的应用和推广，但是他们都有各自的缺陷，并 且只能运用在恒载作用条件下，无法预测路堤填土过程中的沉降量。为了能够更好的解决上述问题，本 文试图通过有限元反分析的方法来预测。 1 2 研究现状 1 2 1 国内外软土地基沉降计算方法综述 现在软基沉降计算方法主要有数值分析法和理论公式法。其中数值分析法可以比较全面的考虑 土体的剪切变形特性和边界条件，理论上比较严谨，但是方法比较复杂，一般工程技术人员难以掌握， 而且计算结果很大程度上都取决于计算参数的选取，工作量大，准确选取参数比较困难。工程上通常 使用理论公式法，这种方法计算参数少，简单易懂。 粘土地基在荷载的作用下，沉降按发生次序分为：瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降，即路 基的总沉降量s 分为三个部分： s = s a + s c + s s( 1 - 1 ) 式中： s d ：瞬时沉降，是在荷载施加后立即发生的那部分沉降量，它是由剪切变形而产生的附加沉降，不 是土体体积压缩产生的沉降，一般按弹性理论计算。 s ：主固结沉降，是加荷后土体随时间的推移孔隙水压力逐步消散而产生的体积压缩变形，通常采 用单向压缩分层总和法计算。 最：次固结沉降，是士骨架在持续荷载下蠕变所引起的，它的大小与土性有关。 在路堤填筑过程中不同时刻路基都将产生瞬时沉降，对于同一填土荷载和软土层厚度，瞬时沉降的 大小及其随时间的变化与填土加载历程线有关。然而，在现有的几种主要方法中，除了l a r n b e ( 1 9 6 7 年) 等人提出的应力路径法可考虑加载方式和加载速率的影响外，其它如根据土体不排水变形模量按线 弹性理论计算的方法；徐少曼( 1 9 8 3 年) 提出的根据三轴不排水试验的归一化曲线进行计算的方法，以 及日本高等级公路设计规范采用的经验公式等均不能考虑这种影响”。由于瞬时沉降尚无成熟的计 算方法，大多数采用半经验半理论的方法，因此在国内的工程设计中，计算总沉降通常是用经验系数修 正固结沉降的计算结果，以此来考虑瞬时沉降的影响。即s = m s c ，这里的m 为综合经验修正系数，但是 经验系数的取值带有很大的盲目性，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 ) 认为m 的 取值范围为1 1 1 7 ，具体情况应根据现场实测资料确定 主固结沉降的计算方法可分为线弹性和非线性两种。关于线弹性方法，最早由t e r z a 。g h i ( 1 9 2 5 年) 提出一维固结理论。其后，r e n d u l i c ( 1 9 3 6 年) 将其推广n - - - - 、三维情况。b o i t ( 1 9 4 1 年) 在t e r z a g h i 一维固结理论假定的基础上，提出了真三维理论，该理论从比较严格的固结机理出发推导出了反映孔隙 1 东南大学硕士学位论文 水压力消散与土体骨架变形相互关系的三维方程。关于非线性方法，m i k a s a 在1 9 6 3 年就发现软粘土固 结特性与t e r z a 。g h i 的固结理论不太符合。g i b s o n 等人( 1 9 6 7 ) 提出了一维有限非线性应变固结理论，它 考虑了土体压缩性和渗透性与孔隙比的非线性变化，以及土体自重应力等方面的因素。窦宜、蔡正银等 人( 1 9 9 2 ) 得出了g i b s o n 的理论在简化条件下的解析解，并通过离心试验进行了分析验证。但是扶理论 上对线弹性固结理论的改进，必然导致计算参数增多计算量增大，从而影响它们的应用。随着有限元 和计算机的发展，有限单元法常破用来解决地基土沉降和变形方面的复杂问题，它既可以结合比奥( b i a t ) 固结方程，解决非常复杂的非线性问题，同时又可考虑分期加荷情况。国内外很多学者都致力于应用有 限单元法解决工的弹塑性课题，对于土体的应力应变关系，j m d u n g a n 和c y c h a n g 提出了双曲线 的e 、矿模型和e 、占模型，殷宗泽一提出了椭圆抛物双屈服面模型，另外还有沈珠江模型、修正 剑桥模型等，这些模型用有限单元法解得了弹塑性课题中的初始变形和固结变形，并且能考虑侧向变形 对沉降的影响和渗流呈二维或三维效应，使得计算所得总沉降量、工后沉降量和沉降速率等结果与实测 结果越来越接近。 另外在公路施工过程中，为了控制施工进度、指导后期的施工组织与安排，同时保证路基的稳定与 适用，需要对路基的最终沉降量进行计算预测。用土工试验指标按常规的一维固结理论进行理论计算是 我们常用的方法，但其结果往往与实测成果相去甚远，因为地基沉降多属于三维课题且实际情况又很复 杂。因此，利用沉降观测资料推算后期沉降( 包括最终沉降量) ，有重要的现实意义。采用科学的预测 方法处理实测资料，有助于做出准确的预测，从而使后期施工组织安排达到最优化，具有一定的经济效 益。根据沉降观测资料来推测最终沉降量，目前归纳起来主要有指数曲线法、对数曲线法、双曲线法、 星野法、a s a o k a 法及灰色预测法等。 1 2 2 岩土工程反分析研究 1 2 2 1 反分析研究概述 在求解岩土工程问题中，通常根据工程基本情况确定几何条件、荷载条件、边界条件，通过地质勘 查和室内外试验确定地质条件、本构模型、计算参数，然后通过理论公式或数值解法求解结构或岩土介 质的物理量。这一求解过程称为正分析。反分析是利用工程中的实测值( 如应力、孔压、位移) ，通过 数值计算确定岩土介质的力学参数，有时甚至本构模型，与此同时求得问题所需的物理量，图卜1 为岩 土工程的正分析和反分析的过程。在国内外反分析也成功地运用在堤坝修建过程中。 图卜l 岩土工程的正反分析过程 随着现代控制理论和计算技术的发展促使岩土工程领域开始重视反馈分析理论及其应用研究。国外 的k i r e t e n 和g i o d a 、s a k u r a i 等”“，以及国内的杨林德等人提出了基于现场监控监测技术的位移反 分析法”1 ，解决了给定岩体本构关系后单测点的岩基的反演分析问题。曾国熙等人“1 ，根据建筑物施工 期间现场实测的位移、应力和孔隙水压力等资料，通过反分析法确定基坑开挖问题的有关参数。龚晓南、 粘精斌( 1 9 8 9 ) “”根据初期的观测资料，通过反分析法得到地基土参数，然后通过正分析得到最终沉降 量，取得了较好的结果。图卜2 为荷兰某一高速公路现场监测系统。 2 第一章绪论 图卜2 荷兰某一高速公路现场监测系统 近二十年来，位移反分析方法已从弹性问题发展到粘弹性和弹塑性问题的位移反分析 在弹性问题的位移反分析中，国内外学者在这方面做了较多的工作：s h i m i z u ”“提出了边界元位移 反分析方法；樱井春辅”1 在隧洞开挖过程中，假定其周边问题为位移初应力的线性函数，从而实现了平 面应变问题的位移反馈分析法；刘允芳。”提出了用解析方法解决弹性介质中非圆形洞室的位移反分析原 理及公式：杨志法1 等人利用有限图谱实现了隧洞的位移反分析。 在粘弹性参数反演方面，刘怀恒”“和杨林德1 在这方面做了较多的研究，在国内比较有代表性， 他们引入基于时间的等效弹性模量，首先反演若干时刻的等效弹性模量，然后反推流变参数，但这种算 法只局限于简单的线弹性材料。此外沈家荫、林炳仁等人“利用位移观测资料，应用边界元法反演分析 鲍埃丁一汤姆逊粘弹性模型参数。 对于粘弹塑性问题的位移反分析，王银芝等人“研究了西原流变模型的位移反分析问题；薛林、杨 志法等人采用两部位移反分析法，研究了伯格斯模型等位移反分析；王银芝等人1 提出了粘弹塑性 增量位移反分析的复合形法，减少了迭代次数，缩短了计算时间。 1 2 2 2 反分析分类 1 ) 逆反分析 逆反分析一般是将材料参数作为待求未知量，采用与正反分析相反的解析过程来求解。逆反分析需 要变换通常平衡方程的顺序，将所要求的参数分离出来，然后根据实际观测值( 如位移、孔压或应力等) 以及其它已知条件( 如荷载等) 求解出需求的参数。所求的参数不同，应用的本构模型不同，均需要重 新推导计算方程“”。以线性结构的有限元分析为例，求解线性方程组： 【qu=p(1-2) 式中： p ：荷载列阵； “ ：节点位移； k 】：总刚度矩阵，取决于单元的几何特性、材料的本构关系及其参数。 对于正分析问题， p ) 、【k 】已知，求解线性方程组得出 “ - 3 东南大学硕士学位论文 在逆反5 - 3 - 析问题中， 的。令 = 蹦 【k 】是作为未知数出现的；而位移 中的部分元素则通过量测获得，是己知 ( 1 - 3 ) 式中： u m - - u 。：a 个已测得位移数据； 虬= 虬 。：b 个未知节点位移。 又将【k 】分成二子块，则 阱脚p ， ， “。= 邑】- l p ( 1 - 5 ) 上式【k 。】- 1 是根据材料的本构关系而确定的，包含了参数。因为方程求解的必然条件是已知量要大 于或等于未知量，所以所测得的位移数据要大于或等于欲求未知数的个数。 以上所述是逆反分析的基本过程，逆反分析可以直接求解，计算速度比较快，但是编程麻烦，通用 性比较差。 2 ) 正反分析 反分析中的正反分析主要是把数值分析方法和数学规划法结合起来，通过不断修正未知参数， 使得现场一些实测值与相应的数值分析的计算值差异达到最小。正反分析有较强的适用性，能处理 各种类型的反分析问题。 通常在正分析中，把一些实测值( 如位移、孔压、应力等) 与相应的数值分析计算值两者差的 平方和作为目标函数j f 6 】，即 m 2 ，= ( 旷甜：) 一腻 ( 1 6 ) f ，l 式中 m ：实测值总数； 0 第i 点实测值，例如位移、孔隙水压力等； u l ：相应得数值分析计算值； 上式中q 是计算参数 x 。的函数，m 随着 x ) 。的不同值而变化，其中1 1 是需要通过反分析确定的参数 总数。因此目标函数j 为参数 x ) 。的函数，这样反分析就转化为求一目标函数的极小值问题。当目标 函数j 达到极小值时，其对应 x ) 。就是所要反分析的结果。如果实测值不但有位移，还有孔压、应力 4 等，则目标函数可定义为实测值与计算值之比值与1 两者差的平方和，- 3 表示为： ，= 妊一- 卜幽 c t 刁， 用正反分析能否成功在很大程度上依赖于其选取的耳标函数和优化方法。目前大都采用最小二乘法 建立目标函数；求解上述方程有许多的优化方法，常用的有单纯性法、复合形法、共轭梯度法、模式探 索法，变尺度法等。 1 3 存在的主要问题 从现有的沉降预测研究成果来看，还是不够尽如人意，还存在几个重要理论意义和实际意义的问题。 1 ) 虽然现在已有很多根据现场实测数据推求总沉降的方法，但由于土工材料的复杂性，同一种方法 不能适用每一地区，而且也不能对填筑期的地基沉降进行预测。 2 ) 反分析研究虽己历经几十年的发展，反分析理论研究尚不够深入全面。并且在应用研究中某些方 面比较成熟，有些方面还很欠缺。同时还存在一些棘手问题需要解决： 观测点位置是否合理、观测数目多少和观测数据精度对待求未知参数的影响如何； 反分析解的唯一性和稳定性难以解决，即反演结果是全局解还是局部解还需和进一步解决； 一般情况下，求解问题因含有无数多个变量而无法求解，那么采用多少个参数变量比较合理，即 需反演参数个数的确定： 在土体工程反分析中如何提高反分析程序的收敛速度。 影响土体变形规律的因素很多，使土体本构模型的合理选择遇到较大的困难。另外本构模型的复 杂性使反演计算方法的建立遇到诸多理论和技术方面的困难。 1 4 本文的主要内容 1 ) 为了验证理论计算结果，针对连云港软基特点开展现场测试工作，并对现场收集的数据进行分析， 探讨连盐高速公路连云港段路基填筑和预压过程中，土体竖向位移和侧向位移的关系，以及在填筑过程 中孔隙水压力变化对地基变形的影响。 2 ) 用c + + 语言编制b i o t 固结有限元反分析程序，并对反分析优化方法进行讨论，选取了不容易陷入局 部极限值的遗传算法。 3 1 结合连盐高速公路连云港段沉降观测数据，用编制的程序对路堤填筑期和预压期的沉降进行预测。 东南大学硕士学位论文 第二章连云港海相软土现场测试分析 连云港地区软土是海相淤泥和淤泥质土，其特点就是含水量大、压缩性高、强度低、透水性差、其 埋藏地通常较深，由于存在不同的矿物成分并受沉积作用的影响，土颗粒表现出明显的结构性。在软土 地基上直接修筑建筑物或进行填土时，地基将固结和剪切变形产生很大的沉降和差异沉降，而且沉降的 延迟时间很长，有可能影响建筑物的正常使用。在软基上修筑公路时，软基受荷后沉降量大，极易导致 路基失稳。 近些年来，许多学者从土力学的角度针对不同地区的软土就压缩性、强度特性、固结特性、应力一 应变关系等展开系统的研究m j 。在国外，p o u l o s ，t a v e n a s ，l e r o u e i l ，m e s r i ，s u z u k i ，l a m b etw 等”1 曾研究过 世界各地的软粘土，在国内则有张诚厚【舶1 对湛江粘土和上海粘土进行研究。作者借助前人的研究方法， 对连盐高速公路连云港段的现场测试资料进行分析，并试图揭示连云港海相软土在加荷和堆载预压下的 变性特性。 2 1 连云港海相软土基本工程特性 连盐高速公路沿线总体属于苏北滨海平原地区，其表层全部为第四纪所覆盖，第四纪沉积物主要以 海、冲积物为主。软土分布广泛且工程性质差，不良地质层主要为2 - 2 层淤泥及2 - 3 层淤泥质( 亚) 粘 土，该两层软土具含水量高( 最高达8 8 3 ) 、压缩性大、强度低、天然孔隙比大等特征，该层各标段 主要物理力学性质指标的平均值参见表2 - 1 。2 - 2 层软土全线均有分布，厚度及埋深相对较为稳定，厚 度在k 2 7 + 2 0 0 之前一般在8 0 1 0 0 m 之间，在k 2 7 + 2 0 0 之后，软土厚度为1 0 0 - + 1 3 0 m 之间，软土埋深 在1 1 0 1 3 0 m 左右：2 3 层淤泥质( 亚) 粘土局部分布，厚度及埋深变化相对较大，土质较均匀，局部 夹亚砂土、粉砂薄层。沿线路基底层可划分为以下三个主要层次：硬壳层、软土层、和下卧层，其主要 特征列于表2 - 2 ，典型的地质剖面图如图2 一l 和2 - 2 所示。 表2 - 1各标段软土物理力学统计表( 平均值) 各工程标段w i l c ，k p a由，。 a 1 z m p a - 1e - 门m p a 灌云一标( k 0 k 5 ) 5 6 91 5 2 01 5 0 1 03 51 3 61 8 2 灌云二标( k s k 1 2 ) 6 4 61 7 5 92 191 91 7 11 6 l 灌云三标( k 1 2 一k 1 9 ) 6 9 5 18 8 41 51 02 41 9 31 3 4 灌云四标l ( k 1 9 一k 2 6 ) 6 8 61 8 4 l 14 442 51 8 31 3 3 灌云四标2 ( k 2 6 k 3 3 ) 6 0 716 7 41 4 194 1l j 5 3 1 5 2 灌南二标( k 3 66 k 4 3 ) 5 8 2 1 5 8 5i 3 993 91 4 11 6 6 表2 - 2 沿线路基地层主要特征 层 名称 成园时厚度 岩性及分布特征 号 代 m 硬壳 a 1 4 1 l q 4 2 3 素填土，硬塑一软塑状粘土 层 软土 m 2 q 8 1 6 7 淤泥质软土，局部夹亚砂土、粉砂薄层 层 下卧 m l 硬塑状亚粘土、层硬塑一软塑状亚粘土、硬塑一软塑状含钙质结核的亚粘 3 q 。 土或粘土 层 6 第二章连云港海相软土现场测试分析 图2 - 1 典型场地工程地质剖面图 图2 2 典型场地工程地质剖面图 2 2 连云港软土变形特性分析 2 2 1 原位观测主要内容及仪器布置 动态变形观测的内容主要包括：变形( 位移) 观测、应力观测。变形观测包括沉降观测与水平位移 观测；应力观测包括土压力观测、孔隙水压力观测。观测项目和目的如表2 - 3 所示。仪器的布置情况见 图2 - 3 表2 - 3 原位观测项目及目的 仅具名称观测目的 地表型沉降计 用于沉降监控，填土速率控制，沉降预测，确定预压、卸载时 地表沉降量 ( 沉降板)间和结构物及路面施工时间，提供沉降土方量计算依据。 孔隙水压力孔隙水压力计用于观测地基孔隙水压力变化，分析地基土固结情况 地下土体分层水地下水平位移计用于路基稳定监控与研究，掌握分层位移量，推定土体剪切破 平位移量( 测斜管)坏的位置，以确保路堤旄工的安全和稳定 - 1 东南大学硕士学位论文 路埋 c 1 s 1 s 2 s 3 c ：沉降扳 t 2 r ：测斜管 s ：孔隙水压力计 淤泥 卜 图2 - 3 仪器布置情况图 2 2 2 固结沉降体积v d 与不捧水剪切变形沉降体积v 。的关系 硬壳层 软土层 下卧层 海相软土沉降包括两个部分：固结沉降，剪切变形沉降。海相软土固结实验研究表明，土体固 结时主固结和次固结是同时存在的，在主固结阶段主固结占主导地位，随着孔隙水压力的消散，主固结 逐渐完成，土体变形以次固结变形为主p ”。考虑时间因素，本文在路堤填筑和堆载预压过程中将次固 结与主固结沉降一起讨论，同时忽略排水剪切变形沉降。下面分别以填筑期和堆载预压期两个阶段来分 析v d 与v u 的关系。 2 2 2 1 路堤填筑过程中v d 与v 的关系 图2 4 【1 q 为填筑期地基变形情况，a o c 为不排水剪切沉降，a p m 为地基侧向变形，施工过程中由于 孔隙水压力的消散引起的固结沉降和侧向位移变化a p m q a ，当施工期不排水剪切变形占主导时a o c 等于a p m 。 图2 - 4 填筑期地基变形图 上述各项的体积变化可由现场仪器的观测数据得出 确，2 2j ：s x a x - 8 - ( 2 - 1 ) 第二章连云港海相软土现场测试分析 = 【d z d a 上式中 ：现场观测沉降体积( 路堤纵向每米延伸) ，由沉降板、水准仪等仪器测出 ，：现场观测侧向位移体积( 路堤纵向每米延伸) ，由测斜管，测斜仪等仪器测出 口：路堤宽度 工0 ：地基土层厚度 s ，：距离路堤中心线x 处的沉降值 d ，：距离地面z 处的水平侧向位移 i m g a n a t h a n ( 1 9 9 3 ) 1 给出了和p k 的另一种计算方法： = 吃+ ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) =肌一口(2-4) 测向收缩体积 口2 = = = = ：z 弋 ( 2 - 5 ) 固结沉降体积( 吃) 、 7 侧向变形体积 2i i i 磊i 鬲五磊而 ( 2 - 6 ) 。 不排水剪切沉降体积( k ，) 、7 上式中 三：表示路堤填筑期 ：不排水剪切变形沉降体积 ：固结沉降体积 口吃：在固结沉降过程中侧向位移收缩的体积 ：考虑排水剪切变形沉降情况下侧向变形体积 口：侧向收缩体积与沉降固结体积的比值 口：侧向变形体积与不排水剪切沉降的比值，在本文中为了使问题简化不考虑排水剪切沉降，即= 1 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 得： ：堡量(2-7) l + a 圪r ：a g _ 一+ v o ( 2 - 8 ) l o g a n 甜m ( 1 9 9 3 ) 等人提出在平面应变条件下不排水剪切变形沉降( v i l l ) 与路堤的填高成线性关 系【1 3 1 ： = a h ( 式中4 为固定值，h 为填高) ( 2 - 9 ) 将( 2 8 ) 代入( 2 - 9 ) 可得a 值： ，口监+ 叠 爿：鱼：l ( 2 1 0 ) 则在加荷期第j 阶段： 4 ：盟：型沼m 呜 1 + 口 第j + 1 阶段： - 9 - 东南大学硕士学位论文 。坠上+ 坠上 4 ：丛：差：差 鸟+ l 1 + 口 由式( 2 - 1 1 ) 和式( 2 - 1 2 ) 可得口的值： 丛一型。 生：!生 ( l ( l 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 吩勺+ ， 由式( 2 1 3 ) 得出口后代入式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可分别算出填筑期各个阶段的固结沉降和不排水剪 切沉降体积。 2 222 路堤堆载预压过程中v d 与的关系 图2 5 【1 4 】为预压期地基变形情况，其中a q m r 为土体固结引起侧向变形的回缩。其分析方法与填 筑期的分析方法一样： = 訾 = 型l i 立+ a t 垡 式中 c ：表示预压期 l 0 9 a t l l ( 1 9 9 3 ) 等人假设软土在恒载作用下不排水剪切变形沉降为【1 3 】： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) = f t ( 2 - 1 6 ) 式中f 、，为固定常数，t 为时间。因为随着时间的增大，圪c 逐渐减小，因此作者假设r = 1 2 。 在第j 阶段：f 气 f =口 等 + 孚 r彳 1 + 口 在第j + l 阶段：仁0 1 f = 1 + 口 由式( 2 - 1 7 ) 和式( 2 - 1 8 ) 得 ( ) 一( ) ， 弘赫 t ；t j “ 由式( 2 1 9 ) 得出口后代入式 水剪切沉降体积。 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 可分别算出预压期各个时间段的固结沉降和不排 - 1 0 第二章连云港霹相软土现场测试分析 t 图2 - 5 预压期地基变形情况图 2 2 3 软土固结沉降s d 与不捧水剪切沉降s 。的关系 选取连盐商速公路连云港段k 2 1 + 2 0 0 和k 2 d + 0 0 0 ( 均为天然地基) 两个试验断面的观测值( 见图 2 - 6 、图2 7 ) 进行分析 历时沉降曲线 等6 i 一删。热。 1 。t i 。j 。， 。i 、 。i#e_ 、i ， 、- 2 囊，叠? 毒i 一萋? 盖 。l ；霉：_ 粼2 g 0 4s 二2 2 。l ；萝 i 粼2 0 。4 g 2 ：3 ，o # ：矿 = 粼：i ? ， ：揣： 嘻 专船胃 ：。2 0 0 ；： 孔磷鬻 ：| 图2 - 6k 2 1 + 2 0 0 历时沉降曲线与地基深层侧向位移图 历时沉降曲线 未z = 兰二。，。二 q i 、t ： j ：计崩 - _ 嚣藿差。、：。一 1 、_ 路堤左侧坡脚椽层水平侧向位移 图2 - 7k 2 6 + 0 0 0 历时沉降曲线与地基深层侧向位移图 东南大学硕士学位论文 为了使问题简化，假设：深层水平位移没有侧向收缩，即口= o ，a o c = a p m ( 不排水剪切沉降体 积圪等于深层水平侧向位移体积，见图2 - 4 ) ；岛= 名，同一时间在路堤范围内为定值；总 沉降s = 瓯+ 蜀；即总沉降等于不排水剪切沉降和固结沉降之和。 则不排水剪切变形沉降体积v u ( 图2 - 4 中的a o c ) ： 圪= 卜羔嗡蔫卜嗡蔫也训，2 现场观测沉降总体积巧( 图2 - 4 中的a o b ) k = ( 墨+ s 左懈) 且2 + s 左侧( 岛一b 1 ) 2 上式中： ：路堤中轴线处现场沉降观测值，见图2 - 3 侧：路堤左侧处现场沉降观测值，见图2 - 3 a ：不排水剪切沉降瓯与固结沉降s d 的比值 最：路堤左侧观测处到路堤中轴线的距离 b 2 ：路堤宽度的一半 巧= 巧一圪 而圪= ( 图2 - 4 中a o c = a p m ) 其中= 0 0 z 比( 见图2 - 4 ) 则将式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 2 ) 得： v a = 盟警趔( ，一蔫 由式( 2 2 4 ) 和式( 2 - 2 0 ) 得： 圪= 旯 由( 2 2 5 ) 得： s 。is d = y 。| v d = 九 s ：s j ，_ 。 1 + 五 ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) r 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) & = s 一只 ( 2 2 8 ) 根据k 2 1 + 2 0 0 和k 2 6 + 0 0 0 现场观测数据进行分析，分别计算出上述公式中各项值( 见表2 - 4 和表 2 - 5 ) ，将这两个断面s r s u 的关系绘制于图2 - 8 和图2 - 9 。 - 1 2 誓 一 墨羞喜 星暑暑8呈g 8 8 晷 8窨 88 8 8 8 8 8昌 一 n 寸一一一 高拳苗誊 昌 2 1高 高昌 nn n n 寸呐 口 一 一 2一 一 襄3 童 善 窨 器甜客磊 n雩 葛翻 譬 、。 h g = 荨!； ； 荨寸景n n n 一一 交 名 客 g 雹毒s 一n 看捌善堇窘8兽 丑 。o。 登 譬 一一一 ；s 罨f 葛 苎蓍 窘 暑 董荦 h嚣西 。 鎏莓藿 葛 雩 誊葛 g 吾 o 口_ ；凄 色 nn o”。 n oi n g；= 萋萋 8 8 霉 葛暮 5g薹 ” 一_ 一 哽童 d 互 目 占喜 责主 寻荨 一 甘 一 e 雩 鐾 畜导 誊 昌 寸n v ，宦 驽重 gg窖ggg g 型v n n 一 nn 蟹 凸 r i 最 矧 譬 瓮 h !口 o 砗 碎 辛 一 寸 军岬 警 8 暑暑誊 一“ 一一 叩 a苫 葛 !晕 凶 矗 q 蚕一n n 宝 寻q = 蓍 荟 荟 荟蓍 荟 荟 苫 88 8 8 一 h 一 h n h h 一 一一一 番墨 璃 苣 群舞 掣赫臀雌星峰被盎理磊曝暹爵8罕一g叶n啭 塔隶蝠磊霹爵+群嚣采装q埘艟1鞲 一 n甘 墨鎏l 8暑2葛 萋；喜 搿 霉 盅毒葛 一 霉 葛雾害 一 h 。 葛 贾 一 n 一一 ；掣雩寸 导 一 誊写量 景 景暑 。一 n 葛 订 一 n 一一 磊盆g 8g譬 昌兽孳 丑 o o o。 。 进 吾 寸 帆 ；s 罨f 景兽 龉肇一童 0 羞 鎏主差 o。 搿8窖 荸 善毒o “ 一 口 善娶吾 ”o on 。 耄 3 套兽 黍萎； 葛 导 蓉 矗 客 i卜 2h 宝矗 v 口 叶篇 一 墨 d 童 笥 占呈 耋喜 霉葛 一一 一 e g 们g一 、一 一毫 驽冒掣掣 型v n 一 蟹 一竺 葛 口 霜 o n 一 窭 譬 童童 兰 兰 苎 !宣! 曾 霜 旮 2 型 二二 寸 t岬辛 8 n 8 g j 荟 荟善 荟 蓍 蓉 芎 n 一 一 n 一 h “ 一 n 一 “ 昌 8 88 g 一 hn 耍薹 gg 并匿 翠簌罾谁g峰戢右趔嚣鼷遐罄000+望，n懈 钗嵇单扑f匿扑、r侄婚 第二章连云港晦相软土现场测试分析 01 02 03 04 05 0 不捧水剪切沉降s u ( - - ) 图2 - 8k 2 1 + 2 0 0 路堤中心处s r s 。关系图 o51o152 02 53 03 5 不捧水剪切况降5 u ( _ t ) 图2 - 9k 2 6 + 0 0 0 路堤中心处s r s 。关系图 从表2 - 4 和表2 - 5 可以看出，在软土地基上直接修建高速公路，只要控制好施工速率，土体就不会 发生很大的剪切变形沉降。在上述施工速率( 见表2 4 和表2 - 5 中的路堤填高) 不排水剪切沉降s u 与固 结沉降s d 的比值，即s d s d 为o 0 1 - , 0 0 8 ，在总沉降中所占的比例比较小。 当然考虑到用测斜仪测试土体内部侧