（岩土工程专业论文）东营软土工程特性及其对粉喷桩复合地基可靠度影响研究.pdf

摘要 软土在东营地区分布较为广泛，其工程特性一般表现为含水量高、强度低、压缩性 大以及渗透性低等特点。一些研究人员已对许多地区软土的工程特性进行了分析研究， 但由于区域局限性，所得研究结果对东营软土工程特性的适用性较差。在东营地区软土 地基加固中，粉喷桩复合地基广泛被应用，但由于在岩土工程中存在大量不确定因素， 目前粉喷桩复合地基可靠性的分析方法仍不够完善。基于这一背景，本文首次对东营地 区软土工程特性进行了系统的分析，同时对粉喷桩复合地基承载力可靠度问题进行了较 为深入的研究。 本文首先在对东营地区软土较系统全面调查的基础上，以现代数理统计分析为手 段，对软土物理力学性质参数进行了详实的统计分析；同时系统研究软土物理力学性质 参数间的相关性，得出参数间的相关方程，并从土力学、工程地质学角度对相关性分析 成果进行了解释。 本文在粉喷桩复合地基承载力可靠度问题研究中，采用水泥土的无侧限抗压强度来 计算单桩极限承载力，采用汉森公式计算桩间土极限承载力，并按面积置换率复合法确 定粉喷桩复合地基的极限承载力，以直接分析法建立了粉喷桩复合地基承载力极限状态 方程。最后结合东营地区的工程实例，分析了软土物理力学性质参数对粉喷桩复合地承 载力可靠度的影响。 关键词：软土，工程特性，相关性分析，粉喷桩复合地基，可靠度指标 s t u d yo ns o f tc l a ye n g i n e e r i n gp r o p e r t ya n di n f l u e n c eo f r e l i a b i l i t yo fd j m p i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni nd o n g y i n g f uc h a n g b o ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a hq i n g z h i a b s t r a c t s o f tc l a yi sm o r ew i d e l yd i s t r i b u t e di nt h ed o n g y i n ga r e a , o fw h i c he n g i n e e r i n gp r o p e r t y h a sb e e nt h eh i g hw a t e rc o n t e n t ，l o ws t r e n g t h ，l a r g ec o m p r e s s i o na n dl o wp e r m e a b i l i t ya n ds o o n s o m er e s e a r c h e r sh a v eb e e nm a n ya r e a ss t u d yf o rs o f tc l a ye n g i n e e r i n gp r o p e r t y h o w e v e r , b e c a u s eo ft h er e g i o n a ll i m i t a t i o n ，i ti s n ts u i t a b l ef o re n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fs o f tc l a yi nt h e d o n g y i n ga r e a d r yj e tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sw i d e l ya p p l i e db ys o f tg r o u n d i m p r o v e m e n ti nt h ed o n g y i n ga r e a b e c a u s em a n yu n c e r t a i nf a c t o r sa l eo f t e ne x i s t e di n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，t h ea n a l y s i sm e t h o do fr e l i a b i l i t yo fd r yj e tm i x i n gp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni ss t i l ln o tp e r f e c t b a s e do nt h eb a c k g r o u n d ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fs o f tc l a yi n t h ed o n g y i n ga r e aa n dc a p a c i t yr e l i a b i l i t yo fd r yj e tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na l e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r b a s eo ns y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o nf o rs o f tc l a yi nt h ed o n g y i n ga r e a , t h ep a r a m e t e r sa n a l y s i so fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r et a k e nb yw a yo fm o d e m m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c a la n a l y s i si nd e t a i l m e a n t i m e ，t h ec o r r e l a t i o no fp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sa l s os t u d i e d ，a n dc o r r e l a t i o ne q u m i o no fp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d m o r e o v e r , s i m u l a t i o nr e s u l t so fc o r r e l a t i o na r ee x p l a i n e di nt h ev i e wo fc l a ym e c h a n i c s s i n g l ep i l ec a p a c i t yi s c a l c u l a t e db yw a yo fu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f c e m e n t c l a yi nc a p a c i t yr e l i a b i l i t yo fd r yj e tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n h a n s e n f o r m u l ai sa l s oa p p l i e df o rp i l ec l a yc a p a c i t y m e a n t i m e ，c a p a c i t ya n dl i m i ts t a t ee q u a t i o no f d r yj e tm i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a nb ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yb ya r e ar a t i o f o r m u l aa n dd i r e c ta n a l y s i sm e t h o d f i n a l l y , b yt h ei m p a c to fc a p a c i t yr e l i a b i l i t yo fd r yj e t m i x i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，p a r a m e t e r so fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r e s t u d i e db yw a yo fp r a c t i c a le n g i n e e r i n ge x a m p l e si nt h ed o n g y i n ga r e a k e yw o r d s ：s o f tc l a y , e n g i n e e r i n gp r o p e r t y , c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，d r yj e tm i x i n gp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，r e l i a b i l i t yi n d e x 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：笙立益迫 日期：工呷年多月妙日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：j 丝碾 指导 日期：一年岁月咖 了w 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 我国地域辽阔，分布着多种多样的地基土，其中不少为软弱土和不良土，如软土、 饱和粉细砂等，而随着建筑物往高、深的发展，对不良地基土的工程特性的研究提出了 更高的要求。软土一般包括淤泥、淤泥质土和饱和粘性土，其工程特性一般表现为含水 量高、强度低、压缩性大、透水性差、地区之间土性存在较大差异等特点。在我国，软 土广泛分布于东南沿海和内陆、山区和平原，如：广州、福州、天津、上海等沿海地区 以及贵阳、武汉等内陆地区，东营亦是软土分布较为广泛的地区之一。然而东营地区软 土工程特性研究工作起步较晚，且许多研究仅针对某具体工程场地开展工作，缺乏系统 全面的研究；也从未采用统计学的方法对整个区内软土物理力学参数进行分析处理，对 它们相互关系还不是很清楚。 在软土地区，由于土质含水量较大，很多工程的地基处理采用了粉喷桩复合地基， 但对它的设计还是用传统的确定的总安全系数法。而总安全系数所确定的安全性在实践 中不能定量表示工程可靠度的大小。个别工程，即使总安全系数足够大，基础也可能破 坏，尤其是对于土性不均匀的场地，即土性变异较大的场地。目前上部结构按概率极限 状态进行设计已进入实用阶段，这就带来上部结构与粉喷桩复合地基设计原则不相匹配 的问题。随着科学技术水平的提高，发展和完善复合地基概率极限状态设计方法是必然 的。 本课题正是基于这种背景，结合东营地区软土地基工程实例，对东营地区软土工程 特性进行统计，分析各物理力学性质参数的概率分前i 类型和变异性，同时研究软土物理 力学性质参数间的相关性。在分析粉喷桩复合地基自身的承载特性基础上，以可靠度理 论为基础，研究粉喷桩复合地基承载力可靠度的影响因素，对东营地区粉喷桩复合地基 承载力可靠度进行分析，以指导实践。 1 2 软土的工程性质概述 1 2 1 软土的定义 软土一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低、渗透性小的一种软塑到流塑状 态的粘性土。但含水量大，承载能力低都是相对的，目前尚没有一个统一标准，因此， 第一章绪论 对软土的定义，不同的国家、不同的专业技术部门的解释均不尽相同。在国内，对软土 的定义，不同的专业技术部门的定义如下。 石1 t a 土工程名词术语标准( g b t5 0 2 7 9 - - - - 9 8 ) i l j 的解释是：天然含水量高，呈软塑 到流塑状态，具有压缩性高、强度低等特点的粘土。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 ) f 2 】中定义软土是滨海、湖谷地 河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩量高、抗剪强度低的细粒土。 建筑岩土勘察基本术语标准( j g j 8 4 - - 9 2 ) 1 3 】中对软土的定义为：天然含水量高、 压缩性高、承载力低、软塑到流塑状态的粘土。 岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 _ 2 0 0 1 ) 1 4 】中规定：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为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等， 其压缩系数大于0 5 m p a ，不排水抗剪强度小于3 0k p a 。 工程地质手册【5 】对软土的解释为：软土是指天然含水量大、压缩性高、承载能 力低的一种软塑到流塑状态的粘性土，如淤泥、淤泥质土以及其它高压缩性和粘性土、 粉土等。 由上可见，国内各部门对软土的定义虽不尽相同，但可归纳为软土包括淤泥、淤泥 质粘土、淤泥质粉质粘土等呈软塑到流塑状态的饱和粘性土。本文所研究的东营地区软 土主要为淤泥质土、饱和粉质粘土和饱和粘土。 软土在我国分布广泛。在我国东海、黄海、渤海等沿海地区，洞庭湖、鄱阳湖、太 湖、洪湖周围，长江中下游、珠江下游、赣江下游及河口，淮河平原、松辽平原等地区 均分布有软土。我国软土的主要分布区，按工程性质结合自然地质地理环境，可分为三 个地区【6 】，即沿秦岭走向向东至连云港以北的海边一线，作为i 、i i 地区的界限；沿苗 岭、南岭走向东至莆田的海边一线，作为l l 、i i i 地区的界限。 1 2 2 软土的分类 对软土按沉积环境及成因分为：( 1 ) 滨海沉积滨海相、泻湖相、溺谷及三角洲 相；( 2 ) 湖泊沉积湖相、三角洲相；( 3 ) 河滩沉积河漫滩相、泻湖相；( 4 ) 沼 泽沉积沼泽相。 软土的特性与软土的地质成因类型有密切关系，由于地域不同、沉积环境的差异， 各地的软土在厚度、分布及物理力学性质上各有特点，如表1 1 所示。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表1 1 我国软土的类型和特征 t a b l e l - l t y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs o f tc l a y si nc h i n a 厚度 成因类型特征主要分布区域 ( m ) 面积广。厚度大，常夹有砂层，极疏松， 滨海相 6 2 0 0 透水性较强，易于压缩同结。 分选性差，结构不稳定，粉砂薄层多， 三角洲相5 6 0 有交错层理、不规则尖灭层及透镜体。温州、乐清湾：连云 滨海沉积 港地区；沿海现代海 颗粒极细，孔隙比大，强度低，常夹有 岸地区 泻湖相5 6 0 薄层泥炭。 颗粒极细，孔隙比大，结构疏松，含水 溺谷相 量高，分布范围较窄。 湖相淡水湖盆沉积物，在稳定的湖水期逐渐武汉后湖；江苏 湖泊沉积 5 2 5 沉积，沉积相带有季节性，表层硬质， 三角洲相 泥炭层多呈透镜体状。 太湖；洞庭湖地区等 河漫滩相 平原河流流速减小，粘性土缓慢沉积而 长江、珠江中下游及 河滩沉积 2 0 河口和淮河、松辽平 牛轭湖相 成，不均匀，含砂和泥炭层。 原等 地表水排泄不畅的低洼地带，且蒸发量 不足以干化淹水地区的情况下形成的沉 沼泽沉积 沼泽相 1 0 江苏盐城、泗洪一带 积物，多以泥炭为主，下部分布有淤泥 或底部与泥炭互层 在山区或丘陵地带有大量含有机质的粘 广东、湖南丘陵地带 山谷沉积沟、谷相 5 性土，汇积于平缓沟谷后，淤积成软土， 沟、谷等 一般呈零星“鸡窝状”分布，不连续 1 2 3 软土的特性 软土的特性和一般粘性土不同，根据我国某些地区软土的物理力学性质指标的统计 值并根据大量的工程实践，可对软土主要物理力学性质分析【7 1 如下： 1 、高含水量、高孔隙比。天然软土的含水量很大，一般超过3 0 ，山区软土含水 量可高达7 0 ，其值一般大于液限，属流动状态。天然孔隙比1 0 - - 2 0 ，最高达2 4 7 ( 昆 明滇池) ，结构非常疏松。 2 、低渗透性。软土的的透水性很低，其渗透系数一般在1 0 。9 1 0 。o m s 之间，有 的甚至低于1 0 - 1 0c m s ；因此软土的固结需要相当长的时间。 第一章绪论 3 、高压缩性。压缩系数一：一般在0 5 - - 2 0 m p a 。1 之间，最大可达到4 5 m p a ； 压缩模量西一般小于2 5 m p a ，属于高压缩性土，而且沉降往往不均匀，易引起建筑物 的差异沉降和倾斜。 4 、低强度。软土的抗剪强度和抗压强度都较低，一般快剪情况下，粘聚力在1 0 k p a 左右，内摩擦角o 。5 。之间；固结快剪时，粘聚力与快剪差不多，内摩擦角一般在5 。 2 0 。软土的强度大小与排水条件有密切的关系，荷载作用下，排水条件好，经固结， 强度随有效应力的增大而增加，反之，它的强度可能随剪切变形的增大而衰减。 5 、高灵敏度。特别是滨海相的软土，沿海滨海相沉积的软土的灵敏度约在4 l o 之间。因此，在取样、施工和地基使用过程中，应尽量避免过分扰动或采取相应措施。 6 、具流变性。其中包括蠕变特性、流动特性、应力松弛特性和长期强度特性。蠕 变特性是指在荷载不变的情况下变形随时间发展的特性；流动特性是土的变形速率随应 力变化的特征；应力松弛特性是指在恒定的变形条件下应力随时间减少的特性；长期强 度特性是指土体在长期荷载作用下土的强度随时间变化的特性。 7 、显著的结构性。特别是滨海相的软土，一旦受到扰动，其絮凝状结构受到破坏， 土的强度明显下降，甚至产生流动状态。结构性的形成随软土的矿物成分、沉积环境、 沉积水的成分及沉积年代而不同。结构性的主要作用是增大了土骨架的刚度，因此其力 学特性与应力水平密切相关。应力水平较低时，土会呈现较好的力学特性；应力水平超 过某临界值后，土的结构性破坏，使力学性质明显恶化，而且这种恶化是不可逆的，短 期内很难恢复。 此外，软粘性土中常夹有厚薄不等的粉土、粉砂、细砂，具有不均匀性。 1 2 4 软土地基加固方法 软土加固的主要任务就是根据软土工程特性，通过选择合理的加固方法改善土的性 质，提高地基土的抗剪强度，减少沉降和不均匀沉降，防止产生局部或整体剪切破坏， 以保证建筑物的正常使用。具体工程的工程地质条件千变万化，对地基处理的要求不尽 一致，而且施工部门采用的机具、当地的材料都会不同，因此必须进行具体分析，从地 基条件、处理要求、处理范围、工程进度、材料机具等方面进行综合考虑，以确定合适 的处治方法【8 l 。目前，国内外采用的软基处理方法见表1 2 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表l - 2 软土地基处理方法一览表 t a b l e l 一2m e t h o d so fs o f tg r o u n dt r e a t m e n t 处理原理方法目的 反压台 改变 防止滑动破坏、减小沉降量 减轻上部荷重( 采用发泡苯乙烯等) i 结构加劲土 防止填土破坏 防止滑动破坏、控制周围地基的 形式 板桩等 变形和沉降 清除 i i换土( 挖除、抛石挤淤、爆破挤淤) 防止滑动破坏、减小地基沉降量 置换 堆载预压、超载预压 真空预压 加快固结、减小沉降、增加地基 固结 降低地下水位强度 砂井、袋装砂井、塑料排水板 排水 石灰桩 利用生石灰吸水，加快固结 电渗排水加快固结 压实碎石桩 改善软挤密砂桩 防止沙土液化、减小沉降、增加 击实 土地基 振冲法 地基强度 的特性 强夯法 振实 浅层搅拌法( 人多用于临时工程) 化学 深层搅拌法 防止滑动破坏、减小控制沉降、 物理 化学灌浆( 水玻璃等) 控制剪切变行 烧结法 加固 冻结法( 用于临时工程) 砂、石垫层应力扩散、排水 表层被覆法( 软土表面铺网、膜等土工聚合 防止局部破坏、减小局部下沉 加强 物) 沉床法( 在软土中沉入木、钢架或土工格栅)防止滑动破坏、应力扩散 加劲 树根桩、土锚杆保证边坡稳定 防止滑动破坏，控制周围地基的 桩网、桩帽、桩板法( 连结桩的项部) 变形和沉降 5 第一章绪论 1 3 岩土工程可靠度理论研究现状 可靠度理论在土木工程的结构方面的应用是开始得比较早的一个领域。19 4 7 年美国 的弗罗伊詹特( a m f r e u d e n t h a l ) 发表的结构的安全度 9 1 ( s a f e t yo fs t r u c t u r e s ) - - 文 开创了美国可靠度领域的研究工作，奠定了应用概率理论分析结构可靠度的基础。同期， 苏联的尔然尼钦提出了一次二阶矩理论的基本概念和结构失效概率的计算方法。从2 0 世纪4 0 年代末到6 0 年代末，结构可靠度一直处于基本理论研究阶段，现在讲的传统可 靠度理论大都是在这一时期形成的。康奈尔( c a c o m e l l ) 1 0 】【l l 】在苏联尔然尼钦工作的基 础上，于1 9 6 9 年提出了与结构失效概率相联系的可靠指标b 作为衡量结构的可靠度的 一种统一数量指标并且建立了计算结构安全度的一次二阶矩理论。1 9 7 7 年德国的拉克维 茨( r a c m t z ) 和菲斯勒( f i e s s l e r ) t 1 2 】提出等价正态变量求法，将非正态随机变量在验算点 处转化为正态随机变量，后来这种方法经过系统地改进之后被j c s s ( 国际安全度联合 委员会) 所采纳，即现在所称的j c 法。八十年代以来，与有限元法、计算机应用技术 和实用分析理论的迅猛发展潮流相呼应，可靠度理论得到飞速发展。我国从五十年代初 期开始用数理统计的方法确定超载系数和材料强度系数。近几十年来，我国己编制了一 系列工程结构设计统一标准，将概率极限状态设计原则推广到水利、铁道、公路、桥梁、 港口等工程领域中【1 3 】1 1 6 1 。 受岩土材料自身非确定性因素限制，可靠度理论在岩土工程中的应用及研究都明显 滞后于结构工程。当结构工程中可靠度分析在2 0 世纪7 0 年代初开始进入实用阶段时， 岩土工程师们还不得不对土性参数的不确定性、土层的概率模型进行研究，因为这是岩 土工程可靠度分析的基础，甚至直到现在，这方面的研究仍在继续进行，而且也是岩土 工程可靠性研究中最重要的部分。 从2 0 世纪六十年代起，l u m b ，p 、松尾稳、m e y e r h o f , g g 等人开始了关于土统计性 质的研究和资料收集。七十年代对土性参数概率统计分析进入一个新的发展时期，1 9 7 5 年，l u m b ，p 【1 7 】首次提到土的空间变异性概念，1 9 7 7 年v a n m a r c k e e h 【1 8 】1 1 明在土体参数 统计性质研究方面作出了开创性的工作，建立了描述土体空间自相关特性的随机场模 型，提出了“自相关距离 的概念和计算方法，自此以后这一概率模型及其土工随机场 被广大研究者所引用。1 9 8 1 年，m e y e r h o f , c t g 总结了岩土工程中极限状态设计方法，讨 论了变异性、总安全系数和分项安全系数等问题。在八十年代内，可靠性理论在岩土工 程中的研究领域进一步扩大，除了土性参数外，内容涉及近海洋平台基础、锚桩、挡墙 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 以及基础的破坏模式和计算模型的不确定性等。 我国岩土工程可靠度研究始于7 0 年代末期，起步很晚，但发展很快。目前，研究 课题范围涉及土坡稳定、地基沉降、地基承载力、桩基以及土性指标统计等方面【2 0 】【2 4 】。 一九八三年初，在同济大学召开“概率论与统计学在岩土工程中的应用 专题学术讨论 会，推动了我国岩土工程可靠度理论的研究。九八九年，由长江科学院牵头成立了“岩 土工程可靠度可行性研究攻关组 ，进行岩土工程应用可靠度理论和概率极限状态设计 方法的可行性研究。二十多年来，我国的岩土工程可靠度研究发展较快，在许多领域都 取得了丰硕的研究成果。特别是，已有上海、天津两地将概率极限状态设计方法用于地 基基础设计规范，并已经实施。 1 4 本文主要研究内容 本文主要进行了以下几个方面的研究工作： 1 、系统分析研究东营地区软土物理力学性质参数间的相关性，验证部分物理力学 性质参数间的理论关系，模拟其相关方程；同时分析东营地区软土的物理力学性参数的 统计分布规律。 2 、介绍几种常用的可靠指标计算方法，分析各种方法的优缺点，采用m a t l a b 语言 编制j c 法计算程序。 3 、在分析现行复合地基承载力计算方法的基础上，确立影响粉喷桩复合地基承载 力的基本随机变量，建立粉喷桩复合地基承载力的极限状态方程。 4 、在粉喷桩复合地基承载力的极限状态方程基础上，结合东营地区工程实例，运 用结构可靠度理论对粉喷桩复合地基承载力可靠度进行分析，并分析其主要影响因素， 及其与各影响因素之间的相关关系。 7 第二章软土物理力学性质参数分析方法 第二章软土物理力学性质参数分析方法 2 1 软土物理力学性质指标 土的基本物理性质指标包括土体含水量、颗粒密度和天然重度，这三个指标是用来 衡量土的孔隙大小、密实程度。此外，还有用于描述土的塑性和土颗粒成分的指标：液 限、塑限、有效粒径和限定粒径。土的力学性指标又可分为变形指标和强度指标。变形 指标包括土的压缩系数、压缩模量、变形模量、弹性模量、回弹模量、压缩指数以及回 弹指数等；强度指标主要是指土的内聚力和内摩擦角1 2 5 1 2 6 1 1 2 7 1 。 2 1 1 软土的物理指标 1 、天然含水量( w ) 含水量是土的基本物理性指标之一，它反映土的状态，是了解粘性土稠度和砂上湿 度的重要指标，又是用来计算土的干密度、孔隙比、饱和度等的必要指标。土的含水量， 是三个基本指标中最不稳定的，对于粘性土来说，由于含水量不同，可以呈现出固态、 半固态、可塑状态及流动状态。 2 、土粒密度( p ) 土粒密度是指土中固体颗粒的质量与其体积之比。土粒密度仅与组成土粒的矿物密 度有关，由于大多数造岩矿物的密度相差不大，土粒密度一般在2 6 5 - 2 8 0 9 c m 3 之间， 土质学研究表明粘土的密度稍高，多在2 7 - 2 7 5g c m 3 之间。 3 、天然孔隙l l ( e ) 天然孔隙比是指天然状态下土体中的孔隙体积与土粒体积之比值，它是了解土体结 构密实程度的重要指标。 仁牲( 2 - 1 ) 4 、界限含水量 从一种状态转到另一种状态时的含水量称为界限含水量。流动状态与可塑状态的分 界含水量称为液限呒，从可塑状态转到半固体状态的分界含水量称为塑限，半固态 与固态之间的称为缩限哌。界限含水量，尤其是液限，能较好的反映出土的某些物理 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 力学特性，如压缩性、胀缩性等；液限( 睨) 和塑限( 昨) 是表征土体稠度状态的两个指标。 5 、塑性指数( ) 和液性指数( 丘) 塑性指数= 呒一昨，表征土体塑性区间的大小，土的塑性指数高，表示土中的 胶体粘粒含量大，同时也表示粘土中可能含有蒙脱石或其它高活性的胶体粘粒较多。液 性指数t = ( 一昨) ，是判断土体是否处于液态及液态程度的指标，如果i l l 表示 土体不在液态，反之则表示土体处于液态。 2 1 2 软土的力学指标 l 、软土的变形指标 软土除了具有一般土体的各种变形特征而外，还有其自身的特点，概括起来有以下 几点：变形量大、压缩稳定所需时间长、侧向变形较大。鉴于上述特点，软土的变形参 数对工程具有很大的影响。 1 ) 压缩系数( 口) e l e 2 p ip 2 a e 1 e 2 p a p a p lp 2 i g ( p k p a ) b 图2 - 1 软土压缩曲线 f i 9 2 - 1c o m p r e s s i o nc u r v eo fs o f tc l a y 最常用的压缩性指标叫压缩系数，习惯上以小写字母口来表示，其意义是增加一个 单位的竖向压力所产生的孔隙比的改变量( 减小量) 。如图2 1 a 所示通过有侧限的压缩 试验，可以得到一条压缩试验曲线，曲线反映了土样孑l 隙比随着压力加大而不断变化的 过程，曲线上两点间割线的斜率即为压缩系数。它随压力而变，压力愈大，压缩系数愈 小，就需要规定一个统一的压力使参数具有代表性和可比性，一般条件下采用 暑= l o o k p a ，最= 2 0 0 k p a 时的计算值做为试样的压缩系数，表示为q 一2 。 口= ( q e 2 ) ( p 2 一a )( 2 - 2 ) 9 第二章软土物理力学性质参数分析方法 2 ) 压缩指数( c c ) 如图2 1 b 所示若将上述e - p 曲线改绘成e l o g p 曲线，曲线的初始段为向下弯的， 而当压力较高时，便接近为直线。此段直线的斜率即为压缩指数，即： c c = ( e i e 2 ) ( 1 0 9 p 2 - l o g p l ) ( 2 3 ) 3 ) 压缩模量( e ) 压缩模量( 又称无侧胀变形模量) 是基于土体线弹性模量而得到的一个指标。在无 侧向膨胀条件下，土体受力压缩时，垂直压力增量与垂直应变增量的比值，称之压缩模 量，即： 巨= 吼乞= ( p 2 一p 1 ) ( e i e 2 ) = ( 1 + e , ) a r ( 2 4 ) 由式( 2 4 ) 可知压缩模量与压缩系数间存在换算关系，与压缩系数相同，通常也 采用对应于只= 1 0 0 k p ，= 2 0 0 k p 时的e s 值作为土样的代表值。应用压缩模量可评价 土的压缩性：e 5 m p a 为高压缩性；5 m p a 1 5 m p a 为 低压缩性。 4 ) 其他变形性指标 泊松比( ) ：土体在可自由侧向膨胀的情况下压缩时，土体除产生垂直变形外，同 时产生侧向变形，这两种变形的比值称之土的泊松比。 体积压缩系数( m y ) ：在有侧限条件下，土体的压缩量反应在土的单位厚度和单位压 力增量之间的关系，称之体积压缩系数。 变形模量( 毛) ：土在无侧限条件下半无限空间弹性土体的应力与应变的比值，称变 形模量。 2 、土的强度指标( c 、矽) 研究土的强度，首先要了解土体在外力( 荷载) 作用下的破坏形式。由于土颗粒本 身的强度远大于土颗粒间的联结强度，所以土体在外力作用下，剪切破坏是土的强度破 坏的重要形式。所谓土的强度，即指土体具有抵抗剪切破坏的最大应力，也叫土的抗剪 强度，由土颗粒间的摩擦角莎和土体内胶结物与束缚水膜的分子引力所产生的凝聚力c 这两个参数指标所组成。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 依据莫尔库伦强度理论，土的抗剪强度可用下式表示： 0 = f + 仃。t a i l 矽 ( 2 - 5 ) 式中f ，一土的抗剪强度； 盯一计算单元处的正应力； c 一土的内聚力； 矽一土的内摩擦角。 不难看出，土的具体强度不仅取决于土体自身的特性( c 、矽值) ，还取决于土体的受 力情况。 2 2 软土参数的特点 2 2 1 软土参数的可靠性和适用性 可靠性和适用性是对软土参数的基本要求【2 8 】。所谓可靠，是指能正确反映软土在规 定条件下的性状，能比较有把握地估计参数真值所在的区间。所谓适用，是指参数能满 足软土工程假定条件和计算精度的要求。 软土参数的可靠性和适用性，首先取决于软土的结构受扰程度，不同取样方法对土 的扰动程度是不同的【2 9 1 ，表2 1 是几种取样的方法对比试验结果【8 1 。由表2 1 可见，厚 壁取土器、锤击对土样结构的扰动较大，使无侧限抗压强度吼降低，变异系数万显著增 大。其次，试验方法和取值标准对软土参数也有很大的影响【3 0 1 。对同一地层的同一指标， 用不同的试验标准所得的结果会有很大差异。如土的排水抗剪强度，可用以下方法：室 内u u 试验、室内无侧限抗压强度试验、原位十字板试验测定，其结果则不同。 表2 - 1 不同取样方法对比试验结果 t a b l e 2 1 c o m p a r i s o nt e s tr e s u l t su n d e rd i f f e r e n ts a m p l i n gm e t h o d s 薄壁取土器，压入厚壁取土器，锤击 厚壁比薄壁 土类 n 吼圮 占n q 。陆又 万 吼降低 艿增大 淤泥质粘土4 15 90 1 3 62 l3 70 1 9 53 7 4 3 淤泥质粉质粘土5 96 80 1 5 93 35 70 2 2 92 0 1 7 因此，进行软土参数分析时，不仅要掌握软土参数的数据，而且要了解测试的方法 和试验标准，对软土参数的可靠性和适用性进行评价。 第二章软士物理力学性质参数分析方法 2 2 2 软土参数的变异性 软土参数应按工程地质单元、区段、位层，统计平均值( 厶) 、标准差( 町) 和变 异系数( 万) 。其算式如下： 厶= z 甩 ( 2 6 ) t = l 。= 瓯磊 万= 么 式中z 一岩土参数数据； ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) n 参加统计数据的个数。 软土的工程性质复杂，且具有变异性，使判断软土的工程特性变得相当困难。变异 性的存在要求在工程地点增加原状采样的数量和土性试验的重复次数，以获得平均值来 确定土性参数。由于变异性的影响，取自同一钻孔的土样指标不呈现什么规律性；但将 一个地区中许多钻孔的大量资料集中在一块，规律性变得明显了。可按表2 2 评价软土 参数的变异性川。 表2 - 2 软土参数的变异性等级 t a b l e 2 - 2t h e v a r i a b i l i t yl e v e lo f s o f tc l a yp a r a m e t e r s 变异系数 万 0 10 1 艿 0 2o 2 万 0 4 变异等级很低低中等高很高 国内外关于软土参数的变异性的研究己很多成果，表2 3 是i n g l e s 对软土变异素数 的研究成果。 表2 - 3i n g l e s 建议变异系数表 t a b l e 2 - 3c o e f f i c i e n to fv a r i a b i l i t yr e c o m m e n d e db yi n g l e s 软土参数报导范围建议值软土参数报导范围建议值 粘性土内摩擦角 o 1 2 0 5 6 塑限0 0 9 - 0 2 9o 1 0 粘聚性( 不排水)0 2 0 o 5 0o 3 标准贯入 0 2 7 - 0 8 50 3 0 压缩性o 1 8 o 7 30 3 无侧限强度 0 0 8 1 0 00 4 0 固结系数 0 2 5 1 o oo 5 孔隙比o 1 3 0 4 2o 2 5 弹性模鼍o 0 2 0 4 2 0 3 密度 o o l o 1 0o 0 3 液限o 0 2 0 4 80 1 粘粒含量 0 0 9 0 7 0 o 2 5 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 分析方法 物理、力学指标的物理意义各不相同，但它们之间都具有内在的密切的相关关系， 其中的一部分还可能近似地用数学表达式表示。在函数j ，= 厂( 五，x 2 ，矗) 方程式中，薯被 称之为随机变量( 自变量) ，y 称之为随机未知变量( 因变量) ，进行土体物理力学性质指标 的相关性分析，最重要的的合理选用随机变量和回归方程的类型3 2 1 。 2 3 1 一元线性回归方法 设对于每一个z ，有e ( y ) = 屁+ 届x ，其中p o ，届为待定常数，则一元线性回归的数 学模型一般为： y = p o4 - p y x + s f = y - e ( y ) 是7 _ 随机变量，对于挖组样本值( 薯，只) ，上式即 咒= 屈+ 层t + 岛 ( 1 ，2 ，2 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) 回归分析就是从式( 2 1 0 ) 出发，给出p o ，届，占2 的估值，并就有关统计假设进行检 验，设属，属的最小无偏估计为b o ，岛由最小二乘原理可知： 而相关系数的表达式为： b o = y 一6 1x ，0 q2 。 l x x ( 2 1 1 ) 西2 南吲们 ( 2 - 1 2 ) 打 一一 一 一一 式中0 = ( 一石) ( 只一y ) = 葺”一x y t = l i = 1 打 一 行一 乞= ( 葺- x ) 2 = 葺2 一刀x 2 ，= 1j = l 对于解决实际问题中遇到的幂函数或指数函数等形式，可以通过变量替换将它们转 化为上述待定参数的线性函数形式【3 3 】。 一元线性回归分析的显著性检验可用f 法进行。 第二章软土物理力学性质参数分析方法 f = 丽u m 刀一2 ) 其中，u ：窆( 羹一多) ，q ：窆( 只一五) 。 ( 2 1 3 ) 可用方差分析法来检验回归效果，当l d = 0 9 5 时，认为检验效果是显著的； 1 一a = o 9 9 时，认为检验效果是高度显著的；1 一口= 0 9 9 9 时，认为检验效果是极高度显 著的。 2 3 2 多元线性回归方法 假如变量与另外p 个变量五，x 2 ，的联系是线形的，它的第a 试验数据是： ( 虬：吒l ，屹2 ，) ，a = l ，2 ，疗 那么这一组数据可以假设有如下的结构式： 咒= p o + 屈1 + 反而2 + + 辟五| 口+ q y 2 = p o + 届1 + 殷x 2 2 + + 辟恐p + 岛 ( 2 _ 1 4 ) y n = p o 七| | b 1 x n 七p 2 x ，2 七七p p x r i p + 。 其中p o ，屈，屏是p + 1 个待估计参数，x i , x 2 ，0 是p 个可以精确测量或可控制的 一般变量，q ，乞，毛是n 个相互独立且服从同一正态分布n ( o ，盯) 的随机变量。采用 最d 、- - - - 乘法来估计参数。 设6 l ，6 2 ，分别是参数属，届，辟的最小二乘估计，则回归方程为： 2 4 勘测与试验方法 多= 6 0 + 岛五+ 6 2 艺+ + b p x p ( 2 一1 5 ) 由于土的不均匀性和各向异性，对土的研究，只有建立在大量数据的基础上才能揭 示其内在规律性。本文采用了东营地区自2 0 0 0 年至2 0 0 8 年共9 年的勘察资料，主要包 括钻探、静力触探、十字板剪切试验、室内试验等的数据，具体数量见表2 4 。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 4 勘察试验统计表 t a b l e 2 - 4s t a t i s t i c so fg e o t e c h n i c a ii n v e s t i g a t i o na n dt e s t 勘察试验内容单位 工作量 钻探孔 9 6 5 双桥静力触探 孔 7 2 3 现场测试取士样 件2 4 5 0 十字板剪切试验次 9 6 平板荷载试验 次7 2 常规试验 组2 3 0 0 室内土工试验 特殊试验组1 8 5 依据岩土工程勘察规范( g b2 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 【4 】进行野外钻探、取样、原位测试。 软土取样全部采用敞口薄壁取土器，快速静力连续压入法取土；静力触探采用双桥静力 触探，双桥探头侧壁面积采用2 0 0 c m 2 ，锥尖锥角为6 0 度，探头匀速垂直压入土中，贯 入速率为1 2 m m i n ；十字板剪切试验采用闭口钢环式测力装置，7 5 m m x l 5 0 r a m 的离合 式十字板头进行试验，剪切速率为r l o s 。 依据土工试验方法标准( g b t 5 0 12 3 19 9 9 ) 1 3 4 1 进行室内土工试验。室内土工试 验内容包括土的含水量、密度、比重、颗粒分析、界限含水量、压缩试验，具体的试验 方法为：含水量试验采用烘干法，密度试验采用环刀法，比重试验采用比重瓶法，颗粒 分析试验采用密度计法和筛析法联合测定，界限含水量试验中液限塑限分别采用碟式仪 法和滚搓法测定，固结试验包括快压、慢压和高压固结试验；抗剪强度试验有直接剪切 试验和三轴压缩试验。 第三章东营地区软土工程特性分析 第三章东营地区软土工程特性分析 东营市位于山东省北部黄河三角洲地区，中华民族的母亲河黄河，在这中国最 年轻的土地流入渤海。所处大地构造位置为华北地台济阳凹陷区之东营坳陷带内，基岩 埋藏较深，上部覆盖着数百米至数千米厚新生代地层，对工程有影响的表层数十米厚的 地基土为全新世幺，属海相沉积层和河i z l - - 角洲相沉积层。其中有较多软土层分布，呈 软塑流塑状态，压缩性较高，强度较低，主要包括淤泥质土和饱和粘性土。本章收集 了东营地区大量软土的物理力学性质指标试验数据，通过统计分析，比较全面地反映了 东营地区软土的工程特性。 3 1东营工程地质条件及软土成因分析 3 1 1 地质地貌概况 l 、地层 东营地区处在中朝古陆的华北地台上，济阳坳陷的东部，渤海坳陷的南侧，主要受 新华夏构