（岩土工程专业论文）高速公路地基处理过渡段沉降监测与计算方法研究.pdf

摘要 摘要 高速公路不同软基处理方式交接处容易出现差异沉降及沉降坡差超标的问题，这 既会影响到地基的稳定性，更会影响到行车的安全与舒适，因此有必要设置软基处 理过渡段，以通过差异沉降的逐步过渡而解决上述问题。目前该问题的理论研究工 作远远落后于工程实践，工程现场的过渡段软基处理方式合适与否尚需理论上的进 一步研究及实践的检验，因此本文借助p l a x i s 有限元程序结合工程现场的实测沉降 数据对该问题作了些探讨。本文主要做了以下几方面的工作： 1 1 介绍了软土地区高速公路的监测项目，并据此提出了软基处理过渡段沉降观测 仪器的布置方式； 2 ) 运用p l a x i s 有限元程序分别计算吉布森地基模型上作用条形荷载时的沉降及高 速公路地基沉降，将计算结果分别与吉布森提出的解析解公式得到的精确解及实测 结果相比较，得出p l a x i s 有限元程序适用于地基沉降计算的结论；其中，p l a x i s 程序 所需的计算参数来源于地质勘察报告； 3 1 根据公路沥青路面设计规范和总结前人的研究成果，提出了高速公路差异 沉降及沉降坡差允许值的建议值； 4 1 通过p l a x i s 有限元程序计算结果与现场实测沉降的比较，得出某高速公路两种 软基处理方式的沉降差已远远超过差异沉降的允许值，需要设置软基处理过渡段的 结论； 5 ) 在运用p l a x i s 有限元程序计算上述过渡段在原设计软基处理方式下的沉降量 时，由于过渡段的桩长沿路基纵向在不断地变化，从而采用了等效桩长的方法，计 算出了过渡段某断面的沉降量，之后将其与理论要求的沉降量作对比，得出该过渡 段原设计软基处理方式需要作小幅度修正的结论，并提出了修正后的过渡段软基处 理方式。 关键词：过渡段沉降监测差异沉降沉降坡差有限元等效桩长 a b s t r a c r a b s t r a c t t h es u p e r h i g h w a yr o a d b e da s s o c i a t ew i t hd i f f e r e n tt r e a t m e n to f s o f if o u n d a t i o ni se a s y t oe m e r g es o m ep r o b l e m s ，t h e s ep r o b l e m si n c l u d et h eo v e r r u no f i n c o n s i s t e n ts e t t l e m e n t a n dg r a d e t h e s en o to n l ya f f e c tt h es t a b i l i z a t i o no f f o u n d a t i o n ，b u ta l s oa f f e c tt h es a f e t y a n dc o m f o r to f t r a v e l l i n g s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g nt r a n s i t i o n a lb e l tt od e c l i n e i n c o n s i s t e n ts e t t l e m e n ts t e p - - b y - - s t e p ，a n ds o l v et h e s ep r o b l e m sa tl a s t i nr e c e n ty e a r s ， t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f t h e s ep r o b l e m sh a v e b e e nb e h i n de n g i n e e r i n g p r a c t i c e 1 1 坞 t r e a t m e n to f s o f if o u n d a t i o ni nt r a n s i t i o n a lb e l ti sr i g h to rn o l t h a tm u s tb ed e t e r m i n e d b y m o r et h e o r e t i cr e s e a r c ha n dm e a s u r e s o1w o u l dl i k et op r o b ei n t ot h i sp r o b l e mi nt h i s a r t i c l ew i t ht h eh e l po f f e m p r o g r a mp i a x i sa n dd a t af r o mm e a s u r e m e n t 。n l cm a i nw o r k s i 矗n i s h e da r el i s t e da sf o l l o w s 1 ) i n t r o d u c em o n i t o r i n gi t e m si ns u p e r h i g h w a yo f s o rl a n da r e a s ，t h e np u tf o r w a r dt h e p o s i t i o no f m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sf o rm e a s u r i n gs e t t l e m e n ti nt r a n s i t i o n a lb e r ； 2 ) c a l e u i a t et h es e t t l e m e n to f t h eg i b s o ns o i lu n d e rt h ec r n s s b a n dl o a da n dt h e s u p e r h i g h w a ys e p a r a t e l yw i m t h eh e l po f p l a x i s ，t h e nc o m p a r et h er e s u l to f c a l c u l a t i o n w i t ht h er e s u l to f g i b s o nf o r m u l aa n dm e a s u r e m e n t ，a tl a s tw eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a ti s p l a x i s i ss u i t a b l e f o r t h ec a l c u l a t i o n o f s e t t l e m e n t i na d d i t i o n ，c o m p u t i n g d a t a o f p l a x i s c o m ef r o mr e c o n n a i s s a n c er e p o r t 3 1w i t l lt h eh e l po f s p e c i f i c a t i o n sf o rd i g no fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t a n do t h e r a c a d e m i c i a n s t h e o r y ，ip u tf o r w a r dt h es u g g e s t i o nd a t ao fi n c o n s i s t e n ts e t t l e m e n ta n d g r a d ew h i c hm u s tb ei na l l o w a n c e 4 ) c o m p a r et h er e s u l to f c a l c u l a t i o nf r o mp l a x i sw i t ht h er e s u l to f m e a s u r e m e n t ，ig e ta c o n c l u s i o nt h a ti st h ei n c o n s i s t e n ts e t t l e m e n tb e t w e e no n et r e a t m e n ta n dt h eo t h e ri nt h e s u p e r h i g h w a yd i s c u s s e di nm y a r t i c l eo v e r r u n ，i ti sn e c e s s a r yt os e tat r a n s i t i o n a lb e l t 5 ) w h e nin s et h ef e mp r o g r a mp l a x i st oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to f t h et r a n s i t i o n a l b e l tw i t ht h et r e a t m e n td e s i g n e db yd e s i g n i n gi n s t i t u t i o n ，if i n dad i f f i c u l tp r o b l e mt h a ti s t h el e n g t ho f p i l e si nt h et r a n s i t i o n a lb e l ta r es h o r t e n i n gs t e p b y s t 印，s oiu s e e q u i v a l e n tl e n g t ht oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to f at r a n s e c ti nt h et r a n s i t i o n a lb e l t t h e n c o m p a r et h i sr e s u l to f c a l c u l a t i o nw i t hd e s i r i n gr e s u l t ，ig e tac o n c l u s i o nt h a ti st h e t r e a t m e n ti nt h et r a n s i t i o n a lb e l ts h o u l db em o d i f i e dp a r t l y , t h e np u tf o r w a r dab e t t e r t r e a t m e n t k e yw o r d s t r a n s i t i o n a lb e l t s e t t l e m e n t m o n i t o r i n g i n c o n s i s t e n ts e t t l e m e n t s e t t l e m e n tg r a d ef e m e q u i v a l e n tp i l el e n g t h 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。 论文作者。签名，：么垒生身二7 年堂月必日 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。 论文作者c 签孙垒庄，盈 砷年主月山日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 我国幅员辽阔，地质情况复杂多变，其中软土层分布比较广泛。因此，随着我 国经济的发展，现代化进程的日益加快，大量的工程，如机场、码头、高速公路、 高层建筑深基坑等均可能遇到软土问题。软土在英文词汇里，习惯称为s o f tc l a y ， 译为软黏土。我国通常称为软土，其中，岩土工程名词术语标准( g b 厂r5 0 2 7 9 9 8 ) f i l 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 j8 4 - 9 2 ) 【2 】的解 释是：“软土，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 1 - 2 0 0 1 ) 1 3 l 将软土划归为“特殊土”，定名 的标准规定为：“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。”由此可见，软土的典型特 点是：含水量高、压缩性大、低强度及低渗透性。 自2 0 世纪9 0 年代以来，我国高速公路的建设进入了一个高峰期，在此类软土 地基上修建高速公路容易出现如下两方面的问题：、地基承载力及稳定性有可能 难以满足工程实际要求；、总沉降及差异沉降较大，而且固结时间偏长。经过多 年的探索，我国在软基处理方面积累了丰富的经验，保证了地基在填筑及运营期间 的承载力及稳定性；但就沿江及沿海地区而言，由于其地基具有含水量高及压缩量 大的特点，故即使承载力及稳定性得到了保证，累计沉降量却相对较大，差异沉降 更不可避免地存在于路基、路面的施工期及之后的运行期，特别是不同软基处理方 式的交接处，差异沉降更加容易发生，这些差异沉降具有较大的危害。 路基施工期间的差异沉降，可以通过对沉降量大的一段适当预抛高，以便在后 期使原先较大的沉降差缩小至允许的范围之内，可是每段具体的抛高数量难以确 定；如果这些不均匀沉降延续到路面施工期间，势必导致以路面材料实施预抛高， 这既不经济也不便于消除差异沉降。高速公路运营期间出现的差异沉降，无论对路 基、路面、行车速度还是对行车安全都会造成很大的危害。对路基的危害：差异沉 降将原本是一个整体的路基分成了数段或数块，从而影响了路基的整体性，对高路 堤而言有发生剪切破坏的可能性；对路面而言：差异沉降势必会使路面形成横向及 纵向的裂缝，雨水通过裂缝进入基层，再在反复荷载的作用下引起翻浆，导致路面 河海大学硕士论文 平整度差，缩短维修期。对行车速度及安全性而言：路面的不平整会使机动车频繁 加减速，势必影响行车速度，另外，如果差异沉降太大，就会出现跳车想象，危害 行车安全。 鉴于差异沉降的危害如此大，而不同软基处理方式交接处差异沉降发生的必然 性，因此，必须在相邻的两种软基处理方式之间设置过渡段，在该过渡段范围内使 一种处理方式逐步向另一种方式过渡，使差异沉降得到协调、平稳过渡，但两种处 理方式谁向谁过渡及过渡时采用何种布置方式，沉降计算就是其重要依据，所以加 强过渡段沉降计算理论方面的研究就显得十分重要；另外，为了验证沉降计算方法 的适用性及准确性，有必要做一些沉降监测方面的工作。 1 2 高速公路软基处理过渡段沉降研究现状 高速公路是国民经济的命脉，由于其特有的优越性和灵活性，发挥着其他运输 方式所不可替代的作用，高速公路建设又是国家最主要的基础产业之一，公路交通 事业的迅速发展，为经济的持续发展注入了强大的活力，但从已投入使用的高速公 路来看，其质量方面尚存在着不少问题。目前，人们对桥头跳车的危害比较重视， 产生桥头跳车的主要原因根据文献【4 】【7 】的总结，可以分成以下几个方面：、路 桥的结构差异。路桥过渡段作为柔性路堤和刚性桥台的结合部位，在结构上是一种 刚度的突变；、雨水的浸蚀作用。由于水的渗透流动带走填料中的细颗粒，从而 使路堤产生沉降变形；、填料的压缩变形。施工期间，机械的反复碾压不可能完 全消除颗粒间的孔隙，通车后，在行车荷载及填料自重的作用下，填料逐渐被压缩， 孔隙率继续较少；、软基处理方法的不同。桥台处常采用刚性桩处理，而路堤则 采用深层搅拌桩、碎石桩或塑排板处理，相比较而言，后者的工后变形量较大，而 且固结时间偏长。但人们对路堤沿线不同软基处理方式交接处产生的差异沉降重视 程度不够，虽然设计上通常已在两种处理方式之间设置了过渡段，以通过处理方式 的渐变解决该问题，但实际效果如何却未为可知，理论上几乎也没有这方面的研究 成果，故本文欲对该问题作初步探讨。 而解决该问题的理论依据仍为沉降计算，通过沉降计算确定合适的软基处理方 式，以从根本上解决不同软基处理方式之间差异沉降的问题。地基沉降的理论分析 方法在文献【8 】中被归纳为两种类型：、理论公式法：、数值分析法。理论公式 法以t e r z a g h i 等人创立的经典土力学为基础，并引入了一些假定，由于这类方法具 第一章绪论 有简便、直观、计算参数少并且容易取得的优点，从而在工程中得到了广泛的运用。 数值分析方法是近现代土力学研究的产物，它是随着计算机和有限元理论的发展而 出现的，其将复杂的工程问题编制成有限元程序，通过计算机的计算得出准确的结 果。其突出优点在于能够解非线性问题，易于处理非均质材料、各向异性材料问题， 能够适应各种复杂的边界条件。很多以前无法解决的问题，比如按比奥理论解土体 固结，在动力作用下解士体的变形与稳定，土体的流变以及裂隙岩体的应力和变形 等问题就可以通过数值分析方法得到解决。但数值分析法需要的参数较多，在工程 中运用有一定难度。下面就对这两种方法从理论上作些介绍。 1 2 1 沉降计算的理论公式法 理论公式法在计算地基总沉降量方面包括两种方法： 、s ( f ) = & + & ( f ) + 墨( f ) ( 1 1 ) 、经验系数调整法，s ( t ) = 肼品( f ) ( 1 2 ) 式中：s ( ，) 一地基在时间t 的总沉降； 岛一地基的瞬时沉降； 品( ，) 一地基的排水固结沉降； & ( f ) 一地基的次固结沉降a ( 1 ) 次固结沉降墨( f ) 的计算 次固结沉降被认为是有效应力已经基本不变化，但土的体积仍随时间增长而发 生的压缩变形。 次固结沉降的计算公式为：s s ( r ) = 喜丢鼍l g 等 3 ) 式中：c ：e l 夸曲线尾端直线段的斜率，称为次固结系数； 一相当于次固结达到1 0 0 的时间； 一需要计算次固结沉降的时间： e 一各土层厚度； 河海大学硕士论文 巳e - l 舒曲线尾端直线段上对应于 的孔隙比； 吒e - l 垂曲线尾端直线段上对应于，2 的孔隙比。 ( 2 ) 固结沉降& ( ，) 的计算 固结沉降的计算方法较多，有分层总和法、应力路径法及三向应力状态下的沉 降计算方法等，分层总和法是工程上运用比较广的方法，下面将作较详细的介绍。 2 0 世纪6 0 年代l a m b e 提出应力路径法，就是运用试验模拟原位状态下的应力 状况及发展过程。其基本原理如下：首先计算地基内某一个点的自重应力，然后根 据弹性理论计算由附加压力引起的竖向和水平应力：运用三轴试验模拟之，先让试 样在自重应力作用下固结，然后施加附加应力，量取试样在固结前后的竖向应变， 以计算试样的初始沉降和固结沉降。 1 9 5 1 年黄文熙教授提出了三向应力状态下的沉降计算方法，实际上是用一维计 算的结果乘以一个大于l 的系数。2 0 世纪5 0 年代，s k e m p t o n 和b j e r r u m 认为，土 在三向应力状态下固结的过程中，在施加轴向附加应力后，土体将发生膨胀，但在 固结之后，土体侧向有效应力就获得增加，则土体将收缩，基于这样的原理，三向 应力状态下的沉降量只要在一维计算的结果上乘以校正系数胁即可，对于欠固结 土，岛 l ，纠正了偏小的一维固结计算值；对于超固结土，心 l ，纠正了偏大 的一维固结计算值。同时该方法强调了地基的初始弹性沉降不可忽略。 分层总和法 9 1 1 1 0 1 。基本假设：、将压缩层范围内的地基土分成若干层，通过 计算每一层的压缩量a s ，求得总的变形量s ，i l l j s = a 墨，式中，n 为沉降计算 深度范围内的分层数：、计算a s 时，假设地基土只在竖向发生压缩变形，没有 侧向变形，从而可以利用室内侧限压缩试验的成果进行计算。 1 利用e p 曲线计算固结沉降 心2 郭= 喜需i - t ， 式中：e 一第i 层土的初始孔隙比； e 2 一第i 层土压缩稳定后的孔隙比； 第一章绪论 h 一第i 层土的厚度。 、利用压缩系数吼和压缩模量乓 s = 善n 母喜惫们= 喜去a 只h j “s ， 2 利用e - l g p 曲线计算固结沉降 、欠固结及正常圃结土的沉降计算 s = 私= 喜謦l g 。p 0 1 + d p 1 ， 式中：，一第i 分层的初始孔隙比。 p 0 第i 分层的平均自重应力； e 一第i 分层的厚度； c ：一第i 分层的现场压缩指数。 、超固结土的沉降计算 对于超固结土地基，其沉降计算应根据不同大小分层的应力增量a a 而区分为两 种情况：第一种情况是各分层的应力增量a e 大于( 儿- p o ) ，第二种情况是a 只小 于( 儿一风) 。 第一种觚s = 弘n = 喜击卜( 等) + g 培( 警 ， 式中：g 一第i 分层现场再压缩指数； 儿笫i 分层的前期固结应力。 第二种舰s = 和= 喜謦培( 警) s ， ( 3 ) 瞬时沉降岛的计算 瞬时沉降是地基土在不排水加载期间产生的。对于严格的土体一维变形情况， 瞬时沉降很小。当土体完全饱和时，由于土中水及土颗粒本身的变形可忽略不计， 故瞬时沉降接近于零。对于土体的二维或三维变形情况，则瞬时沉降在地基总沉降 河海大学硕士论文 量中占有相当大的比例。对于饱和软粘士，实测的瞬时沉降量往往占最终沉降量的 3 0 4 0 【l i 】，对于快速加荷的情况，瞬时沉降所占比例将更大。 瞬时沉降的理论计算方法主要有如下几种( s j ：、根据土体的不排水变形模量按 线弹性理论计算，也包括d a p p o l o n i a 等人( 1 9 7 1 年) 经有限元分析提出的修正 方法；、l a m b e 等人( 1 9 6 7 年) 提出的应力路径法；、徐少曼( 1 9 8 3 年) 提 出的根据三轴不排水试验归一化曲线进行计算。在这几种方法中，唯有l a m b e 等人 ( 1 9 6 7 年) 提出的应力路径法可以考虑加载方式和加载速率的影响，但该方法过多 地依赖室内试验，试验工作量大，且对试验技术要求很高，所以在工程中应用非常 不便。 ( 4 ) 经验系数调整法【1 2 1 - 1 4 】 s ( t ) = m x s c ( t ) ( 1 9 ) 式中：m 为沉降系数，它是考虑了地基的初始沉降、塑性变形及其他影响因素 的综合修正系数，其大小与地基条件、荷载强度、加载速率等因素有关，取值范围 为1 1 1 7 。 1 2 2 沉降计算的数值分析法 理论分析方法所得到的沉降量为软土地基固结终了时达到的最终沉降量，并没 有考虑到沉降与时间的关系，而地基在任何时刻的沉降量及固结状况对工程具有更 大的指导意义，这就需要运用到固结理论，而数值分析方法正是以固结理论为基础， 故下面对固结理论作些介绍【1 6 1 。 ( 1 ) 太沙基( t e r z a g h i ) 一维固结理论 太沙基于1 9 2 5 年建立了一维固结基本微分方程，并得到了该微分方程在一定初 始条件和边界条件下的解析解。 该维固结理论有如下一些假定：、土是均质、完全饱和的理想弹性材料； 、土体变形是微小的；、土颗粒和孔隙水均不可压缩；、孔隙水渗流服从达 西定律，渗透系数为常数；、荷载一次瞬时施加并维持不变，土体承受的总应力 不随时间变化；、土体中只发生竖向压缩变形和竖向孔隙水渗流。 太沙基一维固结的基本微分方程为：詈= q c 万o z u ( 1 1 。) 式中：c 一固结系数，c = k l r w m ，= ( 1 + p ) k o q ； 第一章绪论 k 一渗透系数； 体积压缩系数，m y - - - a ，( 1 + e ) ： q 一压缩系数； e 一一孔隙比： 0 一水容重； u 孔隙水压力。 ( 2 ) 多维固结理论 用类似于太沙基一维固结理论的推导方法，可得到多维固结理论的基本微分方 程。 二维固结基本微分方程： 詈= q 辜+ _ 万a 2 u ( 1 ) 三维固结基本微分方程： 詈= c c 。万3 2 u + c ，雾+ _ 萨a 2 u ( 1 1 2 ) ( 3 ) 轴对称固结理论 1 9 4 8 年，巴隆( b a r r o n ) 在太沙基单向固结理论的基础上，建立了轴对称固结 基本微分方程并得到了解析解。 为便于求解，巴隆仅考虑径向渗流和铅直向压缩，且将砂井地基变形分成自由 应变和等垂直应变两种理想情况。所谓自由应变，指地基内各点变形完全自由，地 面均布荷载不因地面出现差异沉降而重新分布。所谓等垂直应变，指地面不出现差 异沉降，但地面荷载可能不是均匀分布。 自由应变情况下的轴对称固结基本微分方程为： 鲁= q 陪+ ；l 石o u , 式中：“，一原状粘土区( ，) 中孔隙压力； 一涂抹区半径； 一单井有效排水区半径； q r 一原状粘土区中径向固结系数，c 0 = 耳，； 河海大学硕士论文 疋一原状枯土区中径向渗透系数。 等应变条件下固结基本微分方程组为： 鲁= 石2 c , , i 旷i ) 8 t r ：h 、 ? 等( 司 舯= 刍一n 詈一等+ 等等h s 肛苇警 式中：甜。砂井内孔隙压力； n 一井径比，n - = r 。i r ； s 涂抹区半径与砂井半径0 之比，f - - r , ，0 ； 也砂井内渗透系数。 ( 1 1 4 ) ( 4 ) 比奥( b i o t ) 固结理论 太沙基固结理论就一维情况而言能够得到精确解答，却不能完全适用于二维、 三维固结问题。比奥固结理论则能解决土体的三维固结问题，并能得到准确反映孔 隙压力消散与土骨架变形相互关系的三维固结方程，下面将就饱和土体对比奥固结 理论作简要介绍。 基本假定【1 5 】：、土骨架为弹性变形；、变形小，属于小变形理论；、水 的渗流满足达西定律；、假定孔隙水不可压缩，土是饱和的，渗流速度很小，不 考虑水的惯性力。 以位移和孔隙压力表示的弹性问题平衡微分方程为： o o y ( 1 1 5 ) 觑一知劫一钞抛一瑟 + + + 他i盟瑟鲤瑟 + + + 哪一砂盟砂哪一砂 + + + 盟缸眦i盟缸a一苏a一砂a一出 g一胁g一g一协 一 一 一 心 也 v v v g g g 第一章绪论 式中：v 2 为拉普拉斯算子，v 2 = 磊9 2 + 导+ 万9 2 。 以位移和孔隙压力表示的连续方程为： 一旦f 盟+ 业+ 丝1 + 墨v ：。：o ( 1 1 6 ) a 瓠 o y色) y 上述两个方程联立起来便是比奥固结方程。 对于高速公路而言，由于纵向的尺寸远大于横向尺寸，故可以当作平面应变问 题来看待。对于平面应变问题，比奥固结方程可以表示为： 坷2 嵋+ 南去+ 豢= o 一回2 + 南亳+ 尝= 吖 鱼k v 2 u = 0 o t 凡 ( 1 1 7 ) 式中：岛一( 警+ 警) 为体应变w = 等+ i 9 2 为拉普拉斯算子。 在众多的数值分析法中，有限单元法【1 7 1 ( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ) 以其突出的优 点，比如能够解决非均质、非线性、各种复杂边界问题，而且能够考虑应力历史和 加荷方式等，在工程中得到了一定程度的运用，比如基坑工程、高速公路工程、大 坝等。 有限单元法总体上可以分为总应力分析有限单元法及有效应力分析有限单元法 两种。下面简要说明一下发展过程：1 9 6 6 年，美国c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将总 应力分析有限单元法运用于土坝的应力和变形分析。1 9 6 9 年，s a n d h u 和w i l s o n 用 有效应力分析有限单元法分折了b i o t 二维固结问题。在国内，沈珠江( 1 9 7 7 年) 首先将有效应力分析法应用于软土地基的固结变形分析，通过取位移和孔隙水压力 为线性模式，并运用变分原理得到了b i o t 固结理论有限单元法方程。殷宗泽等1 1 8 1 ( 1 9 7 8 年) 根据流量平衡的概念，结合虚位移原理得到了类似的方程。龚晓南【1 9 】 ( 1 9 8 1 年) 采用等价结点流量等于等价结点压缩量的粘土饱和条件推导了b l o t 固 结理论的连续方程。最近数年以来，国内外很多学者根据固结理论 2 0 1 f 2 9 l ，运用有 限单元法求解地基固结问题。 总应力分析【3 0 l ( t o t a ls t r e s sa n a l y s i s ) 有限单元法仅考虑土体单元整体所承受的 河海大学硕士论文 应力( 即总应力) ，而不严格区分土颗粒和孔隙水分别承受的应力( 即有效应力及 孔隙水压力) ，故总应力分析一般用于不考虑渗流固结的问题。 有效应力分析( e f f e c t i v es t r e s sa n a l y s i s ) 有限单元法则严格区分有效应力和孔 隙水压力，从而能够考虑土骨架的变形及孔隙水在土中的渗流情况，因此，其更能 真实反映土体的变形和应力情况。但与总应力分析有限单元法比起来，有效应力分 析有限单元法相对比较复杂，需要平衡方程、物理方程、几何方程及连续方程，并 需要运用有效应力原理，而总应力分析有限单元法只需前三个方程；另外，有效应 力分析有限单元法中尚包含未知数结点孔压。 1 3 本文主要工作 高速公路不同软基处理方式交接处，如果处理不当，则容易出现差异沉降及沉 降坡差超标的问题，就会导致路面路基破坏及行车安全受到威胁，因此必须引起高 度重视。本文根据现场实测数据，结合p l a x i s 有限元程序，以验证现场软基处理过 渡段软基处理方式的合理性，本文的主要工作如下：、软基处理过渡段沉降监测。 包括监测设计、监测仪器的布置及分析监测结果；、p l a x i s 有限元程序计算高速 公路地基沉降量适用性分析；、差异沉降及沉降坡差限值的探讨；、运用p l a x i s 有限元程序验证设计提出的软基处理过渡段软基处理方式的合理性，如若不合理则 进行修正。 第二章软基处理过渡段沉降监测 第二章软基处理过渡段沉降监测 2 1 概述 近些年来，我国高速公路的建设正以前所未有的速度发展，然而我国幅员辽阔， 地质条件复杂多变，很多高速公路就不可避免地建在软土地区，而建在软土地区的 高速公路，最突出的问题就是沉降与稳定问题。高速公路的设计车速越高，对路面 的平整度要求也越高，因此高速公路软土地基的沉降问题就显得更为重要。高速公 路软土地基发生较大沉降或差异沉降的原因总体上可以分成两个方面：【3 1 j 、客观 原因。较差的地质条件、土壤物理力学性质的差异、地下水位的升降、地基的侵蚀 作用及土体的塑性变形；、人为原因。过量地抽取地下水，土体固结，地基发生 沉降；地质勘探时，由于钻孔间距较远，可能不能发现废河道及废墓穴等不良地质； 设计有误，对地基土的特性认识不足，对土的承载力与荷载估算不当；施工质量较 差，地基处理材料不合格等。 因此，软土地基路堤的施工应注意监测填筑过程及以后的地基变形状态，对路 堤施工实行动态监测。交通部于1 9 9 6 年1 2 月1 1 日发布的公路软土地基路堤设 计与施工技术规范j t j0 1 7 - 9 6 规定高速公路施工过程中必须进行沉降与稳定监测。 路堤施工过程中沉降监测的目的主要有以下三个方面：、控制填土速率；、根 据实测沉降曲线预测地基固结情况，根据推定的残余下沉量确定填方预留沉降量、 余宽及涵洞的预留沉降量和断面余量，同时确定结构物和路面施工期；、实测路 堤沉降，为施工计量提供依据。 2 2 软土地区路基的观测项目 地表沉降量观测、地表水平位移量及隆起量观测、深层水平位移观测及土体其 它指标观测。文献 3 2 1 一 4 6 1 中己涉及这些方面的内容，现概括如下： 2 2 1 地表沉降量观测 ( 1 ) 观测的目的 在软土地基上修建高速公路进行地表沉降量观测的目的有两个方面：、测量 地基的沉降量，以换算出沉降速率，从而评价填土时的安全性；、通过分析沉降 观测数据，计算出地基的实际固结度，确定预留沉降量、卸载时间及推算工后沉降 量。 河海大学硕士论文 ( 2 ) 观测断面布设原则 观测点的布设在设计时应综合考虑地质情况、软基处理方式、路堤的施工方式、 周围的地形情况及不同施工单位的作业方式等因素。地基条件差、地形变化大、设 计问题多的部位和土质调查点附近均应设置观测点。总体上讲，观测点的布设应先 设计后施工，先纵观整个路段布设沉降观测点，然后根据局部特征调节、加密；先 在图纸上设计，然后实地勘探、对照、修改、确定。 ( 3 ) 观测点的埋设位置 在软基预压的一般路段，沉降板应安装于路中线上，纵向设置间距为2 0 0 t i n 对于 桥头路基，沉降板应安装在路中线和两侧路肩边缘线上。有台前预压要求时，第一块 沉降板应设置于桥台桩位处，依次相隔l o i n 和5 0 m 设置第2 块、第3 块沉降板： 无台前预压要求时，第一块沉降板应设置于距桥台台背l o m 处，第2 块和第3 块间 距不大于5 0 m , 最后一块应设置于超载段结束或地基处理渐变段终止处。对于沿河 ( 塘) 软土地基路段，沉降板纵向设置间距要求不大于5 0 m ，路中心、路肩均需放 置，每个河( 塘) 路段至少有2 个以上的观测断面。无处理和预压要求的正常路段， 沉降板纵向设置间距可适当加长，但不得超过2 0 0 m 。其它匝道、支线观测点，对 于无中间分隔带的单车道匝道等按距右侧路肩o 2 5 m 设置，超高路段设置于超高侧 路肩；对于有中间分隔带的双车道匝道则埋设在路中线处。桥头( 桥台侧) 、箱头 ( 通道或箱涵侧) 、管涵顶或管涵侧以及沿河渠布置的左右观测点，左右点埋设时 应顺应桥台、通道、涵洞以及河渠的伸展方向埋设；桥头过渡段和一般路段的左右 点按垂直于路线方向埋设。 “) 观测点的埋设方式 沉降观测点由钢或钢筋混凝土底板、金属测杆和保护套管组成。底板尺寸不宜 小于5 0 c m x 5 0 c m x 3 c m ，测杆直径以4 c m 为宜，保护套管尺寸以能套住测杆并使标 尺能进入套管为宜。随着填土的增高，测杆和套管亦相应接高，每节长度不宜超过 5 0 c m 。接高后的测杆顶面应略高于套管上口，套管上口应加盖封住管口，避免填料 落入管内而影响测杆下沉自由度，盖顶高出碾压面高度不宜大于5 0 c m 。 沉降观测点的埋设。实际操作过程中，当第一层土压实后，在压实面上挖土坑， 并将坑底找平，铺上5 e m 左右厚的砂垫层，层面要水平，然后将沉降板放在砂垫层 上，用水平尺校正使板面水平。将套管套进测杆，还土夯实至管顶，并测量管顶高 程，安上护管帽，项帽高出碾压面高度不大于5 0 c m 。 第二章软基处理过渡段沉降监测 埋设具体步骤如下：、放线定位。采用全站仪测放定位，埋设位置的偏差控 制在2 0 e r a 以内；、基槽开挖。 、安放就位。找平基槽底面，安放沉降板，且 应保证底板处于水平状态，测杆的倾斜度不大于0 5 ；、回填固定。将套管套 住测杆，并尽量保证测杆处于套管中央，立即回填基槽，为了避免填土对沉降板移 位的影响，基槽回填后，大面积填方前，应对砂垫层顶面沉降板周围3 m 范围用人 工或小型机械夯实；、测读初读数。基槽回填后应立即读取测杆的初始高程；、 接长。随着路堤的填高，测杆及套管均应相应接长，并在接长前后分别测出测杆的 顶高程，并将数据记录在案作为以后再次观测计算的依据。 ( 5 ) 水准点的布设 高速公路沉降观测所需的水准点可以分成三类：地面水准点、桥上水准点和通 道水准点。简述如下：、地面水准点。地面水准点的密度应能满足沉降观测的要 求，并应设在土质坚硬( 长期无车辆和行人走动) 的地点或老建筑物上，一般距路 基坡脚不宜小于5 0 m ，并埋设混凝土水准标石。水准点最好统一用b m 表示，编号 为b m + 合同段一顺序号；、桥上水准点。为了减少转点传递对观测高程的影响， 路堤填筑到路床层时，适时将水准点转移到有灌注桩基础的桥上。位置可转设在桥 台右侧耳墙顶上，最后转设在中央分隔带防撞护栏底座上，桥梁两侧桥头分别设置。 在施工桥台耳墙或中央分隔带帽梁时，预埋一根巾1 8 2 0 m m 长2 0 c m 的钢筋( 上 端用砂轮先磨圆) ，筋头露出砼顶面1 2 c m 。右侧帽梁水泥板预埋钢筋，应设在距 帽梁外侧0 6 5 m 处，以防与防撞护栏冲突。并离桥头结构缝2 m 为宜：、通道水准 点。若相邻的灌注桩基础桥相距较远，则可在其间选择一个沉降稳定的通道，并在 其上设置水准点。 ( 6 ) 工作基桩和校核基桩的设置 沉降板埋设后的初读数及以后观测过程中会用到工作基桩和校核基桩。工作基 桩可采用废弃的钻探用无缝钢管或预制混凝土桩，埋设时要求打入硬土层中不小于 2 m ，在软土地基中要求打入深度大于1 0 m 。桩周顶部5 0 e m 采用现浇混凝土加以固 定，并在地面上浇筑1 0 m x l 0 m x 0 2 m 的观测平台，桩顶露出平台1 5 c m ，在顶部 固定好基点测头。校核基桩可用无缝钢管或预制混凝土桩打入至岩层或具有一定深 度的硬土层中。若附近有山地，应尽可能地利用山地外露基岩作控制基点。控制基 点四周必须采用永久性保护措施，并定期与工作基桩校核。 河海大学硕士论文 ( 7 ) 沉降观测频率 一般来说沉降观测的频率应与沉降速率相适应，沉降越小，观测频率也可减小； 反之沉降越大，观测频率也要增加。路堤填筑期，每填筑一层应观测一次，如果两 次填筑间隔时间较长时，每3 d 至少观测一次。路堤填筑完成后，堆载预压期间观 测应视地基稳定情况而定，一般半月或每月观测一次，直至预压期结束。实际工作 中，观测时间和频率根据填土速率及沉降观测值情况进行调整，架梁的过程中应密 切观测路基的沉降。 ( 8 ) 沉降观测控制标准 施工过程中，应进行沉降观测。特别当接近或达到极限填土高度时，应严格控 制填土速率，以免由于加载过快而造成地基破坏。一般每填一层，应进行一次观测， 控制标准为：路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于1c m 。 ( 9 ) 沉降观测精度 沉降观测工作分成三个阶段：路堤填筑期观测、预压期观测及路面施工期观测。 沉降观测精度随施工工期的进展而不同。一般随着路基不断填筑增高，每层填 筑厚度逐渐减少，沉降增量逐步减少( 由c m 级减少为i n l r l 级) ，沉降量越小，要求 观测精度越高。预压期及路面施工期的观测精度比路堤填筑期( 原地面到9 5 区) 的观测精度为高。一般规定路堤填筑期观测精度3 m m 2 m m ，预压期及路面施工期 的观测精度为2 m m l m m ；相应采用四等水准测量( 路堤施工期) 和三等水准测量 ( 预压期进入路面施工期) ，路面施工期和工后则采用二等水准测量。水准测量的 精度及技术指标见表2 - 1 所示。表2 1 中m ，为水准尺上的中丝读数中误差( 取自国 家水准测量规范) ；m 。为一个测站高差中误差。 表2 - i水准测量精度 红、黑面平均值或二期观测由一个测 二期观测由二个测站完成的高差 等级 m 魂 基、辅分划平均值的站完成的高差之差之差的中误差( 水准点到沉降点中 高差中误差的中误差加一个转点) o 1 8 m 麓。m 站2 0 1 8o 1 8 压：+ o 2 50 2 5 压：0 3 5 0 7 8 m 现2 m 站2 0 7 8o 7 8 厄：1 1 0- + 1 1 压：1 6 0 四 1 0 4 m 现2 m 站2 1 0 4 1 0 4 压：1 5 01 5 压：生1 0 第二章软基处理过渡段沉降监测 续表2 1 每公里高差中不同测量路线长度下的两期观测 水准仪 两期观测之差的每k m 中 等级 误差之差的中误差掰= 以( m m ) 的级别 误差巩。= m o f f 2 c m m ) ( m m ) l o o m2 0 0 m d s l 22 8 0 0 8 81 2 5 d s 358 5 02 5 93 8 0 四d s 3l o1 4 1 04 4 66 3 l 注；l 为水准测量路线长厦以k m 为单位 由表2 1 可知，在路基填筑过程中，要求达到3 m m 的观测精度时应采用三等水 准测量，且测量路线长度根据计算应小于1 3 0 m 。 在预压期的后期，沉降观测精度要求达到l m m 时应采用二等水准测量，测量路 线长度根据计算应在1 2 0 m 左右。 测点保护 工作标点桩、沉降板观测标、工作基点桩、校核基点桩在观测期间均必须采取 有效措施加以保护或专人看管。沉降板观测标杆易遭施工车辆、压路机等碰撞和人 为损坏，除采取有力的保护措施外，还应在标杆上竖有醒目的警示标志。测量标志 一旦遭受碰损，应立即复位并复测。 2 2 2 地表水平位移量及隆起量观测 1 ) 观测的目的 用于分析地基的稳定性，通过观测地表水平位移及隆起情况，分析地基的整体 稳定性，从而判断合理的加载速率，以确保路堤施工中的安全。 ( 2 ) 观测断面位置选择 为了了解地基位移情况，又不致带来过大的工作量，水平位移观测断面应与沉 降观测断面位置吻合。地面横向水平位移边桩观测断面纵向的设置间距为：一般路 段沿纵向每隔1 0 0 2 0 0 m 设置一个观测断面，桥头路段应设置2 3 个观测断面； 桥头纵向坡脚、填挖交界的填方端、沿河等特殊路段应酌情增加观测点。 边桩需埋设在路堤两侧趾部，以及边沟外缘与外缘以远l o r e 的地方，并结合稳 定分析在预测可能的滑裂面与地面的切面位置布设测点，一般在趾部以外设置3 4 个边桩，同一观测断面的边桩应埋设在同一横轴线上。 河海大学硕士论文 ( 3 )