（交通运输规划与管理专业论文）防波堤袋装砂软基处理应用研究.pdf

摘要 应用袋装砂和塑料排水板联合加固防波堤软弱地基，是近年来种常用的地 基处理方式之一，在施工现场经常遇到加载期间地基沉降过大，沉降速率过快的 问题，此时天然岸坡是否仍能保持稳定是需要研究的问题。针对这个疑问，本文 主要讨论了施工期间地基变形与稳定的关系。为从理论上解决这个问题，本文引 入了土体变形与渗流的耦合分析理论，采用弹性非线性本构模型，用有限单元法 解b i o t 固结理论。通过对地基模型的简化，模拟现场施工条件，求得了地基土 体的位移和应力，计算结果与实测值吻合较好。利用现场实测数据，对袋装砂联 合塑料排水板加固软基的加载控制指标作了一些探索，建议类似工程可适当放宽 瓦降控制标准。最后结合工程实例，论证了袋装砂对控制后期沉降和不均匀沉降 妻有显著的作用。 边坡稳定是土工问题的首要控制条件。本文引入理论上较为成熟，实践中广 ，乏使用的条分法，模拟现场条件，对施工期边坡的稳定性进行计算，并对计算结 果做了分析。由于计算中未能考虑袋装砂的加筋作用，本文借鉴土工织物加筋软 ! 毒已有的研究成果和工程实践经验，探讨了袋装砂加筋的作用和效果，指出袋装 砂加筋能大大增强土体的抗滑性能，从而解决了现场的疑问，为类似相关工程提 g 了借鉴和经验。 本文通过对地基固结和稳定性的分析，指出袋装砂在工程中的应用是成功 的，具有较好的应用推广价值。袋装砂在工程实践中的广泛应用，必将产生较好 向经济和社会效益。 犬键词：软基， 袋装砂， 固结，加筋，稳定分析 a b s t r a c t a p p l y i n gs a n d f i l l e db a g sc o m b i n e dp l a s t i cd r a i n a g ec o n s o l i d a t i n gb r e a k w a t e r s o f tf o u n d a t i o n ，t h i si so n eo ft h eu s u a lf o u n d a t i o nt r e a t m e n t si nl a t e l ys e v e r a ly e a r s i nf i e l d s ，w ec a no f t e ns e ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n ti st o ol a r g e ，s e t t l e m e n tv e l o c i t yi st o o q u i c kd u r i n gt h ea p p l y i n gl o a dp e r i o d s h e r ew h e t h e rs a v a g e n e s sc a ns t i l lk e e p s t a b i l i z a t i o ni saq u e s t i o nn e e d e dt or e s e a r c h a i m e da tt h i s q u e s t i o n ，t h ep a p e r d i s c u s s e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i z a t i o n t h ep a p e r i n t r o d u c e sb i o tc o n s o l i d a t i o nt h e o r y , p r e d i g e s t sf o u n d a t i o nm o d e l ，t h e ns i m u l a t e s f i e l dc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，l a s ta c c o u n t st h ed i s p l a c e m e n t sa n ds t r e s so ft h e f o u n d a t i o n ，t h er e s u l t si n o s c u l a t e sm e a s u r e dr e s u l t sw e l l b yf i e l dm e a s u r e dd a t a ，t h e a u t h o re x p l o r e sc o n t r o li n d e xo fs o f tf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n tb ys a n d - f i l l e db a g s c o m b i n e dp l a s t i cd r a i n a g e ，a n da d v i s e sr e t i c e n c et or e l a xs e t t l e m e n tc o n t r o li n d e xi n s i m i l a re n g i n e e r i n g a tl a s t ，c o m b i n e de n g i n e e r i n gc a s e ，t h ep a p e rr e a s o n st h a t s a n d f i l l e db a g sh a v em a r k e de f f e c ti nc o n t r o le v e n i n gs e t t l e m e n ta n da s y m m e t r y s e t t l e m e n t s l o p es t a b i l i z a t i o ni sc h i e fc o n t r o lc o n d i t i o ni nf o u n d a t i o ni s s u e t h ep a p e r i m p o r t sl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，s i m u l a t e sf i e l dc o n d i t i o n ，c a l c u l a t e st h es l o p e s t a b i l i z a t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o np e r i o d ，a n dm a k e sa n a l y s i so fc o m p u t e rr e s u l t s f o r n o tc o n s i d e rs a n d f i l l e db a g sr e i n f o r c e m e n tf u n c t i o ni nc o m p u t a t i o n ，t h ea u t h o r r e f e r e n c e sr e s e a r c hf r u i t si n s o f tf o u n d a t i o nb yt e x t i l er e i n f o r c e m e n ta n de n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e s ，d i s c u s s e st h ef u n c t i o na n de f f e c to fr e i n f o r c e m e n tb ys a n d f i l l e db a g s ， p o i n t st h a tr e i n f o r c e m e n tb ys a n d f i l l e db a g sc a ni n c r e a s et h es o i l sp e r f o r m a n c eo f r e s i s t i n gs l i p p e r y , t h e r e b yr e s o l v e st h ed o u b ti nf i e l d ，p r o v i d e de x p e r i e n c ef o rs i m i l a r e n g a n e e n n g t h ep a p e ra n a l y s e st h ec o u r s eo ff o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o na n ds t a b i l i z a t i o n ， p o i n t e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fs a n d - f i l l e db a g si ne n g i n e e r i n gm a k e sg o o dw i n n i n g ， a n dh a sp r e f e r a b l ev a l u ef o ra p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o n t h ew i d e l yu s eo f 2 s a n d - f i l l e db a g si ne n n n e e r i n g ，w o u l db r i n gw e l le c o n o m ya n ds o c i e t yb e n e f i t k e y w o r d ：s o f tf o u n d a t i o n ，s a n d - f i l l e db a g s ，c o n s o l i d a t i o n ，r e i n f o r c e m e n t ，s t a b i l i z a t i o n a n a l y s i s 3 葛一章 河海大学硕士学位论文 1 1 常用地基处理方法 第一章：绪论 随着国民经济的持续发展，我国对外贸易不断发展，港口是发展对外贸易良 好的窗口。我国有漫长的海岸线，有许多天然良港，有丰富的海岸滩涂资源，因 此通过加强港口建设，可大力发展对外贸易，促进经济发展。 然而，沿海地区广泛分布着大量的软土地基，这类软基土具有含水量高、压 缩性大、渗透性低和强度及承载力低等特点，若在这类地基上直接建造建筑物， 将因沉降过大和承载力差而破坏，因此需事先进行软基处理，提前消除地基的过 大沉降，提高地基的强度和承载力，以满足建造建筑物的需要。 软弱地基常用处理方法按应用原理可分为排水固结类、胶结类、桩土复合地 基类、结构转换类、轻质填料类和加筋类n 3 六种。排水固结法是在地基中设置竖 向排水通道( 如塑料排水板、袋装砂井、普通砂井) 和水平排水系统( 如砂垫层) ， 软土在外荷载作用下固结排水，发生固结沉降，土体强度增长，从而提高软基的 容许承载力，这是一种物理加固方法。具体形式有堆载预压法、超载预压法、真 空预压法和真空联合堆载预压法等。 胶结类：利用液体、气压或电化学原理，经过管道把固结剂( 浆液或粉粒) 灌入或注入软土层中，通过固结剂与软土强制拌和( 或固结剂以填充、渗透、挤 密等方式，赶走软土颗粒间的水分和空气后占据其位置) ，使之与水、软土粒发 生物理、化学反应，降低软土颗粒间自由水的比例，达到不排水固结、减小孔隙 比的目的，从而提高地基承载力和稳定性，这是一种化学加固方法。 桩土复合地基类：利用各种施工方法，在软基中设置竖向的砂桩、石灰桩、 碎石桩、水泥粉煤灰碎石桩( c f g 桩) 、干振复合桩、砼管桩等桩体，以桩体置 换一部分软土，在一定程度上挤密桩间土，利用桩体与桩间土共同承受荷载，达 到减小软基沉降、提高承载力和稳定性的目的。上述归结到排水固结类的砂井法、 真空袋装砂井法等类型的地基其实也有挤密置换的作用，只是其加固软基的主要 作用原理是通过排水固结来加固。这类方法有部分属于纯物理加固方法，如砂桩 法、砼管桩法；有部分属于物理兼化学加固方法，如桩法、干振复合桩法等，兼 第一章绪论 育胶结固结的作用。 轻质填料类：在需要填方的工程中，采用容重比常规填料( 土、砂等) 小得 多的材料填筑，以达到减少地基负载，从而大幅减小地基沉降变形、提高稳定性 的目的。该方法优点在于施工工期短，同时节省工程用地。 结构转换类：不对软基进行直接处理，采用具有深基础的砼结构物直接承受 荷载，不让软基直接受力，从而避开软基的缺陷，如道路工程中的桥梁代替路基 法、仓库堆场中的深基础砼结构堆场法。这类方法可从根本上避开软基的缺陷， 但也有其不可克服的缺陷：造价昂贵，如深基础桥梁的造价达3 0 0 0 元m 2 以上， 不适合大规模大面积应用；各种资源耗用多；工期长。 加筋土类：在路堤、堤坝堤基内铺设土工合成材料或设置竖向桩体，承受抗 拉、抗剪作用，用以提高地基承载力，减少沉降和增加地基稳定性。 表1 - 1 列出了常用各种软基处理方法及其原理。 表1 - 1 ：深厚软基处理方法及分类统计乜1 类别 简要原理 在软弱地基中设置竖向排水系统( 如塑料排水板、袋装砂井、 普通砂井) 和水平排水系统( 如砂垫层) ，软土在外荷载作用下 排水固结法 固结排水，发生固结沉降，土体强度增长，从而提高软基的容 许承载力，减小工后沉降。 将水泥浆或水泥粉与地基土在原位拌和，搅拌后形成柱状水泥 胶结法 土体，可提高地基承载力，减少沉降，增加稳定性和防止渗漏。 在软基中设置竖向的砂桩、石灰桩、碎石桩、水泥粉煤灰碎石 桩土复合地基桩( c f g 桩) 砼管桩等桩体，以桩体置换一部分软土，在一定 法程度上挤密桩间土，利用桩体与桩间土共同承受荷载，达到减 小软基沉降、提高承载力和稳定性。 采用容重比常规填料( 土、砂等) 小得多的材料填筑，以达到 轻质填料法 减少地基负载，从而大幅减小地基沉降变形、提高稳定性。 米用具有深基础的砼结构物直接承受荷载，个让软基且j 蛩叟力， 结构转换法 从而避开软基的缺陷。 在土体中埋置土工合成材料( 如土工布、土工格栅) 等形成加 加筋土法 筋土，增大应力扩散角，提高地基承载力，减少沉降。 实际工程中，由于排水固结法适用条件较广泛，技术经济效果较明显，是防 波堤工程中软基处理最基本的方法。同时由于天然岸坡通常具有一定的坡度，为 了增大地基的稳定性，减少地基变形，经常采用加筋法，可取得明显的工程效益。 防波堤工程中排水固结法与加筋法的联合应用，通常首先在天然泥面上采用 水上作业的施工工艺铺设袋装砂，然后水上插打塑料排水板，形成排水通道。为 第一奄河海大学硕士学位论文 了增强地基稳定性，可再铺设2 3 层袋装砂怍加筋层，其后即可抛石筑堤，为 确保地基稳定，需分层抛填，控制加载速率。施工期土体即发生固结沉降，减少 了工后沉降和差异沉降，强度也得到增大。 1 2 软基变形理论研究现状 一般固体材料应力应变关系是同时发生的，然而软土有很大的不同，应力 ：乍用后会发生一定的应变，而大部分变形是随时间慢慢发展的，很长时间以后才 达到稳定。在实际工程中需要知道荷载作用下某些特定时刻软土的变形。软土变 形理论包括固结理论和沉降计算两个部分。 1 2 1 土体的固结理论 所谓固结，就是在荷载作用下，水从土孔隙中被挤出，土体收缩的过程。 国结过程也就是孔隙水压力消散的过程。固结理论主要有以下四类： ( 1 ) t e r z a g h i 线弹性固结理论 太沙基固结理论可分为一维竖向和二维水平向固结解。1 9 2 5 年，土力学的 奠基人t e r z a g h i 建立了一维固结固结理论口1 ，他建立的单向固结基本微分方程可 一r 得一定初始条件和边界条件下的解析解，但同时也引入了很多假定。尤其是假 定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。而实际施工 过程中，外荷载是逐渐变化的。对于外荷载随时间变化的情况，有人按分级等速 自口荷进行修正，但实际荷载并非线性增长，与实际加荷情况仍不相符。1 9 3 6 年， 砖r z a g h i 将维固结理论从维推向了二维、三维，有了一定的进步，但仍假定 r 总应力之和不变，与实际情况不符，故常将这种理论称为“拟二维或拟三维固 玷理论 。 1 9 4 8 年，巴隆( b a r t o n ) n 3 在t e r z a g h i 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导出了其解析解，这种理论在砂井地基设计中得到了广泛 的应用。日本学者高木俊介n 1 考虑了变速加荷条件，推得了各时刻地基的平均固 结度。1 9 8 7 年，曾国熙、谢康和h 1 提出了考虑井阻与涂抹的堆载预压等垂直应变 固结解析解，1 9 9 0 年，董志良拍m 6 1 建立了等应变条件下正负压砂井地基固结模型， 并给出了考虑井阻和涂抹的解析解，推出了真空联合堆载预压孔隙水压力和地基 第一章绪论 萄结度计算公式，具有一定的理论和应用价值。 l 2 ) b i o t 固结理论 1 9 4 1 年，b i o t 从较严格的固结机理出发，推导了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，一般称为“真三维固结理论川7 1 。在b i o t 固结理论中，利用土体中的一微分体，建立考虑体力情况下的平衡方程；假设土 体为饱和的均质弹性体，建立土体的本构方程；利用几何方程，在小变形前提下， 将应变转化成位移；最后将以位移和孔隙水压力表示的连续方程和平衡方程联立 求解，反映了土体在固结过程中，孔隙水压力的变化和位移之间的关系。 1 9 8 6 年，国内学者沈珠江等人船 1 们采用线弹性模型、剑桥模型、南水模型等 土体本构模型，运用b i o t 理论对真空预压砂井地基的固结变形全过程进行了数 值模拟，模拟结果与实测资料大抵相符，计算精度可以满足工程需要。但由于本 构模型尚不完善，合适的土工参数确定尚有困难，要想准确模拟，尚有困难。 ( 3 ) 广义v o g i t 固结理论 1 9 8 7 年钱家欢、赵维炳n 妇建立了考虑软土流变的饱水粘弹性土体固结理论 及其竖向和水平向轴对称解析解。虽然该理论较全面考虑了砂井的井阻、涂抹及 土体流变等特性，且计算公式简单，但由于其所用的粘弹性土工参数需要通过历 时较长的室内试验才可获得，从实际应用的角度来看，目前尚难在一般工程中推 广应用。 ( 4 ) 统一固结理论 1 9 7 3 年h a w l y 和b o r i n 及8 0 年代方开泽口1 等对饱和粘土主、次固结过程进 行了研究，并提出了统一固结理论( 又称大变形固结理论) 。该理论充分考虑了 土体的连续性原理、达西渗透原理、有效应力与孔隙水压力转换原理、应力平衡 原理、渗透性与土体孔隙比关系原理及土的应力应变原理，但由于其联立方程太 多，对二维及空间三维统一固结理论尚待进一步开发研究。 总的来说，计算理论的发展经历了一个从一维到三维，土体本构模型从线弹 性到弹塑性再到考虑软土流变性的粘弹塑性模型和考虑渗透系数和压缩性变化 的大变形模型，计算方法不断改进，计算精度不断提高。从指导工程实践的角度 来说，目前计算精度已完全可以满足工程要求。 4 第章河海大学硕士学位论文 1 2 2 体的沉降计算 软土地基在受到荷载作用后的变形过程是一个复杂的过程，按沉降产生的机 理不同，可分为三个组成部分，可用下式表示： s = s d + sc + s s 式中：s 、s 。、s 。、s ，分别表示总沉降量、瞬时沉降量、固结沉降量和次固结 沉降量。 l ，2 2 1 经验公式法 ( 1 ) 瞬时沉降s 。的计算 瞬时沉降s 。可用弹性公式来估计口3 ，即 沪c d 加( 警) 式中：p 均布荷载； b 荷载面积的直径或宽度： e 为考虑荷载面积形状和沉降计算点的系数； e 、y 分别是土的弹性模量和泊松比。 对于软土的二维( 平面应变) 或三维变形情况，瞬时沉降在地基总沉降量中 具有相当的比例。 ( 2 ) 固结沉降s ，的计算 主固结沉降是因为地基土在荷载作用下产生超静孔隙水压力，随着超孔压的 逐渐消散，土中孔隙水排出，土体体积减小，地表产生沉降。主固结沉降是地表 沉降的主要部分。 规范中采用分层总和法计算主固结沉降，其原理是将地基分为若干层，利用 压缩曲线求每一层的压缩量，然后将各分层的压缩量叠加，得到地基的总沉降量。 传统采用的压缩曲线法，将压缩试验中应力应变的关系转换为应力与孔隙比 的关系，得出p p 或e l g p 曲线，在计算时又将其化为应力与应变的关系。 按p p 曲线计算m 1 ： 第一章绪论 s ：专业h i 白l + e l f 式中：e “第f 分层土的自重应力所对应的孔隙比； e ：，第f 分层土的自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比； h ，第f 分层土的的厚度。 按e l g p 曲线计算沉降n2 】，对于一般地基土，通常前期固结压力p 。与现有 固结压力p o 相等，为正常固结土，计算公式为 s = 砉等j g ( 警) 式中：e o i 第f 分层土的初始孔隙比； p 。；第f 分层土的平均自重应力； 卸；第i 分层土的平均固结应力； h ，第i 分层土的的厚度； c 。，第f 分层土的现场压缩指数。 ( 3 ) 次固结沉降s ，的计算 次固结沉降被认为是有效应力已经基本不变，但土的体积仍随时间增长而发 生的压缩产生的沉降。可按下式计算口1 s ，= 喜鲁一g 式中：e l i 第f 分层土主固结完成时的孔隙比； h ，第i 分层土的的厚度； c 。第i 分层土的次压缩系数； f 。主固结达到1 0 0 时的时间； f ，需要计算次压缩的时间。 第一章河海大学硕士学位论文 ，孑爱总和法出于方法简单实用，公式中各层的常规物理力学参数容易在试验 中获得，试验费用也低，因此应用广泛。但由于没有考虑地基的侧向变形，以及 软土在钻探、取样、试验等过程中容易发生结构、密度、应力和含水量的变化， 导致沉降计算结果有较大的偏差。 1 2 2 2 有限单元法 1 9 6 6 年，c l o u g h 和w o o d w a r d 3 首先将总应力分析用于土坝的应力和直变 分析，1 9 6 9 年s a n d h u 和w i l s o n n 3 3 用有限元法分析了b i o t 二维固结问题。疰国 j ，勺，沈珠江( 1 9 7 7 年) n 4 3 首先将有效应力分析有限元法应用于软基的固绐蓬形 分析。 从理论上说，有限单元法可以考虑复杂的边界条件、土体应力应变关系的非 线性特性、土体的应力历史、孔隙水渗流与骨架变形的耦合分析，可以模拟现场 逐级加荷和处理超填土问题，能考虑侧向变形、三维渗流对沉降的影响，并能求 得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力的变化n 鄙n 引。有限元确实 是一种较为完善的方法，但由于其采用的模型中涉及的计算参数多且不易确定， 程序复杂难以为一般工程设计人员接受，在实际工程中并没有得到普遍应用，只 能用于一些重要工程、重要地段的地基沉降计算n 引。有限元目前很难考虑大变形 j 司结问题即几何非线性问题，往往使计算结果偏离较大。 1 3 边坡稳定理论现状 边坡稳定分析理论经过9 0 年的发展，经过不少学者的努力，目前已取得丰 硬的成果，在指导工程实践中发挥了重要的作用。按照研究方法，边坡稳定理论 ；分为条分法、有限单元法和可靠度分析三大类，其中前两类理论较为成熟，而 ! 丁靠度方法是近年兴起的一种方法，具有一定的前景。 】31 条分法 条分法是在1 9 1 6 年瑞典人彼德森1 最早提出的。他假定土坡稳定问题是平面 应变问题，并对圆弧形滑裂面以上的土体划分垂直条块，计算中不考虑土条间的 f # 用力，定义安全系数为滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。之后，许多学 者对条分法进行了改进n 8 卜。其中，b i s h o p ( 1 9 5 5 年) 1 重新定义安全系数为沿 7 第一章绪论 整个滑裂面的抗剪强度r ，与实际产生剪应力r 的比值，即 c ：1 r 这不仅使物理意义更明确，而且使用范围更广泛，为以后非圆弧滑动分析及土条 分界面上条间力的各种考虑方式提供了有利条件。经过长期工程实践，条分法已 成为边坡稳定分析的主要方法之一。 条分法也存在一些问题口3 ，所作的人为假定的合理性直接影响到稳定分析的 准确性，合理地确定临界滑裂面也是提高条分法准确性的关键。当滑动面形状任 意时，确定临界滑动面的位置存在很大的困难。由于介质和状态方程的复杂性， 滑动面位置决定的安全系数泛函不仅具有多重极值，有时还不连续。另外，该法 宅全不讨论岩土体的应力应变关系，也不研究边坡岩体的变位情况，但由于条分 珐抓住了问题的主要方面，所以若使用得当，分析结果可以与实际符合得较好。 再就是极限平衡条分法在边坡稳定分析的实际工程中积累的经验最为丰富，到目 前为止，极限平衡条分法仍然是边坡稳定性分析的主要方法。 极限平衡条分法的基本要点是当坡体的抗剪参数( c 和留驴) 降低只倍以后， 坡体内存在一达到极限平衡状态的滑面，滑体处于临界失稳状态。其中，f 为 坡体的安全系数，处于极限平衡状态的滑面满足摩尔) 库仑准则，即： r = c + o t g 够 对坡体进行极限平衡分析时，一般采用比较特殊的垂直条分方式，以利于分析。 1 3 2 有限单元法 由于建立在极限平衡理论基础上的各种计算土坡稳定的方法n 引，无法考虑土 ，奉内部的应力应变关系，无法分析稳定破坏的发生和发展过程，更无法考虑局部 变形对土坡稳定的影响。同时实践又证明，稳定和变形有着十分密切的关系。一 个土坡在发生整体破坏之前，往往伴随着相当大的垂直沉降和侧向变形，利用有 限元法，考虑到土的非线形应力应变关系，求得每个计算单元的应力及变形后， 便可根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况；若设法将局部 破坏与整体破坏联系起来，求得合适的临界滑动面位置，再根据力的平衡关系推 第一章河海大学硕士学位论文 焉簧芏系数，这样就：箭稳定i 司题与应力分析结合起来。目前基于有限元方法分析 边坡稳定主要有3 种类型。川： ( 1 ) 对边坡作非线性有限元分析，得出边坡完整的应力变形成果，预测边 坡区域由弹性变为塑性的完整演进过程，为边坡的治理、施工方法提供依据n 1 。 但它对稳定性的分析是定性的，不能给出安全系数的大小。 ( 2 ) 用有限元计算的单元应力内插确定滑动面上的应力，再根据力的平衡 确定安全系数。条分法要作出土条是刚性的假定，还要假定条间力的方向和分布。 而有限元法由于确定了应力，避免了这些假定，可使滑面上的应力更符合实际。 ( 3 ) 强度折减法。该方法将土的抗剪强度除以安全系数，用于有限元计算， 如果算得的土坡恰恰达到破坏，则所选的安全系数就是实际安全系数。为此须要 将安全系数从1 o 逐步增大进行试算，直到土体破坏心2 2 副。该方法的关键是确 定临界破坏状态的判断标准，目前判断标准主要有两种：一是最大节点水平位移 达到某值；二是作迭代计算时达到不收敛。前者是用最大节点水平位移与折减系 数的关系曲线的激烈转折点作为临界破坏状态的判断标准，但有时曲线没有明显 的转折点。而对于后者，影响计算不收敛的因素很多，其安全系数难以较好确定。 进一步研究利用有限元法计算边坡稳定安全系数是十分必要的。 1 3 3 可靠度分析方法 传统的边坡稳定分析方法含有较多不确定性因素，而岩土体由于自身固有的 各向异性，加上室内试验条件的限制，强度计算参数常表现出明显的离散性。若 采用概率统计的方法，得出强度参数的概率分布模型，再结合传统的极限平衡分 析方法，就可以得出边坡稳定的可靠指标与失稳概率。可靠度分析方法乜5 2 7 1 由于 其优越性，具有很好的研究前景。 1 4 本文主要工作 针对防波堤袋装砂软基处理工程应用中的问题，本文将进行研究，主要工 作如下： 1 介绍了士体变形与渗流耦合分析理论。 2 介绍了有限单元法、邓肯张弹性非线性模型，重点介绍了土体变形与 第一章绪论 渗流耦合方程的有限元解汪。 3 模拟现场情况，计算分析了宁波大榭招商国际集装箱码头围堤工程两断面 土体固结过程，通过与实测值的比较，发现计算结果与实测值较吻合。 4 通过对抛石期间地基过大过快沉降发生的分析，指出在施工监测过程中， 所采用的沉降控制标准应从各自工程具体实际情况出发，本文工程案例可 适当放宽沉降控制标准。 5 简述袋装砂加固软基的物理力学作用，通过工程实际案例，说明袋装砂结 构能够均化应力，减少地基的工后沉降和不均匀沉降，保证建筑物的正常 使用。 6 模拟现场情况，对施工各阶段天然岸坡稳定性进行计算，并结合边坡安全 系数与地基水平位移速率之间关系，可推定边坡在整个施工期内始终保持 了稳定。 7 引入前人有限元分析成果以及相关工程实践经验，推定了土工织物加筋对 边坡稳定的影响效果，指出加筋对提高边坡抗滑性能明显，同时也能降低 变形。 8 通过地基固结和稳定性的分析，指明袋装砂在工程中的应用是成功的，具 有很好的应用推广价值。袋装砂在工程实践中的广泛应用，必将产生较好 的经济和社会效益。 i o 河海大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章：土体变形与渗流耦合分析理论 土体固结过程中，土骨架的变形与孔隙水的渗流是同时存在的，且相互影 响。由于孔隙水的渗流，会导致孔压的消散，引起有效应力的增加；有效应力 f 勾改变又使孔隙大小改变，进而影响土体的渗透系数，这样反过来又影响了土 的应力应变状态的变化。因此，土体的变形与孔隙水的渗流是耦合的。对小变 彤的饱和土体，为了分析的简单，我们往往只考虑渗流对土体应力应变的影响， 而不考虑应力应变状态对孔隙水渗流的影响，即一般假设渗透系数k 是常数。 防波堤地基在水上铺设砂袋和打设塑料排水板后，土体中孔隙水将发生主 j 渗流，同时伴随着土骨架的变形。随后的抛石加载将加大土体中孔隙水压力， ：o 隙水在水压差作用下产生渗流，孔隙体积逐渐减小，土体固结密实。因此在 j ，析固结过程前，先研究一下孔隙水的渗流规律。 2 。2 渗流理论 2 ，2 1 基本理论 饱和土在静水条件下，土中各点的水头h = z + p r w 相等，水体保持平衡， 不发生流动。此时，若有外荷载或其他原因，使土体中某些点的水头发生改变， 设水头改变为幽，那么，在这些点与土体中其他水头不变的点之间产生了幽 的水头差。按照流体的运动规律，在水头差触的作用下，高水头处的水会向 氏水头处流动。在流动过程中，水体消耗能量，水头降低。假设水头差为j l 的 。丐点之间的距离为a s ，则在单位距离上消耗的能量为a h ，当心畸0 时，得到 水力梯度i = 堪磐畜a h = i d h 。 由d a r c y 定律可知，水在孔隙介质中的流动速度y 与水力梯度i 成正比，即 i ，定义两者之间的比例系数k 为渗透系数，则有v = k i ，最后可推得时间t 内通过面积为a 的流量a = k i a t 。 第二章体变形与渗流耦合分折理论 渗透系数k 在不同土类的变化恧围很大。对同一种土，由于密度和结构的 不同，k 值也有变化。天然地基的土，由于不同程度的具有非均质和各向异性， 水平和垂直向渗透系数一般不相同，水平向的k 往往要大于垂直向。 2 2 2 渗流连续方程 在可压缩的饱和土体中任取一微元体，由d a r c y 定律，通过微元体x 、y 、 z 面上的单位流量分别为 式中 k ，、k ，、k ：三个方向的渗透系数； o 水的容量。 ( 2 1 ) 根据饱和土的连续性，单位时间单元土体的压缩量应等于流过单元体表面的流 量变化之和，即 昙( 矿d r d y d z ) ：丛墼字型出+ 型2 宴型咖+ 亟生妻必出 ( 2 2 ) 亡i fc 悦d vd z 由此 堕；盟+ 堕+ 堕( 2 3 ) c 3 t o x o y o z 将式( 2 1 ) 代入上式得 鲁一i ( k x a 2 u - + 巧争慢窘) c 2 舢 若土的渗透性各向相同，k x = k ，= k ：= k ，并将y 用位移表示出来，上式 可写为 一旦f 竺+ 兰+ 塑1 + 墨v z “；0 ( 2 - 5 ) o t o x a y o z jo 这就是以位移和孔隙压力表示的连续性方程。 舰一缸抛一妙抛一瑟 疋一k巧一。琏一。 一 一 一 = = = 吼 吼 河海大学硕士学位论文 2 3 饱和土渗流与固结的耦合方程 前已述及，饱和土的固结过程是孔隙水渗流与土骨架变形的耦合变化过 程。在此过程中，有孔隙水的渗流、孔压的消散；也有有效应力的增加和土骨 架的变形。前一节分析了饱和土中孔隙水渗流和孔压消散的过程，并建立了连 续性方程。这一节将分析有效应力的增加和软土变形的过程，建立描述这一过 程的平衡方程，最后将连续性方程和平衡方程进行耦合，建立耦合方程。 2 3 1 平衡方程 在可压缩的饱和土体中任取一个微元体，若体积力只考虑重力，z 坐标向 上为正，应力以压应力为正，则三维平衡微分方程为 亟+ 蔓+ 蔓；o 竖+ 堡+ 蔓：o ( 2 - 6 ) o x o y o z 蔓+ 蔓+ 堡一 式中：，土的容重，应力为总应力。根据有效应力原理，总应力为有效应 力与孔隙压力“之和，且孔隙水不承受剪应力，上式可写为 堕+ 堡+ 蔓+ 丝；o 一1 一+ 一+ 一= i j a x a y a za x 一0 r x y + 堕+ 堕+ 丝；o ( 2 7 ) 一十一+ 一+ 一= l - 、，j 缸押a za v a z 。 a r 踞 a 口：o u a xa va za z 式中：丝、丝、o u 实际上是各方向的单位渗透力。此式是以土骨架为脱离 d xd vd z 体建立的平衡微分方程。 利用物理方程 p ) = d ( 2 8 ) 可将式中的应力用应变来表示。比奥最初假定土骨架是线弹性体，服从广义虎 1 3 第二章土体变形与渗流耦合分析理论 克定律，则 d 为弹性矩阵，式( 2 8 ) 可写成 仃：2 g ( _ 占y + f ，) 仃x = 2 g ( f 万占y + f x ) 仃j = 2 g ( _ 矿+ 叫 ( 2 - 9 )仃，2 ( _ 石矿，)( 2 - 9 ) 盯：2 g _ 二_ 占y + 占：) 盯z 2 ( - 石占y z ) 1 p z = g r # z ，t = g r ，tc y 2 g r 斜 式中：g 、1 ，分别为剪切模量和泊松比。其实，物理方程并不一定要限于 弹性，也可推广到弹塑性体，这时 d 为弹塑性矩阵。 再利用几何方程将应变表示成位移。在小应变假定下，几何方程为 铲一警，k 叫誓+ 等 氏：一生，。：一( 竺+ 盟) ( 2 - 1 0 ) ，一吾，o 一( i + i 铲一警，叫等+ 鲁， 式中：w 位移。应力应变符合在土力学中习惯以压为正，以拉为负，故式 ( 2 1 0 ) 与一般弹性力学中几何方程的符号相反。 将式( 2 1 0 ) 代入( 2 9 ) ，再代入( 2 7 ) ，就得出以位移和孔隙压力表 示的平衡微分方程。对于弹塑性问题，方程的形式是复杂的，这里只给出弹性 问题的方程，即 一g v z 咿旦旦陛+ 生+ 丝) + 丝；0 “ 1 一加缸。缸 妙 砣 觑 一g v z w l ，- 旦旦( 竺+ 兰+ 丝) + o u ；0 ( 2 1 1 ) | 1 一j b 的j 淑 碲 a z 耐 一g v z ”旦旦阻+ 堕+ 盟) + 丝叫 式中：v z ；兰+ 兰+ 乓拉普拉斯算子。 舐二却2a z 2 1 4 河海大学硕士学位论文 2 3 2 渗流一变形耦合方程 把孔隙水渗流连续方程式( 2 5 ) 和土骨架变形平衡方程式( 2 1 1 ) 联立， 就得到了同时考虑土体渗流和变形的耦合方程。饱和土体中任意点的孔压和位 移随时间的变化都必须满足这个耦合方程。 对于平面变形问题，比奥固结方程可写为 羽2 + 西g + 罢= 。 一g v z w ，+ j l 三f 。+ 丝：一， ( 2 1 2 ) 1 2 vo z 以 堕+ 墨v z 比；o o t r w 式中，矿：一( 睾+ 警) 为体应变， o wd z v ：。乓+ 乓为拉普拉斯算子。 缸a z 要解上述偏微分方程组的解析解，在数学上是困难的，目前只能通过有限 元方法得到问题的数值解。 2 4 本章小结 本章着重讨论了土体固结过程中，土骨架变形与孔隙水渗流的耦合问题， 主要做了以下工作： 1 、分析指出渗流与变形是个相互耦合的过程，对于砂井地基固结的问题 要建立耦合方程； 2 、介绍了饱和土的渗流理论； 3 、介绍了比奥固结理论对于渗流与变形耦合方程建立的过程。 第三章平面有限单元法的基本理论 第三章：平面有限单元法的基本理论 3 1 有限单元法简介 有限单元法是对土体进行离散化处理，即以有限个单元体代表原来的连续体 结构，来分析应力和变形的方法。这些单元体仅在结点处有力的联系，将荷载作 用于结点，由总体平衡方程( 3 1 ) 可求得位移、应变和应力。土体的应力变形 存在着材料的非线性、非均质、边界复杂等问题，而解决这些问题正是有限单元 法的突出优点。 k 扣) _ 职) ( 3 - 1 ) 实际工程中一般都是空间问题，但在处理此类问题时，一般根据所考虑工程 对象的长度和宽度比，将该工程对象作为平面应变问题处理。防波堤堤基是长条 形构筑物，因此，把堤基结构作为平面问题来处理是合适的，此外，二维有限元 问题相对简单，易于处理，便于计算，从实用角度出发也是可行的。 3 2 本构模型 大型土建、水利和港口工程都是分阶段施工的，当施工到某一高度时，只有 该高度以下土体自重引起下面地基土体的变形，而下部结构的自重并不引起上部 土体的变形。施工速率直接影响着地基强度的增长和位移的发展过程，因此，必 须根据拟定或实际的施工过程对施工荷载分级。对每一级荷载还要划分为若干 出时段进行固结计算，在此基础上再考虑土体材料的非线性特性，根据工程实 际情况，选用相应的土体本构模型。 土的本构模型是岩土工程数值分析中一个重要组成部分，它的发展从剑桥模 型问世到现在已有四十年的历史，各国学者所建议的土体本构模型己达数百种， 并各自进行了一些室内土样的试验论证。但由于岩土工程的实际性状复杂且参数 不易准确确定，大量的本构模型尚未获得推广使用。其中，邓肯和张 ( d u n c a n c h a n g ) 提出的双曲线模型由于使用了工程师所熟悉的增量广义虎克 定律的形式，参数物理意义清楚且易于确定，适用土的范围也较广，并在工程应 用中得到了不断改进、完善和总结，所以在目前的工程实际应用中仍然非常广泛。 河海大学硕士学位论文 根据广义虎克定律建立刚度矩阵 d ，将其中的，肛视为随应力状态变化的 变量。当土体处于某一应力状态b 时，若施加微小的应力增量 仃】，则用该应 力状态下的弹性常数形成 d 或其逆阵【c ，以计算相应的应变增量 g ，这就是 弹性非线性模型的本质。下面简要介绍邓肯模型参数的表达公式及其物理意义： 3 2 1 切线弹性模量e f 当，为常数时，邓肯( d u n c a n ) 将三轴试验的偏应力( o r 。一口，) 和轴向应变。 的关系用双曲线拟合为： 式中a , b 为试验常数。将( 3 2 ) 式写成( 3 3 ) 式，则双曲线转换成直线。 上；口+ b e 。 一= ，j 0 1 。0 3 式( 3 2 ) 与( 3 3 ) 相应的曲线为图3 1 中双曲线及图3 2 中直线。 ； lr 一一 。j l 。t o - o - o - o - o - o - o - o - o - 磊- - = c 。j r i ， o 乓中a ，b 分别为： 图3 1 1 e j 如南 a 口 l 。， 4 二二一。 上一一 图3 - 2 上式中e ；曲线( 仃，一o r ，) 占。的初始切线斜率，称初始弹性模量； ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 第三章平面有限单元法的基本理论 p ，一c r ：，破坏时的偏应力； 尺， 一破靴他：蹴朋，的值由谶能该 值通常在0 6 5 - 0 9 之间变化。 采用图3 - 1 所示的曲线的切线斜率作弹性模量e ：，作数学推导可得： e r = ( i - r ，s ) 2 er (3-5) 舯 ”粉 根据摩尔库仑准则( 参见图3 - 4 ) ，有； ( 吼一仃，) ，：堑等竺型型 。 上一s 1 n 留 式中c 、驴抗剪强度参数。 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 杨布q 讪u ，通过压缩试验得到耻如。“ 协8 ， 式中p 。为大气压力，l g k 、，z 分别为l g ( e i p 。) l g ( c r ，p 。) 关系直线的截距与斜 率。( 参见图3 3 ) 。二万一 7 一 吒 ! 寺， j ：二r0 1 o 。 0 4 9 时，令- 0 4 9 。 一3 2 3 切线体积模量k ， 体积模量k 与e ，同为弹性常数，通过下式可相互转换： 1 9 第三章平面有限单元法的基本理论 k ：土 3 u 一2 ) f 3 - 1 3 ) 由于在有限元计算中只用到e ，k t 两个参数，即可用k ，代替，。邓肯等人假定 k 与应力水平s 无关，仅随仃，而变。由此可推出下式： 一p 槲 式讹、m 分别为l g 也关系直线的截距与斜率。同时“例胖j j 在 ( o 3 3 - - - - 1 7 ) e ，之间。 3 2 4 回弹或再压缩状态 当计算出的o r ，小于历史上曾经受到过的固结压力。时，即处于回弹或再压 缩状态。假定回弹再压缩阶段的初始模量巨不随仃，变化，改用o r ，。代入( 3 - 8 ) 式来计算e 。此时的弹性模量e 。一般可由卸荷试验测定，如图3 - 7 和式( 3 1 5 ) 示，邓肯等人假定e 。仅随仃，变化。在双对数纸上点绘l g ( e 。p 。) i g ( o - ，p 。) 关 系曲线，可得一直线，如图3 - 8 所示，其截距为k 。，斜率为n 。 辜一卢 j l _ i 专 图3 7图3 -