（地质工程专业论文）软土蠕变试验与基于FLAClt2Dgt的软土地基变形特征模拟分析.pdf

桂林工学院硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ? 二 摘要 根据国内外软土研究动态和工程实际的需要，本文在总结前人研究成果的基础上，对 广州地区典型的软土固结蠕变藕合性状迸行了室内试验研究和理论分析。探讨了软土固结 蠕变室内试验的方法：总结了软土固结蠕变变形规律：利用o r i g i n 7 5 科学分析数据软件，通过 优化拟合，对大量室内试验数据进行分析选取，采用大型的国外通用的岩土工程软件f l a c ， 考虑流体与固体的藕合作用，对软土地基进行了模拟分析。 本文的主要成果为： 1 利用科学数据分析软件o r i g i n 7 5 ，对软土的直剪试验数据进行了拟合优化，得出 了比较可靠的拟合函数，以实际工程的试验资料与基坑支护设计资料作对比，拟合的指标 和设计指标差异不大，体现了o r i g i n 在大量试样数据优化中的优势，这对工程设计具有 指导意义。 2 结合广州商旅大厦的软土试样，在围压为2 0 0 k p a 的情况下固结，采用固结不排水 三轴试验，得出了软土在固结不排水条件下，在不同的应力水平作用下，试样的轴向变形 时间的关系曲线：试样的孔隙水压力时间关系曲线：应力应变等时曲线，分析总结了区 域典型的软土固结蠕变特性。 3 结合软土的蠕变特性，提出了修正的软土沉降增长曲线模型，由于该模型参数多， 本文利用o r i g i n 7 5 软件进行拟合优化分析，得出了该特定工程场合下的软土地基沉降预 测函数，具有很强的适用性。 4 根据软土特性，综合考虑地下水与软土的耦合，考虑孔隙的变化，利用f l a c 程序 模拟岩土体的优良性能和程序内嵌的流体固体耦合模块，得出的土层任意点的最大不平衡 力、点的孔隙压力、点的沉降、点的应力状态，通过模拟，能更好的了解岩土的工程力学 性状，能更好的指导工程设计和施工。 关键词软土 蠕变o r i g i n 7 5f l a c 数值模拟 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ht e n d e n c ya n dt h en e e do ft h e p r o j e c t ，t h i s a r t i c l eb a s e do nt h ep r e d e c e s s o ra n dr e s e a r c hr e s u l t s f o u n d a t i o n ， s o l i d i f i e dt h es o f ts o i la n dr e s e a r c ht h ec r e e pp a l ep i n k i s hp u r p l ec h a r a c t e ri n g u a n g z h o ua r e a ，g e t t i n gt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf r o m t h el a b d i s c u s s e dt h es o f ts o i lt os o l i d i f ye r e e dc h a r a c t e ro ft h es o i l i n l a b ； s u m m a r i z e dt h es o f ts o i lt os o l i d i f yt h et o t a lc r e e pr u l e ；u s i n go r i g i na n a l y s i sd a t a s o f t w a r e ，t h r o u g ht h eo p t i m i z e df i t t i n g ，t h et e n t a t i v ed a t ac a r r i e so nt h ea n a l y s i s s e l e c t i o nt ot h em a s s i v ed a t ef r o mt h el a b ，u s e s l a 唱e - s c a l eo v e r s e a sg e n e r a l g e o t e e h n i c a lp r o j e c ts o f t w a r ef l a c c o n s i d e r e dt h ef l u i d 矗1 1 dt h es o l i dp a l e p i n k i s hp u r p l ef u n c t i o n ，h a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i st ot h es o f ts o i l t h i sa r t i c l em a i na c h i e v e m e n ti s ： 1 u s es c i e n t i f i cd a t a a n a l y s i s s o f t w a r e o r i g i n 7 5 ，g e t t i n g t h e f i t t i n g o p t i m i z a t i o nt od a t ao ft h ed i r e c ts h e a rt e s to ft h es o f ts o i l ，o b t a i n e dt h eq u i t e r e l i a b l ef i t t i n gf u n c t i o n ；t h i sh a st h ei n s t r u c t i o ns i g n i f i c a n c et ot h ee n g i n e e r i n g d e s i g n 2 u n i f i e st h es o f ts o i lt e s t ss p e c i m e ni ng u a n g z h o us h a n g l vb u i l d i n g ，a f t e r e n c i r c l e st h ep r e s s u r ei nt h e2 0 0 k p as i t u a t i o ns o l i d i f i e s ，w i t ht h ec o n d i t i o no ft h e s o i ls o l i d i 黟u n d e rt h ec o n d i t i o nb u tn o td r a i nw a t e r , u n d e rd i f f e r e n ts t r e s sl e v e l f u n c t i o n ，o b t a i n e dl a t e r a ld e f o r m a t i o n t i m er e l a t i o n a lc h i v eo ft h et e s ts p e c i m e n ； t h ep o r e w a t e rp r e s s u r e t i m er e l a t i o n sc u r v e ；t h es t r e s s s t r a i ni s o c h r o n i s m s c u r v e ，s u m m a r i z e st h et r u t ho f t h es o l i d i 匆s l o wc h a n g ec h a r a c t e r ； 3 f r o mt h es o f ts o i lc r e e pc h a r a c t e r i s t i c ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h er e v i s i o ns o f t s o i ls u b s i d e n c eb u i l d i n g u pc u r v em o d e l ，b e c a u s et h e r ea r em a n yp a r a m e t e r si n t h i sm o d e l ，t h i sa r t i c l eu s e so r i g i n 7 5s o f t w a r et oc a r r yo nt h ef i t t i n go p t i m i z a t i o n a n a l y s i s ，o b t a i n e dt h es e t t l e m e n to fg r o u n df o r e c a s tf u n c t i o n ，h a st h ev e r ys t r o n g s e r v i c e a b i l i t y ； 4 b a s e do nt h es o f ts o i lc h a r a c t e r i s t i c ，s y n t h e s i sc o n s i d e r e dt h ec o u p l i n go f t h eg r o u n dw a t e ro ft h es o f ts o i l ，o b t a i n st h em o s tg r e a t l yu n b a l a n c ef o r c e ，t h e p o r ep r e s s u r e ，t h es p o ts u b s i d e n c e ，t h es p o ts t r e s sc o n d i t i o no fa n yp o s i t i o no ft h e s o f ts o i ll a yb yu s i n gt h ef l a cp r o c e d u r e k e yw o r d s ： s o f ts o i l c r e e po r i g i n 7 5 f l a cs i m u l a t i o n 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陈学军教授和张向东教授指导下进行的 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) 一髫宠斌 版权使用授权说明 签字日期：兰坚! ：! 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) 一嗜蛾 指导教师签字： 签 桂林工学院硕士学位论文 第1 章软土物理力学性质及研究现状 1 1 软土的定义和分类 软土“4 包括淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土等，其特征为孔隙比大于或等于i 0 、 含水量高、压缩性大、渗透系数小、强度低、多数还具有高灵敏度。”。t e r z a g h i 。“和 p e c k ( 1 9 6 7 ) 将无侧限抗压强度q 。小于2 5 k p a 的粘土称作“很软的”，而将2 5 k p a q 。 1 0 、十字板剪切强度 3 5 k p a 等3 项指标。凡符合以上3 项指标的粘 性土均为软土。由这三项来确定软土，可以避免指标过多而显得不便，鉴别时简单明了， 不用做费时费事的压缩试验就可以鉴别开来， 德国地基基础规范( d i n 4 0 8 4 ) 中定义：软指“很容易搓捏的土”，相当于软塑状 态的土：而将液塑状的土称为“浆糊状土( 拳头握紧它时，会从指缝问挤出) ”。 软土在我国大多分布在沿海地区，但在内陆平原和山区也有分布，按工程地质的观点， 土的工程性质与土的成分，结构和性质成因有关，也与其形成后经历的物理、化学风化过 程有关，不同成因的软土有不同的特征。按照成因及环境可将软土。”分为： 1 滨海沉积软土 滨海相一由于滨海环境的水动力状态比较复杂，主要受波浪和潮汐作用，形成沉积砂 土，包括粗、中、细砂。粗砂在近海岸出沉积，而细粒物质向海方向搬运，形成不对称的 波浪，并在海滩边缘形成一系列平行海岸的连续的砂脊或沙丘。从而使滨海相软土在沿岸 与垂直岸边方向有较大的变化，交锚层埋是其口e 积特征。 泻湖相一沉积物颗粒细微，分佰范围较宽阔，常形成滨海平原，表层为较薄的枇性i 二 层，其下层为厚层淤泥层，在泻湖边缘常有泥碳沉积， 测谷相一分血i 范围略窄，结构疏松，在其边缘表常7 r 泥炭沉积。 桂林工学院硕士学位论文 三角洲相一三角洲沉积属于海陆过渡环境的沉积，它是河流入海洋时，在河口附近的 陆上和浅水环境中形成的碎屑沉积物。由于河流及湖海的复杂交替作用，而使软土层与薄 层砂交替沉积，多交错成不规则的透镜体夹层，分选程度差，结构疏松，颗粒细，表层为 褐黄色粘性土，其下则为厚层的软土夹薄层砂。三角洲相沉积是一个多种沉积环境的沉积 体系，包括三角平原、三角前缘和前三角洲。 2 湖泊沉积软土 湖相一湖泊是陆地上封闭的大型水体。湖泊的水动力条件和沉积作用及潮汐作用弱的 海洋相似。湖泊中也有波浪作用和湖流作用。由湖岸到湖一c 。，沉积物一般出粗到细依次变 化，湖泊相软土是近代盆地的沉积，其物质来源与周围岩性基本一致，沉积物中夹有粉砂 颗粒，呈现明显的层理，淤泥结构疏松，呈暗灰、灰绿或黑色，表层硬层不规律，时而有 泥炭透镜体。 3 河滩沉积软土 河漫滩相、牛扼湖相一成层情况复杂，其成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布 不规则。软土常呈带状或透镜状，间或与砂或泥炭互层，其厚度不大。 4 沼泽沉积软土 沼泽相一分布在水流排泄不畅的低洼地带，而且蒸发量不足以至干化淹水地面的情况 下，形成的一种沉积物。多伴以泥炭为主，常出露于地表，下部分布有淤泥层或底部与泥 炭互层，通常含有大量有机质，而且分选性差。 1 2 软土物理力学特征 软土有如下的工程特征“”“”“2 1 ： 1 触变性：是指粘性土在外力作用下，土的结构强度剧烈降低，甚至发生流动，外力 停止作用后，随时间的增长而逐渐恢复结构和强度的现象。触变性的大小常用灵敏度s 。来 表示。软土的s 。一般在3 4 之间，个别可达8 9 。因此，当软土地基受振动后，将产生 侧面滑动及沉降，基底两侧将出现挤出现象。 2 流变性：软土除排水固结引起的变形外，在剪应力作用下，土体还会发生缓慢而长 期的剪切变形。对于淤泥类软土，因其含水量较高，在一般情况下，会表现两种流变，一 种是外加荷载不变的条件下l ，变形仍会随时1 b j 的增加而增加，称为固结流变：另一种是外 加荷载不变的情况下，剪切强度随时问的增加而降低，称之为剪切流变。在工程设计中， 如果不充分考虑这两种效应，将会给丁程带来严重的后果。 3 ，高压缩性：软土是属于高压缩性的士，压缩系数大，这类土的大部分压缩变形发生 侄琥直压力为1 0 0 k p a 左右，反应在建筑物上为沉降量大。 4 低强度：t h 于软土具有上述特征，地基强度很低。其不排水抗剪强度般均在2 0 k p ；一 桂林工学院硕士学位论文 以f 。 5 弱透水性：软上透水性能力弱，一般垂向渗透系数在1 ( 1 0 1 1 0 “) c m s 之问，对 地基排水固结不利，反映在建筑物上为沉降延续时问长。在加载初期，地基中常出现较高 的孔隙水压力，将影响地基的强度。 6 不均匀性：由于沉积环境的变化，软土层中常央有厚薄不等的粉土、粉细砂透镜体， 使地层在水平和垂直方向上分布有差异，作为建筑物地基也易产生差异沉降。 工程实践和试验均表明软土具有结构性n 3 ”n 5 ”“”。土结构性是指土体颗粒和孔隙 的性状和排列型式及颗粒之问的相互作用，是土生成条件、环境的自然历史产物。绝大数 天然土都有一定的结构往( m e s r i ，i 9 7 5 ，t a v e r l a s , l e r o u e i l ，i 9 鼢，结构性是软士的一个重要特 性，对土的工程性质有强烈的影响( & l e m 】e i la n dp rv a u g h a n , 1 9 9 0 ) ，土结构性是决定软土 力学特性的一个最为根本的内在因素。天然土体结构性的成因是多种多样的，土颗粒的矿 物成分、沉积条件及孔隙水中的化学成分都会影响土的结构性，结构性粘土的微结构具有 自相似性、不稳定性及颗粒间存在胶结强度的特征。天然沉积的软粘土一般具有结构强度， 结构强度是土的固体颗粒的特定排列及相互接触处由于周围环境的改变，如物理化学反应 引起的胶结作用等因素产生的附加强度。结构性增大了土体的刚度，使其力学性质与应力 水平密切相关，应力水平较低时，土体的压缩性低，应力水平高时土体的结构受到破坏， 压缩性较高，二者相差3 4 倍甚至更高。土体的结构性是不可逆的，一旦被破坏很难恢 复，从而加大了土体的压缩量。在此类地基上做工程，若设计与施工工序不当就会给工程 带来不利的影响，甚至造成工程失事，因此工程设计和施工中就很希望能准确预测天然软 土地基或人工软基加载后的渗透特性、变形规律以及可能遇到的破坏情况等。近年来土结 构性研究引起人们的广泛关注，关于土结构性研究的重要性，早在1 9 2 5 年就由t e r z a g h i 指出这点，沈珠江( 1 9 9 6 ) 称之为2 1 世纪土力学的核心，谢定义( 1 9 9 9 ) 认为土结构性是决 定各类土力学特性的一个最为根本的内在因素。不难看出土结构性在土力学学科发展中的 独特地位。 1 3 软研究现状 从4 0 年代丌始，许多学者致力于次固结( 蠕变) 的研究。t a y l o r 和m e r c h a n t 于1 9 4 0 年率先在固结分析中考虑了土的蠕变性质，提出用泰勒( t a y l o r ) 和麦钦特( m e r c h a n t ) 模 型模拟土骨架变形。麦钦特( m e r c h a n t ) ( 1 9 6 4 ) 认为，土体沉降中的次固结现象是由于 土颗粒的内部摩擦阻力延滞所致。他把这种现象称之为次时问效应，他以太沙基固结理论 为丛础，引入次周结的作用。提出了新的固结微分方程。在推导固结方程时，以为土骨架 压缩的大小是时删和有效应力的函数，同时还假定孔隙比和有效应力o7 为线性关系，并 且与时m 无关。在施加荷找后，主固结与次固结是同时产生的。 1 9 6 1 年，吉和逊( g i b s o n ) 和乐( i 。0 ) ，报掘麦钦特的蠕变模型，推导m 跗结方程的精 确解。其后，钱家炊和 三盛源( 1 9 9 6 ) 用推广的李氏比拟法导h ；了与吉 l 孥逊一乐解答棚州的 桂林工学院硕士学位论文 结果。 王盛源( 1 9 8 9 ) ( 1 9 9 2 ) ，罗晓辉( 1 9 9 7 ) 根据饱和粘性土在压缩过程中表现出来的弹粘 塑性等诸多方面的力学性质，提出了三单元的粘弹性固结模型，用来表达土体的固结蠕变 祸合特性，它与太沙基模型的不同之处在骨架变形的模型不同，在土骨架的模型上串联了 一个开尔文体。 针对次固结变形，陈宗基认为是由于以下几个原因产生的：( 1 ) 由于偏应力而产生的粘 滞剪切流动：( 2 ) 由于球应力雨产生的粘滞体积流动，体积变形的延滞作用，一方西是因为 土骨架本身的粘弹性质所致，同时也是由于孑l 隙水挤出的延滞所致：( 3 ) 上述两种流动产生 的同时也产生硬化作用。他的这一描述是非常有创见的，但他将这种蠕变模型建立在固结 理论的基础上，带来了数学处理上的较大困难，没有得到推广。 软土种类很多，其性质千变万化。扰动程度不同，试验方法不同，所得结果也不同。 所以如将各种不同因素用流变元件来表示，不仅使固结蠕变藕合模型的结构复杂化，而且 也不能触及物质的本质。因此，如a b d e lhm 和h e r r i n 帆a n d e r s l a n d 和d o u g l a s ， c h r i s t e n s e nrw 和w uth ，n o b l e 和d e m i r e l 以及村山朔郎等，用机率理论研究土的交 形特性。村山朔郎等认为，物体具有流动性是因为存在能流动的粒子，流动过程即为颗粒 孔隙交换位置的过程。 孙钧认为，土体的固结与流变具有统一性。它们只是从不同角度来研究土体变形的时 效性，两者在机理上有相似，或可以类比之处。如果按照传统的理解，圃结指外力作用后 土体骨架中超孔隙水压力消散的过程，流变是土体在外力作用下变随时间增长的现象，那 么，在土的变形过程中，流变中包含了固结，流变变形值包含了固结变形值，而且，固结 变形所占的比重不同，在应力水平较低时，固结变形所占比重较大，而当应力水平较高时， 土的变形主要是由于土颗粒的剪切位移，此时，固结变形则是次要的。 近年来，许多学者对考虑软土蠕变的固结理论与计算方法进行了深入系统的研究，取 得了丰富的成果 刘世明，曾国熙( 1 9 9 0 ) 在改进的应力式三轴压缩仪和一维压缩仪上，用三种粘土做 了定数量的固结试验。基于这些试验资料分析，提出了一种新的主、次固结变形划分法： 同时还探讨了固结应力和应力的比例对次固结系数的影响，固结后期的孑l 隙水压力、荷载 增量比例对次固结变形比例的影响。根据室内外试验资料，分析了主固结阶段的粘滞蠕变 效应。结果表明，主圆结阶段的粘滞变形很不显著，可忽路不计。 王盛源( 1 9 9 2 ) 用流变理论来分析饱和粘性土体的主固结和次固结变形特性，并用深 圳某工程的塑料排水板堆载加速主固结变形的试验资料作为工程实例，提供了一种实用的 测定和划分主次固结变形的分析方法。 李军世，孙钧( 1 9 9 9 ) 利用殷建华( j i a n h u ay i n ) 模型，用数值方法模拟了上海淤泥 质粘土的维固结蠕变特性。 汤岳飞，冯紫良，林翰等( 2 0 0 0 ) 在室内流变试验的基础上，拟合出了一种半经验半 理论型的非线性流变的计，算公式，该公式具有褫念简明，便于编程等特点。 饱和软粘土在变形过程中流变变形与固结变形是相互藕合在一起的，从藕合的角度出 发。将比奥固结理论应用到饱和软轱土的非线性流变分析，并在站基础上，编制7 相腹的 有限元程序。最后，_ 工程实例分析了软土工程土体的流变性态，得出了一些有益的结论。 王常i 仆j ，肖树芳，复五斌等( 2 0 0 0 ) 投掘实验室内软j ：多数圈结蠕变试验结粱。 = f = ；遗了 反映海积软二l 二一维围结蠕变的本构关系：并用试验资料和工程实例进行了初步验证，表哕j 所建摸型可以预测多级加载条件下海积软土的变形规律。 张超杰，陈云敏，j 三立忠( 2 0 0 2 ) 基于软土的结构性分析，从二e 力学研究f | 度矬扩了z 虑结丰句性的一维弹半f l i 咖性删结梭型。 桂林工学院硕士学位论文 陈晓平，白世伟( 2 0 0 3 ) 根据国内外研究动态和实际工程的迫切需求，对软土蠕变一 固结特性、计算模型、模型的数值求解方法和工程应用等进行了系统的研究，探讨了土工 应力、应变模型、流变模型和固结模型的藕合机理，建立了实用的非线性弹粘性固结模型。 研究表明，软土在任何时刻的变形都可以分解为瞬时变形和蠕变变形，其中，瞬时变形也 呈现比较明显的非线性特征：土体变形的时效性由固结特性和粘滞特性共同决定，应力水 平低时以固结变形为主，反之。土体的变形主要来源于剪切蠕变：土体的蠕变变形与孑l 隙 水压力的消散有关，在同样的条件下，土体渗透性越差，蠕变变形越大：对于有厚度的土 层，土体的次固结是在主固结过程中同时发生：土的蠕变对应力和应变的影响程度取决于 土体的排水条件，当地基排水不良时，应力水平将随时间增高，变形计算中若不考虑蠕变 特性将可能忽路地基潜在的失稳趋势。所以，考虑蠕变特性不仅是对计算结果的修正，而 且是对工程安全性的重新评价。通过对有代表性的实例的计算和分析验证了计算模型的 合理性和结论的正确性。 另外，在软土固结与蠕变理论的工程应用方面也取得了丰富的经验 朱向荣，潘秋元( 1 9 9 1 ) 探讨了在不同超载情况下土体变形的室内试验规律，提出了计 算超载预压地基变形的方法。该方法综合考虑了土体的主固结变形、吸水膨胀变形、回胀 变形和次固结变形，其计算结果与试验实测值吻合尚好。 赵维炳，施建勇介绍了作者有关软土圆结与流变理论及排水预压加固分析方法等研究 成果。在软土的流变理论方面，先后引用了广义v o i g t 模型和椭圆一抛物线双屈服面基础 上的修正k o r m f l n u r a h u a n g 模型，分别用于粘弹一粘塑性“”分析，同时提出了确定软粘土 参数的方法。在考虑软土粘弹性的固结理论解方面，先后提出了一维及轴对称固结普遍解 析解，提出了g i b s o n - l o 方法和考虑井阻的b a r r o n 解的近似性，证明了c a r r i l l 。定理的 适用条件。 在砂并排水预压固结分析方面，先后提出了考虑软土粘弹性的真空预压半解析分析方 法和考虑软土粘弹一粘塑性的有限元分析方法。理论计算结果与工地实测资料吻合，说明 所提出的本构关系模型、参数确定方法及排水预压固结分析方法是正确和合理的，可推广 应用于实际工程的设计预测和后验论证。房营光( 1 9 9 7 ) 采用层状饱和粘性土模拟路基土 物理参数随深度成层状变化，并考虑土的流变性、砂井的井阻和涂抹效应。由 l a 口l a c e f o u r i e r 联合变换和传播矩阵技术给出砂井路基固结变形分析，所得的计算结果 与现场实测结果帽符。 刘兴旺等( 1 9 9 8 ) 基于m e r c h a n t 模型分别推导了自由应变条件和等应变条件下打穿软 粘土层的竖向排水井地基粘弹性固结问题解析解，同时考虑了井阻和涂抹作用的影响。并 将两种形式的编成相应的计算程序，据此对粘弹性参数的变化进行了大量的计算，探讨了 竖向竖向排水井地基粘弹性固结的般规律。 张延军，张延话( 2 0 0 3 ) 为了全面分析海积软土的蠕变特性，采用弹粘塑性理论， 并选取了m o h r c o u l o m b 屈服面模型和a d a c h i 模型。针对海积软土多级加荷圃结蠕变试验 和堆载预压现场的变形分别进行了数值计算。通过分析对比，验证了a d a c h i 模型的有效 性和实际场地的土体变形的预测性。 1 4 软土地基处理方法 1 浅处理方法“1 战层处理方法适朋f 软弱土层位于地基表面且深度一般在3 m 以内、最人不超过5 i 的 桂林工学院硕士学位论文 情况，包括表面压实法、换土垫层法、土工织物加筋垫层法、重锤夯实法等。浅层处理方 法施工简便，速度快，造价低，而且质量容易控制，目前我国已建成和正在建设的高等级 公路均大量采用浅处理方法，如沪宁高速公路江苏段软基总长度约为2 6 k m ，采用砂垫层结 合预压法处理软基总长度为1 2 8 k m ，塑料排水板结合预压法处理软基总长度约8 1 k m ， 粉喷桩处理软基总长度4 2 k m 。湖北京珠高速公路软基处理也有多处采用该技术。 2 排水固结预压法 排水固结预压法是一种行之有效的地基处理方法。近几年袋装砂井和塑料排水板法大 量地在沿海城市造路工程、港湾工程、软土地基机场跑道、高速公路和大型油罐地基工程 中应用，无论在理论和施工技术上都积累了大量的研究成果和工程实践经验。 排水固结预压法加固路堤软基使用的预压荷载主要是自身的重量，属于堆载预压。堆 载预压加固可能存在两方面问题：首先堆载过快可能引起路堤失稳破坏，所以施工速度必 须严格控制，填筑工期长，如福厦路路堤填筑工期长达一年以上：其次，为减少路面结构 自重和行车荷载作用下产生的工后沉降，采用堆载预压法较为常见，即在路堤填土设计高 度以上增加一定高度的堆载填土( 一般在1 m 以上) ，预压结束时再挖除，不仅延长了工期， 而且填土后再挖除和弃土费用较大。广东省在处理高速公路饱和淤泥质软土地基时试验采 用真空结合堆载预压法，其目的是利用抽真空压力代替超堆载压力，同时，利用真空预压 时地基侧向收缩变形抵消堆载引起的侧向膨胀变形，增加地基稳定性，加速路堤填筑施工 并缩短总工期。 3 强夯法 强夯法又称动力固结法，是利用起重设备将重1 0 0 6 0 0 k n 的钢或钢筋混凝土锤，起吊 至6 4 0 m 高空后自由落下，重锤撞击地面给地基以强大的冲击力，地基土被挤密，加固 后土的压缩性减小，强度提高，湿陷性黄土的湿陷性消除，砂土的抗液化能力提高。强夯 法常用来加固碎石土、砂土、低饱和度或塑性指数较大的软粘土，采用强夯法要经试验验 证才能采用。用强夯法处理饱和淤泥质粘土地基应慎重，必须与排水加固法结合使用。使 强夯引起的地基内很大的超静孔隙水压力能很快消散，此外还可与置换法结合使用，即在 每夯一击后用碎石等回填夯坑后再夯，在夯点形成碎石桩，它与周围的软土粘土形成复合 地基。上海崇明机场采用混凝土填法后强夯，郑州空军机场跑道软土地基也采用了强夯法， 均取得了较好的技术经济效益。 4 砂( 碎) 石桩法 砂石桩法是在软土地基内成孔后，灌入中租砂和碎石等成为竖向增强桩体，与周围土 体共同形成复合地基。按照施工方法不同，砂石桩法可分为振冲碎石桩法、干振挤澎碎石 桩法、沉管碎石桩法和强夯置换碎石桩法等。 ( 1 ) 振冲碎石桩法“足采用特制的振冲器，利用其高频振动和高压水流，边振动边冲 水将振冲器沉到土t f 预定深度。经清空后从地面向空内逐段坝入碎石并j i 振冲嚣振动衔 6 桂林工学院硕士学位论文 实，然后提升振冲器，通过复合填料和振密在地基中形成碎石桩桩体。振冲碎石桩法适用 于处理不排水抗剪强度不小于2 0 k p a 的粘土、粉土、砂土饱和黄土和人工填土。 ( 2 ) 干振挤密碎石桩法是用干法振动成空器在地基内不排土( 挤士) 成空，提起成空 器后向空内倒入约l m 高的碎石并用成空器捣固密实，然后提起成空器继续倒碎石并密实， 直至碎石桩形成。干振挤密碎石桩法主要适用于地下水位较低的非饱和粘性土、素填土、 杂填土与非自重湿陷性黄土。 ( 3 ) 沉管砂桩法是采用沉管打桩机将导管沉入地基中后，在管内投入粗砂或碎石并用 振动或重锤夯击方法使之密实，如此分段拔出导管，直至导管拔出地面和桩体形成。河南 “开封一洛阳”高速公路部分路段构筑物采用了该方法。 5 化学加固法 ， 化学加固法是指利用水泥浆液、粘土浆液或者其他化学浆液，通过灌浆注入、高压喷 射汹1 或机械搅拌方式使浆液与颗粒胶结起来，以改善地基的承载力和压缩摸量等物理 力学性质的地基处理方法。 ( 1 ) 灌注法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中， 浆液以填充、渗透和挤密等方式，置换土颗粒间或岩石裂缝间隙的水分和空气后，将原来 的士粒胶结成整体，从而得到改善土体物理力学性能的目的。灌浆工艺主要包括：渗透灌 浆、劈裂灌浆、压密灌浆等。常用的灌浆材料包括：聚氨酯、丙稀酰氨类、硅酸盐类、水 玻璃类和木质素浆液等。灌浆法在我国建筑、交通和铁路等部门都进行了广泛应用，并取 得了良好效果 ( 2 ) 高压喷射法利用转机把带有喷嘴的注浆管转入至土层的预定位置，然后也高压设 备使浆液或水成为2 0 m p a 左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏体，同时转杼以一 定的速度向上提升，将浆液与士粒强制搅拌混合，浆液凝固后在土中即形成竖向增强体， 与周围土体共同构成复合地基，主要适用于处理淤泥、淤泥质士粘性士、粉土、黄土、砂 土、人工填和碎石土等。 高压喷射注浆法施工过程中容易造成灌浆材料的上冒、流失，注浆压力过大，也是造 成旌工机具故障率较高的主要原因。 ( 3 ) 搅拌法“”是将特制的深层搅拌机插入地基内指定的深度处，搅拌轴边旋转注浆管 边喷出水泥浆或水泥粉等固结剂并与土强制搅拌成泥土。沿深度搅拌形成水泥土柱。搅拌 柱法适用干淤泥、淤泥质、粉土和含水量较高且地基承载力标准值达不到1 2 0 k p a 的粘 性土地基，水泥土柱复合地基可有效提高低级承载力减小地基沉降，可用于构筑物基础、 构筑物与土路基连接处及高填方路段的地基处理，加固深度在1 5 2 0 m 之闻，加周效果较 好，但赞f j 较高。搅拌桩法加固软土地基的作用主要有两个方面：首先是置换作用，水泥 土桩体强度和压缩模量比天然土体提高几倍至数十倍，复合地基承受的地面荷载大部分i j f 桩厥越并“接f i 递到下卧土层，减少了桩| 日j 的应力和压缩量：其次是对桩f f l l d ：的加l 问作玎， 桂林工学院硕士学位论文 搅拌时水泥浆液部分向桩问土渗透，桩i 日j 土也有一定的固化作用。该方法是目前沿海省区 高速公路中采用最多的地基处理方法之一。 6 土工织物 土中加筋能增强土的强度，这早为人们所知。近年来对加筋的机理有了进一步的认识， 虽然对于品种众多的土工合成材料在各类工程中的作用机理迄今尚研究得不够，但是，在 土体中加筋，以筋材作为抗拉构件，与土产生相互摩擦作用，限制其上下土体，及土体的 侧向变形，增强土体的整体性，从而提高土体的抗剪强度。现在采用的理论一般为粘聚力 的作用原理，粘聚力是根据土和水平布置一层或多层筋材的加筋土三轴试验结果分析得到 的。它形象地反映了土的内部性质情况以及它在受力的情况下内部作用机理。 土工织物在软土工程中之所以有着重要作用，主要因为它有着以下优点：重量轻、整 体连续性好( 可做成较大面积的整体，目前在长度上可特制成数百米到上千米长) ：施工 方便，抗拉强度较高，耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好。机织型的土工织物当量直径小，渗 虑性好，质地柔软，能与土很好的结合。 1 5 本研究课题内容与意义 1 本研究课题的内容 本文以软土地基为研究对象，主要研究内容包括： ( 1 ) 、软土蠕变试验 ( 2 ) 、f l a c 2 d 基本原理与常用本构模型 ( 3 ) 、基于o r i g i n7 5 软土试验数据整理和分析 ( 4 ) 、基于o r i g i n7 5 软土地基沉降增长曲线模型计算 ( 5 ) 、软土地基的f l a c 变形分析方法和数值模拟 2 本研究课题的意义 本研究课题的实验数据，大部分来自广东省地质科学研究所的工作实际资料，同时在 工程实例中引用的材料来源于实际工程。因而本课题不仅在选材上结合了当前的工程需 要，同时在研究的内容上也有很强的适用性。 本文结合软土的室内试验，针对软土的直剪试验、三轴试验数据，提出了应用大型科 学数据分析软件o r i g i n 哳“进行分析、拟合，这对于在工程中，对大量的试验数据的选 取有重大的意义。 结台软上蠕变特性，本文根掘改装的三轴仪。采用2 0 0 k p a 团压固结后，采用同结排水试 验，得出了软二i 二蠕变的一系列成果，同时根据软土蠕变特性，提d j 了修正的软土地基沉降增 长f j l j 线预驯 i ! ；型，由于其该模型有多个参数，本文结合工程实例，利用软件o r i g i n 7 5 圳进 行拟合优化分析，得出了该预测模型的各参数，对指导软上地壮变形发展情况有很强的指 桂林工学院硕士学位论文 导作用。 在f l a cc 剥的数值模拟方面，f l a c 作为大型的国外通用的岩土工程软件，在模拟非线 性材料上发挥了其他软件无法比拟的优势，在模拟中，不仅使模拟的土层跟实际相逼近 而且我们考虑了软土中的地下水的渗流，考虑了流体与固体的藕合作用，考虑了与软土变 形密切相关的孔隙水压力。因而使得本数值模拟跟实际工程有很大的相似性。 9 桂林工学院硕士学位论文 第2 章f l a c 2 d 基本原理及其本构模型 2 1 显式有限差分法 一般而言，在解答一个问题时，有两种采用数值码的方法：i ) 隐式法：建立一个把 未知量和已知量联系起来的方程组，比如。在有限元法模型中，通过整体刚度阵，建立节 点与位移之间的关系，必须存储并求解这个方程组，但是会占用计算机大量内存：2 ) 显式 法啪1 ：对于一个很小的时问步，某一以知网点处的干扰只能靠它的直线领域来感受，比如， 设想在时间t = o 时，某个网点的温度升高到了某个值。在一个短时间内，只有各网点的领 域才能“意识”到温度升高7 ，随着时阉的推移。这个影响将遍布整个网格，成而在周围 各网点处导致较高的温度。 有限差分方法( f d m ) 。”是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方 法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以t a y l o r 级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而 建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问 题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。 f l a c 是一个一般的地质力学数值模型，它利用显式有限差分来解答运动基本方程式， 一般讲，差分法涉及到被模拟的物体被划分若干在其( 网点) 节点连接的若干个二维域( 单 元) ，在每个网点处，把被求解的运动方程的格式取为时间步长，因此，有可能把体系的 性能看作是随时阃逐渐变的。w i l k i n s ( 1 9 6 3 ) 证明，由有限差分和有限单元法导得的方 程式都一样，适应性很强，可运用不规则网格，变化材料模型或特性，也可规定不同的边 界条件。 目前，f l a c 是通过适当的衰减动力解的办法来求解静力问题。这时，每个时间步长不 是实际的时间步长，而是问题的时间步长，其中速度是以每事件步长的长度来度量的， 这个解法对于个人计算机上模拟地质材料模型具有很多优点，因为部形成整体的刚度矩 阵，代码的内存设备是很少的，而且每个时间步长的计算耗时也是很少的，对于地质模型 来说，显式方法的一个极重要的方面是能轻丽易举的处理非线性本构规律，对于服从非线 性应力应变规律的材料，不要求( 可能引起解的明显错误的) 的迭代法，相应于己给出应 变改变的应力变法，如同实际发生的一样可以在已知域处直接实施，用这种方法，可适 当的武力方式服从非线性规律，而不依赖于迭代的路径灵敏度，此外，由于不形成矩阵， 可以附加少量的计算耗时便能处理诸如大位移现缘。 模拟地质材料，有其特殊的意义，对于岩石和土壤，这类材料常常遭受破裂或屈服( 即， 仃弹f e ) ，且t 玎能具有大位移，因此，一个物体在一个孤立区可能经受崩塌，而其他部 分仍然稳定，尉1 ：这类问题，在各刚点椴合的隐式码【| 1 ，舀：矩阼求j 差迸挫r f j ，会成为数 “i 桂林工学院硕士学位论文 不稳定，然而，显式码不遭受时间或数值稳定性的损失，更微妙的是，我们能考察屈服或 材料崩塌的形成过程，而不仅是观察最终的平衡状态。 2 2 显式计算循环 f l a c 采用的显式计算循环o “，其原理为：对于每个时间步长，对网格的每个网点求解 运动方程式。对于一个非平衡状态，出现在每个网点处的力不是平衡的。根据不平衡力分 量及集中于网点处的域质量，这格产生网点加速度。积分这些加速度，便得到网点速度， 随后，利用这些速度来求应变变化，把这些应变用于本构规律，以求该域的相应应力增量。 一旦求运动增量后，把它们在周围各网点上引起的力加起来，便求得合成的不平衡力。对 每个时问步长，重复这个计算循环。用户可以考察该过程任一阶段时问题的当前状态。 2 3f l a c 工作流程 工作的具体流程。2 如下： l 、建立f l a c 应变模型：包括产生网格，根据要求的形状变形，指定边界条件和初始 条件，定义本构模型和材料特性等； 2 、确定模型平衡状态：在给定的边界条件和初始条件作用下模型应处于初始平衡状 态，通过对最大不平衡力，节点速度以及位移的监测，用户需要确定模型在何种情况下达 到平衡状态； 3 、检查模型的反应，f l a c 模型的反应是通过其显式动态代码进行监控的，当模型动 能降到可以忽略值或允许范围之内时，可以认为模型处于力的平移状态或稳流状态，否则， 就要返回步骤，对模型进行重新设置。 4 、执行改造改变设置条件：在求解过程中，f l a c 允许改变模型的条件，包括对任何 节点的载荷或应力的增加和删减，也允许节点的约束和解除约束，以及对任何材料特性的 改变，从而实现对模型迸行改善： 5 、求解f l a c 模型：f l a c 是采用显式时问逼近法来求解代数方程组，求解过程的时步 是由f l a c 代码进行自动控制，因此，用户只需在认为结果到达满足时，即可结束求解过程； 6 、实施附加改变：就是对模型做进一步的改善，确定是否需要对一些参数进行研究， 若需要，则可返回到步骤( 1 ) 或( 4 ) 重新设置，否则即可得到结果。 7 、获得结果，并列结果进行解释，最后将结果直接以图形的形式展示，并且这个图 形产物的格式能够吲现场洲量和观察直接进行对比，同时模型中的任何变量的参数值都能 够很容易地通过模拟获得更多的详细解释。 桂林工学院硕士学位论文 2 4f l a c 程序优缺点 f l a c 与现行的数值方法相比有着明显的优点： l 、计算中使用了“混合离散化”瑚3 ( m i x e dd i s c r e t i z a t i o n ) 技术，更为精确和有效地 模拟计算材料的塑性破坏和塑性流动，这种处理方法在力学上比常规有限元的数值积分更 为合理； 2 、采用全动态分析方法获取模型运动方程的时间步长解，即使在模拟静态问题时也 是如此，因此，它可以较好地模拟系统的力学不平衡到平衡的全过程，从而可追踪介质动 态演化的全过程，深入探讨其时间效应与空间效应； 3 、求解中采用显式差分方法，在求解非线性应力一应变关系对，越种方法不需要存储 任何矩阵及对任何刚度矩阵进行修改，既节约了计算机的内存空问，又减少了运算时间， 因而提高了解决问题的速度，便于实现非线性大变