（岩土工程专业论文）塑料板排水堆载预压法处理软基的固结沉降研究.pdf

摘要 摘要 软粘土在我国沿海和内陆平原都有较广泛的分布。而软粘土的强度低、压缩性高， 在其上建造构筑物时，要先对其进行加固处理。由于塑料排水板与其它排水体相比具有 诸多优点，近几年来在国内软粘土地基处理中被广泛使用，塑料扳排水堆载预压法成为 摊水固结法中最主要的方法。但对塑料板排水堆载预压法的理论研究远滞后于工程实 践，塑料板排水堆载预压法的使用还处于经验阶段。 本课题根据所收集到的广州大学城外环路某标段软基处理工程中塑料板排水堆载 预压法处理软粘土地基的工程实测资料，对塑料板排水堆载预压法处理软粘土地基的理 论分析计算中通常要考虑的各种要素进行了定性或定量分析，可作为同类工程中选择理 论计算方法的参考。对目前根据现场实测沉降资料推算最终沉降的方法和常用的固结度 计算方法在用于塑料板排水堆载预压法时的适用性和计算结果的偏差规律进行了比较 研究，可作为选择计算方法和估计计算误差的依据；找出了其沉降的一些规律性。 通过本文对饱和软粘土采用塑料板排水堆载预压后的固结沉降计算和沉降规律的 分析以期达到验证设计、指导旌工的目的。从而对工程的实际应用产生一定的经济效益 和社会效益，同时也为进步进行理论研究提供客观依据。 关键词：塑料排水板，堆载预压，软粘土，固结，沉降 a b s t r a c t s o f td a y sa f ew i d e l yd i s t r 洳u t e di nc o a s n a n da n di n l a i l dp l a i n b u t ，o w i gt ot 1 1 ep m p e r t yo f t l l es o f t d a y ，s u c h a sl o w s t r e n g t h ，h i g hc o m p r e s s i b i l i t y ，t h e f o u n d a d o nn e e d st ob e s t r e n g t l l e n e db e f o r e l eb u i l d i n g sa r es e tu p o n “b e c a u s eo f 恤ea d v a i l t a g e so f p r e f a b r i c a t e d s t r i p d m i no v e ro t h e rv e n i c a ld r a i l i s ，t h i st e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e d i nr e c e n ts o f t c l a y f o u n d a t i o n i m p r o v e m e n t i no u r c o u n t r y a n di th a sb e e nam a i nm e t h o di n d r a i n a g e c o n s 0 1 t d a t j o nm e t h o d s b u t 也et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fi ti sl a g g e dt h e p r a c t i c e ，s ot h el l s eo f i t i ss t i l li nt h ep e r i o do f e x p e r i e n c e i nm i sd i s s c n a t i o n ，b a s e do nt h ef i e l dd a t ao fu s i n g p r e f a b r i c a t e dp l 硒t i cd r a i n si m p r o v i n gs o f t c l a y f o u n d a t i o no fac e n a i ns e c d o ns o f t d a yi m p r o v i i i gp r o j e c 【i n t h eg u a n g z h o u u n i v e r s i t yc i t y ，t h eq u a l i t a t i v ea 1 1 dq u a n t i t a 矗v ea l l a l y s i so fm a f l yf a c t o r so fm e o r e t i c c a l c l l l a t i o nw a yu s e di np r e f a b r i t e ds t r i pd f a i nd e s i g np r e l o a d i n gm e t h o dw e f ed o n e ，w h i c h c o l l l db ear e f e r e n c et oc h 0 0 s e 也e 也e o r e t i cc a l c u h t i o nw a yi no t h e rp r 叫e c t s a tt h es a m e t i m e ，t h ea p p l i c a b i l i t ya n de r r o ro fd i f f e r e n tm e n l o d su s e di np r e f a b r i c a t e ds 仃i pd r a i nt o c a l c u l a t ef i n a ls e t t l e m e mb a s e do nt h ef i e l ds e t d e m e n td a t aa n dt oc a l c u l a t e p e r c e n t c o n s o l i d a 垃o nw e r ec o m p a r c di n 血i s 碰s s e r t a t i o n lt h er e 鼬l l sc o u l db ear e f e r e n c ei nc h o o s i n g t h em e t h o d0 fc a l c l l l a t i n gs e t t l e m e n ta n dp e r c e n tc o n s o l i d a t i o na n dt oe v a l u a t et h ee r r o ro f r e s u l t si no t h e rp r o j e c t sa i l df i n do u ts o m er l l l e so fs e m e m e n t t h ea u t h o rt r yt o p r o o fp r o j e c t i o n a n dg u i d et oe x e c u t i o nb ya n a l y z e dc o n s o l i d a t i o na n d s e t t l e m e n tc o m p u t a t i o na r i dn l l e s0 fs e m e m e n tf o rt h es a t i l r a t e d c l a y i tw i l lb r i n g a b o u t d e f i n i t ee c o n o m ya n ds o c i a lb e n e f i tt ot h ee n g i n e e r i n ga p p l i a n c ea n do f f e ro b j e c l i v ec a s ef o r m a k i n g t h ea d v a n c e dt h e o r e t i c a ls t i l d i e s k e yw o r d s ：p r e f a b r i c a t e ds t r i pd r a i n ，p r e l o a d i n gm e t l l o d ，s o f tc l a y ，c o n s o l i d a t i o n ， s e t n e m e n t 符号说明 符号说明 a 压缩系数6 塑料排水板宽度 喁一：法向压力为1 0 0 2 0 0 k p a 时的压缩系数 e 压缩系数c 径向固结系数 c 竖向固结系数q 渗透系数 d 。塑料排水板等效圆直径吐排水体等效影响圆直径 喀涂抹区直径氐排水体直径 e 压缩模量p 孔隙比 g 。比重 g 井阻因子 h 土层厚度f 水力梯度 j 涂抹因子七渗透系数 k 竖向渗透系数k 水平渗透系数 f 砂井间距眠体积压缩系数 一井径比p 荷载 p 单位面积荷载、压力s 地基沉降量 s 。最终固结沉降量咒瞬时沉降量 s 。次固结沉降量s 。最终沉降量 z 时间因数【，地基固结度 西地基平均固结度西，径向平均固结度 u 。地基总平均固结度“孔隙水压力 “。初始孔隙水压力y 土的重度 y 。水的重度应变 应力盯有效应力 f 抗剪强度 n l 第一章绪论 1 1 概述 软土广义的理解是指压缩性高、天然强度低工程性质差的软弱土层。在现行规 范中软土一般是指天然孔隙比大于或等于1 o ，且天然含水量大于液限的细粒土， 包括淤泥、淤泥质士、泥炭、泥炭质土等，其压缩系数大于o 5 p a ；不排水抗剪 强度小于3 0 k p a 。软士由于它们强度低、压缩性高，在其上建造建构筑物时，不 得不对其进行加固处理。而除了少数几种方法外，软土加固的基本原理就是排水压 密。这时，这些软土的另一个不利的工程性质就显得格外突出，那就是它们的低透 水性，使得一切排水压密方法都不能在短时间内奏效，为了强调规范定义的软土的 这一性质，并使它区别于象松砂那样的松软土层，而将之称为软弱粘性土或简称为 软粘土。1 。在本文中为了避免引起歧义对规范所定义的软土也将使用软粘土这一术 语。 软粘土在我国大多分布在沿海，内陆平原和山区也有分布。按地质成因软粘土 有：滨海环境沉积、海陆过度环境沉积( 三角洲沉积) 、河流环境沉积、湖泊环境 沉积和沼泽环境沉积。1 。此外随着人类活动加剧，产生了大量人工成因的软粘土， 如河流酸浚物、吹填土，工业和生活污水沉淀物，工业生产排放的污泥等。随着生 产的发展和人口增长越来越多的软粘土将作为建构筑物地基；人工成因的软粘土排 放中为充分利用排放空间，排放过程需要采取措施加以控制，同时人工成因的软粘 土排放占用的大量土地，也需治理或作为地基、土料再利用。 软粘土作为地基或填土等其他用途一般都要对其进行加固处理。目前软粘土地 基的加固处理方法主要有换填法、排水固结法、石灰桩法、高压喷射注浆法和深层 搅拌法，有时也可用砂石桩法、加筋法等。此外灌浆技术在处理软粘土地基中也取 得了一定的成果“1 。 排水固结法是对天然地基，或先在地基中设置砂井、塑料排水板等竖向排水体， 然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载、或是在建筑物建造之前，在场地先行加载 预压，使土体中的孔隙水加速排出，加快地基固结沉降的完成，同聪强度逐步提高 的方法。与其他方法相比，排水固结法是一种处理效果好、技术简便、造价低廉的 处理方法，适用于大面积的软粘土场地处理。所以排水固结法一直是处理软粘土地 广东t 业大学工学硕士学位论文 基中适用最广泛的方法。 塑料排水板因为是在工厂制作，其质量指标稳定、运输方便、连续性好，施工 简便、速度快，近年来在国内逐渐取代砂井，成为使用最多的竖向排水材料。塑料 板排水联合堆载预压法( 以下简称塑料板排水法) 处理软粘土地基的基本原理是排 水固结，固结理论是实际工程中进行分析计算的基本理论，下面堆固结理论的发展 和现状作一简单总结。 1 ，2 固结理论的发展及现状 1 9 2 3 年，t e r z a g h i 发表了著名的论文粘土中动水应力的消散计算【5 1 ，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【“，从而建 立其一门独立的学科一土力学。之后固结理论一直是土力学的主要研究课题之一。 经过近八十粘的研究，固结理论得到了不断的发展预完善。 1 2 1 经典固结理论 t e r z a g h i 【5 ，7 1 在其一维固结理论中作了如下假设：1 ) 土体是均质的、完全饱和的 理想线弹性材料。2 ) 土体变形是微小的。3 ) 土颗粒和孔隙水都不可压缩。4 ) 孔 隙水运动服从d a r c v 定律，渗透系数为常数。5 ) 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。6 ) 土体中只发生竖向压缩变形和竖向孔隙水渗 流，土体的压缩速率取决于土中自由水排出的速率。在以上假设的基础上t e r z a 曲i 导出了单向固结基本微分方程和在单向固结初始条件和边界条件，并求出了解析解 及固结度计算公式。 1 9 3 6 年r e n d u l i c 在固结过程中总应力不变的假设下把t e r z a g h i 理论推广到三维 情况【b 】，现在一般称作t e r z a g h i r e n d u l i c 三维固结理论。由于它忽略了变形协调 条件对固结过程中总应力的影响，不能解释m a n d e l c r y e r 效应。在多维问题中， 所获结果也是近似的，严格的说，这种三维固结方程只能用于求解土体竖向变形， 即使其渗流方向是对维的，因此通常也称之为“准三维固结理论”。 1 9 4 2 年c a r i l l o 从数学上证明：多向渗流时孔隙水压力比等于各单向渗流时孔隙 水压力比的乘积 9 】。应用这一理论，可简化多维固结计算。 1 9 3 5 年到1 9 4 2 年之间r e n d u l i c ，k j e l l m a n ，c a f f i l l o ，b a r r o n 等在t e r z a 曲i 单向 固结理论的基础上，分别独自提出了仅考虑径向渗流且砂井排水能力为无限大的理 2 第一章绪论 想井固结理论，但以b a r r o n 的应用最为广泛【1 0 】。 1 9 4 8 年b a r r o n 建立了轴对称固结基本微分方程并导出其解析解。 1 9 4 1 年b i o t 根据有效应力原理，线弹性、小变形、渗流符合d a r c v 定律等假设， 并考虑了土骨架和孔隙水的相互作用，不作固结过程中总应力为常量的假设，建立 了严格的三维固结理论【1 2 】。因为b i o t 摒弃了t e r z a g h i 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 a n d e l c r v e r 效应，比 t c r z a g h i r e n d u l i c 三维固结理论更符合实际。如果在b i o t 三维固结理论中增加总 应力不变的假设，则固结微分方程退化为t e r z a g h i r e n d u l i c 三维固结方程，说明 t e r z a 曲i 固结理论是b i o t 固结理论的特例。1 9 5 6 年b i o t 又把这理论推广到动力 问题【1 3 】，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。 1 2 2 固结理论的改进和发展 经典固结理论引入了过多的假设，即使是b i o t 固结理论也不例外，这些假设使 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又时候相去甚 远，计算结果不能令人满意。所以经典固结理论从提出之后，就得到不断的改进和 完善。 固结理论的发展可粗略地分为两个方向，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，发展了打变形固结理论。 非线性固结理论的研究始于上世纪6 0 年代，s c h i f f m a n 和g i b s o n ( 1 9 6 4 ) 【1 4 】， a b b o t t ( 1 9 6 0 ) 【1 5 】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 a n s b o ( 1 9 6 0 ) 【1 6 】，b a r d e n 和b e r r y ( 1 9 6 5 ) 【1 7 1 利用修正形式的d a r c y 定律推导固结方 程：d a v i s 和r a y m o n d ( 1 9 6 5 ) 【1 8 】，b a r d e 和b e r r y 【1 7 】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 o ( 1 9 6 1 ) 【1 叭，b a r d o n ( 1 9 6 5 ) 【2 0 1 ，p o s k i t t ( 1 9 7 1 ) 【2 1 1 ，g a r l a n g e r ( 1 9 7 2 ) 吲研究了固结的次时间效应。h a w l c y e ta l ( 1 9 7 3 ) f 2 3 】将土的主、次固结过程作为统一 的固结过程来研究，提出统一固结理论。m e s r i 和r o k h s a r ( 1 9 74 ) 【2 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m a g n a n e ta l ( 1979 ) f 2 5 】提出同时考虑土的成层性p 、c 。和七随o 。的变化，次固结和 非饱和状态等的一维固结模型。 b i o t 固结理论【1 2 1 3 】由于求解的困难，一直被柬之高阁。从上世纪60 年代末 广东工业大学工学硕士学位论文 起有限单元法被用于求解b i o t 固结理论【1 0 12 6 、2 7 2 8 2 9 、3 们，终于使该理论在冷落了近 3 0 年后重新引起人们的注意。同时期土的本构关系研究也取得了很大的成果，提 出了数以百计的各种土的本构关系，以d u n c a n c h a n g 模型【3 l 】为代表的非线性弹性 模型，以c a m c l a y 模型【2 3 】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【3 3 l 在工程实践中得到广泛的应用在b i o t 固结理论的增量有 限元分析中引入这些复杂的本构模型，考虑土的材料非线性等因素的影响，以更好 地反映工程实际，使近3o 多年b i o t 固结理论发展和应用的主要方向。 对于软粘土当荷载较大时，土体的变形较大，变形量有时超过2o 。而w e b e r ( 1969 ) 【“l 曾报道了堤坝下的泥炭土地基固结压缩达到层厚的80 的工程实 例这时小应变理论可能带来较大的误差，因而需要考虑大变形。最早m c n a b b f l 9 6 0 1 【3 5 】，m i k a s a ( 1 9 6 5 ) 【3 6 】，g i b s o ne ta l ( 1 9 6 7 ) m 研究了一维大变形固结理论。此后许多 学者对g i b s o n 等的理论作了进一步的完善，对数值求解以及试验验证进行了研究【2 3 2 4 2 5 3 8 3 9 、4 0 、4 1 4 2 4 3 、4 4 1 。另一方面，随非线性连续介质力学的发展，建立在有限 应变理论基础之上的大变形固结理论及其有限元分析也不断取得发展。c a t e re t a l r l 9 7 7 ) 【4 5 】用非线性连续介质力学理论研究大变形固结，他们采用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。国外学者p r e v o s t ( 1 9 8 2 ) 【4 们，c h o p r a e ta l ( 1 9 9 2 ) 【4 7 】等，国内学者朱昊和袁建新 ( 1 9 8 0 ) ，周正明( 1 9 9 2 ) ，谢永利( 1 9 9 4 ) 5 ，谢新宇( 1 9 9 6 ) 刚，何开胜等( 2 0 0 0 ) 旧 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。 有关固结的试验研究今年来主要是等应变速率固结应变何离心试验。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 a n tr a t eo fs t r a i nc o n s 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f c o n s t a n tr a t e o fd e f o r m a t i o n c o n s o l i d a t i o n l 简称c r d ，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【5 3 】。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f 5 4 】。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 4 第一章绪论 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f 5 ”。 1 2 3 固结理论的其他发展 由于土体材料的不均匀性及测试方法的影响，土的参数是不确定的，是属于某 种分布的随机变量。同时土的固结过程各种影响因素也是不确定的，因而固结过程 是一个随机过程。近年来固结的概率分析也有一定发展【5 65 7 、5 引。 非饱和土的研究从上世纪30 年代就开始了，但由于难度大，进展缓慢。上世 纪7o 年代净应力和吸力双变量理论的确立标志着非饱和土力学的研究逐步趋向 于成熟上世纪90 年代建立了非饱和土固结理论，形成非饱和土固结的初步理论 框架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【5 9 1 。 伍栩仪在软黏土固结微观结构研究基础上，用相变模式解释软黏土主固结阶段 宏观孔隙压缩沉降与微观孔隙固结沉降，并建立了一维固结沉降计算理论公式，其 成果已被国内外广泛认可“。 关于土的微观结构研究，是近年来岩土工程研究的热点之一，软黏土固结过程 种的微结构效应的研究也有报道”“。 此外一些非力学模型也用于模拟软土固结沉降，主要有灰色系统理论模型【6 2 1 ， 泊松旋回模型，蒙特卡罗法1 6 3 】等概率统计模型。这些方法目前主要用于因过量抽水 等引起的大面积地面沉降的模拟与预测。 1 2 4 固结理论的求解方法 固结理论提出初期一般用解析法获得精确解或近似解，并绘制图表等以供查对。 直到现在解析方法仍是研究固结理论的主要方法之一。但由于固结微分方程、边界 条件和初始条件自身的复杂性，多数情况下无法得到解析解，使解析法的应用受到 很大限制。 随着电子计算机和数值分析方法的发展，数值方法在固结研究中得到应用。固 结分析数值方法主要有3 种，即有限差分法、有限单元法和边界元法。 有限差分法是固结分析中最早使用的数值方法，差分法的基本思想是用差分网 格离散求解域，用差分公式将微分方程转化为差分方程，结合初始条件与边界条件， 求解线性方程组。有限差分法比较直观，易于编程，至今仍被广泛使用。 有限单元法分析固结问题是将求解域离散成有限个适当的单元，通过变分法或 广东工业大学工学硕士学位论文 加权残数法建立有限元方程，然后结合初始和边界条件求解线性方程组而得到问题 的解。有限单元法以其适应性强，能够方便地处理非均质、非线性、复杂边界条件， 在理论研究中得到广泛应用。 边界元法在上世纪8 0 年代起被用于固结分析，它与有限单元法相比数学原理简 单、过程简洁、降低问题维数及计算精度高，但在处理非均质材料、非线性应力应 变关系等方面适应性相对较差，目前使用的并不多。 此外半解析解法，有限层分法，以及差分法、有限元法及边界元法相结合的方 法在固结分析中也有应用。 1 3 使用竖向排水体的固结理论研究评述 1 3 1 竖向排水体( v e n i c a ld r a i n s ) 简介 1 9 2 6 年m o r a n 获得砂井专利，1 9 3 4 年美国第一次用砂井排水法加固了公路软土 路基【1 0 】。仅几年后，1 9 3 7 年k j e l l m a n 第一次使用了排水板，但他所用的纸板透水性 差，耐久性差【6 4 1 。上世纪6 0 年代末发明了袋装砂井，得到广泛应用；同时扳式排水 体的材料得到不断改进，外包聚合物滤膜塑料板芯的塑料排水板与砂井相比具有多 种优点，在工程中的应用也越来越广。 在国外将砂井、塑料排水板等统称为竖向排水体( v e r i i c a ld 豫i n 砖，而国虑一般将 它们称为竖向排水井或竖井，没有形成一个统一的术语，在文字叙述中很不方便。 本文中为了叙述的简便也使用竖向排水体( 简称排水体) 作为对打设于软粘土中起 加快排水作用的所有形式的排水物体的总称。 m c g o w n 和h u g h e s ( 1 9 8 1 ) 1 6 5 l 将竖向排水体按外形分为圆形排水体( r o u n d d r a i n s ) 和扁平的板式排水体( b a n d t y p ed f a i n s ) ，或称排水板( b a n dd r a i n s ) 。国内一 般按材料分为砂并( 包括普通砂井和袋装砂井) 、塑料排水板与排水管两大类f 6 ”。排 水体虽然形式多样，但其处理软粘土地基的原理是相同的，用于分析各种排水体处 理软粘土地基的理论也是通用的。所以本文虽主要研究塑料板排水法，在下面的讨 论中也不特别指出是使用塑料板排水法处理软粘土地基的固结理论研究动态。 1 3 2 使用竖向排水体的固结理论发展 1 9 4 8 年，b a r r o n 总结了等应变和自由应变两种极端情况下的理想井理论，指出 自由应变条件下理论解较等应变条件下理论解形式复杂但两者结果差别不大，并首 6 第一章绪论 次给出在这两种情况下考虑涂抹作用以及在等应变条件下考虑井阻作用的砂并理 论。1 9 5 5 年，高木俊介提出了逐渐加荷下砂井地基固结的计算和分析方法。1 9 5 7 年， r i c h a r t 系统地回顾了砂井理论，进一步肯定了b a r r o n 提出的自由应变和等应变两种 条件得到的结果相差无几的结论，明确指出井距对平均径向固结度u ，的影响较井径 为大，涂抹作用对【，的影响犹如减小了砂井的直径。r i c h a r t 的工作推进了等应变条 件下砂井理论的更广泛应用，促进了“细而密”原则的产生，也给人们提供了考虑 涂抹作用较为简捷的路径。1 9 5 8 年，h a n 等学者首先研究了未打穿砂井地基的固结， 提出了使用简单的平均固结度近似计算公式f 6 7 l 。其后砂井理论的研究虽未中断，但 从实用的角度出发，这些研究的结果或与已有理论差距甚小，或其中的参数不易测 定。j 下如b a r r o n ( 1 9 7 8 ) 所说：这期间的砂井理论研究进展不大1 1 0 】。 y o s h i k u n ie ta l ( 1 9 7 4 ) 【醯】建立了严密的自由应变条件下考虑井阻作用的砂井固 结理论，但解极其复杂，并只有在k 。= r ，时才适用【6 9 1 。 o l s o n ( 1 9 7 7 ) 【7 0 】重复了高木俊介的工作，在b a r r o n 等应变圆结的基础上得到变 荷载下的砂井平均固结度的计算公式。由于c a r f i l l o 定理在变荷载下不使用，所以这 一结果是错误的【”】。 b a s a k ( 1 9 7 7 ，1 9 7 8 ) 【7 1 】在等应变、无涂抹作用、瞬时加载的假设条件下，研究 了考虑压缩性和透水性不变、粘性土中渗流的临界水力梯度和考虑压缩性和透水性 随固结而变化两种情况的砂并径向渗流的固结，给出了解析解和固结度计算公式。 a t k i n s o ne ta l ( 1 9 8 1 ) 【7 2 l 总结了用排水板处理软土地基的平均固结度的计算方 法，排水板作用的等效直径计算公式，排水板性状对渗流的影响和等效井径计算公 式：分析了涂抹层和滤水膜的相互作用，提出了减小施工扰动的措施；讨论了井阻 对固结的影响；分析了相关固结参数对固结分析的影响，对勘察和试验提出了改进 意见。 h a n s b o ( 1 9 8 1 ) 【7 3 】提出了等应变条件下考虑井阻作用的新理论，但数学推导中过 多的简化，其解只是近似解。 国内砂井的使用和理论研究始于上世纪5 0 年代，集累了大量实践经验和理论研 究成果。曾国熙等( 1 9 8 1 ) 【7 4 】总结了二十多年的砂井工程实践经验和理论分析方法， 提出一个了砂井地基固结度计算的普遍表达式。使砂井地基平均固结度计算简化。 王贻荪( 1 9 8 2 ) 【6 9 1 提出了自由应变条件下，考虑砂井阻力对砂井地基固结影响的 广东工业大学工学硕士学位论文 折减井径法，这种方法仅需对砂井井径进行一次折减，以后的固结分析程序及计算 就可用众所周知的方法及己有的各种设计计算图表完成。折减井径法比y o s h i k u n i e t a l ( 1 9 7 4 ) 的双重无穷级数解简便的多，而且可以考虑软基水平及竖向渗透性的差异。 陈根援( 1 9 8 4 ) 对未打穿砂井地基建议先对砂井范围内的三维固结一维化，求 出等效的竖向固结系数，然后与砂井以下土层一起按双层地基一维固结理论进行计 算。 1 9 8 7 年，谢康和在b a f r o n 和h a n s b o 理论主要假定条件，同时假设砂井井料和涂 抹区内土体的其它性质同天然地基，得到单井固结问题精确解；并讨论了逐渐加荷 下单井固结问题，给出多级等速加荷下的一般解；给出等应变条件下能考虑并阻和 涂抹作用的砂井地基平均径向固结度近似公式；提出未打穿砂井地基总平均固结度 计算的改进方法：用有限元分析了群井三维固结性状【加】。其成果己被现行规范所采 用，在工程中得到广泛应用。 钱家欢，赵维炳( 1 9 8 8 ) 【7 6 l 提出了砂井地基固结分析的半解析解法超静孔隙水 压力按理论解近似计算，位移用数值方法求解。它考虑了砂井地基固结的三维特性、 土的粘弹性及群井对地基变形的共同影响。赵维炳( 1 9 9 1 ) 【7 7 】又对该方法作了改进， 使计算精度提高，并可进一步考虑井阻和涂抹作用。赵维炳，钱家欢( 1 9 9 1 ) 7 8 】采用 广义v o i g t 模型，推导了普遍适用于各种粘弹性土体的单向固结和轴对称固结基本方 程及其解析解。并进一步改进了原半解析解，使其适用于分层土地基。赵维炳( 1 9 9 4 ) 【7 9 】提出了可分别计算主固结和次固结的轴对称固结简化方法，简化解可以代替其早 些时候提出的解析解。 谢康和( 1 9 9 5 ) 1 8 0 1 在b a r r o n 等应变条件下建立了双层理想井地基固结理论，绘制 了固结计算曲线。 房营光( 1 9 9 6 ) 【8 1 】从t e r z a 曲i r e n d u l i c 三维固结方程出发，对砂井地基空间渗流 与群井效应作了分析。给出了可同时考虑群井作用、空间渗流和井阻作用的解析解。 施键勇等( 1 9 9 7 ) 【8 2 j 研究了砂井施工扰动对土的力学性质的影响，通过重塑土试 验指出重塑土的渗透系数从试验开始4 8 小时内增大到一定值而停下来，并认为这是 由于水压力下产生微小的劈裂作用的结果。 高长胜等( 1 9 9 9 ) 【8 3 】分析了井阻和涂抹作用对固结的影响，提出了考虑井阻和 涂抹作用的分析和设计曲线，并建议井阻因子g = 0 1 5 和涂抹因子j 一0 1 作为考虑 8 第一章绪论 井阻和涂抹作用与否的标准。 王军等( 2 0 0 1 ) 剐研究了考虑土结构性影响的砂井地基固结度计算方法，基于软 粘土结构性分析，提出固结系数分段模型，分析认为士结构性对砂井地基固结性状 影响明显。 陈胜立等( 2 0 0 2 ) 【明基于b i o t 固结理论研究了横观各向同性饱和地基半空间轴 对称固结问题，获得了一般积分形式解。 1 3 3 数值分析方法的发展 作为使用竖向排水体的固结理论的研究的一个重要组成部分，数值方法从上世 纪5 0 年代以来也不断发展。 最早使用的数值方法是有限差分，h a r te ta l ( 1 9 5 8 ) 【6 7 】用有限差分法分析了未打 穿砂井地基固结。有限差分法比较直观，易于编程，占用机时少，可以方便地处理 土的分层，逐级加载等，有限差分法一直是分析使用竖向排水体的固结理论的主要 数值方法。随着有限单元法的应用，有限差分在一段时间发展停顿。近年来有限差 分又有了新进展，任意网格差分，使之可以与有限元相匹敌【8 6 】。 固结理论的有限单元分析法经过三十多年的发展，己相当成熟。有限单元技术 主要有两个方面，一是前面所提到的如何处理非线性本构模型和几何非线性：二是 如何处理竖向排水体及井阻涂抹等影响因素。如h i r de ta l ( 1 9 9 2 ) 1 8 7 】研究了砂井处理 路堤软基的平面应变有限元模型，通过修正砂井作用范围和土的渗透参数来处理砂 井，同时考虑了井阻和涂抹作用。i n d r a r a t n ae ta l ( 1 9 9 7 ) 【8 8 l 建立了考虑涂抹效应的 竖向排水固结的平面应变有限元模型，推导了等效变换公式。赵维炳等( 1 9 9 8 ) 【8 9 】 研究了平面应变有限元分析中砂井的处理方法，从b a r r o n 理论出发，同时考虑涂抹 作用、地基侧向变形和竖向渗流的影响，得到砂井地基平面应变问题和轴对称问题 之间的等效方法。 其它些数值方法在使用竖向排水体的固结理论也得到应用，如林丰，陈环 ( 1 9 8 7 ) 【帅】用边界元分析砂井地基固结。 半解析法是数理方程的解析方法和数值方法相结合的求解方法，它可以充分利 用已有低维、简单问题的解析研究成果，减少计算工作量，同时由于运用相应边界 条件的精确解，收敛性好，容易达到所需精度。半解析法在使用竖向排水体的固结 理论分析中使用也较多【7 6 ，7 7 ，7 扪。 9 广东t 业大学工学硕士学位论文 1 3 4 使用竖向排水体的固结理论分析存在的问题 由以上的综述可以看出，从上世纪2 0 年代t e r z a g h i 提出固结理论和4 0 年代b a r r o n 提出砂井固结理论以来，固结理论在不断的发展日臻完善。但在实际中使用不多， 当| j l 使用竖向排水体处理软粘土地基的工程中，工程技术人员所用的分析设计理论 仍以t e r z a g h i 和b a r r o n 固结理论辅以经验修正的传统方法为主，见文献 2 4 ，8 3 。9 1 ， 9 2 。这里有以下两方面的原因。一是传统方法虽采用了一系列简化假设，与实际 情况不完全符合，但简单易用，参数可由常规试验确定，同时集累了大量工程经验， 目前仍为许多国家的现行规范所采用【9 2 1 。二是大多数理论虽在理论上比较完善，但 没有一个合理而简便的分析设计方法，并且自身过于复杂，不易为工程设计人员所 掌握和使用。虽有许多文献 2 4 ，8 3 声称自己的研究目的是为改变这种状况，但从 实际看来到目前并无多大改观。 数值方法是当前固结理论研究中不可缺少的，特别是有限单元法。有限单元法 的优点上文中己论及，在理论研究中已得到广泛应用。但在实际工程中未得到普遍 应用，主要是因为： 1 有限元理论较复杂，学习需要较高的数学和力学基础，工程技术人员难以掌 握。有限元的编程复杂，即使在已有程序的基础上作一些补充和修改亦非易事。掌 握使用现成的程序一般也要费许多时闻【9 2 l 。 2 有限元分析中引入复杂的土的本构模型，而这些模型的参数即使用专门的仪 器也难以测定，更不用说常规土工试验了。有限元求解多用增量法，而土层的初始 应力更是难以可靠的确定f 9 2 】。这些给计算结果带来很大的误差，计算精度不能满足 工程需要。沈珠江( 1 9 8 4 ) 【9 4 】对软粘土地基固结变形计算模式的评价中指出，有限元 分析的结果变形和孔压的发展趋势与实测是一致的，但计算值与实测值的差距较 大。沈珠江( 1 9 9 8 ) 【8 5 】指出对于侧向变形，用现有的有限元法很难算出符合实际的结 果。文献 9 3 对较容易测定参数的d u n c a n c h a n g 模型的参数变化对有限元计算结果 的影响作了研究，研究指出参数测定产生1 0 4 0 的相对误差是经常的，这可引起 计算位移结果1 0 1 0 0 的变化。 3 大部分文献中，特别是国内文献，将有限元计算结果与某基于多项理想假设 的经典固结理论分析结果作对比，以验证其计算精度，这只能证明其有限元模型可 以模拟某些实际情况，而不能证明其实用性。在有限元中处理排水体和边界条件等 1 0 第一章绪论 时，也可能引入很大的误差。如文献 5 0 对路堤下软粘土进行大变形有限元分析 时，先将排水板折算成等周长的圆截面排水体，再将圆截面排水体按面积转换成等 面积的正方形截面排水体，三角形布置的排水板转换成等效的正方形布置。这一系 列的所谓等效转换后能否反应软粘土中每一点的实际固结过程，对结果的影响有待 进一步验证。文献 8 9 得到砂井地基平面应变问题和轴对称问题之间的等效方法。 但要调整渗透系数才可以进行平面应变有限元计算，有限元法中这种通过调整参数 以使计算与实际相吻合的作法历来就有争议。 关于加载方式、土的分层、井阻和涂抹作用等影响因素在理论分析时概念比较 明确，但除了上文提到的原因之外，多数参数难以测定，或作用机理没有搞清，参 数本身就不具有明确的物理意义，而是一种类似修正系数的参数，用于实际工程设 计时只能根据经验做一些修正。如涂抹和扰动，很多文献指出涂抹和施工扰动对竖 向排水体处理软粘土地基的效果影响非常大，有时可能完全起不到处理作用，对于 灵敏土甚至会适得其反，但在实际工程中并没有出现这种情况，处理效果都很好p ”。 因这些是用假设的扰动和涂抹区参数或通过其它间接途径得到的参数分析得出的 结论，而未对实际涂抹层和扰动区进行试验研究。施键勇等( 1 9 9 7 ) 1 8 2 】对灵敏土的重 塑土样试验指出，灵敏土扰动后渗透性降低，但静置后渗透性在一段时间内增长明 显。文献 7 2 指出排水体打设后在其周围的土体中部分极小的颗粒随水流失在数毫 米内渗透性是增加了。林孔锱( 1 9 9 6 ) 【9 6 l 的研究指出，国内现行地基处理规范中考 虑井阻、涂抹和扰动影响时，按不考虑这些因素得到平均固结度乘以折减系数计算， 这在荷载较小时是可行的，但在荷载较大时，随固结进行径向固结系数不断减小， 对固结的影响更大，而井阻、涂抹和扰动已不是主要影响因素。可见使用竖向排水 体的固结分析理论对各种因素的考虑和处理还需作进一步完善。 1 - 3 5 使用竖向排水体的固结分析理论的发展方向 从目前使用竖向排水体围结的理论研究和工程实践现状出发，木文作者认为今 后一段时间使用竖向排水体的固结理论研究主要有以下几方面。 一以传统的固结理论为基础，考虑土的分层，应力一应变关系的非线性，计算 参数随固结发展的变化，排水距离对次固结的影响等因素，用有限差分计算软粘土 的沉降时程曲线。目前法国、美国和加拿大的一些学者在这方面己作了部分研究。 国内周镜院士也在这方面进行研究【9 “。 1 1 广东工业大学工学硕士学位论文 二钱家欢( 1 9 8 0 ) 指出应用有限元法同时计算地基和填土的沉降与稳定两大问 题是地基变形计算的发展趋势。地基、基础及上部结构结合起来计算沉降，也是沉 降计算方法的一个发展方向【9 7 】。二十几年过去了在这些方面的研究进展并不大。使 用竖向排水体的固结有限元分析今后还应沿这个方向发展，即同时计算固结变形， 地基与填土的稳定两个问题，以及地基、基础和上部结构共同作用。在这些方面有 限元具有优势，没有其它可替代的方法。 j 三目前使用竖向排水体处理软粘土地基的分析计算仍处于半理论半经验阶 段，对工程经验的总结非常重要，应将工程经验总结作为一个专门的研究课题。一 方面是通过已建工程总结各种分析计算方法对同类工程的适用性，以及计算结果误 差的大小和修正方法。另一方面软粘土的参数很难测定，可以通过已建工程，总结 同地区、相同成因土的参数变异规律， 作为以后分析计算时选用参数的参考。 1 4 本课题的研究内容 由于固结理论的局限性和软粘土工程性质的复杂性，在使用塑料板排水堆载预 压法处理软粘土地基时，在设计中很难通过理论计算对预压荷载大小或填土速率、 沉降量、固结度、强度增长、工期等做出较准确的预测。除去特别重大的工程可以 通过大面积现场填筑试验提供设计和施工控制的依据外，一般工程都是在施工的同 时通过现场试验和观测资料的分析，评价和预测施工效果，对旋工进程进行控制和 调整。所以现场观测资料的分析对这类工程非常重要。目前国内塑料板排水堆载预 压法现场观测资料的分析沿用了砂井、袋装砂井等工程的分析方法。虽然它们处理 软粘土地基的原理是相同的，但塑料板排水堆载预压法有其自身的特殊性，这些分 析方法在用于塑料板排水堆载预压法时是否适用国内的研究总结较少。 本文拟以广州大学城外环路某标段工程现场试验实测资料为基础，对塑料板排 水堆载预压法处理软粘土地基的固结沉降进行研究，总结目前根据现场实测资料推 算最终沉降和固结度的常用方法在用于塑料板排水堆载预压法时计算结果的偏差 规律，以及在使用这些方法时应注意的问题和处理技巧，为今后在同类工程中分析 实测资料提供参考。本文主要作了以下工作： 1 对塑料板排水堆载预压法处理软粘土地基的基础理论一一固结理论作了评 第一章绪论 述，指出现有理论的不足，对今后固结理论的发展提出建议。 2 对塑料板排水堆载预压法处理软粘土地基的理论分析计算中通常要考虑的 各种要素的机理和影响大小，结合广州大学城外环路某标段工程软基处理实测资料 作了定性或定量分析，并对其中一部分要素在理论计算中的处理方法提出建议，可 作为今后在同类工程中选择理论计算方法和确定计算参数的参考。 3 用不同方法根据广州大学城外环路某标段工程软基处理实测资料推算其沉 降量和固结度，通过比较，说明这些方法对使用塑料板排水堆载预压法处理软粘土