（岩土工程专业论文）路堤堆载引起路基及相邻桩土侧向变形效应研究.pdf

摘要 摘要 在软土地区修建高等级公路，路基的变形与稳定是最突出的两大问 题。岩土工程师们不仅要关心路基本身的沉降变形，而且要十分关注路 基的侧向变形及引起相邻桩土侧向变形效应问题。在实际工程中，如高 速公路桥头，常常由于路堤堆载超载引起土层侧向位移，导致相邻桩基 产生水平偏位，从而引起桥梁等结构功能失效或引发事故。为此，本文 针对苏北沿海地区高速公路软土路基侧向变形效应问题，进行了相关的 研究与探讨，主要有以下几方面的工作： 一、首先进行了文献综述，总结现有的土体侧向变形分析理论、试 验成果和计算方法。分析了软土路基侧向变形效应主要影响因素及测试 技术问题。 二、简要介绍了软土模型及软土蠕变模型，通过室内真三轴试验， 研究苏北沿海地区典型的软土，掺入工业废料磷石膏及砂等组成的高速 公路路基置换土样的侧向变形参数及特性。 三、采用二维平面弹塑性有限元程序，对路堤堆载引起相邻桩土侧 向变形效应进行了较详细的分析，重点考虑了桩身几何条件、土层性质、 荷载、桩顶约束条件等影响因素。 四、列举了软土路基常用处理方法及减少侧向变形的实际效果，结 合有限元数值分析，重点探讨了不同的土层置换加固方法，对相邻桩土 侧向变形效应的影响。 五、最后结合苏北沿海某高速公路正在开展的侧向变形观测，提出 本课题需要进一步研究的问题。 关键词：土体侧移、有限元、桩基、真三轴试验、路堤堆载、数值分析 a b s t r a c t a b s t r a c t f o r b u i l d i n gh i g h w a y s i ns o f ts o i l a r e a s ，t h ed e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo f r o a d b e d sa r et h em o s ti m p o r t a n t g e o t e c h n i c a le n g i n e e r ss h o u l dp a ya t t e n t i o nt o n o to n l yt h es e t t l e m e n td e f o r m a t i o no ft h er o a d b e d ，b u ta l s ot h el a t e r a ld e f o r m a t i o n o ft h a ta n da d j a c e n tp i l e s s o i l i na c t u a lp r o j e c t s ，f o ri n s t a n c e ，t h e b r i d g e a p p r o a c h e so fh i g h w a y s ，t h er o a de m b a n k m e n t s o ft h a to v e r l o a d i n gc a u s et h es o i l l a y e r s l a t e r a ld i s p l a c e m e n t sa n da d j a c e n tf o u n d a t i o n s h o r i z o n t a ld e v i a t i o n s i t 1 1 l e a dt ot h ef a i l u r eo ft h es t r u c t u r e sa n dt r a f f i ca c c i d e n t s t h e r e f o r e ，t ot h el a t e r a l d e f o r m a t i o ne f f e c t so nt h eh i g h w a ys o f ts o i lr o a d b e d si nt h en o r t h j i a n g s u sc o a s t a l a r e a s ，i t sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , n o w a v a i l a b l et h e o r i e so fs o i ll a t e r a l d e f o r m a t i o n ，t e s tr e s u l t sa n d c a l c u l a t i n gw a y sa r es u m m a r i z e d t h ee f f e c tf a c t o r so ft h es o f ts o i lr o a d b e da n d t e s tt e c h n i q u e so ft h a ta r ea l s os t u d i e d s e c o n d l y , t h es o f t s o i lm o d e la n ds o f ts o i l s q u i r m i n gm o d e la r ei n t r o d u c e d c o n c i s e l y b yi n d o o rt r i - a x e st e s t s ，t h et y p i c a l s o f ts o i li nt h en o r t hj i a n g s u s c o a s t a la r e a s a n dm i x i n gi ti n t os a n d t h ei n d u s t r yd i s c a r d i n gp h o s p h o r u s - g y p s u m a s h i g h w a yr o a d b e d s r e p l a c e ds o i l ，t h e i r l a t e r a ld e f o r m a t i o n p a r a m e t e r s a n d c h a r a c t e r i s t i e sa r er e s e a r c h e d t h i r d l y , t or o a de m b a n k m e n th e a p e dl o a dc a u s i n ga d j a c e n tp i l e sa n ds o i l s d e f o r m a t i o n s ，a r ed i s c u s s e di nd e t a i lw i t ht h et w o d i m e n s i o n a le l a s t i c - p l a s t i cf i n i t e e l e m e n t sp r o c e d u r e t h eg e o m e t r i c a lc o n d i t i o n so fp i l e s ，t h eb e h a v i o ro fs o i l ， l o a d i n g sa n db i n d i n g c o n d i t i o n sa tt h et o po f p i l e sa r es t r e s s e d f o u r t h l y , l i s t i n gt h ec o n v e n t i o n a ld i s p o s a lw a y so ft h es o f ts o i la n dr e a lr e s u l t s o fr e d u c i n gt h el a t e r a ld e f o r m a t i o n s ，t h e nw i t ht h ef e m ，t h ed e f c r e n ts o i ll a y e r s e n f o r c e dw a y sa n dt h ee f f e c t so rt h ea d j a c e n tp i l e sa n ds o i la r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r f i n a l l y , c o m b i n i n gah i g h w a y sl a t e r a l d e f o r m a t i o ns u r v e y i n gi nt h en o r t h j i a n g s u ，s o m eq u e s t i o n st h a t s h o u l db ef u r t h e rs t u d i e da r e p r o v i d e di nt h et h e s i s k e yw o r d ：l a t e r a l s o i l m o v e m e n t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；p i l ef o u n d a t i o n ；t r u et r i a x i a l t e s t ；s u r c h a r g el o a d ；n u m e r r i c a ls i m u l a t i o n 2 河海火学硕上论文 第一章绪论 1 1 引言 盐城地处苏北沿海，近年来宁靖盐高速公路和新长铁路都过境兴建，2 0 0 3 年还同时 丌工建设盐通、盐淮和盐连三条高速公路。总里程全长5 0 0 多k m ，投资1 5 0 多亿元。由 于该地区广泛分布较深厚的海相、滨海相淤泥和淤泥质软土，具有高含水量、高压缩性、 低强度、低渗透性和高灵敏度等特点，地基稳定性差。软土路基的变形除了竖向沉降变形 外，还有侧向变形。因为一般路段的长宽比l b 1 0 ，属于平面应变问题，随着路基内竖 向应力、水平应力和剪应力的增加和塑性区的开展，地基土产生侧向位移，并在施工期和 运行期( 工后) 长期存在。地基土的侧向变形不仅导致路基沉降变形和降低路堤的稳定性， 还对邻近建( 构) 筑物产生水平荷载、水平位移甚至破坏。因此，探讨软土路基侧向变形 的研究方法和途径，从室内土工试验，测定反映土体侧向变形特征的参数：通过现场原位 测试，掌握软土路基宏观的侧向位移分布规律：提出适合本地区实际的限制路基侧向变形 的地基加固方法，对指导该地区及类似地区道路建设具有现实意义。 在软土地区修筑高等级公路，路基的变形和稳定是最突出的两大问题。高速公路、高 等级公路的设计车速高，路面平整性要求也高，因此，软土地基及路堤应注意监测施工过 程及工后的地基变形的动态，尤其是加强动态施工监测。 在施工期间，对软土路基稳定性的评价和控制，可采用对路基的竖向沉降、倒向变形， 甚至地基土中的孔隙水压力进行动态观测，根据观测结果对路基的稳定性进行评价。评价 方法通常有两种：一是根据地基土的沉降速率进行评价。许多工程中规定施工期间的地基 沉降速率不允许超过某一标准值，通常取1 0 m m d 。此外，也可根据实测沉降速率随时间 的变化情况进行判别，若实测的沉降速率随时间减小，则地基处于稳定状态；反之，则是 不稳定的。二是根据路基侧向位移进行评价。 在路堤堆载作用下或侧向土体位移作用下( 如滑坡) ，土体不仅产生侧向变形对邻近 桩基施加水平推力，而且沉降会在桩身产生负摩阻力，在这样条件下，土体和桩基的变形 是一个长期的时间过程。当前对这一问题研究较少，主要原因为：土体在堆载作用下， 人们往往低估，甚至于忽略了工后侧向位移效应和工后沉降效应：在软土地基中土体的 蠕变效应问题由于理论较难，使工程技术人员在理论分析中不予以考虑。但对于港口、桥 梁、工业厂房等使用年限长久的构筑物，桩基较大的侧向位移和不均匀沉降常常引起上部 结构偏位、开裂、破坏。由软土蠕变、固结等长期效应而产生的变形虽然在总变形量中相 第一章绪论 对较小，但对桩基和上部结构的稳定性影响却不可小觑。 1 2 软土路基侧向变形研究方法与途径 一、士体侧向变形特性的室内试验研究 要研究地基的宏观侧向位移，首先必需研究反映土体变形特征的参数、弹性模量和泊 松比等，其中泊松比是反映土体侧向变形的重要参数。 ( 一) 常规三轴试验确定泊松比v 土体常规三轴试验是在保持o ，不变的情况下，加 轴向应力( i t 。一c r 3 ) ，只在一个方向上施加应力增量， 而其它方向无应力增量盯：= ，测出轴向应变g 。和 体积应变占，又可推出侧向膨胀应变，和泊松比v ： 0 = g ，一毛) 2 。：一生；旦 。8 。 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 图1 - l 屯，关系曲线 常规三轴试验由于是轴对称条件，反映侧向变形的泊松比v 的物理意义只有一个，即 切线泊松比见图1 1 。o ：和o 。方向侧向变形大小相同，实际上未考虑中主应力o 。的影响。 ( 二) 真三轴试验考虑泊松比v 的各向异性特性 真三轴试验能比较真实的反映三维主应力空间的侧向变形，用它可以研究和揭示特定 应力路径下土体特性模量和泊松比的变化规律。徐志伟等人研究了围压增大条件下淤泥土 侧向变形的特征。试验应力路径为a ( 1 0 0 、i 0 0 、i 0 0 ) 点在主应力空间中对应的应力状 态为排水固结，o 。= 0f0 ，= l o o k p 。：b ( 1 0 0 ，1 6 5 ，2 0 0 ) 点的应力状态为保持o 。= l o o k p 。 不变，分别增加o 、o ：到2 0 0 k p a 和1 6 5 k p a 固结，然后始终保持o 、o 。不变，增加0 a 到c ( 1 6 5 、1 6 5 、2 0 0 ) 点，并探讨了泊松比以b 点为初始应力状态增加。后b c 段的结 果。试验结果表明：增加o 。引起o 、o 。方向的膨胀量也不同，如仍沿用切线泊松比的定 义，则存在两个泊松比，见图1 2 、图1 3 。 即：v 1 3 = 一d e l d e 3 ( 1 - 3 ) v ，、= 一如2 如3 ( 1 - 4 ) 河海大学硕= e 论文 孳 畸 j 。 ， l -l -i ! 。 - i , 1 3 譬- i 1 0 t o - l0 1 10 j - l0 1 0 仰 乱n ， 尹o “ d 峙 0 1 ， ， 1 o o2 口3 o 。 6 ： 图1 - 2 s l 、”13 毛关系曲线图1 - 3 岛、v 2 3 岛关系曲线 v 。、v ，。的变化规律反映了增加o 。后，o 和o 。方向膨胀变形以及加荷历史和不 同初始应力状态所造成的各向异性特点，加载历史或应力路径产生的各向异性是影响侧向 变形的重要因素之一。 ( 三) 反映侧向变形泊松比的确定方法讨论 目前，邓肯张模型尽管存在诸多局限性( 如不能反映中主应力的影响，也不能考虑土 体的剪胀性等) ，但仍然是最简单而实用的模型，修正和完善一些实际工程中的应力路径 很有实际意义，真三轴试验可以弥补常规三轴试验的不足。要系统研究三维主应力空间中 土体的弹性模量和泊松比的变化规律，需要对不同的o 。、o 。和o 。在o 。、o 。之间的变化 进行大量的试验，并对试验数据进行拟合，拟合结果应依据均方差之和，置信度等来优化 选择。寻求最佳数值拟合方法，也是研究反映土体侧向变形参数泊松比的重要问题之一。 二、软土路基侧向变形的现场试验研究 软土路基的侧向位移是一定范围内软土体侧向变形的宏观表现，它的影响因素是复杂 而综合的。如地层结构、地基的非弹性应力应变特征、地基土的透水性、填土的几何形 状、软土的先期固结压力、荷载的应力水平、填土宽度与软土厚度的比值、填土速率和次 序等。我们通常用测斜仪和边桩等，检测路基侧向位移的影响范围( 深度和宽度) 及最大 水平位移的大小和发生位置，以及侧向位移发生阶段( 施工期和运行期) 的变化情况。表 1 1 为国内软土地区几条高等级公路经地基处理后峻工时最大水平位移的测试结果。 第一章绪论 表卜1 软土路基实测展大水平位移 排水板( 1 0 0 1 5 ) 沪宁(8)lo0241 超载2 m 土层 沪宁( 9 )1 5 0 2 7 3 排水板( 1 0 0 15 ) 杭甬( 2 2 )1 6 0 2 6 6 袋装砂井( 1 9 0 1 5 ) 杭甬( 2 3 )1 6 0 2 6 6 排水板( 1 8 0 l5 ) 广佛(37)451，45 袋装砂井( 1 1 o t 0 ) 新墟(63)8016 砂井( 1 5 0 1 o ) 6 1 2 6 80 2 6 6 o l 2 6 5 8 8 2 6 7 ，l 2 5 5 0 1 4 7 0 8 1 9 69 9 5 7 4 5 7 7 5 2 4 6 9 43 1 6 0 9 n0 8 o 实测结果还表明：软土地基侧向位移不仅在施工期存在，在运行期( 7 - 后) 还将长期 存在。 图l 一4 为某试验路堤侧向变形曲线，出图1 4 可见，在软土的固结过程中。侧向变形 也逐渐增大。在高应力水平条件下，地基侧向位移长期发展应是软基堤坝失稳破坏的宏观 表现。这样的工程事例很多，如苏北徐连东段铁路竣工5 年后最大侧向位移仍达到 0 0 5 m m d 。一般来说坡脚侧向位移大于路肩处，而最大侧向位移发生的深度与地层结构、 软土厚度和固结过程等有关。因此对于复杂的软土地基必需通过现场观测才能了解土层侧 向位移发生条件和发展规律。 三、考虑土体侧向变形的地基沉降计算理论研究 侧向变形是引起沉降的重要因素，然而目前路基设计中常用的沉降计算方法和为提供 设计参数的试验方法都是建立在太沙基单向固结理论基础上，不能反映侧向变形的影 响。从上世纪5 0 年代，随着人们对地基土复杂性的认识及现代工程对设计质量要求的 提高，提出了考虑在三向应力状态下对一维固结下的沉降进行修正的计算方法以及模拟 实际变形情况的应力路径等。如现行地基基础规范考虑的沉降经验修正系数，其大小随 着荷载增大而增大，在一定程度上体现了侧向变形的影响。因为荷载越大，侧向变形就 越大。这种规定取决于地区的经验，有待于理论的发展。 0 0 8 0 5 o 加 善3 他 篮 m 河海大学硕士论文 以l a n b e 等人为代表提出了应力路 径法。在考虑土的剪切变形、非线 性特征以及土层间的相互作用情况 下，s k e m p t o n b j e r r e m 认为土在 三向应力状态下，既可能产生侧向 膨胀，又可能产生侧向压缩，因此， 他们提出了不排水三轴应力条件下 所涉及到的三维孔隙水压力计算最 终沉降量的方法。 5 餐 幽1 4 某试验堤侧向变形曲线 ( 括号中数字为填土结束后天数) s = c p s ( 1 5 ) 式中 c 。= a + a ( 1 一) ，a 为孔隙压力系数，变化予0 。5 1 0 ，a 为系数， 口= 祭盯s 以，弘。宓。， 加拿大和法国学者也提出了考虑地基土剪切变形的修正的分层总和法。我国学者黄 文熙教授在没有考虑土的非线性特征的前提下，提出了考虑在三向应力有限侧膨胀条件 下的分层总和法： s = 警h ( 1 - 7 ) l + 囟 式中，尼= 击卜+ d 号一yj ，v 为泊松比，肚吸+ 每+ 呸 2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机、有限元及差分法应用技术的发展，土中一点在 表面荷载作用下的非线性应力、应变关系可以编制成有限元计算程序，在选择适当的土 体本构关系基础上，通过计算机计算，可以得到较准确解。这种数值分析方法可以较全 面的考虑土的变形特性和极其复杂的边界条件及加载方式，在理论上较为严密。因为有 限元法可将地基视为二维问题，考虑其侧向变形影响，用非线性本构模型( 如邓肯一张 双曲线模型) 考虑土体应力应变非线性特征，根据应力大小采用变化的弹性模量计算公 式，还可以模拟施工加荷过程，引入考虑水平渗透的二维比奥固结理论等。但此方法的 计算工作量及确定计算参数所需的试验工作量大，对实验设备和实验技术要求也较高， 因此，目前只能用于重要工程和重点地段的计算分析与研究。 第一章绪论 1 。3 软土地基侧向变形问题研究的意义 一、地面堆载附近的桩基，或路堤旁建筑物的桩基，由于堆载引起地基土侧向移动， 可能对桩基施加巨大的水平荷载( h e y m a n ，1 9 6 5 、杨敏等，2 0 0 2 ) ，故在堆载或路堤建造 前，必须对侧向土压力在桩中引起的弯矩进行准确计算，以判断是否需要采取防范措施。 此外，由于桥头路基的影响，桥台桩基及邻近桥头桥梁桩基也存在同样问题( s t e w a r t 。d p e ta 1 1 9 9 2 ，1 9 9 4 、c a r t e r ，1 9 8 2 、h u l l m c d o n a l d ，1 9 9 2 ) 。 二、 人们常利用桩的侧向承载能力来加固边坡，增加边坡的稳定性，这类桩称为 抗滑桩，属于典型的被动桩，在全世界得到广泛应用。k a t t e z i o t i se ta l ( 1 9 9 3 ) 采用了 5 0 根排成双排成功地加固了一不稳定的土坡。p o u l o s ( 1 9 9 5 ) 、c h e n t h o m a s ( 1 9 9 9 ) 等等都进行过类似的工程实践。在我国，每年旌工的抗滑桩超过上万根，投资达数亿元( 王 化卿，1 9 9 6 ) 。在设计抗滑桩时，需要根据土坡的稳定状况确定抗滑桩的桩距、桩径、加 固位置、加固桩排数，在验算土坡加固后的稳定性时还要验算土坡中桩的稳定性。由于问 题的复杂性，到目前为止，尚未形成为人们普遍接受的用于土坡抗滑桩设计的确定性方法 ( h u l l p o u l o s 1 9 9 9 ) ，因此，容易产生抗滑桩设计不当的问题，造成花费过大或达不 到应有的加固效果。在岩石边坡和易坍塌的土体中也有许多应用的实例( e s c a r i oe ta 1 ， 1 9 8 9 ) 。 三、基坑开挖或隧道开挖盾构推进条件下相邻的桩基。此类工程引起的桩的挠曲 变形甚至毁坏不容忽视。为减少桩的侧向变形，开挖一般是分段分层进行。倘若一次开挖 深度过大，土体产生的水平位移会使桩产生挠曲，形成被动曲桩。由于曲桩承载力比直桩 要低，严重时会危及建筑物的安全。f i n n oe ta l ( 1 9 9 1 ) 就报道了一个基坑开挖工程实 例，基坑1 7 7 m 深，土层主要为砂性土，尽管采用型钢、桩长2 1 0 m 的拉锚支护排桩支护， 但到支护结构开始拆除( 支护桩抽回再利用) ，工程桩桩项的侧向位移仍然达到6 4 e m 。l e e e ta 1 ( 1 9 9 4 ) 报道了一个隧道开挖的实际，伦敦a n g e l 地铁车站位于一幢七层的楼房桩 基和另一幢二层建筑物的基础间，隧道开挖采用盾构推进，隧道纵向中心线离最近的建筑 物桩基约5 7 m ，当隧道开挖完毕之后。有些邻近的桩基已向隧道方向侧向位移了1 0 o m m 左右。n l o g a n a t h a n p o u l o s ( 2 0 0 1 ) ，c h e n p o u l o s ( 1 9 9 9 ) 等等许多学者做过类似 的研究。 大量兴建的港口、桥梁、工业厂房等由于没有重视桩基负摩阻力问题和堆载超载问题， 在运营过程中，事故频频。 河海大学坝士论文 1 9 9 8 年上海菜钢铁集团公司7 - 业i - 房屋顶系统的坍塌就是当时发生的一重大工程事 故。该厂房由r 本工程师设计，多以r 方厂房为样板，对特殊的软土地基在设计选型和局 部构造处理未进行较为完善的考虑，经过十多年来的生产运作和生产负荷一再扩大，在地 基处理和厂房结构设计方面的缺陷同益突现，部分厂房行车频繁啃轨。1 9 9 8 年1 月建造十 多年的该厂房屋盖系统突然坍塌。而且该集团公司的其它厂房也存在类似事故的危险( 杨 敏等，2 0 0 2 ) 。东南沿海某港口一石板材料堆放仓库，软土固结产生的负摩阻力和水平推 力使桩基发生变位，上部结构受到严重损坏，仓库未投入使用就需加固。 鄂北某厂的硫酸原料车间南区为单跨排架结构，钻孔灌注桩基础，该仓库于1 9 9 0 年建 成，大面积堆载作用下，此后基础沉降较大且不均匀，立柱倾斜，最大沉降量达1 5 0 m m ， 立柱顶最大水平位移9 4 m m ，最大水平位移差1 3 2 m m ，导致桁车轨道变形，桁车无法正常运 行。该车间立桩倾斜的根本原因就是大面积堆载( 李旭照与郑俊杰，2 0 0 0 ) 。 1 4 本文所做的工作 综上所述，在软土地区修建高等级公路，路基的变形与稳定是最突出的两大问题。岩 土工程师们不仅要关心路基本身的沉降变形，而且要十分关注路基的侧向变形及引起相邻 桩土侧向变形效应问题。在实际工程中，如高速公路桥头，常常由于路堤堆载超载引起土 层侧向位移，导致相邻桩基产生水平偏位，从而引起桥梁等结构功能失效或引发事故。为 此，本文针对苏北沿海地区高速公路软土路基侧向变形效应问题，进行了相关的研究与探 讨，主要有以下几方面的工作： 一、首先进行了文献综述，总结现有的土体侧向变形分析理论、试验成果和计算方法。 分析了软土路基侧向变形效应主要影响因素及测试技术问题。 二、简要介绍了软土模型及软土蠕变模型，通过室内真三轴试验，研究苏北沿海地区 典型的软土，掺入工业废料磷石膏及砂等组成的高速公路路基置换土样的侧向变形参数及 特性。 三、采用二维平面弹塑性有限元程序，对路堤堆载引起相邻桩土侧向变形效应进行了 较详细的分析，重点考虑了桩身几何条件、土层性质、荷载、桩顶约束条件等影响因素。 四、列举了软土路基常用处理方法及减少侧向变形的实际效果，结合有限元数值分析， 重点探讨了不同的土层置换加固方法，对相邻桩土侧向变形效应的影响。 第一章绪论 五、最后结合苏北沿海某高速公路正在开展的侧向变形观测，提出本课题需要进一步 研究的问题。 河海大学硕士论义 第二章软土路基侧向变形主要影响因素及测试技术分析 软土地基侧向变形的大小直接影响着地基的沉降与稳定。大量的工程实践表明，在软 土地基沉降的不同阶段( 瞬时变形、固结变形与次固结变形) 都存在侧向变形。本章简要 分析软土路基侧向变形主要影响因素及测试技术有关问题。 2 1 荷载应力水平的影响 所谓应力水平是指外加荷载与土体所能承受的极限荷载的比值。对软土路基而苦，应 力水平与稳定安全系数有相同的含义。国外曾对路基安全系数与地基侧向变形的关系做过 研究，其成果见表2 一l 。 表2 - 1 安全系数与侧向变形关系表 实测结果还表明；侧向变形不仅在瞬时变形阶段存在，而且在固结变形的整个过程中 长期存在。在外加荷载的瞬时，饱和软土中孔隙水来不及排出，此时土体只发生形变而没 有体变，此时的侧向变形可按弹性变形计算。d a p p o l l o n i a ( 1 9 7 1 ) 指出，当软土表面作用 有局部荷载时，外荷的应力水平愈高，则按弹性变形计算误差越大，必须进行修正。法国 路桥研究所在c u b z a c 曾填筑试验路堤进行长期观测。软土厚约8 5 m 、天然含水量在1 0 0 左右、天然孔隙比大于2 0 ，试验路堤高2 3 m ，堤的安全系数约为1 5 。观测结果表明， 在软土的固结过程中，侧向变形也逐渐增大( 见图2 - 1 ) 。因此，在高应力水平下，会使 土体的竖向沉降由于不断发展的侧向变形而增大。 2 2 应力路径的影响 用三轴仪试验研究应力路径对侧向变形的影响。( 1 ) 若先在盯：= 仃；下固结，再加上 第二章软_ 十路基侧向变形主要影响因素发测试技术分析 各向相等的应力盯，排水 固结，其应力路径如图2 2 中的 e f 线，则所产生的应变是各向 相等的。( 2 ) 若为无侧向变形 固结，盯；= k o o ：，加荷载增量 时，, c a r _ , 5 0 - ，a o ；= k o a c t ， 应力路径如图2 2 中a c 线所 示。则只有竖向应变，没有侧 向变形。( 3 ) 若a o ：= a o ， 一 1 a o ；= 0 即a q = 亡盯，如图 二 2 2 中a b 线，则侧向为膨 胀应变。( 4 ) 若a o 扛a c t ， 目 啬 划 醛 侧向变形y c m 024681 01 2 j陲 、( o )：。j1 1 4 4 ) ( 枷) j， 彭 一一一 够9 图2 - 1 某试验路堤侧向变形曲线 llillli【 l 二_ j l l 二一l b c db i + i k o c r ( a ) ；( b ) ( d ) 、( e ) 、( f ) ；( d ) 和( e ) 通过设置横向或竖向增强体限制侧向变形，从而减小沉降，增加稳定性。图2 - 4 ( d ) 通过在 堤的底部铺设土工格栅或土工布，作为加筋体，加筋体通过给土作用摩阻力限制了地基的 侧向变形。图中画出了水平位移线沿堤坡脚下竖向面上分布。虚线表示不加筋的情况，侧 向位移较大；实线表示加筋后的情况，显然它小于前者。图2 - 4 ( e ) 通过在路基中设置碎石 桩、砂桩、水泥土搅拌桩、粉喷桩、石灰桩、c f g 桩等，形成桩体与桩间土共同分担上 部荷载并协调变形的复合地基，显然桩体的存在，承担了大部分荷载，而桩间土上应力相 应减小，从而减小了侧向变形。图2 - 4 ( f ) 采用设置镇压平台或放缓边坡，也可以减小侧向 以j ? ? 皿，7 。 ( a ) 图2 - 4 几种不同路基侧向约束情况 ( f ) 小了侧向变形。图2 - 4 ( d 采用设置镇压平台成放缓边坡，也可以减小侧向变形；当荷载达 到一定值后，护道发挥约束作用，而用护道条件下的侧向变形( 图中实线) 小于放缓边坡 的( 图中虚线) 。 2 4 土层分布及土的性质的影响 一般软土可分为正常固结和超固结状态。对于超固结土存在一先期固结压力p c ，只 彗二蔫生软土路基蜊向变形主要影响因素及测试技术分析 有当外荷载超过p c 后，土转入正常压密状态，侧向变形才趋明显。图2 - 5 为某试验堤侧 向变形曲线，该地基软土为超压密软土， 进入了 正常压密状态，而下部土层仍处于 超固结状态。因此，侧向变形的发展 主要发生在地基的上部5 ，o m ，而下部 侧向变形很小。 至于土的性质，按弹性理论分析 影响侧向变形的指标就是泊松比v ： 根据土的三轴试验资料，在应力水平 在3 3 5 m 填土荷载下，地基上部5 0m 范围的土 添 面 爹 窆窆； 纱 镰 镕 l 图2 - 5 某试验堤侧向变形曲线 较低时，y 较低，应力水平增大、v 也增大。真三轴试验能比较真实的反映泊松比的各向 异性特性等。 2 5 软土路基内部侧向位移测量及存在的问题 一、土体侧向位移测量原理 软土路基内部侧向位移是测量软土体在不同深度上的水平位移，通常采用测斜仪测 量。测斜仪由测斜管、测斜探头、数字式测读仪三部分组成。测斜仪的原理是通过摆锤受 重力作用来测量测斜探头轴线与铅垂线之间的倾角p ，进而计算垂直位置各点的水平位移 的。它假定当土体产生位移时，埋入土体中的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移量即 为土体的位移量。当测斜管埋得足够深时，管底可认为是位移不动点，从管底上数第n 量测段处测斜管的水平位移为： 占= s i t l 妒， ( 2 - 1 ) j i 式中：l 第i 量测段的长度，通常取o ，5 m ； 驴第i 量测段的倾角。 实际测量时，将测斜仪探头沿管内导槽插入测斜管内，缓慢下滑，按取定的间距工逐 段测定各量测段处的测斜管与铅直线的倾角，就能得到土体不同深度的侧向位移。 二、问题分析 实际工程中，用测斜仪原理监测方法监测软土路基侧向位移，由于客观因素的影响往 往不能真实反映土体的水平位移。因为： ( 1 ) 测斜管管材与软土刚度的差异 测斜管一般有塑料( p v c ) 和铝合 金材料制成，管长分别为2 m 和4 m 两种 规格，管段之间由外包接头管连接，管 内对称分布有4 条十字型凹型导 槽，管径有6 0 ，7 0 ，9 0 m m ：为 5 8 m m 等多种不同规格。显然 测斜管的刚度远大于饱和软土， 测 斜 i 1 2 管 如l 图2 6 测斜管与土的位移示意图 1 一测斜管位移曲线2 一士位移曲线 刚度的差异使土体与测斜管的位移并不同步，软土的水平位移大于测斜管的水平位移，因 为饱和软土在某些情况下甚至可以呈现流体性质。 ( 2 ) 土层分布及测斜管受到的约束不同 苏北沿海软土地区土层分布一般上部有2 m 左右的硬壳层，其下分布1 0 m - 2 0 m 左右 的软土层。因此，在路堤荷载作用下，测斜管的上部和底部均受到约束相对固定，只有中 间部分约束小。测斜管在软土的侧向流动挤压作用下，相当于被动受荷，管前与管后均受 土压力作用，随着变形的发展，管体产生抵抗变形的反力，变形越大，反力也越大，当反 力大到可以抵抗土的流动阻力时，测斜管不再发生变形。 以上定性分析表明，测斜管的侧向变形只能大致反映软土侧向位移的变化趋势，而不 能反映软土侧向位移的全部情况，测斜仪的观测值与实际土体位移的误差可能很大。由于 实测资料的缺乏，这种误差的定量分析还存在困难。测斜仪观测值偏小的误导使岩土工程 师对软土路基侧向位移的观测研究重视不够。 2 6 路堤荷载下测斜管与土体相互作用模型分析 一、路堤荷载 路堤荷载属于柔性堆载，对路基施加的荷载近似等于堆载自重。根据圣维南原理，堆 载的刚度、坡度和底部粗糙程度对土体侧向变形的影响主要集中在浅部土层。试验表明荷 载作用下均质软土地基的最大侧向位移一般发生在软土厚度0 2 0 3 倍深度处。因此， 可将路堤荷载简化为土体表面超载。 第童软土路基侧向变形主要影响凼素及测试技术分析 二、测斜管受荷分析 假设土体由于堆载产生的实际侧移为瓯，当设置 测斜管后，管与土共同变形，此时测斜管的侧向位移 为y ，则在测斜管设置前后的相对位移为a = 民一y ， 见图2 - 6 。随着测斜管的位移，作用在管上的压力不 断减小。 q 。= 盯p 。) 一仃) ( 2 2 ) 假设测斜管与土体之间的相互作用符合线性 关系，则图2 7 路堤荷载引起测斜管受力示意图 q 。= k o ( 8 0 y ) = 七。占。一也y ( 2 3 ) 式中：q 。为土体对管体施加的水平作用力；吒为管土之问的弹性系数。见图2 7 所示。 要确定在路堤荷载作用下土体的实际位移玩，目前，无论是布辛奈斯克解还是有限 元分析都有困难。根据( 2 - 3 ) 式，t 。民可认为是管前土体作用在管上的初始压力q 。，即 管不发生变形时，土体对管施加的水平推力。 根据弹性力学理论，对地面集中荷载 引起地层某深度处的水平应力进行积分， 可以得到水平附加应力吒民，由于盯p 。) 表示管体没有侧向位移时，管体的侧向 土压力，此时可将管体视为水平位移为 零的位移边界，将侧向土压力的计算转 换为空间轴对称的弹性力学求解。 见图2 - 8 所示。 g 。：。j 。：三旦( 一s i n c 。s 2 口) t 、港 qr 一 图2 - 8 路堤荷载引起的侧向土压力q 。分析 ( 2 4 ) 式中：口为计算点到条形荷载中心的连线与法线之问的夹角；为条形荷载起、终点与计 算点连线之间夹角。 测斜管在土体位移作用下发生变形，管后土体对管体施加被动土压力： q 。= 仃( y ) = y ( 2 5 ) 式中：吒为地基系数，按m 法计算或反演分析。 1 4 翌塑查兰堡望兰 三、测斜管侧向位移简析 假定测斜管为半无限大均质弹性体中的细长杆，其侧向位移符合温克尔假定，水平基 床系数k 。沿深度为常数，不考虑管侧摩阻力影响，即管身无轴力。 此时，由以上分析管身基本方程为： d 4 1 ， e p ，二* + k ，, d y = k hd 氏 ( 2 - 6 ) “z 式中：e ，、，分别为管身的弹性模量和惯性矩，y 为管身厚度，z 为深度，k 。为地基土 水平基床系数，万为测斜管的有效宽度，万= d 万4 ，d 为测斜管的外径。 该方程的求解可以用有限差分法，将管身划分为若干单元或分段，对各个单元的划分 点以差分格式近似代替管身的弹性曲线微分方程中的导数 式，可将上式微分方程转变成一组代数差分方程组求解。 此外，也可用改进弹性地基梁( 见图2 - 9 ) 的有限元解法，包括将测斜管作为弹性地基 梁，用两节点单元进行离散；确定单元形 函数，单元位移函数满足边界条件和单元 连续性条件的h e r m i t e 插值函数；建立 单元能量公式，。采用最小势能原理推导出整体平衡方程： 医】 w = f ( 2 7 ) 式中：k 】为整体剐度； w ) 为位移向量；护) 为节点荷载向量。 t p p n ，| ，f 一 一? p b t t ， 一 、h 、n 、i ? 一 一 。t 1 一一 n n 图2 - 9 改进弹性地基梁模型 本章小结 本章主要分析了两方面的问题，一是根据前人研究和实测结果，总结了荷载应力水平、 应力路径、土层分布及土的性质等影响路基侧向变形的主要因素；二是分析了目前工程上 软土路基内部侧向位移测试原理及存在的问题，简要地介绍了路堤荷载下测斜管与土体相 互作用的模型分析，为后面分析路堤堆载引起桩土相互作用效应建立初步数值方法基础。 兰三兰一! 型塑奎垄塑生蔓墨皇堕蔓墼坌堑 第三章土体侧向变形的计算及室内试验分析 3 1 概述 侧向变形不像沉降那样有简单的方法可以计算，它不能作为一维问题来处理，须用二三 维的计算方法。忽略许多复杂因素，假定地基为均质弹性体用弹性理论来求解，是一种近似 方法，采用有限元法数值解可更加接近于实际。不管什么方法，侧向变形的状况都可以从应 力应变关系矩阵上来分析。 应力应变关系式可表示为 展开来写为 p = 【c 】扫) c l lc ”c t 3c 1 4c i jc 1 6 c2 1c2 2c 2 3 c 2 4 c2 5c2 6 c3 1 c 雏c3 3 c3 4 口3 sc 外 c4 1c4 2c4 3c4 4c4 5 c 6 c 5 1c 让c5 3 c5 4 c c “ c 6 1 c6 2c 6 3c “c6 5c “ ( 3 1 a ) ( 3 - 2 b ) 若应力状态) = 【0 , 1 ，0 ，0 ，0 ，o 】r 则q = q ：，q = c ：，吒= c 3 2 ，。由此可见， 柔度矩阵c 中的元素为在，方向作用单位应力，在f 方向所产生的应变，根据 变形的性质，可将矩阵 c 】中的元素分为几种类型，示于表3 - 1 。 表3 - 1 矩阵 c 中元素的性质 变形性质c 元素 压缩( 膨胀) 变形 q i ，c 2 2 ，c 3 3 侧向变形 c 1 2 ，c 2 c 2 3 c 3 2 c 1 3 c 3 】 剪切变形 c 4 4 c 4 5 c 4 6 c 5 4 c 5 5 c 5 6 c 6 4 c 6 5 c 6 6 剪胀( 缩) 变形 c 1 4 c 1 5 c l f i c 2 4 c 2 s c 2 6 c 3 4 c 3 5 c 3 6 正应力引起的剪发变 c 4 t c s c 刚c 4 2 c 5 2 c 6 2 c 4 3 c s 3 c 6 3 今分析侧向变形所对应的那些元素。按弹性理论，泊松比的意义为 河海大学硕士论文 。：二量：二立：! 量：! 量：二红：二鱼 c i lc 2 2c 2 2c 3 3c l l c 3 3 而c 1 1 ，c 2 2 ，c ，3 总是正值，故c 1 2 ，c 1 3 ，c 2 3 等必为负值。 按弹塑性模型理论【c 】_ 【c8 + 【c 一】 f o f f 缈 1 对于相关联的流动法则 f c 一1 ：上翌且兰至二l ( 3 2 )。 4 与侧向变形相应的元素为c f = j l 面o f 瓦o ( i j ，i 0 ，它意味 着在j 方向加压应力时，在i 方向产生的侧向应变也是压缩的。这与弹性理论是不一致的。 究竟哪一种模型理论在侧向变形问题上更合理昵? 这就要作进一步的分析。 根据通常经验以及大量的实验，在某一方向对土体旌加压应力后，其侧向总是膨胀的。 但确有某些特殊情况，侧向变形也为压。殷宗泽等在作真三轴试验时曾发现，当仃，接近于仉， 而c r 3 相当小时，在o - ，方向增加仃，s ：为压缩。这是因为在盯。增加时，仃，方向膨胀，也打 破了c r 3 和盯：之间的相对稳定，使盯：有可能乘势将土体向吧方向挤压，引起盯：方向的压缩。 这需要盯。和c r 3 之间本来就存在较大差异。这种属于特殊情况。弹性本构模型不能反映这种 特殊情况，但弹塑性模型又将这种特殊情况扩大为普遍情况，也是不合理的。上述分析表明， 两种类型的本构模型在反映侧向变形这个问题上各自都存在问题。 3 2 软土模型及软土蠕变模型 一、软土模型( s o f t - s o i lm o d e l ，n e h e r 、w e h n e r t & b o n n i e r ，2 0 0 1 ) 近年来，越来越多的建筑物与路堤建在软弱地基上。在软土下作者们考虑最多的是正常 固结粘土，粘质淤泥和炭泥土。这些土层的最大的特点就是它们的高压缩性。j a n b u ( 1 9 8 5 ) 指出在竖向固结压力为1 0 0 k p a 时正常固结粘土固结试验所得到侧限压缩模量为e 。，= 1n 3 m p a ，对于正常固结砂，他得到的相应模量为1 0 至1 5 0 m p a 因此，在固结试验中正常固结砂 土比正常固结粘土要硬上十倍。 一一兰三里圭堡型堕銮墅箜生塞垦皇生鲨壁坌堑 软士的另一个特征就是固结试验中应力与侧限压缩模量的关系，当我们画出应力与变形 模量关系曲线时，就会得到e 。= ；关系式，这一特征即为众所周知的对数压缩曲线 州。“m ( 3 3 ) 其中，无论是应力还是应变，都以压缩为