（岩土工程专业论文）基于沉降速率法路堤沉降控制与预测研究.pdf

摘要 随着我国高速公路的建设越来越多，排水固结法在软土地基处理中的应用越 来越广泛，需要解决和研究的问题也层出不穷。这些问题在高速公路建设中长期 存在，但没有得到很好解决。本文在前人研究的基础上，分析比较了根据实测数 据计算沉降和预估工后沉降的各种方法。通过理论计算分析和有限元分析计算， 对排水固结法的沉降特性和计算方法做了深入的分析研究，提出用沉降速率法计 算和预估沉降，具有明显的优势。本文主要做了以下工作： 1 、本文在工程实践的基础上，循序渐进、简洁明了的总结了排水固结法加固软 土地基理论的发展，介绍了软土地基固结和沉降的机理，并对常用的沉降计算和 预测方法进行了比较分析。 2 、在浅岗法的基础上，介绍沉降速率的的推导过程和表达式，用曲线程序画出 了沉降速率的曲线图，并对沉降速率公式进行了分析。 3 、把沉降速率法推广到复杂条件下的沉降计算和工后沉降预估，进一步扩大沉 降速率法的适用范围，并分析沉降速率法在复杂条件下的优缺点。 4 、本文把沉降速率法运用于计算沉降，预估工后沉降，控制加荷速率，预测卸 荷时间的计算方法，系统的介绍了沉降速率法的运用。 5 、本文根据实测数据，有限元分析和本文公式分析了几个典型断面的沉降，并 计算了剩余沉降和预抛高，评价了地基的加固效果，进一步说明沉降速率法是非 常好的方法。 关键词：排水固结堆载预压真空预压沉降速率有限元法 a b s t r a c t 1 1 l em e t h o do fd r a i n e dc o n s o l i d a t i o nb e c o m e sm o r ew i d e r a n g i n gi na p p l i c a t i o n o fs o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n ta st h ed e v e l o p m e n t so fe x p r e s sh i g h w a ym o r ef a s t 1 1 1 c p r o b l e m so fc o n s t r u c t i o nw h i c hn e e d e d t os o l v ea n dr e s e a r c ha r o u s e do n eb yo n e ，a n d t h ep r o b l e m sw i l ll o n g t i m ee x i s ti nc o n s t r u c t i o no fe x p r e s sh i g h w a y , b u th a v en o t b e e ns o l v e dt h r o u g ha n dt h r o u g h n 圮a r t i c l ew a sb a s e d0 1 1t h ee x i s t i n gs t u d y i n go f f o t m d a t i o nt r e a t m e n t ，a c c o r d i n gt ot h er e a lm o n i t o n n gd a t a ，t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no f t h et h e o r yi nt h ea r t i c l ea n dt h ea n a l y s i so ff f m ，t h ea r t i c l ep r o f o u n d l ys t u d y st h e c h a r a c t e r i s t i co ff o u n d a t i o ns e t t l e m e n ta n dt h em e t h o d so fe a l c u l a t i o ni nt h em e t h o d o f d r a i n e dc o n s o l i d a t i o n t 1 l ea r t i e l et e n d st h a tt h em e t h o do fs e t t l e m e n tr a t ew h i c ht o c a l c u l a t et h es e t t l e m e n to fs o f tf o u n d a t i o no w no b v i o u sp r e d o m i n a n c e a e h i e v e m e n t o f t h ea r t i c l ea sf o l l o w i n g ： lb a s e do nt h ee n g i n e e r i n ge x p g t i e n e e ，t h ea r t i c l ed e c r y p t st h ed e v e l o p m e n to f e l e m e n t a lt h e o r yo fs o f tf o u n d a t i o nt r e a t i n g ，l i k et h ee x i s t i n gc o n d i t i o na n dh i s t o r yo f t h ee l e m e n t a lt h e o r yo fc o n s o l i d a t i o na n ds e t t l e m e n t ，c o m p a r e i n ga n da n a l y s i so f o r d i n a r yc a l c u l a t i o n a n d p r e d i c t i o no fs e t t l e m e n t 2b a s e d0 1 1t h ea s a o k am e t h o d ，t h ea r t i c l ed e d u c et h em e t h o do fs e t t l e m e n tr a t e ( m s r ) a l s o ，t h ea r t i c l ec n r v es e t t l e m e n tr a t e ，a n da n a l y s i z et h em e t h o do fs e t t l e m e n t r a t er m s r ) b yt h ec u r v e 3n l ea r t i c l es p r e a d st h em e t h o do fs e t t l e m e n tr a t et oe a l c u l a t i o na n dp r e d i c t i o no f s e t t l e m e n ti nc o m p l i c a t e dc o n d i t i o n ，a n df u r t h e rs p r e a dt h ea p p l i c a b i l 酊o ft h e m s r t h ea r c t i c l ea l s oa n a l y s i z et h em e r i t sa n dd e m e r i t si nc o m p l i c a t e dc o n d i t i o n 4 1 1 1 ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ec a l c u l a t i o n so fs e t t l e m e n t t h ep r e d i c t i o no fr e s t s e t t l e m e n t ，l o a d i n gr a t e ，u n l o a d i n gt i m e ，a n ds y s t e m a t i c l yi n t r o d u c et h ea p p l yo ft h e m s r 5 a c c o r d i n gt ot h er e a ld a t a ，f f ma n a l y s i sa n dt h ef o r m u l a so f t h ea r t i c l e ，t h ea r t i e l e a n a l y s e st h es e t t l e m e n to fs o m et y p i c a ls e c t i o n c a l c u l a t et h er e s ts e t t l e m e n ta n d p r e p a r e ds e t t l e m e n t a l s o ，a n de v a l u a t e st h er e i n f o r c ee f f e c t i v e n e s s f u r t h e ra p p r o v e t h a tt h em s rh a sf m ee f f e c t i v e n e s s k e y w o r d s ：d r a i n e dc o n s o l i d a t i o nh e a p e dl o a dp r e - c o m p r e s s i o n v o c u u mp r e c o m p r e s s i o ns e t t l e m e n tr a t e f m i t ee l e m e n tm e t h o d 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：年 月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 刍4 当建 年月日 第一章国内外研究现状及本课题的提出 第一章国内外研究现状及本课题的提出 1 1本课题的提出 近年来，我国高速公路建设发展很快，大量的高速公路都要在软土地基上进 行建设，如沪宁、沪杭、杭浦高速公路等，由于软土具有强度低，压缩性高，透 水性差，变形时间持续长的特点，所以在软弱地基上建设高速公路时，软土地基 的沉降量、沉降速率和工后沉降的计算就成了工程设计和施工控制的主要问题， 虽然国内外提出了许多软土路基沉降计算和分析方法，但各种方法的应用都有一 定的局限性，都存在一定的缺陷和特定的使用条件，在理论上和工程实践应用中 还存在很多问题，其中有计算参数选定方面的问题，也有理论方法与软基的地区 性特点和工程特点相适应的问题，因此，如何选择合适的沉降分析方法成为工程 师们十分关心的问题。 在软土地基路堤填筑过程中，现场监测起着极其重要的作用，由于路基填筑 施工现场监测的时间序列数据中蕴涵着系统演化的信息，利用已知的观测数据来 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未来路堤的工作状 态，是一种简便、快捷的方法；就变形而言，只要保证原始数据测量准确，原则 上可以预测路基任意时刻的沉降量和沉降速率，据此，前人提出了很多分析方法， 如根据实测数据计算和预测沉降的各类曲线拟合法，如双曲线法、指数曲线法、 星野法、a s a o k a 法、泊松曲线法等，还有灰色预测法，神经网络法等数值计算 方法，但这些方法没有结合软土的固结机理，而是采用曲线拟合方法来预测沉降。 它们都有一个共同的特点，就是预测模型一旦确定，模型参数一般保持不变，而 且结果和实测数据的前期处理有很大关系，可能导致预测精度不高，这样就不利 于施工期间的沉降控制问题和工后的沉降计算。运用沉降速率方法计算软基沉降 是建立在软土的固结理论之上，与路堤设计计算的理论相一致，它通过反分析法 求得的参数精度较高，能够反映天然原状土的物理力学性质，进行沉降计算的精 度较好，适合实际工程的需要，已引起工程界的重视。在文献 1 中，推导了简 单土层条件下瞬时加载的沉降速率公式，并且指出，沉降和沉降速率之间存在线 性关系，将沉降速率法应用在路堤的沉降计算和工后沉降估计中，预测的结果令 人满意。但目前沉降速率法仅用于均匀地层瞬时加载情况下，在实际中，这种筒 1 河海大学硕士学位论文 单的条件是很少存在的，高速公路建设中的荷载一般是分级加载，且地层条件比 较复杂，含有多层物理力学性质不同的土层。所以，已有的沉降速率法在推广应 用上还有一定的局限性， 本文根据固结理论的沉降普遍表达式，结合a s a o k a 法反演参数，介绍在均 质地基施加一级瞬时荷载时的沉降速率公式，并在前人的基础之上，把沉降速率 法推广到不同预压方式、多级加载和复杂软土地层条件下，并应用于控制加荷速 率，推测工后沉降，评价地基加固效果，及预抛高的设计计算，结合杭浦高速公路 软土路段的沉降观测数据，运用沉降速率法进行了沉降计算和预测，得到了满意 的结果。 1 2 国内外研究现状 在软土地区进行工程建设时，地基发生沉降变形是不可避免的。一般认为饱 和软土地基在荷载作用下，沉降经历三个不同方面：瞬时沉降、固结沉降、次固 结沉降。 瞬时沉降是外荷载施加的瞬间，饱和软土中孔隙水尚来不及排出时所发生的 沉降。此时土体只发生形变而没有体变，但不等于可以将软土看成弹性体而认为 其导致的变形是瞬时完成的。瞬时沉降与加载方式和加载速率有很大的关系，如 采用瞬时一次加载方式时，地基的瞬时沉降量比均匀加载的情况要大的多。这主 要是由于加载时，土中有效应力随土体的固结而增大，土体的变形模量也相应增 大。因此，瞬时沉降实质并非“瞬时”，而是不排水的侧向挤出而产生的位移变 形沉降。而且，侧向挤出产生的沉降也并非瞬时能完成，也能延续相当长的时间。 固结沉降是荷载施加在软土地基上后，随着时间的延续，荷载不变而路基土 中的孔隙水逐渐排出过程中所发生的沉降。它是由于外荷载引起超孔隙水压力的 水力梯度促使水从土体内排出，而应力增量转移到土体骨架上而发生沉降。它与 时间有关，且主要发生体积的变化。 当路基土中的超静孔隙水压力，在不变的外荷载作用下已完全消散，主固 结变形己完成后，土体仍会继续出现沉降变形。这一阶段的变形是在超孔隙水压 2 第一章国内外研究现状及本课题的提出 力完全消散以后，有效应力不变时发生的沉降，是路基土中土粒骨架在持续荷载 下蠕变所引起的，故也可称之为排水蠕变。 实际上，次固结沉降从荷载一开始施加的时候就开始了。次固结导致的变形 较缓慢也会导致孔隙水的捧出，而且次固结导致的孔隙水的排出与主固结的同 步，只是各自的机理及延续的时间不同。事实上，瞬时沉降、主固结沉降和次固 结沉降都是在受力后同时开始发生的，只是在某个阶段以一种沉降变形为主丽 已，且不同性状的土三个组成部分的相对大小及时间是不同的。目前，地基设计 中主要计算固结沉降。在上述的三部分变形分析中，只是考虑了在法向力作用下 的变形，特别是固结和次固结变形的分析。实际上都忽略了剪应力引起的变形。 现有的软土路基的沉降计算方法分为经验公式法和理论计算方法两大类。 经验公式法是建立在实测数据基础上，通过相对短期的沉降观测数据来计算 和预测未来的沉降情况，这类方法具有简便，直观，计算参数少而且容易取得的 优点，其中，指数曲线法1 2 】直接根据太沙基一维固结理论，从实测沉降来反演未 知的参数，但这样的计算受人为因素影响较大，容易影响计算结果的准确性，已 有研究指出，当址过小的时候，会造成计算的最终沉降偏大，所以，为了提高 结果的精确性，r 应选大一些。同时有研究指出，固结度和时间也符合双曲线 关系【3 】，这样就简化了固结度的公式，而且可以应用图解法求解，但双曲线法对 沉降曲线过程的拟合效果不好，双曲线不能反映固结过程的特点，不能反映固结 参数，它要求实测数据必须超过反弯点，这样才能比较准确的反应路堤沉降的特 点。a 5 a o k a 法1 4 】可以分别确定固结系数g 和最终沉降量，而在其他方法中，这 两个值必须配合理论曲线和实测曲线进行估计，采用a s a o k a 法，只需要很少的 观测资料，我们就可以得到很好的预测效果。泊松曲线【5 】能很好的拟合预测沉降 曲线呈“s ”形关系，对于其他类型的曲线，过程拟合比较差，但对最终沉降的预 测还有待研究；星野法嘲是把荷载看作瞬时荷载施加的，但由于假定的几组f n 、 氐难以选择准确，因此操作比较复杂，拟合的结果也比较粗糙。 理论公式法包括传统方法和数值法。传统方法包括e - p 曲线法、e - l o g p 曲线法、 压缩模量法、压缩系数法等，它们的参数建立在室内土工试验的基础上，通过修 3 河海大学硕士学位论文 正系数来计算现场的沉降量。建立在现场观测数据基础上的数值方法包括灰色理 论方法和神经网络法等，灰色理论特别适用于具有指数关系的情况，而沉降正好 具有这种发展规律。灰色理论【7 1 在沉降预测中的运用也比较成功，应该提高灰色 模型的阶次，把它用于沉降计算中，可以提高预测精度。用b p 模型预测沉降i s ， 直接用实测沉降数据建模，少了很多人为的干扰因素，而且神经网络的预测沉降 一般是偏于安全的 对于高速公路路基沉降问题而言，计算结果的可靠性主要取决所选用的模型 是否贴近实际和模型参数是否准确。在计算中，我们需要反演各种拟合模型的参 数，在岩土工程中，所谓模型参数的反分析，即以现场量测到的、反映某些物理 信息量为基础，通过反演模型推算得到该系统的各项或某些初始参数的方法，目 的是建立接近现场实测结果的理论预测模型。 参数反分析法的发展是从2 0 世纪7 0 年代开始，k a v a n a g h 和c l o u g h ( 1 9 7 2 ) 发表反演弹性固体的弹性模量的有限元法；k i r s t c n ( 1 9 7 6 ) 提出了量测变形分析法； c , - i o d a ( 1 9 8 0 ) 采用单纯形等优化方法求解岩体的弹性及弹塑性力学参数，并讨 论了不同优化方法在岩土工程反分析中的适用性；g i o d a ( 1 9 8 1 ) 等人利用实测 位移反算作用在柔性挡土结构上的土压力；在文献【9 】中提到，中国科学院地质 研究所杨志法( 1 9 8 1 ) 等提出了另一种位移反分析方法一图谱法，利用事先建立 的图谱反演围岩地应力分量及弹性模量；a r a i ( 1 9 8 3 ) 采用二次梯度法求解弹 性模量和泊松比；而s a k u r a i ( 1 9 7 9 ) 提出了反算隧道围岩地应力及岩体弹性模量 的逆解法。冯紫良、杨林德( 1 9 8 3 ) 将地应力分为均布构造应力和自重应力。进行线 性和非线性位移反分析，反算岩体的初始应力场：王芝银( 1 9 8 5 ) 利用少量实测位移 由拉格朗日插值法反算粘弹性地层初始地应力；郑颖人( 1 9 8 6 ) 在应力空间及应变 空间中用边界元法进行弹塑性位移反分析。王芝银( 1 9 8 8 ) 等把这些成果应用于 粘弹性及弹塑性反分析中。不少反分析法开始注重现场实测条件，在考虑时间相 关性、空间效应、消除量测前丢失位移的影响等方面，做了不少研究。龚晓南 ( 1 9 8 9 ) 10 】用有限元法和数学规划法根据地基固结过程中测得的位移和孔压值直 接反分析地基的参数和渗透系数，覃昌明0 1 】( 1 9 9 9 ) 基于一维固结解析解和比奥 4 第一章萄内外研究现状及本课题的提出 固结理论有限元解，建立了考虑主次固结的饱和软土地基沉降一、二维反演预测 计算公式。 在软土地区路堤建设中，目前，对路堤施工过程进行实时监测，通过现场监 测数据来对施工进行动态控制的，沉降速率不仅可以反映路基的加固效果，而且 反映路堤稳定性。在理论上，沉降速率法的效果也比较理想，张长生( 1 9 9 5 ) t 2 1 基于砂井固结理论和a s a o k a 方法推算出在堆载预压任意时间的沉降速率公式。 运用沉降速率和剩余主固结沉降的关系，然后推算出任意时间的主固结剩余沉 降及卸载时间。同时把这种方法应用在深圳香港西部通道填海及地基处理工程 中，得到很好的效果。刘吉福( 2 0 0 3 ) i t 3 1 对沉降速率法从理论上予以解释，并讨 论了其适用条件，进一步在工程实践中检验了沉降速率法。曹国强( 2 0 0 3 ) 推算 了沉降速率和沉降的线性关系，同时推导了用沉降速率法计算瞬时沉降和最终沉 降的公式，同时，结合v o i g t - k e l v i n 粘弹性模型，推导了用沉降速率法计算次固 结沉降的公式。 但以上针对沉降速率法所做的工作都是在均质地基上施加瞬时荷载的情况， 没有给出在复杂软土地基上施加多级荷载情况下的沉降速率，同时，软土在我国 分布比较广泛且地层情况非常复杂，所以有必要把沉降速率法的应用推广到复杂 情况下，并推算沉降速率在复杂情况下与沉降，剩余沉降的关系，并用沉降速率 法预测卸荷时间，控制加荷速率，以期能够在工程中应用和推广。 在实际工程中，对沉降的预测不能局限与一种拟合方法，要用几种方法综合 考虑，比较分析的出符合当地条件的计算方法。 1 3 本文所做的工作 综合以上所述，本文做了以下工作： 1 、总结了软土地基排水预压加固的机理和方法。分析比较了堆载预压和真空预 压的适用性和加固效果。 2 、分析了软土地基排水预压加固的沉降机理，比较了各种通过实测沉降计算沉 5 河海大学硕士学位论文 降和预估剩余沉降的方法。 3 、在前人研究的基础上，分析了沉降速率法的原理，推导了在分级加载和复杂 软层条件下，建立在实测数据的沉降速率公式，并在工程实践的基础上验证了 本方法的正确性。 4 、采用二维有限单元法，用摩尔一库仑模型模拟计算复杂情况下的软土路基沉降。 此沉降模型能考虑路基侧向变形对沉降的影响，还可以模拟施工加荷过程。通过 实例计算表明，有限元法在路基沉降计算中比较精确，是一种很好方法。 5 、比较了传统的沉降预测方法，有限元法和本文中推导钓沉降速率法，分析了 沉降计算和预估中各方法产生的误差，比较了各方法的优劣。 6 、用沉降速率法，曲线拟合法，有限元法分析了几个项目的代表性断面，与断 面的实测沉降曲线比较，分析了各方法计算和预估的沉降与实测沉降不符的原 因。 7 、通过对杭浦高速公路的典型断面韵验算，证明了运用沉降速率法计算和预估 沉降可以取得比较理想的效果。 第二章预压荷载下软土地基的沉降计算与预估方法 第二章预压荷载下软土地基的沉降 计算与预估方法 软土路基排水预压加固方法是对天然软弱地基预先设置排水体，利用路堤本身的 重量分级逐渐加载，或在路面修建前先行进行加载预压，使土体中的孔隙水排除，逐 渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高。排水预压加固方法通常用于解决软粘土 地基的沉降和稳定问题。 对以工后沉降为控制目标的高速公路建设中，还会出现以下两方面问题，一是在 填筑和预压期要增加沉降补方，但补方在施工中又会增大沉降速率和增加沉降量；二 是路面施工期直至悯i 车以后，由于路面结构物的荷载作用和路基本身的固结沉降尚未 完成，需要进行沉降预估。因此，沉降计算和预测方法贯穿于路堤施工全过程。在高 速公路建设中一般采用预抛高的方法，即在路基填筑到设计标高后，预先将路基欲抛 填筑到一定标高，来取代未来一定时间内的沉降量，进行路堤工后沉降的控制。 2 1 软土地基排水预压加固方法机理 饱和软粘土地基在路堤荷载作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙体积慢慢地减 小，地基发生固结变形，同时，随着超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高。路基 土的强度逐渐增长。如图2 1 。 当土样的天然固结压力为c r o 时，其孔隙比为e o ，在e - a o 坐标上其相应的点为a 点，当压力增加盯，固结终了时，变为c 点，孔隙比减小如，曲线a b c 为压缩曲线。 与此同时，抗剪强度与固结压力成比例地由a 点提高到c 点。所以，土体在受压固结 时，一方面孔隙比减小产生压缩，一方面抗剪强度也得到提高。如从c 点卸除压力a o ， 则土体发生膨胀，图中c 矿为卸荷膨胀曲线，如从f 点再加压a o ，土样发生再压缩， 沿虚线变化到c ，从再压曲线廖可清楚地看出，圈结压力同样从以增加a 一，而孔 隙比减小值为a e ，此a e 比血小得多。说明在软基上先行预压，使土层固结，然后卸 除荷载再建造路面，这样，使用期间所引起的沉降即大大减小。如果预压荷载大于路 堤荷载，即所谓超载预压，则效果更好，因为经过超载预压，当土层的固结压力大于 7 河海大学硕士学位论文 使用荷载下的固结压力时，原来的正常固结粘土层将处于超固结状态，而使土层在使 用荷载下的变形大为减小。 固结压力a ! 图2 1 土体的加固机理图 如没有排水系统，孔隙中的水即使有压力差，水也不会自然顺利的排出，地基也 就得不到加固。只有缩短土层的排水距离，才能在预压期间尽快地完成设计所要求的 沉降量，土的强度才能及时提高，各级加载也就才能顺利进行。所以上述两个系统， 在设计对总是联系起来考虑的。 2 2 软土地基排水固结法路堤沉降控制与分析 路堤堆载预压是工程上广泛使用，行之有效的方法。堆载一般用填土、碎石等材 料，对路堤以其本身的重量有控制的分级逐渐加载，直到设计标高。堆载预压通常分 为三种情况，欠载预压、等载预压，和超载预压。 2 2 1 等载预压路堤沉降特点和控制 8 第二章预压荷载下软土地基的沉降计算与预估方法 路堤等载预压控制模式是保持路基填筑高程不变，及时补充沉降土方，如图2 2 ， 直到路基沉降稳定，估计的残余沉降小于工后沉降限定值时，停止补方预压循环“町。 填 土 高 度 沉 降 量 图2 2 等载预压填土高度一沉降示意图 如图2 2 中：风一路堤的设计标高，只一填土的自重，墨一每次补填前在土体自 重荷载作用下的沉降，t 一每次补填的起始时间。 填筑过程中，可以分级填土，直到达到略超过设计标高风，然后进行等载预压， 如果地基土强度允许，可以一次性使路基填筑高程略大于风，控制填筑高度，使得预压 结束时刚好沉降到风，且工后沉降满足要求，这种方法控制难度较大，但由于施工机 具不需要随时待命，观测资料的工况条件简单，便于资料的分析利用，应作为施工的首 选方案。等载预压减小软土路基工后沉降的原理如图2 3 所示， 一等蛾覆j 匝期卸一i 一位用期向 一 一l 一 ：l p 一 i 一向f i s t l j 争、一，l s f 图2 3 等载预压减小工后沉降原理 9 河海大学硕士学位论文 等载预压控制模式的路面施工后，荷载水平和预压期相同，路面竣工后，相当于 预压期的延续，理论上工后沉降等于预压期的残余沉降，它的优点是工后沉降控制的 把握性较大，后期工况的可预见性强，缺点是存在卸载土方，工程成本相对增加。等载 预压方案适用于工期较长，软土层厚度大且性质差，路基高度大的情况。 由图2 3 ，如不先经预压直接在软土地基上填筑路堤和铺设路面，则沉降一时间 曲线如曲线实线所示，其最终沉降量为彤，经过堆载预压，公路使用期间的沉降一 时间曲线如虚线所示，剩余沉降量为町，可见，通过等载预压，使用期间的沉降大大 减小。 在等载预压情况下，路面结构施工期间的预抛高的计算首先根据路基填筑期和预 压期的观测资料和加荷过程，进行反分析参数，然后根据修筑路面的计划时间和路面 结构层厚度，计算其预抛高值。可以用下章所述的沉降速率法反算和固结沉降5 。 路面结构施工期后的固结沉降畦为： 品；墨。( 。一q ) = 墨：- s , 。 ( 2 1 ) 其中玑和u , , - - 路面结构物施工开始和沉平时的路基的固结度。 通过沉降资料用沉 降速率法反算的而求。沉平时间是指采用预抛高后，沉降回落到原设计标高的时间。 沉平时间的控制直接影响到预抛高的设置，沉平控制时间一般为6 - 1 2 个月。等载预 压情况下路面结构施工时不存在瞬时沉降。 可以得到路面施工期预抛高值雠： 丛= 品 ( 2 2 ) 其中其中s 0 一最终固结沉降，u , , - - 到沉平时间的固结度，q 广路面荷载施加时的固结 度。 2 2 2 超载预压路堤的沉降特点和控制 直到预压期结束时，路基工作面没有沉降到路基设计标高风，如图2 4 所示，路基 沉降稳定后，路基表面高程大于路基设计填筑高程，路基预压期完成时的荷载大于路 面竣工后路基的长期运行荷载，对于竣工后的地基土层而言，处于超固结状态。超载预 压期间可以加速主固结沉降和消除部分次固结沉降，对于减小工后沉降效果显著，其 原理如图2 5 所示， 1 0 第二章预压荷载下软土地基的沉降计算与预估方法 填 土 高 度 沉 降 量 图2 4 超载预压填土高度一沉降示意图 如图2 4 ，风一路堤的设计标高，b 一填土的自重，墨一每次补填前在土体自重 荷载作用下的沉降，一每次补填的起始时间在预压过程中，将一超过使用荷载p ， 的超载p j 先加上去，待沉降满足要求后，将超载移去，再铺设路面，此后，路面结构 的工后沉降量将很小。 图2 5 超载预压减小工后沉降原理 在超载控制模式的预压下，沉降进行到a 点，然后卸掉超载，这时沉降有点反弹 现象，但在使用荷载下，沉降还会再发生，直到沉降稳定，由图2 5 可以看出，超载 预压期间，绝大部分沉降已经发生，而在使用荷载下的沉降已经很小，占总沉降量很 小的一部分。 路堤荷载往往需分级逐渐施加。待前期荷载下地基土强度提高，然后加下一级荷 t t 河海大学硕士学位论文 载。超载模式路堤工作面的最终高程大于路基设计填筑高程，路面施工时，存在大于 等载预压模式的卸载工作量，工程成本较大，超载过程初期的稳定安全性最差，施工过 程应特别加强现场监控。 超载预压方案适用于工期短，软土层厚度大，且性质较差，路基高度不大的情况。 超载预压下路基预抛高的计算与等载预压时一样，已有研究指出“。，超载预压下 的路面预抛高的计算应该按超载预压的程度来区分： 当超载预压的有效应力面积比r i 时，计算方法与等载预压时相同，而当 0 7 5 r i 时，按等载预压时的计算方法预测，然后用系数墨修正，当有效应力面积比 r i 0 墨= 4 o ( r 一0 7 s ) 0 7 5 r i 0( 2 3 ) 卜 r 0 7 5 可得： 丛= 巧 ：- u , 。) ( 2 4 ) 其中，u t ：，u 。的定义如前。 2 2 3 欠载预压路堤的沉降特点和控制 欠载预压模式中，路基填筑只达到路基槽底高程，预压过程保持高程不变， 图2 6 欠载预压填土高度一沉降示意图 及时补充沉降土方，直至地基固结到可以满足路面荷载施加后所产生的沉降( 包括工 后沉降) 小于工后沉降限定指标时停止补方预压循环，预压过程见图2 6 。 图2 6 中，风路堤设计标高；乃路槽设计高程；丑一t 时刻以后下一级荷 1 2 第二章预压荷载下软土地基的沉降计算与预估方法 载施加以前的路基荷载；瓯一气时刻的路基沉降量；& 一路面荷载施加以后使用期限 内路堤的总沉降量。 欠载预压填筑过程中，可以一次性使路基填筑高程大于h ，控制填筑高度使得预 压结束时刚好沉降到日，和等载预压方案一样，如果条件允许，应作为施工的首选方 案。欠载预压的优点是不发生卸载土方，但由于预压过程中的荷载小于路基竣工后的 荷载，要达到预期目的需要较长的预压时间 对于埋藏浅，软土层薄的软基，由于总沉降量较小，施工及预压过程要完成一部分 沉降，剩余沉降量有限，即使全部发生也不会超过工后沉降指标，用欠载预压即可满足 工后沉降要求。 欠载预压加固软土地基预抛高的计算，要分别计算路面荷载引起的瞬时和固结沉 降，和路堤荷载自身引起的固结沉降，路面结构层荷载引起的沉降量瓯可直接采用传 统的分层总和法进行计算，但计算时应采用预压后地基土的压缩模量值，多组预压前 后静力触探试验资料表明，预压后土层的压缩模量为预压前的1 卜1 3 倍n 町。填土越 高，取值越大，则预抛高为： a s ：= 疋+ 瓯( u f ：一q ) ( 2 5 ) 其中，u ：，q 。的定义同前。 2 2 4 真空联合堆载预压的沉降特点和控制 真空预压法中，平整后的场地应为中间高，两边低。因为经真空预压加固后，中 部沉降会较大，在加固过程中，尤其在后期，真空度的维持有着非常重要的意义，需 要始终保证抽真空系统的正常工作，保持膜下真空度在8 0 k p a 以上同时，需要加强 膜面管理工作，防止膜面破损，漏气影响抽真空效果。真空预压的预压过程如图2 7 所示。 图2 7 中，足一抽真空到衡压情况下的压力。当软基在衡压情况下，初期沉降速率比 较大，沉降增加快。当预压一段时间后，沉降速率减小。但是实际真空预压引起的超 静孔压为负压，固结过程中侧向变形为向内收缩，而堆载预压产的超静孔压为正压，产 生的侧向变形为向加固区外膨胀，两者在竖向变形即沉降的大小也就有所不同。另外， 真空预压可以一次施加，而堆载预压通常并不能一次施加，两者在固结过程中孔压的 河海大学顼士学位论文 消散也会有所差异。 -pk 时面t 图2 7 真空预压荷载沉降示意图 真空联合堆载预压法与真空预压法相似，预压期间，膜下真空度要求维持在8 0 k p a 以上。前期与真空预压法一样。在进行堆载施工时，又与堆载预压法相似。为了保证 路堤稳定，要求严格控制加载速率，一般每层填土控制在0 2 - 0 3 m 为好，如果抽真 空效果较好，体强度增长较快，则可以适当加大。一般最大竖向变形量小于1 5 m m d ， 边桩水平位移小于5 m d ，进行控制。图2 1 0 为真空联合堆载预压法的荷载沉降图。 荷 载 强 度 卜f 一一 时面t 一 、- - 图2 8 真空联合堆载预压荷载沉降示意图 图2 8 中，最抽真空达到衡压。在丑下预压一段时间后，填筑堆载预压土，岛 为堆载预压的高度，填筑过程与堆载预压法的相同，但要注意保护膜面，不会影响真 空预压的效果。 2 3 基于实测沉降数据的沉降计算方法 沉降观测数据的处理有很多方法，而在工程中应用较多的是对沉降数据的拟合方 法，即从实测的离散数据中分析出变量之间的关系，这种关系可分为确定性关系和不 1 4 葡载强度 沉降量 沉降量 第二章预压荷载下软土地基的沉降计算与预估方法 确定关系两类；确定性关系指变量之间可以由算子方程表示的关系；不确定关系 指变量之间找不到完全确定的关系，但可以通过实验获褥大量数据，从大量数据的统 计分析中，找出变量之间的内在联系。 2 3 1 指数曲线法 指数曲线法是根据曾国熙( 1 9 7 5 ) “”提出的固结度普遍表达式： u = l 一伽巾( 2 6 ) 式中 口，一由软土地基性质而得到的参数，【，固结度。 表2 1参数口口表 序号条件 口 芦备注 l 竖向捧水固结善! 鸳太沙基解 f 4 h 1 理想井 t 1 蔫亍石薏 巴隆解 2 向内径向捧水固结 8g谢康和解 非理想井 1 瓦孝f ：i l j i + e 理想井 8鲁+ 丽s c , 3 竖井地基固结 非理想井 吾鲁嚼f ：瓮譬+ e 其中，e 反映了井径比的影响e 反映了涂抹扰动影响，c 反映井阻影响 和固结度的定义形式： u = 蕊s , - s ( 2 7 ) 公式( 2 7 ) 中，& 瞬时沉降量，墨t 时刻的沉降量，& 一最终沉降量。 我们可以得到公式： 墨= 蜀口p + 声+ 芦。( 1 一伽一庳) ( 2 8 ) 在实际沉降时间曲线上任意取3 点( ，墨) 、( ，2 ，逆) 、( ，墨) 并使得f 2 一f l = 毛一f 2 ， 将这三点代入公式，就可以求出： ：罂爿娑掣 ( 2 9 ) 。 ( 最一墨) 一( 马一是) ”。 2 3 2 星野法 星野法是基于太沙基固结理论得出的固结度u 和时间t 的平方根成正比的关 系，通过对在现场获取的实测沉降值的研究，认为包括剪切变形沉降的总沉降量和时 河海大学硕士学位论文 间平方根成正比，见图2 9 其基本计算式为： 填 土 高 度 o 沉 降 量 h _ 、 ri 一献 s i = s o + 图2 9 星野法“关系曲线 ( 2 1 0 ) 式中：f o ，s o 一回归计算起始参考点的时间和瞬时加载产生的瞬时沉降量，口，卢一 待定的参数。 上式也可以改写成： i 而t - t o = g + 夕。一f o ) ( 2 1 1 ) 口，可以从实测沉降值反演求出的系数，化为直线时分别表示直线的截距与斜率，可 胭解法求出系数o 由星野法算出最缂沉降量为瓯= 品+ 专。 2 3 3 浅岗( a s a o k a ) 法 浅岗( a s a o k a ) 法是在一维垂直固结方程基础上，根据实测数据预测未来沉降。由 米卡萨( m i k a s a ) “”于1 9 6 3 年导出垂直( 体积) 应变表示的固结微分方程： e c 移6 西5 。v 万 ( 2 1 2 ) 其中，e 固结系数，s 一应变，z - - 垂直深度，t 时间。 设t 时刻的总沉降为e ，由沉降和应变的关系，则有： s = r 娩 ( 2 1 3 ) h 为进行沉降计算的土的厚度。对上式两边同时求导： 1 6 蔫 第二章预压祷载下软土地基的沉降计算与瑗估方法 g = f ：r 占伍= c r 乞出 ( 2 1 4 ) 对于上式，我们用级数表示的高阶微分表示为： s t + c 芦：+ c ：+ + c + = c 2 1 5 ) 其中，c ，c l ，c 2 e 均为取决于固结系数和土层边界条件的常数；这时的s 为总固 结沉降量( 包括瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降) 。a s a o k a 法基本思想就是利用 已有的沉降观鞭4 资 降。 图2 1 0 a s a o k a 法中0 一马关系模式 将t 离散化为a t ，设2 址_ ，时候的沉降量为岛， ( 2 1 5 ) 式我们可用递推公式表示 如下： 量= 风+ a s , 。 ( 2 1 6 ) 其中忍，屈，压尼为不全为零的一组实数a 由于高阶微分迅速变小，实际工程中，采用一阶微分项精度已经可以满足要求，那 么取： s + c i g = c ( 2 。1 7 ) 只取一阶精度时s 只包括固结沉降。那么我们则取得等效的递推公式： 量= 屈+ 屏 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 3 ) 中的沉降s 即为待求未知量，由于其本身及导数都是一次的，那么该式属 于典型的一阶线性非齐次微分方程。设地基的初始沉降岛和最终沉降& ，则该方程 的通解为 墨= & 一( & 一岛) e 母 ( 2 1 9 ) t 7 柯海大学硕士学位论文 在式( 2 1 9 ) 中令r = 0 ，则当时间0 趋向无穷大时， 式( 2 1 8 ) 可得到本级荷载下的最终沉降为 瓯= 岛 s l 一= s 。，e 甫s i = s i d ，代入 ( 2 2 0 ) 由于上述计算中只取了沉降的一阶导数，故式( 2 2 0 ) 中得出的瓯不包含次固结沉降 置。如果沉降数据选自于加荷结束以后，则瞬时沉降已经完成。这样，& 可包含瞬 时沉降部分。 根据浅岗法，我们可以用图解法方便的求出& ，岛。如图2 1 1 表示， 图2 1 1 岛一关系图 届岛- 将时问一沉降曲线分成相等的时间间隔f ，从图2 1 0 中读出相应时间 ，r 2 i ，时的沉降i t s , ，岛影最，其中，将( q ，趴) 绘制在坐标上， 如图2 1 1 所示，作直线使尽量与这些点吻合，连接图中的数据点，该直线与s ，：8 ， 直线相交的点所对应的沉降量墨即为最终沉降量，直线q = 1 3 0 + g s j 。的倾斜角届则表 示沉降的平均速率，倾斜角届的大小和所选的时间间隔岔有关，亦随f 的增加而减 少；属为8 j = 属+ 届s 直线在坐纵标轴上的截距属= 岛。 2 3 4 双曲线法 双曲线法“”是对于高压缩性软粘土，其应力应变关系明显呈非线性，s r i d h a r a n 等指出当6 0 ( u ( 9 0 时，固结度u 与时间因子t 之比值t u 与t 呈直线关系。魏汝龙 认为软黏土压缩曲线整个形状更符合双曲线型。双曲线法假设路堤在进入预压期后实 测沉降过程线按双曲线变化，其基本方程式如下： 1 8 第二章预压荷载下软土地基的沉降计算与预估方法 墨= 蜀+ 丽t - t o 2 2 1 ) 式中，s , - - t 时刻的沉降量；瓯一预压期任意时刻f o 的沉降量，a 卢一待定系数。 为了确定计算参数口，将式( 2 2 1 ) 改写成： s t - 一t 品o 2 口+ p ( t f o ) ( 2 2 2 ) 根据实测沉降，点绘专专一。一岛) 关系线得到图2 1 2 所示的直线， 图2 1 2 双曲线法参数的反演 由直线的截距和斜率可以得到待定参数口，。将求得的盯，代入( 2 2 1 ) 式，则可 以预测今后任意时刻沉降i t s , ；最终沉降量为 瓯= s o + i p ( 2 2 3 ) 2 3 5 灰色模型 灰色模型是利用系统部分已知信息，建立起反映系统发展规律的微分数学模型， 并通过建立的灰色模型来预测系统的发展，现在一般采用的灰色模型都是g m ( 1 ，1 ) ， 即一阶微分方程。一般的灰色模型为g m ( n ，h ) 模型，表示h 个变量的n 阶微分方程。 灰色理论在沉降计算中的应用，理论上，g m ( n ，i ) 也可以计算沉降，可能更精确，但 由于所得到的常系数微分方程的阶次太高，使得求解很复杂，得到满意的结果几乎不 可能，所以现在的各种资料中关于灰色理论的应用都只讲了g m ( 1 ，1 ) 模型的应用。 当把灰色理论引入沉降计算时，取沉降观测点在相同观测时段内的沉降量为原始 序列： s o ) = 【s o ( 1 ) ，s o ( 2 ) ，s o ( 托) 】 (