（交通运输工程专业论文）软土地基上路基沉降及稳定土的设计和施工研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ； 研究生签名：左红殖及銎幻日期：壁坦垄：堑： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：师签名 莎p 押、弓f 6 i 啪7删8嗍舢3砖 删1胂y 摘要 摘要 随着社会经济的发展和交通现代化的需要，高速公路建设进入了一个新时期。由于 软土的高压缩性、低渗透性，固结变形需要的时间长，软土地区的高速公路常由于沉降 不均匀或工后沉降过大破坏了路面的质量。高速公路对营运期间的路基沉降量有严格的 要求，软土路基的设计以变形控制为主。关于路基沉降的研究已有了相当长历史，取得 了令人瞩目的成就，但也存在着许多不足。此外，被广泛用于公路工程的稳定土由于自 身性质的特点，决定了必然会出现温缩和干缩，这就要求必须从配合比的设计、施工过 程的质量控制等方面着手进行把关。因此，开展路基沉降计算和稳定土的设计和施工这 两方面的研究具有显著的经济效益和社会效益。 首先，比较了t e r z a g h i 固结理论和b i o t 固结理论的区别和联系；构建了b i o t 固结 理论的有限元方程，选择非线性弹性的d u n c a n c h a n g 模型描述地基土体的应力一应变 关系，基于b i o t 固结理论编制了沉降计算的有限元程序；并进行了算例验证。 其次，详细分析了软土地基上公路路基沉降观测中的关键问题；根据实体工程，同 时兼顾以上关键问题，确定了沉降观测的方案，并进行了实施。通过对许多沉降观测断 面收集到的资料分析来看，观测值与计算结果比较接近，从而表明了本文分析的沉降中 的关键问题是合理的，确定的沉降观测方案是可行的，可以应用于类似工程中。 然后，分析了水泥和石灰土的稳定机理；进行了稳定土的室内配合比试验，确定了 合理的水泥和石灰剂量，并对现场施工效果进行了评价。 最后，较为深入地分析了水泥和石灰稳定土施工中常见病害，并对成因进行了分析， 同时给出了相应的防治措施。 关键词：软土地基；沉降；b i o t 固结理论；有限元；配合比设计；稳定土 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h em o d e r n i z a t i o no ft r a f f i c ，t h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a y h a sc o m ei n t oan e wp e r i o d 。f o rh i g hc o m p r e s s i b i l i t ya n dl o wp e r m e a b i l i t yo f t h es o f ts o i l ，c o n s o l i d a t i o n d e f o r m a t i o na l w a y sl a s t sal o n gt i m e t h ep a v e m e n to fe x p r e s s w a yo ns o f tf o u n d a t i o nm a yb ed e s t r o y e d b e c a u s eo fu n e q u a ls e t t l e m e n to re x c e s s i v es e t t l e m e n to fs o i l t h es e t t l e m e n to fe x p r e s s w a yi ns e r v i c ei s s t r i c t l yl i m i t e d ；t h ed e s i g no f e m b a n k m e n ti sm a i n l yb a s e do nt h ed e f o r m a t i o nc o n t r o lo f r o a d b e d a l r e a d y t h e r ei sq u i t el o n gh i s t o r yi nt h er e s e a r c ha b o u tt h ef a c tt h a tt h ee m b a n k m e n ts e t t l e m e n t ，h a v em a d eg r e a t p r o g r e s s b u ti t i sm o r ei n s u f f i c i e n tt oe x i s t m o r e o v e r ，t h es t a b i l i z e ds o i lu s e dw i d e l yi nt h er o a d e n g i n e e r i n gm u s ta p p e a rs h r i n k a g ec r a c ka n dt e m p e r a t u r ec r a c kb e c a u s eo fi t sf e a t u r e s o ，w es h o u l d c o n t r o lt h em i xd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt og e ta ne x c e l l e n tq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fs e t t l e m e n t c a l c u l a t i o no fs o f ts o i lf o u n d a t i o na n ds t a b i l i z e ds o i lh a sr e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i ta ns o c i a lb e n e f i t f i r s t l y , t h et e r z a g i l i sc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n d b i o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya l ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ef i n i t ee l e m e n te q u a t i o n sb a s e do nb i o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya r em a d e t h e n , s e l e c t i n gt h e d u n c a n c h a n gm o d e lt od e s c r i b et h es t r e s s s t r a i no ff o u n d a t i o ns o i l ，t h ec a l c u l a t i o np r o g r a mo fs e t t l e m e n t b a s e do nb i o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r yi sc o m p i l e d ，a n di ti sv e r i f i e db ys e v e r a lc a l c u l a t i o ne x a m p l e s s e c o n d l y ，t h ek e yp r o b l e m so fs e t t l e m e n tm o n i t o ro fs u b g r a d eo ns o f ts o i lf o u n d a t i o na l ea n a l y z e d c o m p r e h e n s i v e l y b a s e do nt h ep r a c t i c a lp r o j e c ta n dc o n s i d e r e dt h ek e yp r o b l e m s ，t h es c h e m eo f s e t t l e m e n tm o n i t o ri sd e c i d e da n dp u ti n t oe f f e c t a f t e rc o m p a r i n gt h es e t t l e m e n td a t ao fs e v e r a lm o n i t o r i n g s e c t i o n sa n dc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o nr e s u l t s ， i ti so b v i o u st h a tt h e ya r ec o n s i s t e n t s o ， w ec a ns a y s a f e l yt h a tt h ek e yp r o b l e m sa l er e a s o n a b l ea n dt h em o n i t o r i n gs c h e m ec a nb ec a r r i e do u t ，w h i c hc a nb e u s e di ns i m i l a rp r o j e c t s t h e n ，t h es t a b i l i z e dm e c h a n i s m so fc e m e n ta n dl i m es t a b i l i z e ds o i la r es t u d i e d t h et e s t so fm i x t u r e r a t i oa r ec o m p l e t e da n dt h ed o s a g e so fc e m e n ta n dl i m ea r eo b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，t h ef i e l de f f e c t s a r ee v a l u a t e d f i n a l l y ，t h ec o m m o nd i s e a s e sd u r i n gc o n s t r u c t i o no fc e m e n ta n d l i m es t a b i l i z e ds o i la n dt h e i rc a u s e d a l ea n a l y z e dt h o r o u g h l y ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc u r i n gm e t h o d sa r eg i v e n k e yw o r d s ：s o f t s o i lf o u n d a t i o n ；s e t t l e m e n t ；b i o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r y ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； s t a b i l i z e ds o i l n 目录 摘要。 a b s t r a c t 目录 目录 第一章绪论 i i i 1 1 弓i 言1 1 2 软土地基沉降计算方法2 1 2 1 软土地基沉降计算的经验公式法2 1 2 。2 软土地基沉降量的数值分析3 1 2 3 基于实测数据收集和处理的沉降预测法7 1 3 公路工程中稳定土的应用7 1 4 研究的主要内容和技术路线8 第二章基于b i o t 固结理论的沉降计算 1 0 2 1 土体固结理论1 0 2 1 1 线弹性固结理论l o 2 1 2 土体的非线性固结理论l l 2 2 土体本构模型的选择1 l 2 3b i o t 固结理论的有限元解析1 2 2 4 算例说明1 4 2 4 1 计算参数1 5 2 4 2 实体工程数据分析2 0 2 5 本章小结2 6 第三章软土地基上公路沉降观测2 7 3 1 路基沉降观测的必要性与目的2 7 3 2 软土地基上公路沉降观测中的问题分析2 7 3 2 1 高速公路观测项目2 8 3 2 2 沉降观测点的布设原则2 8 3 2 3 沉降观测精度的确定3 0 3 2 4 沉降观测频率的确定3 1 3 2 5 沉降观测条件的统一性问题3 l 3 2 6 沉降观测异常情况的处置2 3 3 3 路基沉降与稳定观测布置方案。3 2 3 3 1 路堤填筑期原地面沉降观测点的布置3 2 3 3 2 预压期沉降点的布置3 2 3 4 路基沉降与稳定观测实施3 2 3 4 1 沉降标的制造和埋设3 2 3 4 2 水准点布设及转置3 4 3 4 3 水准仪及水准尺使用3 4 3 4 4 观测执行标准3 5 3 4 5 观测频率3 5 i i i 3 6 1 路堤填筑期原地面沉降观测结果3 5 3 6 2 路堤总沉降。4 3 3 7 本章小结。4 5 第四章稳定土设计及施工研究 4 1 前言4 6 4 1 1 软土地基上结构层的设计4 6 4 1 2 稳定土的强度特性4 7 4 2 稳定土的配合比设计5 0 4 2 1 强度标准。5 0 4 2 2 原材料的试验5 0 4 2 3 混合料的设计步骤5 0 4 3 稳定土室内试验及分析5l 4 3 1 材料试验。5l 4 3 2 击实试验5 3 4 3 3 无侧限抗压强度试验5 3 4 3 4 回弹模量试验5 6 4 4 稳定土路基的施工5 7 4 4 1 稳定土厂拌施工工艺5 7 4 4 2 质量管理5 8 4 4 3 检验及验收61 4 5 现场评价。6 2 4 6 石灰稳定土常见的工程质量问题、原因及预防措施。6 3 4 6 1 常见的工程质量问题及原因6 3 4 6 2 预防措施6 4 4 7 本章小结6 5 第五章结论与展望。6 6 5 1 主要结论6 6 5 2 需进一步研究的问题6 7 致谢1 ；8 主要参考文献6 9 攻读硕士期间发表的论文和参与的主要科研工作7 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 自2 0 世纪8 0 年代中期开始，中国大陆开始兴建高速公路，陆续投入运行的高速公路 一标志着我国公路运输事业和科学技术水平进入了一个崭新的时代。路基和路面是道路的 主要工程结构物，路基是在天然地表面按照道路的设计线形( 位置) 和设计横断面( 几何 尺寸) 的要求开挖或堆填而成的岩土结构物；路面是在路基项面的行车部分用各种混合 材料铺筑而成的层状结构物。路基是路面结构的基础，坚强而又稳定的路基为路面结构 长期承受汽车荷载提供了重要的保证。若过早铺筑路面，可能会导致路面出现断裂、路 基路面结构出现沉陷、路面表面出现波浪或车辙，使路况恶化、服务水平下降n 1 。因此， 路基填筑后，掌握其沉降规律和趋势、控制与安排施工进度，对于保证工程质量十分重 要。而工程实例表明，软土路段及桥头路基的处理是高速公路建设成败的关键，为使高 速公路建成通车后，确保路面的使用质量，必须重视软土路段路基的处治，而路基的沉 降估算，是决定软土地基是否需要处理的重要步骤。 沉降问题历来是土力学中的主要研究课题之一。自从t e r z a g h i ( 1 9 2 3 年) 的一维固结 理论问世以来，路基沉降的理论研究己取得了长足的进展，并且在工程建设中发挥了巨 大的指导作用。此后又有很多人为该方法的改进和完善做出了重要的贡献。随着整个土 力学学科的发展，路基的沉降计算也得到了发展，最近二、三十年来，许多学者都提出 了新的计算方法口圳。然而，从工程建设的发展与要求来看，仍需对现有的路基沉降理论 作进一步的研究和改进。正如b a l a s u b r a m a n i a m 和b r e n n e r 所指出的那样聆1 路基的沉降计 算理论尽管有了很大改进，但沉降的预估比一般的土工计算更具技术性，在高速公路施 工中，沉降量的变化与路堤填筑、预压、路面结构层施工及完建后运行等四个阶段相关。 现在，在许多情况下己经能够预测出不超过1 0 一2 0 的最终沉降量( h k a g i ，1 9 7 9 年) ， 但是，预估沉降与时间关系的能力仍然相当差h 1 。自上个世纪7 0 年代以来，随着计算机 技术的进步，采用有限元分析法计算地基沉降已成为可能，但时至今日，路基沉降课题 仍然困扰着土木工程技术人员。在实际应用中，工程人员的经验和技术仍往往起着关键 作用这一方面是因为新的理论与技术尚不成熟，且对技术人员的素质及工程测试手段 提出了很高的要求；再者由于路基沉降的分析需要理论与实践密切结合，所需的试验参 数少而易确定，对各种工程情况均有良好的适应性，这就使路基沉降分析中难免加入一 t 东南大学硕士学位论文 定的经验成分。近十几年来，在软土地区高等级公路建设中，路基沉降的预估成了一大 技术难题，因此，各地相继开展了规模较大的沉降观测工作，积累了大量的数据、资料。 所以，从工程的建设与需求来看，对现有的路基沉降计算理论作进一步的研究与改进， 充分利用现有的来之不易的实测资料，使沉降的计算值与实测值更为接近，更好地为工 程建设服务，是一件很有意义的工作。 此外，稳定土材料具有稳定性好、抗冻性强，结构本身自成板体等特点，但耐磨性 差点，被广泛用于修筑路面结构的基层和底基层。不过，由于其自身性质决定了该材料 不可避免地会出现干缩和温缩，这就要求施工时稳定剂剂量准确、施工工艺合理，并能 对各种病害的成因有深刻的了解，从而采用有效措施进行处治。因此，结合具体实际工 程，对广泛用于公路工程的水泥和石灰稳定土的稳定机理、配合比设计、常见病害及处 治进行详细分析具有重要的现实意义。 1 2 软土地基沉降计算方法 自1 9 2 3 年t e r z a g h i l 司结理论问世以来，对软土地基沉降机理和计算方法层出不穷， 从简单的半经验公式和图表法到应用计算机的数值分析，不一而足。应该说，每一种计 算方法都有其实效性和可操作性，回顾这些方法的发展和目前对软土沉降计算的现状对 实际问题的解决有着重要意义。 1 2 1 软土地基沉降计算的经验公式法 软土地基沉降计算传统采用压缩曲线法【6 j ，将压缩试验中应力与应变的关系转换为 应力与孔隙比的关系，得l 岛e - p 或e l 印曲线。在计算时又将其化为应力与应变的关系。 一些学者建议采用p 节曲线，可减少计算误差。工程上常用的分层总和法是将地基分为若 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盛加起来，则为地基的 总沉降量。 利用e l 印曲线来计算沉降方法我们称为传统方法，也是现在软土路基沉降设计中现 有设计规范采用的计算方法。实际上，地基中的土受附加应力后，变形并不是那样简单， 并不像在固结仪中这样简单地沿一个垂直方向压缩，侧向变形对固结沉降的影响甚大。 特别是当地基中粘性土层的厚度超过基础面积的尺寸时，这影响更大1 7 1 。 s k e m p t o n 和b j e r r u m ( 1 9 5 7 ) 【8 】考虑到绝大多数沉降都有三维特性，通过试验模拟三维 应力影响，提出了用不排水三轴应力条件下所得的三维孔隙压力计算最终主固结沉降量 2 第一章绪论 的计算公式。取一个修正系数c ，乘上单向固结变形，就得到考虑侧向变形的固 结沉降。它考虑了三维应力条件下固结所产生的体积变化，但是在将体积变化与竖向沉 降联系起来时，仍按一维压缩条件下测出的压缩系数。在某种意义上讲，其逻辑是欠严 密的。 为了更好地考虑侧向变形对垂直沉降的影响。l a m b e 和m a r r ( 1 9 6 7 ) 9 1 提出了一个更 为方便的方法，应力路径法。应力路径法的基本概念是用应力轨迹表示现场在施工前、 施工期间及其完工后地基内部的应力变化情况。这种方法中，估计和模拟所选单元的应 力路径要与室内试验尽可能地接近。用模拟现场实际应力路径的室内固结试验的方法获 得固结过程相应的体积应变，再对预估沉降量作最后分析。应力路径法特别要求高标准 的取样和试验，这就使它的实际应用受到了很大的限制。 1 2 2 软土地基沉降量的数值分析 现行的沉降方法分析及现行规范推荐的沉降计算都是采用分层总和法。其中，土的 附加应力和土体固结度仍按线变形理论计算，此外还引用了一些假定条件，所得出的理 论公式具有一定近似性。它的主要优点是：公式简便、直观、所需实验参数少且易通过 实验得出，而它所依赖的沉降修正系数m 随不同路基情况而变化，在工程应用中取值困 难，使这种传统方法也就存在着较多的人为因素影响而造成对结果的准确性。为此，就 提出了软土沉降计算数值方法。随着科学技术水平的不断提高和工程建设规模的不断扩 大，在土木建筑，水利工程和路桥工程中，软土地基沉降量大小和堤坝稳定性等力学问 题变得十分复杂。这些问题己很少能用数学方法求得精确解或通过模拟试验得到定量 解。原因是软土路基呈现出空间非线性沉降变形规律，土体的变形协调条件和应力平衡 条件十分复杂，边界条件非常复杂和土体非均质，非线性导致了偏微分方程的变系数， 单一的数学方法难以求解。当土体的应力应变关系及其相应的实验多数得到合理确定 时，借助于计算机和计算数学用数值分析的方法求出近似解更为符合实际这些方法可归 纳成如下5 种形式，即：差分法、有限元法、边界元法、变分法和加权余量法。 目前用于软土地基沉降分析的数值方法主要是差分法、有限元法和边界元法，其发 展趋势是有限元法与差分法或与边界元法相结合解决课题，以期发挥各种方法的优越 性。 ( 1 ) 软土地基沉降的差分解法 3 l 东南大学硕士学位论文 太沙基建立的饱和土体一维固结基本微分方程，是在一定初始条件和边界条件下获 得的。因此太沙基固结理论研究的只是一维固结中一种简单而特殊的情况。实际上，若 边界条件复杂或多维固结问题时，固结方程的解析解是很难得到，而常用差分法数值求 解。 差分法解土工问题就是将研究区域用差分网格离散，对每一个解点通过差商代替导 数把问题的微分方程转化为差分方程、然后结合初始条件和边界条件，求解线性方程组 得到课题的数值解。使用这种方法必须注意边界条件的变化( 渗水或不渗水边界) ，同时 注意固结系数的选取，应用到平面或轴对称问题时需要加以校正。 早在2 0 世纪4 0 年代后期，有限差分法开始成功解决了土工中的渗流及固结某些实际 问题，如土坝渗流及浸润线的求法、土坝及软土地基的固结等。关于差分法在软粘土固 结应用的研究，国夕b b a r d e n ，b e r r y ( 1 9 6 5 ) 采用e 1 0 9o 关系以及渗透系数与孔压u 的关 系，采用有限差分法得到了非线性一维固结曲线。m e s r i ( 1 9 7 4 ) 采用e l o go 和e l o g 关 系，同样用有限差分法得到了固结曲线【1 0 l 。国内，也有不少这方面的研究，文献【l l 】就针 对三维地基沉降分析提出了一种差分伽辽金耦合方法，并给出了一个二层三维层状地基 的算例。 由于有限元解法的灵活性及边界元法的应用，使得差分法在土工应用暂时趋于停 滞。然而最近几年，任意网格划分的优点，差分法又有了新进展。 ( 2 ) 软土地基沉降的有限元解法 用有限元法解土工问题就是将研究区域离散成有限数目的区域单元对每个单元通 过变分等方法把微分方程转化成有限元方程，然后结合初始和边界条件求解线性方程组 得到问题的数值解。它的突出优点在于可以用于解非线性问题：易于处理非均质材料和 适用各种复杂的边界条件，可以计入土层的不均匀性。因此，作为一种最通用有效的分 析方法，有限元已在各个领域的工程分析中得到广泛应用。下面介绍相关于软土路基沉 降计算的有限元问题。 1 9 6 6 年c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将总应力分析有限元法用于土坝的应力和变形分 析，1 9 6 9 年s a n d h u 和w i l s o n l l 2 1 用有限元法分析t b i o t - - 维固结问题，在国内，沈珠江 u 习( 1 9 7 7 年) 首先将有效应力分析有限元法应用于软土地基的固结变形分析。 土工有限元分析可分为总应力分析有限元法和有效应力有限元法。总应力分析 ( t o t a ls t r e s sa n a l y s i s ) 不区分土单元总由土颗粒骨架或孔隙水分别传递和承受的应力( a p 4 第一章绪论 有效应力或孔隙水压力) ，仅考虑土单元整体所承受的总应力，总应力分析一般用于不 考虑渗流固结的情况。 有效应力分析( e l e c t i v es t r e s sa n a l y s i s ) 贝j j 严格区分土体有效应力和孔隙水压力，将 土骨架变形与孔隙水的渗透同步考虑，因而较总应力分析更能真实地分析土体的自身特 性，能更合理地计算土体对荷载的响应。有效应力分析较总应力分析复杂，除需考虑平 衡方程、物理方程、几何方程外，尚需有效应力原理和连续方程。 许多学者研究提出了非线性弹性、弹塑性( 以剑桥模型为代表) 、粘弹塑性等多种描 述软粘土的应力应变关系的模型。8 0 年代以来，我国许多学者也提出了一些模型。但是 实际工程中软粘土在外荷载下能反映软土实际变形的应力一应变关系是很复杂的，具有 非线性，弹塑性，粘塑性，剪胀性，各向异性等性状，其应力应变关系决定于许多因素， 它包括土的密度，含水量、结构、周围压力、排水条件、加荷速率、应力历史和应力路 径及土的结构、组成等。事实上，没有任何一种模型能够考虑所有的这些影响因素，因 此，很难提出适合软土计算的普遍的应力应变关系。在计算机，计算方法和土工测试技 术的发展，为运用较为复杂的应力应变分析工程问题提供了可能性。在工程实践的推动 下，软土的本构理论研究近年得到发展，针对软土复杂性，己建立了许多计算模型。采 用不同的理论假设得到土体本构关系的模型很多。归纳起来，目前用于分析软粘土应力 应变特性的本构模型有弹性模型、弹塑性模型和考虑软土时间效应的粘弹塑性模型等。 弹性模型中最为简单的是线性弹性模型，其力学本构方程为广义虎克定律，假设土 的应力一应变成正比，强度是无限的。因此用该模型计算软土地基的位移和沉降，只适 用于不排水加荷情况，并且对破坏要有较大的安全系数，一般不发生屈服的情况，荷载 卸除后没有残余变形。实际上土体中的应力状态都可能发生屈服，其应力一应变的关系 是非线性的，土的非线性弹性模型按照用来拟合土工试验得到的应力一应变形状来分 类，主要有以下几种：折线型、双曲线型、对数曲线型等；按照采用的弹性系数分类， 般分为b v 非线性弹性模型和敌体积变形模量) g ( 剪切模量) 非线性弹性模型。各国学 者提出大量的各种形式的非线性弹性模型，典型的非线性弹性模f f 口- 4 ：是d u n c a n - c h a n g 1 4 】 等( 1 9 7 0 ，1 9 8 0 ) 建立的双曲线弹性模型，是目前国内外应用较多的模型之一。 国内，龚晓南( 1 9 8 4 ) 根据上海金山粘土如固结三轴试验研究和对软粘土地基各向异 性的探讨，提出了一组同时考虑各向异性和非线性的弹性系数实用方程式。对各向同性 地基，不考虑心固结或k o - - 1 0 ，则可简化为一个四参数非线性弹性模型。 l 东南大学硕士学位论文 不少土体真实性状存在剪胀性，为了描述土体的剪胀性，发展了一些考虑球张量和 偏张量相互交叉影响的非线性弹性模型。沈珠江( 1 9 8 6 ) 提出了可以考虑土体剪胀性的非 线性应力一应变模型。 土的弹塑性模型是土力学中正在发展的一个研究领域、土的弹塑性模型是建立在增 量塑性理论的基础上，它将士的应变分为可以恢复的弹性应变和不可恢复的塑性应变两 部分。适用于粘性土的弹塑性模型中，具有代表性的是1 9 6 3 年由罗斯科( r o s c o e ) 等人提 出的弹头形的剑桥模型。r o s c o e 跟其同事( 1 9 5 8 1 9 6 3 ) 在正常固结粘土和超固结粘土试样 的排水和不排水三轴试验的基础上，针对软粘土提出了弹头形屈服面。剑桥模型的中心 概念是状态边界面，在状态边界内，土体变形是完全弹性的。r o s c o e 和b u r l a n d ( 1 9 6 8 ) 对他们自己提出的剑桥模型作了两点的修正。一是对剑桥模型的弹头形屈服面形状作了 修正，二是修正了剑桥模型认为在状态边界内土体变形是完全弹性的观点，认为在状态 边界面内，当剪应力增加时，虽不产生塑性体积变形，但是产生塑性剪切变形。自建立 了剑桥模型和剑桥修正模型后，各国学者根据试验研究和理论分析对其作了发展。魏汝 龙( 1 9 6 4 ，1 9 8 1 ) 。k h o s l a - w u ( 1 9 7 6 ) 、黄文熙( 1 9 7 9 ) 将椭圆屈服面推广到更一般的位置， 使其适用范围更广。 对软粘土，土体的变形不仅呈现出弹塑性性状，同时还呈现出流变性质。为了描述 土体应力一应变受时间的影响，需要采用与时间有关的一类模型，如粘弹性模型、粘塑 性模型、粘弹塑性模型来描述软土性状。弹性、塑性和粘性是连续介质的三种基本性质， 各在一定条件的独自反映软土土体本构关系的一个方面的特性。由弹性模型和粘性模型 可以组合成各种粘弹性模型，由弹性模型、粘性模型和塑性模型可以组成各种粘弹性塑 性模型。一般常用反映粘弹性变形的k e l v i n 模型、m e r c h a n t 模型和反映塑性变形的 b i n g h a m 模型描述。利用简单模型可以组合成各种复杂模型，从而可以建立各种材料的 本构模型。但是许多材料的实际性状并不能满意地用简单地组合模型来描述，而采用复 杂的组合模型又常有数学上的困难。因此，常常在应用时，通常采用根据实际需要解决 的问题，采用比较简单的组合模型。 由于有限元法能充分考虑土体固结特性、应力应变非线性、复杂边界条件和加荷条 件等，已在岩土工程中广泛应用，本文采用该方法对地基沉降进行计算。同时，实践表 明，土体本构模型性能的好坏，除了其本身能否较为全面、真实的模拟土体的变形性状 之外，参数取值的影响也非常大，当参数取值合理时，用非线性弹性模型也能较好地反 6 l 第一章绪论 映土的应力一应变规律，并且更加简单，本文抛开繁杂的土体本构关系，采用非线性弹 性模型对土体进行模拟。 1 2 3 基于实测数据收集和处理的沉降预测法 在软土地基路基填筑施工中，位移监测起着极其重要的作用。由于路基填筑施工时 现场监测的时间序列数据中蕴含着系统演化的信息，所以期望能从这些数据中找出其蕴 含的规律，并用己知的观测数据来预测系统未来的发展动态，也即利用施工中监测的信 息来预测可能变形位移等信息。另外，随着建筑规模的扩大，软土路基计算断面的增加， 基于实测数据收集和处理的系统分析技术的预测沉降的方法相比较而言，不失为一种简 便、快捷的好方法。从确定性系统的观点来看，只要保证原始实测数据测量准确，原则 上可以预测路基任一时刻的沉降量。特别通过对填土期结束的沉降观测数据的处理能对 工后沉降的未来的发展趋势有着更好反映。因此，利用基于实测数据收集和处理的系统 分析技术的预测沉降的方法得到发展应用，归纳起来，主要有以下几种预测方法。 ( 1 ) 各类曲线拟合法，如t a y l o r 法【1 5 】，c a s a g r a n d e 法( s 1 0 9 t ) 1 1 5 】、双曲线澍1 卯、指 数曲线法、a s a o k a 法【1 6 1 等。 ( 2 ) 灰色预测法【1 7 】，利用灰色理论将无规律的原始数据经生成后，变成较有规律 的数列模型。灰色理论从1 9 8 2 年提出至今2 0 余年，在许多领域得到了应用，在岩土工程 中亦有许多方面的应用【1 8 。2 0 l 。关于沉降的灰色预测也有多篇文献2 1 之3 1 谈及。 ( 3 ) 基于神经网络的时间序列预报法，由于人工神经元网络在复杂的非线性系统 中较高的建模能力及对数据的良好拟合能力，受到学者的关注。人工神经元网络模型有 许多中，典型的如b p 网络( 误差反向传播网络) 模型。目前，基于神经网络的时间序列法 1 2 4 。2 6 1 应用于岩土工程的沉降预测也不少。不过这些方法都有一个共同的缺点，就是预测 模型一旦确立，模型参数保持不变，另外根据前期实测沉降的数据也有很大相关，从而 可能导致沉降预测精度不高。这就存在着模型选择和辨析数据代表性问题。 考虑到双曲线较能很好拟合沉降曲线，并且应用较为广泛的优点，本文采用双曲线 法进行沉降预测。 1 3 公路工程中稳定土的应用 土是由岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积等过程后的产物1 2 7 1 ，是人类最早使用的建筑 材料之一。土料成为一种建筑材料必须经过一定的稳定处理，土料的稳定是通过压实、 7 东南大学硕士学位论文 烧结、固化等手段使土料的承载力、稳定性满足工程要求的过程。土料稳定过程也是土 料从连接薄弱的“散粒体成为一种有一定结构连接的固化体的过程 加入一定的固化材料使土体稳定是最常见的稳定方法，也是普通意义上的稳定土。 目前使用最为广泛的稳定土就是石灰稳定土、水泥稳定土和水泥石灰稳定土。石灰稳定 土是一种历史最为悠久的稳定土，在古罗马的道路工程中就用了石灰稳定的粉土和粘土 幽】。在我国陕西岐山风雏村西周建筑遗址中有土夯墙上的三合土抹面【2 9 1 ，在青海的都兰 县诺木洪塔里哈遗址有“黄土加细砂再加石灰”打成的地面3 0 1 。在西藏的寺院和长城中 也有石灰土的应用【2 8 】。 一般认为j a s p d i n l 8 2 4 年获得了p o r t l a n d 水泥的第一个专利，p o r t l a n d 水泥的历史仍 不足2 0 0 年，而p o r t l a n d 水泥用于稳定土是1 9 1 5 年，美国佛罗里达州的一位大胆的公路承 包人的无意中的创举【3 l 】，以后水泥土的应用也相当广泛，水泥不仅用于道路建筑，还被 用于非烧结粘土制品，水利中的排灌设施的修筑，用于场坪的固化。 水泥石灰是最大宗的人造胶凝材料。因此，用水泥和石灰来稳定土料是最常见的稳 定土，被广泛应用于公路的基层或底基层【3 2 梆】。但由于水泥和石灰稳定土属于半刚性材 料，具有干缩和温缩特性，尽管在以往的公路工程中应用较多，但仍存在一些施工、病 害分析及处理方面的问题。 本文从稳定土的力学特性出发，给出了稳定土的配合比设计，和现场施工关键技术， 并结合实际工程中的施工经验，给出了水泥稳定土和石灰稳定土常见的工程质量问题、 原因和解决的措施。 1 4 研究的主要内容和技术路线 由上述可知，关于路基沉降的研究已有了相当长的历史，取得了令人瞩目的成就， 但也存在着许多不足，并且，很多研究更多的偏重于理论计算，对于现场沉降观测中存 在的问题和观测布置方案了解甚少。同时，由于被广泛应用于道路工程的水泥和石灰稳 定土因其自身性质决定了该材料不可避免地会出现干缩和温缩，这就要求施工时准确确 定稳定剂剂量，合理安排施工工艺，并能对各种病害的成因有深刻的了解，从而采用有 效措施进行处治。 因此，本文从某高速公路沉降观测资料出发，对沉降计算的理论公式作了一定的研 究，采用非线性的d u c a n c h a n g 模型模拟土体的变形特性，建立了基于b i o t 固结理论的沉 降计算程序，与现场沉降观测资料进行了对比分析，并详细分析了现场沉降稳定观测中 8 第一章绪论 存在的问题及方案实施。此外，对水泥和石灰稳定土的稳定机理进行了分析，完成了配 合比设计，详细分析了现场施工时常见病害及防治。具有理论和实践意义。 本文的主要研究内容可以归纳为以下三点： ( 1 ) 有限元计算固结理论、土体本构关系的选择，及有限元计算方法的实现； ( 2 ) 软基上地基变形观测的布置和方案实施； ( 3 ) 水泥和石灰稳定土设计和施工关键技术，及常见病害、发生原因及相应的处 治措施。 相应的研究技术路线总结如下： ( 1 ) 通过收集大量的资料，比较线性固结理论和非线性固结理论的异同点，选择 有限元计算时的固结理论；比较常用的土体本构关系，分析其优缺点及使用范围，对土 体本构模型进行选择；根据固结理论和土体本构关系，实现有限元方法的计算。 ( 2 ) 分析软基上道路修筑时变形观测中存在的问题，根据软基上道路施工的质量 控制要求，确定软基上道路施工变形观测的项目、要求等；确定变形观测方案，并对方 案进行实施；通过现在观测情况，验证方案的合理性。 ( 3 ) 分析稳定土的力学特性，根据多年来工作经验，找出水泥和石灰稳定土常见 病害、出现的原因及相应的解决措施，给出稳定土配合比设计步骤和施工的关键技术。 本文研究的成果有： ( 1 ) 比较t t e r z a g h i l 虱结理论与b i o t 固结理论的区别与联系； ( 2 ) 建立了基于b i o t 固结理论的沉降计算程序，与现场沉降观测资料进行了对比分 析，验证了其合理性； ( 3 ) 详细分析了软土地基上公路路基沉降观测中存在的问题；进行了沉降观测方 案的制定，并进行了实施；对不同观测断面的沉降资料进行整理分析，从而验证了沉降 观测方案的可行性； ( 4 ) 分析了水泥和石灰稳定土的稳定机理；根据具体工程，进行了稳定土配合比 设计；详细阐述了稳定土施工中常见病害，并给出了相应的防治措施。 9 东南大学硕士学位论文 第二章基于b i o t 固结理论的沉降计算 软土地基沉降由于土体本构模型、加载历时、边界条件等的复杂性，采用解析解解 决问题是远不能满足工程需求的。常用的数值解法有差分法、边界元法和有限元法，由 于有限元方法在使用于复杂形状物体、有几种材料组合而成的物体以及解决非线性问题 时具有明显的优越性【3 6 】，本章将在分析土体固结理论的基础上，对基于b i o t 固结理论的 沉降计算进行有限元实现，进行特殊条件下软土地基沉降的计算。 2 1 土体固结理论 目前，土体固结理论分