（地质工程专业论文）深圳前海湾软土地基沉降预测方法研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 在经济建设迅速发展的沿海地区，软土地基是普遍存在的地基类型。由于软土的高 压缩和低强度特性，在软土地区修建建( 构) 筑物，地基沉降变形的预测和控制，是工 程建设中最重要和关键的问题之一。本文结合深圳前海湾软土地基的工程处理实践，在 原位观测数据的基础上，对软土地基的沉降预测方法进行了较为系统的探讨和研究，具 体包括以下几个方面： ( 1 ) 以研究软土工程特性和软土地基沉降特点为出发点，对软土变形机理和沉降 进行了理论分析，归纳和总结了影响沉降的因素：介绍分析了各种固结理论的地基沉降 计算方法和基于现场实测数据的后期沉降预测方法：分析了现有各种沉降计算方法和预 测方法的优缺点及其适用条件。 ( 2 ) 针对人工神经网络法进行了深入分析，总结了神经网络法的各种优缺点，指 出了进一步的改进措施。 ( 3 ) 区别于传统沉降预测方法的研究途径，从沉降过程的发展特征出发，根据描 述物理化学反应过程发展特征的质量作用定律原理，探讨了一种新的地基沉降预测方 法：地基沉降预测的质量作用定律模型，并用质量作用定律模型对深圳前海湾软土地基 进行沉降预测。 ( 4 ) 以深圳前海湾软土地基处理工程试验区为背景，通过对浅层沉降、孔隙水压 力等资料的分析，掌握了软土地基变形的实际性状。分别采用人工神经网络方法( 趟州) 、 质量作用定律模型、双曲线法和三点法，对深圳前海湾软土地基的沉降进行了预测和分 析，结果表明：神经网络和双曲线法有较高的精度，尤其是在荷载不断变化，情况比较 复杂的施工期，神经网络较双曲线法对控制施工进度，保证地基的稳定更有优势。文中 运用的新方法一地基沉降预测的质量作用定律模型，适合于地基后期沉降及最终沉降 量预测。而传统的三点法，其预测效果不理想。 关键词：软土地基：沉降预测：人工神经网络；质量作用定律模型：双曲线法；三点法 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hm ec c o n o m i cg r o w t h ，t h es o f tg r o u n dh 弱w i d e l yd i s 踊b u t e di nc o a s t a la r e a d u et 0 t h ec h a r a c t e ro fs o rs o i lt h a th 硒h i g hc o n l p r e s s i b _ i l i t ya i l dl o wi n t e i l s i t y ；s o m eb u i l d i n g si n t h i sa r c ah a v et 0s o l v es o m ei 【c yt e c h n i q u ep r o b l e m s ，s u c h t h ep r c d i c t i o n 勰dc o n t r o lo f s e t t l e m e n t i i it h i sp 印e r ，t h ew a yt 0p 川i c tt l l es e t t l e m e n to fs o ng r o u n dw e r ed i s c u s s e d t l l o r o u g h l ya c c o r d i n gt 0l a r g e 锄o u m so fi i i - s i t eo b s e r v a t i o nd a _ t ai i lm er 销e a r c ho fm e s e c t i o no ft h es o f tf o u n d a t i o no fm es h e 磁| h e i lf r o n tb a y a c c o r d i n gt 0m eo r d e ro f c h a p t e ro f t h em e s i s ，t h ee l a b o m t ew o r ki n v o l v e ss c v c r a l 淞p e c t s 私f o l l o w ： ( 1 ) f r d mt oi s e 锄篙ht h es o rs o i l2 m ds o f tf o u l l d a t i o nc h a 峨t e r i s t i ct l l ed i s s e r t a t i o n c o n c l u d e 锄ds 啪u pt h ef a c t o 璐w h i c h 佃血u e n c et l l ec o n s o l i d a t i o n a h n o s ta l lk i n d so f s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e 1 0 db a s e do nd i f 五豇e n tt l l e o r i e sa n da f t e r 二c o n s h u c t i o ns e t t l e m e n t p r e d i c t i o nm e m o db 弱e do ni i l s i t l i t e s td a t aa r cg e n e r “i z e d a n dm ea d v a n t a g e 趴d d i s a d v a n t a g eo ft h ep r e s e n ts e t t l 锄e n tc a i c u l a t i o nm e t l l o d sa n dp 硎i c t i o nm e t h o d s ，i n c l u d i n g i t s 印p l i c a t i o nc o n d i t i o 璐a r e 孤a 1 ) ，z e di nt l l i sp 印e r - ( 2 ) a n i f i c i a ln e u r a ln e m o 呔m e m o dw 嬲r e s e a r c h e dd e 印l y t h em e r i t s 锄df - a u l t so f n e u r a ln e 锕o r kw 弱p o i n t e do u ta n df i l h e rm o d i f i c a t i o nw 弱西v 吼 ( 3 ) b y 觚a l y z i n gt h ec h 绷l c t 丽s t j c so ft h ep r o c e s so ft h ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ，t l l e m o d e lf o rp r e d i c t i n gf o u n d a t i o ns e t t l 锄e n tb 觞e do nl a wo fm 丛s a c t i o ni sp u tf - 0 刑a r d ( 4 ) t h i sp a p e rr e l i e so nm er e s e a r c ho ft t i es e c t i o no fn l e f tf o 吼d a t i o no ft h e s h 铋z h e nf r o n tb a y t h r o u g l l 锄a l y z i n gt i l ci n - s i t ud a 诅甜l c h 觞s h a l l o ws e t t l e m e n ta n dp o r e w a t e rp r e s s u r e ，m e t u a ld e f 0 咖a t i o nb e h a v i o ro fs o f tf o u n d a t i o na r em 弱t 刚a n dt h 朗 a p p l y i n gt l l ea n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) p r e d i c t i i l gm e t l l o d ，t h el a wo fm a s s a c t i o n m e l h o d h y p e r b o l i cm e t h o d 龃dm r c e - p o i n tm e m o dt op r e d i c t 勰da i l a l y z ef o u n d a t i o n s e t t l e m e n ti ns h e n z h e nf r o n tb a y p r a c t i c a lt e s ts h o w st h a t 砧叮na i l dh y p e r b o l i cm e t h o dh 孙 ah i g l ld e g r e eo fa c c 眦c y ，伪p e c i a l l yi nv e 叫c o m p i e xc o n d i t i o 璐，粕dc o m p a r et 0h y p e r b o l i c m e t h o d ，a n ni sm o r ev a l u a b l et oi 1 1 s t r u c tc o n s t m c t i o n a n dt 1 1 ep r e d i c t i v er e s u l ts h o w st h a t t h en e wm o d e lf o rp r e d i c t i n gf o 衄d a t i o ns c t t l e m e n tb 丛e do nl a wo fm 筋s a c t i o ni ss u i t a b l e f o rp r e d i c t i n gl a t t e rf o u n d a 脏o ns e t t l e m t 卸du l t i m a t ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n t b u tt h e p r e d i c t i v er e s u l ts h o w st h a tt h et r a d i t i o n a lt l l r e e - p o i n tm e m o di su n i d e a l 硒w ea p p l i e d k e y w o r d s ：s o r 印u n d ；s e t t l 锄e n tp r e d i c t i o n ；a n n ；l a wo fm a s s a c t i o n ；h y p e r b 0 1 i cm e t h o d ； m r e e - p o i mm e t h o d h 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在刘之葵教授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，论文中不包含他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ： 扭至园 签字日期： 丝昼： ：墨 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期：； 桂林工学院硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 软土在我国和欧美各国、日本、东南亚都有分布，其力学性质比较特殊，主要是含 水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差且具有明显的流变性和结构性等。 在这种软弱地基上修建构筑物时，由于其压缩性高、透水性差，地基会产生相当大的沉 降和沉降差，而且沉降过程持续的时间很长，有可能影响建筑物的正常使用。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发生地基破坏。为保证 建筑物的安全和正常使用，必须事先对该软弱土层进行加固处理，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。 地基沉降是影响建( 构) 筑物设计、施工和正常使用的主要因素，因此一直是土力 学中的重要研究课题之一。自从t e r z a g l l i ( 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取得长足的发展，软土地基沉降量的估算精度也有了很大的提高。 但由于软土的工程特性十分复杂、人们目前对土体固结压缩规律的理论研究尚不充分， 同时沉降预测方法自身有许多与实际存在较大不符的假设性条件，导致沉降预测值与实 测值之间往往存在较大差距。正如泰国学者b a l 硒u b r 锄锄i 锄和b r e i u l e 一1 】所说的那样“尽 管有了很大的改进，但沉降的预估比一般的土工计算更具技术性。今天，在许多情况下 己能够预估出误差不超过1 0 2 0 的最终沉降量，但是，预估沉降与时间关系的能力仍 然相当差。 所以，从工程建设的发展与要求来看，还需对现有的地基沉降计算理论作 进一步的研究、改进和创新。 目前国内外对沉降时间关系的研究正处于一种百花齐放的状态，已提出多种沉 降预测方法，工程中也结合当地特点给出了不少经验方法。但这些方法都有其优缺点和 适用条件，在理论上及工程应用中也存在不少问题，一种计算模型对某一种实际情况的 预测可能是有效的，但对另一种情况未必适用。因此，应深入探讨软土地基的沉降发展 规律，认真考虑工程实际中的各种影响因素，利用有限的沉降实测数据，选取合理的沉 降预测模型及方法进行地基沉降量的预测，使沉降的计算值与实测值更为接近，从而更 好地为工程建设服务。 1 2 国内外软土地基变形问题研究现状 变形问题一直是软土地基急需研究解决的主要问题。对软土地基沉降变形性状的分 析研究，不仅是正确认识和评价软土地基稳定的基础，也是提高软土地基设计水平，发 展施工控制技术的有限途径。软土地基变形问题主要包括地基变形监测、地基变形计算 i 桂林工学院硕士学位论文 和地基沉降预测等，现分述如下： 1 2 1 软土地基变形监测 在第十一届国际土力学与地基基础会议上，j 锄i o l l 【o w s k i 等人在专题报告中指出， 由于土力学的发展与工程实践的需要一门相对独立的分支学科实验岩土工程 ( e x p e r i m e n t a ls o i le n g i n e 丽n g ) 正在不断发展。该学科的实验方法，除了大家公认的 室内实验与原位测试外，第三种便是岩土工程的现场监测。岩土工程的监控与测试已成 为岩土工程的一个重要环节，而监测数据分析结果可以更好的完善设计和保证施工安 全。监测试验的主要目的是为了获得地质体的位移变形等数据并用以研究地质体的空间 状态与时间特性，试验一般由“内观 和“外观”两部分组成，“外观 主要观测软土 地基的外形和相关部位的水平位移、垂直位移和倾斜位移等。水平位移观测主要有监测 网法、导线法、交会法、激光准直和摄影测量等方法。垂直位移观测主要有几何水准法、 电磁波测距三角高程法、弦矢导线法、激光交会法和应用沉降仪、垂直位移计等方法。 倾斜位移采用测斜仪观测。“内观 主要观测软土地基的土压力和孔隙水压力等，一般 用专门仪器观测。 在我国，不同行业对变形观测有不同要求。交通部门在填筑体稳定的前提下，主要 关心的是路堤的竖向变形问题。高速公路、一般公路容许的工后沉降：桥台与路堤相邻 处 1 0 c m ，涵洞或箱型通道处 2 0 c m ，一般路段 3 0 c m 【2 1 。铁路允许的工后沉降与公 路相似，路桥过渡段的地基( 路堤h 7 m ) 工后沉降 5 c m 【引。机场道槽区工后沉降和 差异沉降无论填高多少皆应小于5 c m ，实际工程中以4 c m 控制。水电部门对大坝的变形 观测，关心的主要为侧向变形，监测的主要内容为侧向位移。高速公路、一级公路、铁 路一般进行二等或二等以下的水准观测，设备主要为水准仪、经纬仪、分层沉降仪、电 磁式分层沉降仪、垂直变位仪、垂直相对变位仪。碾压土石坝垂向观测设备与公路、铁 路相似。机场进行二等或二等以上的水准观测，设备主要为水准仪、铟钢尺。 8 0 年代以来，我国众多岩土工作者对软土地基沉降观测工作展开了研究【4 】，监测技 术取得了显著的进展，例如中加合作的葛洲坝水电站综合自动化计算机监测系统、龙羊 峡近坝库岸稳定性研究等项目中所采用的监控自动化和通信技术在国内外都处于先进 水平。国外原位监测正向多媒体可视化的监测网络技术发展，它具有遥测、遥控、遥信、 遥警和遥视一体化功能。 1 2 2 软土地基变形计算 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，应力作用后会 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。软土 2 桂林工学院硕士学位论文 变形非常复杂，它随着土的种类和状态以及外界条件的变化而发生很大变化，例如含水 量、应力历史、排水条件、加荷速率等。除了这些以外，在实际工程中。人们还不得不 考虑到地基构成不同对其总体变形的影响，这包括地质构成、地下水位、冻结深度等。 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。软土地基沉降的理论分析 方法可归纳为两种类型：一类是理论公式法；另一类是数值分析法【卯。现有沉降计算理 论公式方法很多，包括分层总和法、考虑前期固结压力的e 1 9 p 曲线法、 s k e n l p t o n - b j e m 硼法【6 1 、以及l ，a i 】n b e 等人( 1 9 6 7 ) 提出的应力路径法【7 】等，都是基于 t e 犯a 曲i 一维固结理论的基础之上，其中引入了许多简化假定，这类方法具有简便、直 观、计算参数少且易取得等优点，因而在工程中得到了广泛的应用。数值分析法则是近 代土力学研究的产物。7 0 年代以来，随着计算机和有限元应用技术的发展，人们可以将 复杂的土工计算问题编制成有限元计算程序，通过计算机运算，从而得到较准确的计算 结果。从而使土体的非线性和粘弹塑性得到了广泛的研究。各种本构关系也随之建立起 来，使变形和强度结合起来考虑有了可能。利用数值分析方法，可以较全面地考虑土体 的非线性的应力应变特性及复杂的地质条件和边界条件，理论上较严密。目前，广为应 用的有限单元法( 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【s j ) 和其它 数值方法( 如差分法、边界元法、变分法、加权余量法等) 都依赖于计算参数的准确性。 但是，这种方法也存在一定问题。计算采用的土体本构模型参数必需通过试验来确定， 然而，由于试验条件很难模拟实际的工程情况，加上土体在采样、搬运、试验过程中的 扰动，特别是针对触变特性明显的软粘土，使得试验结果会带有较大的误差。此外，尽 管有限元能考虑土体的非线性的应力应变特性及复杂的地质条件和边界条件，但现有的 关于土的本构模型的描述能力在精度和条件方面仍然是有限的。即便是依据土的本构关 系所得的计算成果也不是反映了各种土体的变形特性，每种本构模型都有其适用性和局 限性。可见，数值计算方法比理论公式法复杂得多，难以掌握，缺乏理论公式法所具有 的许多优点，因此，目前主要应用于理论研究和重大工程，且有待完善。在一般工程中 未能得到广泛的应用。 软土地基在受到荷载后的变形过程是一个复杂的过程，按其产生的机理不同，可分 为三个组成部分：即瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降。 1 2 2 1 瞬时沉降 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( 平面应变) 或三维变形情况，则瞬时沉降在地基总沉降 桂林工学院硕士学位论文 量中占有相当大的比例。瞬时沉降的理论计算方法主要有如下几种：根据土体的不排 水变形模量按线弹性理论计算，也包括d j 咖o l o n i a 等人( 1 9 7 1 ) 经有限元分析提出的 修正方法f 9 】；i 嗣m b e 等人( 1 9 6 7 ) 提出的应力路径法徐少曼( 1 9 8 3 ) 提出的根 据三轴不排水试验的归一化曲线进行计算i 1 0 1 。在这几种方法中，唯有l 锄b e 等人( 1 9 6 7 ) 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，试验工作量相当大，且对试验技术要求很高，所以在工程中应用非常不便。 1 2 2 2 主固结沉降 主固结沉降是地基土在排水固结过程中由于体积压缩而产生的，在总沉降中所占比 例甚大，所以其计算结果对确定总沉降及其沉降速率有重要的影响，也是正确预测和控 。制沉降速率的关键。其计算包括两个部分，即土体固结度的计算和地基最终固结沉降量 的计算。 ( 一) 固结度计算 固结理论一直是土力学的重要课题之一。所谓固结，就是土体受外力作用，内部应 力变化引起体积变化，同时有部分孔隙水被挤出的压密过程。固结理论主要有以下几类： ( 1 ) 饱和土经典固结理论 t e 亿a g l l i 一维固结理论 对软土的固结沉降研究应该说是开始于2 0 世纪初期。1 9 1 8 年，瑞典工程师和科学 家认识到软粘土的固结沉降现象并通过现场取样测试进行验证“排水固结”现象。也正是 这一时期，著名土力学家t e r z a 曲i 在进行他的固结研究，并于1 9 2 3 年发表了著名的论 文粘土中动水应力的消散计算i 】，提出了土体一维固结理论，接着又在另一文献中 提出了著名的有效应力原理【佗】，从而建立起一门独立的学科一土力学。t e 亿a g h i 导出 的单向固结基本微分方程可求得一定初始条件和边界条件下的解析解，强有力地指导了 土工建筑物的设计与施工，成为土力学发展史上的一个重要里程碑。但它同时也引入了 很多假定【i l l ，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，有人提 出了外荷载随时间变化的固结微分方程，并且给出了解析解，但它假设荷载按线性增长， 这样仍把加荷情况简单化了。而考虑荷载的非线性变化情况下的固结解析解目前尚未见 到。 多维固结理论 t e r z a g l l i 固结理论对于一维固结是精确的，对于二维和三维固结并不严格。而工程 实际中遇到的大多是三维固结情况，对此，r e n d u l i c ( 伦杜列克) 于1 9 3 6 年将t c r z a 曲i 4 桂林工学院硕士学位论文 理论推广到二维、三维情况【13 1 ，提出了t e r z a g l l i r e n d u l i c 固结理论，其数学方程式又称 为扩散方程，但该理论未考虑土体变形所需满足的几何条件，且至今尚没有适用于一般 情况的解析解，只能采用有限差分解和有限元解，故也常称为“拟二维或拟三维固结理 论”。应该指出的是我国的黄传志在t e r z a g l l i 固结方程求解方面作出了杰出贡献，谢康 和的研究集体则对双层地基的固结问题作出了系统研究。 1 9 4 1 年b i o t ( 比奥) 从较严格的固结机理出发，推导了全面反映土体孔隙水压消散 与土骨架变形相互关系的三维固结方程，由于摒弃了t c r z a g m 关于总应力不变的假设， 考虑了变形协调条件对固结过程中总应力的影响，能够解释m 锄d e l c 驴r ( 曼代尔一克雷 尔) 效应，比t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论更符合实际，故被称为“真三维固结理论 i i 训。 1 9 4 2 年c 枷l l o 从数学上证明：多向渗流时孔隙水压比等于各单向渗流时孔隙水压比之 乘积【”】，应用此理论可简化多维固结计算。1 9 5 6 年b i o t 将其固结理论推广到动力问题， 标志着理想弹性饱水多孔介质固结变形理论基本框架的完成。但由于该理论【1 4 j 要解4 个 未知函数的偏微分方程组，在数学上较困难，即使采用级数和积分变换等手段也只能对 少数简单的边值问题求出解析解或半解析解，致使b i o t 方程自建立以来长期没有在工程 中得到广泛应用。应该指出的是b i o t 曾求得条形荷载下半无限地基固结问题的解答，后 来m cn 锄e e 和g i b s o n 等进一步求得若干特殊问题的解答【1 6 】。直到7 0 年代初计算机的 发展及有限元的应用才使b i o t 固结问题可通过数值计算得到较圆满的解决【l7 墙】。同一时 期土的本构关系研究也取得很大的成果，提出了数以百计的各种土的本构关系，以 d 吼c 觚c h 狮g 模型1 9 l 为代表的非线性弹性模型，以c 锄c l a y 模型2 0 l 为代表的弹塑性模 型，以及一些粘弹性、粘塑性、粘弹塑性和损伤力学模型2 l 】在工程实践中得到广泛的应 用。如国内学者沈珠江等人于1 9 8 6 年采用线弹性模型、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，计算精度可满足工程需要。随着近年来计算土力学的发展，b i o t 固结理论正逐步代替t e r z a 蛳固结理论，在工程中应用b i o t 固结理论求解地基固结问题 越来越广泛。 砂井固结理论 对于采用砂井或塑料排水板预压排水措施处理软土地基的固结计算问题，1 9 3 5 1 9 4 2 年间r e n d u l i c 、k i e l l m 孤、c a r r i l l o 、b 姗n ( 巴隆) 等在t e r z a g h i 单向固结理论 基础上，分别提出了仅考虑径向渗流且砂井排水能力为无限大的理想井固结理论，但以 b 姗n 的应用最为广泛【2 2 1 。1 9 4 8 年b a 玎0 n 分别按自由应变和等应变两种情况，建立了 轴对称固结基本微分方程并导出其解析解【2 3 1 ，它在砂井地基设计中得到广泛应用。日本 学者高木俊介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 5 9 年，曾国熙、 杨锡龄对砂井地基总平均固结度在各种条件下如何计算问题进行了探讨，并采用多种方 法对砂井地基沉陷问题进行计算，指出侧向变形引起的砂井地基沉陷量不可忽视。1 9 8 7 s 桂林工学院硕士学位论。文 年，曾国熙、谢康和【2 2 l 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，董志刚2 4 l 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与涂抹的 解析解，推出了真空联合堆载预压孔隙水压力和地基固结度计算公式，具有一定的理论 和应用价值。 ( 2 ) 饱和土固结理论的发展 经典固结理论均建立在线弹性变形假定条件下。过多假设的引入使数学模型的建立 和方程的求解得以简化，但理想化的假设与实际情况有时相去甚远，计算结果不能令人 满意，故经典固结理论自提出后就得到不断改进和完善。固结理论的发展可粗略地分为 两个方向j 一个方向是逐渐取消经典固结理论关于土体材料的均质线性假设，发展了非 线性固结理论：另一个方向是取消小应变假设，考虑固结变形的几何非线性，发展了大 变形固结( l a r g e s 仃a i nc o n s o l i d a t i o n ) 理论。 非线性固结理论的研究始于上世纪6 0 年代，a 砧o t t ( 1 9 6 0 ) 【2 5 】，s c m f r m 觚和g i b s o n ( 吉布森) ( 1 9 6 4 ) 【2 6 l 等曾处理性质随深度而变的不均匀土和成层土的固结问题：h 幽 ( 1 9 6 0 ) 1 2 7 l ，b 莉e n 和b e 叫( 1 9 6 5 ) 【2 8 1 利用修正形式的d a r c y 定律推导固结方程：b 硼 和b e 一2 蚋，d a v i s 和r a y m 锄d ( 1 9 6 5 ) 【2 9 】提出透水性和压缩性变化的小应变理论；g i b s o n 和l 0 ( 1 9 6 1 ) 【3 0 1 ，b a r d o n ( 1 9 6 5 ) 【3 l l ，p o s k i t t ( 1 9 7 1 ) 【3 2 1 ，g 砌a n g e r ( 1 9 7 2 ) 1 3 3 】研究 了固结的次时间效应。m i k a s a ( 1 9 6 3 ) 经过大量软粘土固结过程的研究后发现，人工坝 填土和新近沉积超软土的固结特性与t c r z a g h i 固结理论不太符合。他认为当土层很软很 厚时，土层中的自重应力水平对固结过程的影响很大。针对这种情况，1 9 6 7 年g i b s o n 【3 4 l 等入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，且有些基本假设与t e r z a g l l i 理论基本相同。 g i b s o n 和s c h i 胁孤等( 1 9 8 1 ) 用有限非线性应变固结理论分析厚层粘土的固结过程时 发现，如果考虑土体的非线性，则求得的同一层土的固结速率比用t e 陀a 曲i 理论推求得 快。窦宜、蔡正银等人( 1 9 9 2 ) 【3 5 】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。试验结果证明，离心试验与常规试验相比，两者压缩特性 一致，而考虑土体自重应力的离心固结试验比常规固结试验的历时短，所得出的固结系 数大：离心试验得到的土体固结速率比t e 犯a g l l i 固结理论推算的结果要快，而与有限非 线性应变固结理论在简化条件下的解推求的结果基本一致。 大变形固结理论的研究也始于上世纪6 0 年代。对于软粘土当荷载较大时，土体变形 较大，变形量有时超过2 0 ，而w 曲e r ( 1 9 6 9 ) 1 3 6 】曾报道了堤坝下泥炭土地基固结压缩 达层厚8 0 的工程实例，这时小应变理论可能带来较大误差，因而需考虑大变形。其实 在此之前，m c n a b b ( 1 9 6 0 ) ，m i k 弱a ( 1 9 6 5 ) 【3 8 1 ，g i b s o n 等( 1 9 6 7 ) 【3 4 1 就曾致力于 把小变形固结理论推广到更普遍的大变形固结理论，此后，大变形固结理论沿着2 个方 6 桂林工学院硕士学位论文 向发展：一方面，基于m i k a s a 和g i b s o n 等的理论，进行理论的完善和数值求解以及实验 验证等【3 5 3 9 舯l ；另一方面，随非线性连续介质力学的发展，建立在有限应变理论基础上 的大变形固结理论及其数值分析也不断取得进展。h a w l e y 和b o r i m ( 1 9 7 3 ) 【 j 及8 0 年代 方开泽等对饱和粘土主、次固结过程进行了研究，提出统一固结理论( 又称大变形固结 理论) ，它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。m e s r i 和r 0 k l l s 盯 ( 1 9 7 4 ) 研究了同时考虑压缩性、透水性随归结变化，临界压力和次固结影响的一维固 结模型。c a t e r 等( 1 9 7 7 ) 【4 1 恨据非线性连续介质力学理论，采用g r e e n 应变张量表述变 形量，给出了饱和土体三维大变形固结理论，并用空间描述的有限元法进行分析。m a 朗觚 等( 1 9 7 9 ) 提出同时考虑土的成层性e 、c v 和k 随o v 的变化，次固结和非饱和状态等的一 维固结模型。p r e v o s t ( 1 9 8 2 ) 1 4 2 1 ，c h o p r a ( 1 9 9 2 ) 【4 3 】等，国内学者朱昊和袁建新( 1 9 9 0 ) 1 4 钔，周正明( 1 9 9 2 ) ，谢永利( 1 9 9 4 ) f 4 5 j ，谢新字( 1 9 9 6 ) 【矧，何开胜等( 2 0 0 0 ) 【4 7 】等应 用非线性连续介质的有限应变理论对大变形固结及其有限元分析方法作了进一步的研 究。此外，大变形固结理论在工程界的应用也逐渐得以推广，如c 蟛u ( 1 9 8 4 ) 分析了 一围海造陆吹填工程土体的初始孔隙比达1 2 o 以上，大变形分析与传统的小变形分析相 差5 0 以上，而大变形固结计算结果与实测结果相当一致：美国f l o r i d a ( 佛罗里达) 磷 酸盐尾矿库中吹填土的固结预测，虽然效果并不十分让人满意( t o 、n s e n d 等，1 9 9 0 ) ， 也给大变形固结理论提供了一个很好的实际应用机会等【4 引。 有关固结的试验研究近年来主要是等应变速率固结试验和离心试验。在k o 固结和 三轴固结基础上发展的等应变速率固结( c o n s t 觚tr a t eo f s t r a i l lc o 璐o l i d a t i o n ) 简称c r s 固结，也有学者称之为等变形速率固结( c o 璐t 觚tr a t eo f d e f o n n a t i o nc o i l s o l i d a t i o n ) 简 称c i m ，最早于1 9 5 9 有文献报道。c r s 固结试验是一种标准、高效的试验，它能快速 确定土的固结参数包括应力历史、压缩性、透水性和固结速率等，所得参数能反映土的 大变形固结特性，对理论研究和工程实践都很有价值。与传统的逐级加载固结试验相比， c r s 固结试验可以得到连续的试验数据，易于实现试验过程的自动控制与自动记录【4 9 1 。 与c r s 固结试验相结合的固结分析理论也取得了一定成果p 例。而国内关于c r s 固结试 验研究的报道较少见。离心试验在固结理论的研究中主要有两个方面，一种是用于测定 土的参数，另一种是用大尺寸模型模拟实际工程中饱水软粘土的固结过程。 ( 3 ) 非饱和土固结理论 由于陆地上非饱和土的覆盖面积远大于饱和土，并且与工程实践密切联系的地表土 ( 如黄土、膨胀土、人工填土等) 大多是非饱和土。对于非饱和土，除包括可以认为是 不可压缩的固相和液相水以外，还含有一定数量的可压缩气体。由这种体系组成的土体， 7 桂林工学院硕士学位论文 不仅在压缩方面，而且在渗透方面，都比饱和粘土( 二相体系) 复杂得多，迄今还没有 一个公认为比较成熟的分析非饱和固结问题的理论方法。尽管从2 0 世纪3 0 年代起人们 就开始对非饱和土进行研究，但由于难度大，进展缓慢，一直到5 0 年代后期，解释非 饱和土性状的若干概念才在英国帝国大学进行的研究工作中建立起来。并且7 0 年代以 前，有关非饱和土的研究停留在资料整理和探索阶段。7 0 年代净应力和吸力双变量理论 的确立标志着非饱和土土力学的研究逐步趋向于成熟。但是非饱和土固结理论的建立完 全是9 0 年代以后的事。非饱和固结的研究将是今后一二十年固结理论研究的主要方向 p i 】 2 0 世纪6 0 7 0 年代陆续有人对非饱和土的一维固结问题进行过研究，8 0 年代后期 才有人开始研究三维固结方程。c o l e m 觚( 1 9 6 1 ) 最早提出了描述非饱和土体应力状态 的双变量理论1 5 2 l 。扎列茨基( 1 9 6 7 ) 综合了弗洛林的体力原理、比奥的固结理论和陈宗 基的流变理论，对非饱和土( 假定气体溶于水中，与渗透着的水一道以相同的流速自由 地通过孔隙；由于土的结构性，土骨架压缩与膨胀的蠕变速率不同) 给出了竖向集中力 作用于半空间表面时，表面任意点处固结和蠕变的半空问应力一应变状态的解答。b 棚印 提出了压实非饱和粘土的一维固结分析，用达西定律描述气相和液相的流动。对于土的 不同饱和度，提出了若干种独立的分析，但由于对非饱和土应力状态和本构关系缺乏了 解，所以具有不确定性。f r e d l u n d ( 1 9 7 9 ) 认为，在一般问题中，孔隙水和气压力对土 颗粒的压缩可以忽略，采用了目前流行的净应力( 仃一玩) 和基底吸力( 芦) 的双变量 理论。并在此基础上，f r c d l u n d 和h 硒锄( 1 9 7 9 ) 建立了非饱和土体一维固结理论【5 3 】。 国内学者陈正汉( 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ) 、宰金珉( 1 9 9 0 ) 、杨代泉( 1 9 9 2 ) 和殷宗泽( 1 9 9 8 ) 曾先 后研究过非饱和土的固结理论，陈正汉用混合物理论研究了非饱和土的固结理论，他提 出的非饱和土固结理论是一个完整的理论体系，是对土力学理论的创新：宰金珉则在扎 列茨基的基础上，利用等积变换方法，给出了竖向均布荷载作用于半空间表面矩形域时， 表面以外任意点在任意时刻固结与蠕变耦合沉降：杨代泉根据非饱和土的非线性本构方 程建立了非饱和土的广义固结理论，但由于公式复杂，参数众多，只能进行数值解，因 而在工程实践中未被普遍采用；殷宗泽对非饱和土三维固结理论进行了简化，提出了非 饱和土的二维固结理论。另外，包承纲( 1 9 9 8 ) 研究了非饱和土固结过程中孔压消散系 数和饱和度之间的关系。陈正汉、杨庚字、王志玲等或者在a l o n s o 弹塑性本构模型的 基础上进行了改进并提出了相应的弹塑性模型或者把饱和土弹塑性模型推广到了非饱 和土情况。 到目前为止，虽然非饱和土土力学的研究己取得可喜的进展，可是由于：饱和土 固结理论的建立，是以土体积变化的连续性为基础的，土体积的任何变化，都是土中的 水排出的结果。而对于非饱和土，因为土中的气体是有很高的压缩性，故当这部分气体 与外界连通时，由于孔隙气压力作用，一部分气体要从土体中排出，与此同时，未排出 g 桂林工学院硕士学位论文 气体在压力下体积发生变化，密度改变，而且还有一部分气体要溶解于孔隙水中。对于 以气泡形式存在于土孔隙中的封闭气体，也要有体积改变与溶解现象。由此可见，要建 立严格的连续条件，是比较困难的。当土孔隙中的流体兼有水和气时。研究他们的渗 透性，通常是近似地将其当做两种不混合流体的运动问题来处理，尽管如此，也不易得 到可靠的解答。对于饱和粘土，般均认为土中的渗流可以用达西定律来描述，这时渗 透系数k 为常量，它与土的含水量和作用的水压力无关。可是，对于非饱和土，不仅涉 及两种介质的渗透性，并且两者都与土的含水量和基质吸力密切相关。此外，对于给定 状态的土，当由湿到干或者由干到湿达到同一含水量时，渗透性亦不一致，亦即它们与 含水量的关系并非单值函数。再者，非饱和土的渗透性受土的结构性的影响相当显著。 因此，要测定其渗透系数，并且为了保证结构性不受影响，常需要不同于常规试验的测 试技术。有效应力原理是土力学中研究应力、应变、强度关系的基本准则。对于饱和 土，太沙基最早提出的盯= 叮+ 的著名公式一直普遍采用。对于非饱和土，许多学者 在饱和土公式基础上，提出了许多非饱和“有效应力 表达式。这些表达式全都企图采 用一个单值的有效应力或应力状态，并都含有土的参数。将土的性质纳入应力状态描述 导致许多困难。描述应力状态应与土的性质无关。但试验结果表明，量测出来的土的性 质同所建议的有效应力之间不存在单值关系。也就是说，建议的有效应力公式中的土性 参数对不同问题、不同应力路径、不同土类具有不同的数值大小。此外，表达式中的参 数的测定比较复杂，往往不易得到稳定的数值。因此，有效应力公式中的土的参数很难 确定。m o 唱e 船t e m 对b i s h o p 有效应力公式的应用是这样评价的：“它在实际中没起多大 的作用。参数x 通过体积变化性状测定同通过抗剪强度测定并不一致。 非饱和土本 构模型还没有公认的理论，要建立成熟的非饱和固结理论还需要时间。非饱和土的水 汽接触面是一个复杂的物理化学界面，f r e d l u n d ( 1 9 9 3 ) 称之为第四相，第四相对非饱 和土的行为有何影响仍不得而知。如果在计及非饱和土中渗流的非线性以及固结过程 中的水、气的相互作用等，闯题的求解难度就更大。所以非饱和土固结理论的发展还是 非常缓慢，无论在理论方面还是在试验方面都还存在着许多问题和困难，大多数研究尚 处于初步阶段，可能还要经过1 0 2 0 年的努力，才能达到比较完善的地步。究其原因， 按f r e d l u n d 分析主要有二：缺乏适当的理论基础和连贯性对应力状态及力学性质的一 些机理尚未充分了解：缺乏适当的技术去解决工程实际问题。由此观之，当研究非饱和 土特性时，应注意有一个适当的理论基础，同时不太费钱和实用性，且尽可能与饱和土 的有关处理方法相衔接，以便利用饱和土的已有成果来解决工程实际问题。 总之，固结理论发展至今，内容己相当广泛，但主要是围绕着假设不同土体材料的 模式，而得到不同的物理方程，在一定假设的基础上，选用适当的边界条件，以获得固 结理论解，但是现有固结理论和实际工程实践仍有着相当的差距。 9 桂林工学院硕士学位论文 ( 二) 最终沉降量计算 土的固结理论主要用于解决任意时刻的变形，而计算土体最终固结沉降量的方法主 要有【3 4 5 4 】按一维沉降计算的公式：如按e p 压缩曲线建立的公式，根据压缩模量e s 或压 缩系数a i 2 建立的公式，考虑土体应力历史影响情况下按e 1 0 9 p 压缩曲线建立的公式等； 按二维( 平面应变问题) 和三维沉降计算的公式：如锄o p u h ( 1 9 3 7 ) 、e g o r o v l ( 1 9 5 7 ) 【5 5 1 、黄文熙( 1 9 5 7 ) 【5 6 l 、d a v i s 和p o u l o s ( 1 9 6 3 ，1 9 6 8 ) 【5 7 】以及魏汝龙( 1 9 7 9 ) ( 5 8 l 等许多 人根据广义虎克定律得出的公式，l 锄b e ( 1 9 6 4 ) 【7 1 、m a 玎等人( 1 9 7 9 ) 提出的应力路径 法，s k 唧t o n 和b ! j e m 啪( 1 9 5 7 )