（岩土工程专业论文）高速公路软土地基沉降分析及工后沉降预测.pdf

中文摘要 高等级公路在软土地基的兴建，出现了桥面和桥头段沉降差引起的“桥头 跳车”现象。复合地基的广泛应用在解决高等级公路的“桥头跳车”及不均匀 沉降方面效果显著。 同时，高等级公路要为汽车的高速行驶提供一个高平顺性和稳定性的基础， 而路基作为高等级公路结构的基础，必须在运营条件下将线路的设计参数保持 在要求的标准范围之内，这无疑就是对高等级公路的沉降稳定提出了很高的要 求。因此，当高等级公路通过软土地基时，地基的沉降的计算以及工后沉降的 预测成了高等级公路路基设计和施工的关键。 在假设的位移模式下，考虑桩土相互作用，通过力学推导，得到了路堤荷 载下复合地基桩侧摩阻力、加固区桩间土压缩量和桩土应力比的解析表达式。 根据桩侧摩阻力的解析解，给出了桩土复合地基沉降的简化算法。 本文在对古神高等级公路第三合同段长达1 年多的变形观测的基础上，根 据对现场实测沉降曲线的分析，提出了修正的双曲线模型和修正的指数曲线模 型预测公路软土地基工后沉降的可行性；通过对修正双曲线模型、修正的指数 曲线模型的预测结果的对比分析发现，修正的双曲线模型更适合于以粉喷桩和 c f g 桩为加固体的桩体复合地基的沉降预测，而修正的指数曲线模型更适合于 以砂井排水固结为主的沉降预测。 现场实测数据的进一步分析发现，影响路基沉降稳定的因素很多，如：加载 速率、填土高度、地基软弱土层厚度、地基各层土的土性参数( 如变形模量、泊 松比，粘聚力、内摩擦角) 等等。这些因素对路基沉降作用并不是独立的，而是 相互制约、共同起作用。本文通过f l a c ”数值分析的结果也表明，公路填土高 度、压缩层厚度与地基的最终沉降量呈现明显的线性关系。即随着填土高度的 增加，地基的最终沉降量增加，随着地基压缩层厚度的增加，其最终沉降量也 增加。 关键字：软基，复合地基，工后沉降，影响因素 a b s t r a c t w h e nah i g h w a yi sb u i l to ns o f lc l a y ，v e h i c l e sw i l lb o u n c ew h e nt h e yr u n t h r o u i g hab r i d g ea p p r o a c hb e c a u s el a r g es e t t l e m e n td i f f e r e n tb e t w e e nab r i d g ea n d a ne m b a n k m e n t c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw h i c hb er e i n f o r c e dt h es o f tc l a yi sw i d e l y u s e di nc o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，a n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nh a ss o l v e dm a n yp r o b l e m s ， i n c l u d et h ed i f f e r e n ts e t t l e m e n ta n dt h ep h e n o m e n o no ft h eb o u n c e a tt h es a m et i m e t h eh i g hs p e e dr u n n i n go ft h ec a rn e e d sas m o o t ha n ds t a b l e f o u n d a t i o n t h es u b g r a d ew h i c hi st h ef o u n d a t i o no ft h et r a c ks y s t e mm u s tm a i n t a i n t h ed e s i g n i n gp a r a m e t e r so ft h er o a dw i t h i nas t a n d a r du n d e ra no p e r a t i n gc o n d i t i o n ， a n dt h em e a n sah i g hq u a l i t yo fs t a b i l i t yf o rt h es e t t l e m e n to fs u b g r a d ei sn e c e s s a r y t h e r e f o r e ，t h ep r e d i c t i n ga n dt h ee f f e c t i v ec o n t r o l l i n go fp o s t - c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n ta r et h ek e yp o i n to fd e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i n go ft h eh i g h w a y w i t has u g g e s t e dd i s p l a c e m e n tm o d e l ，t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h ei n t e r a c t i o no f s o i la n dp i l e si n t oc o n s i d e r a t i o na n dd e r i v e sa na n a l y t i c a l f u n c t i o no fc o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o no fs t a b i l i z e d l a y e ro fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e re m b a n k m e n t a n a l y t i c a l f u n c t i o n sa r ea l s od e r i v e do ff r i c t i o n a lr e s i s t a n c eb e t w e e np i l ea n ds o i l a n do ft h ep i l e s o i ls t r e s sr a t i o o n es i m p l em e t h o df o rc o m p u t i n gt h ed e f o r m a t i o ni s a l s od e r i v e db a s e do nt h ea n a l y t i c a l f u n c t i o no ff r i c t i o nr e s i s t a n c e t h i sa r t i c l ei so nt h eb a s eo fe x p e r i m e n t sa b o u to n ey e a ri nt h es t a b l e o b s e r v a t i o nf o u n d a t i o no ft h eg u - s h e n gf i r s tl e v e lh i g h w a y t h ec o n t r a s t i v er e s u l t b e t w e e nt h ei m p r o v e dh y p e r b o l i cl o n g b a s em e t h o da n dt h ei m p r o v e de x p o n e n t i a l c u r v em e t h o dd i s c o v e r e dt h a tt h ei m p r o v e dh y p e r b o l i cc u r v es u i t st ot h ep r e d i c t i o n o ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n a n dt h ei m p r o v e de x p o n e n t i a lc u r v em e t h o ds u i t st ot h e p r e d i c t i o no f t h es a n dd r a i n s f u r t h e ra n a l y z e da n dd i s c o v e r e dt h a tt h e r ea r eal o to ff a c t o r sa f f e c t i n gt h e f o u n d a t i o ns u b s i d e n c es t a b i l i t y ，f o re x a m p l e ：n es p e e do fl o a d i n g , f i l lh i g h n e s s ， t h i c k n e s so fw e a ks o i ll a y e r , t h es o i lp a r a m e t e ro fe a c hl a y e ro fe m b a n k m e n ta n d g r o u n d 6 u c ha s ：m o d u l u so fd e f o r m a t i o n , p o i s s o n sr a t i o ，c o h e s i v ef o r c o ，a n g l eo f i n t e m a lf r i c t i o 小a n ds oo n t h er o l eo ft h e s ef a c t o r st ot h es e t t l e m e n ti sn o t i n d e p e n d e n t , b u ti sr e s t r i c t sm u t u a l l y ，p l a y st o g e t h e r w i t ht h ea i do ft h er _ l a c o ， a n a l y z e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef i l lh i g h n e s s ，t h i c k n e s so fw e a ks o i ll a y e ra n dt h e e n ds e t t l e m e n to ft h ef o u n d a t i o n ，w h i c ht h er e s u l td i s c o v e r e dt h a tt h e yh a v et h eg o o d l i n er e l a t i o n s ，a n dt h ef i l ls o i lh i g h c r ，t h es e t t l e m e n tl a r g e r ；t h et h i c k n e s so fw e a ks o i l l a y e rt h i c k e r 。t h es e t t l e m e n tl a r g e r ，t o o k e yw o r d s ：s o f tf o u n d a t i o n ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，p o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t ， i n f l u e n c ef a c t o r 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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， 也不包含为获得武汉理工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： 关于论文使用授权的说明 日期1 21 ：= f 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：垒坐导师签名 研究生签名：7 哗导师签名 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 日期啄毕万 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 现代社会中，交通运输越来越发达。在我国，随着公路，特别是高速公路 的蓬勃发展，公路运输已经成为运输的主要力量。公路的迅速发展不但改善了 交通条件，方便了人民生活，而且对经济的发展起了巨大的推动作用。“要想富， 先修路”已成为人们的共识。 在各种公路中，高速公路以其车速高，行车安全，通行能力大，运输成本 低，货物耗损低而成为各国公路发展的首选发展目标。我国于1 9 8 4 年开工建设 了大陆第一条高速公路一沪嘉高速公路，并于1 9 8 8 年建成通车。从1 9 8 8 开始， 相继建成了沈大、京津塘、成渝、济青、京石、沪宁、广深、京沈、京沪、杭 宁、京珠等一大批具有重要区域性影响的高速公路工程，突破了我国高速公路 建设的多项重大技术“瓶颈”，积累了设计、施工、监理和运营等建设和管理全 过程的经验。1 9 9 2 年，“五纵七横”国道主干线规划开始实施，为我国高速公 路持续、快速、健康发展奠定了坚实基础。在已建成高速公路的沿线及腹地迅 速掀起工业企业的建设高潮，地价增值，地方税收增加，投资环境发生巨大变 化，便原来落后地区的经济得到迅速发展。 高速公路是线性的带状构筑物，跨越地区广泛，沿线地质条件复杂。现阶 段，我国高速公路多建于沿海诸省，土的类别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质 亚粘土及淤泥混砂层，属于饱和的正常压密软粘土。这类地基具有高含水量、 大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、中等灵敏度等特点。在这类 软土地基上修建公路，会遇到稳定及变形等问题，特别对高速公路而言，其最 小弯道半径一般为8 0 0 米左右，它不仅要求路堤稳定，而且对工后沉降要求较 高，特别是要严格控制工后不均匀沉降。从已建软土地基上高速公路运行情况 看，工后沉降较大，特别是造成“桥头跳车”，轻者影响行车速度，损害车辆， 严重的导致交通事故，造成人员伤亡。目前对高速公路一般规定在1 5 年内工后 沉降不超过3 0 c m ，桥台背后填土工后沉降不超过l o c m 。实际上，当不均匀沉 降大于2 0 4 0 r a m 时，如不及时修补，将严重影响行驶。因此，在软土地基上修 武汉理工大学硕士学位论文 建高度公路，如何减小工后沉降是一个迫切需要解决的问题。 自从太沙基( 1 9 2 3 年1 的有效应力原理及其固结理论问世以来，地基沉降计 算理论的研究已取得了长足进展，关于地基沉降问题已成多种计算方法，大致 可分为三类：一类是基于弹性理论结合太沙基固结理论的解析方法，或称为理 论公式法。然而经典的理论公式方法中荷载作用下地基中附加应力场是根据半 无限空间各向同性弹性体理论计算的，土体压缩性是根据一维压缩试验确定的， 并采用分层总和法来计算地基的沉降量，未能考虑土体非线性，以及土体侧向 变形对沉降的影响，在不同地质条件、加载条件下沉降修正系数的选用也有一 定难度。第二类是b i o t 固结理论结合多种本构模型的数值分析法。用数值分析 方法时，对土体各种本构模型的识别以及模型参数的确定方面还存在着不同程 度的困难，而且在有限元分析中一些问题的处理，有限元程序中若干工程措施 的处理，需要进一步的研究完善。第三类是根据实测资料推算沉降量与时间关 系的预测方法，如指数曲线法、双曲线法、星野法、a s a o k a 法及灰色预测法等 等。这些方法各有优势，其适用范围也不相同，应区分不同的条件进行使用。 为了适应高等级公路以及土木工程对提高软土地基沉降计算水平的迫切要 求，本论文将结合广州中山古神高等级取得的软土地基沉降计算的试验观测资 料进行整理分析，并在此基础上，对沉降计算的理论公式进行较系统、深入研 究。 1 2 研究意义 我国在8 0 年代确定发展高速公路的方针，1 9 8 4 年开工建设第一条高速公路 沪嘉高速公路。9 0 年代以来，我国的公路建设尤其是高速公路建设发展十 分迅速，每年新建的高速公路都在2 0 0 0 公里左右，特别是十五期间，高速公路 的迅速发展，每年以4 5 0 0 公里的新建公路增加，到2 0 0 6 年底已建成高速公路 总里程达到4 5 4 0 0 公里居世界第二位。 由于高速公路对平纵线形要求都比较高，沿线难免遇到不良地基特别是软 土路基，这在我国沿海及湖南、湖北、江西等地是很常见的。采取大挖大填或 架桥的方一式跨越这些软基路段，无疑是不经济的，有时甚至是不现实的。但 如果对软土路基不加处理或处理不当，很容易造成路基失稳、工后沉降过大和 不均匀沉降等问题，严重时还有可能导致滑坡，路面开裂等病害。如日本的常 2 武汉理工大学硕士学位论文 磐高速公路神田桥从1 9 8 6 年9 月2 0 日通车后，1 9 个月平均每月补修一次台错， 严重影响了路面质量和通行能力；我国沪嘉高速公路、湖北汉宜高等级公路通 车后，由于软土沉降等问题，使路面开裂，桥头错台，台错大的地方可达7 - 8 c m ， 使行车速度大为下降，一直小修不断。这样一来不仅工后修补困难大，花费高， 而且还会留下不良的社会影响。随着高速公路建设的迅猛发展，软土问题越来 越突出，已成为影响工程质量，工程周期和工程造价的关键因素之一。因此， 针对我国国情和目前高速公路建设的现状，为了达到节约材料，缩短工期，降 低造价并符合设计要求的目的，有必要探寻技术先进，经济合理的软基处理方 法。 概括地说，软土地基问题可归结为以下几个方面： ( 1 ) 地基承载力和稳定性问题 在建( 构) 筑物荷载( 包括静力荷载或动力荷载) 较高，地基承载力较低，不能 承担上部结构的自重及外荷载，导致地基出现局部或整体剪切破坏，或冲剪破 坏，影响建( 构) 筑物正常使用，甚至引起建( 构) 筑物破坏。边坡稳定也可归属于 这一类地基问题。 ( 2 ) 沉降、水平位移及不均匀沉降问题 在荷载( 包括静力荷载和动力荷载) 作用下，地基产生变形。当建( 构) 筑物沉 降、水平位移，或小均匀沉降超过相应的允许值时，将会影响建( 构) 筑物的正 常使用，甚至可能引起破坏。建( 构) 筑物沉降量较大时，不均匀沉降往往也比 较大。湿陷性黄土遇水发生剧烈的变形，遇水膨胀、失水收缩等也可包括在这 一类地基问题中。 ( 3 ) 动荷载下的地基液化、失稳和震陷。饱和无粘性土地基具有振动液化的 特性。软粘土在振动作用下，产生震陷。在地震、机器振动、爆炸冲击、波浪 作用等动荷载作用下，地基可能因液化、震陷导致地基失稳破坏。 ( 4 ) 渗透破坏。地基土的渗流量或水力比降超过其允许值时，会发生较大水 量损失，或因潜蚀或管涌使地基失稳而导致建( 构) 筑物破坏造成工程事故。 存在上述问题的地基，称为不良地基或软弱地基。合适的地基处理方法能 够使这些问题得到解决或较好地解决。换句话说，地基处理的目的就是利用置 换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等法对地基土进行加固，用以改良 地基土的剪切性、压缩性、渗透性、振动性、膨胀土的膨胀性、湿陷性黄土的 湿陷性等工程地质特性。 3 武汉理工大学硕士学位论文 因此，地基处理的目的主要包括以下方面。 ( 1 ) 提高地基的抗剪强度。地基的剪切破坏表现在：建筑物的地基承载力不 够，由于偏心荷载及侧向土压力的作用使结构物失稳；由于填土或建筑物荷载， 使邻近地基产生隆起；土方开挖时边坡失稳；基坑开挖时坑底隆起。地基的剪 切破坏反映在地基土的抗剪强度不足，因此，为了防止剪切破坏，就需要采取 一定措施以增加地基土的抗剪强度。 ( 2 ) 降低地基的压缩性。地基的压缩性表现在：建筑物的沉降和差异沉降大； 由于有填土或建筑物荷载，使地基产生固结沉降；作用于建筑物基础的负摩擦 力引起建筑物的沉降；大范围地基的沉降和不均匀沉降；基坑开挖引起邻近地 面沉降：由于降水地基产生固结沉降。地基的压缩性反映在地基土的压缩模量 指标的大小。因此，需要采取措施以提高地基土的压缩模量，借以减少地基的 沉降或不均匀沉降。 ( 3 ) 改善地基的透水特性。地基的透水性表现在堤坝等基础产生的地基渗漏 和基坑开挖工程中，因土层内夹薄层粉砂或粉土而产生流砂和管涌。这些都是 在地下水的运动中所出现的问题。为此，必须采取措施使地基土降低透水性或 减少其水压力。 ( 4 ) 改善地基的动力特性。地基的动力特性表现在地震时饱和松散粉细砂 ( 包括部分粉土) 产生液化；由于交通荷载或打桩等原因，使邻近地基产生振动 下沉。为此，需要采取措施防止地基液化，改善其振动特性以提高地基的抗震 性能。 应当意识到，我国仍属于发展中国家，经济实力有限，与高速发展的建设 相对应的是资金的缺乏，我们必须处理好高速建设与有限资金的合理协调关系。 在进行人工地基加固时，选择一种投资少、见效快的方法是至关重要的。而复 合地基能够充分利用原土体的功能，结合构筑于其中的复合桩体，共同承担其 上的荷载。既发挥了土的负荷能力，又加入了强度高的复合桩体来分担土体所 不能承受的部分荷载，所以复合地基能产生较好的经济效益和社会效益，是一 种适合我国国情的可靠的人工地基。 随着工程实践的大量应用，复合地基沉降计算方法也相应取得了较大进展。 但与实践的快速发展相比，复合地基沉降计算理论研究却相对滞后，进展也较 为缓慢，远落后于工程实践的需要。 复合地基处理技术具有工期短、施工简单、取材方便、造价低、处理效果 4 武汉理工大学硕士学位论文 好等优势，目前已经成为高速公路软基处理工程发展的重要趋势，并且在很多 软基处理工程中得到应用，取得了相当丰富的工程实践经验。由于高速公路工 程自身的一些特点，决定了应用复合地基技术处理高速公路软土地基时有以下 特点： ( 1 ) 工程量大、投资大。由于高速公路路线长，线形要求高，遇到不良地质 路段时难以绕行。高速公路工程自身的这些特点，决定了往往需要对高速公路 软基地段进行大面积加固处理，其工程量相对其他工程为大，投资也大。 ( 2 ) 地质情况复杂，软基情况变化大。由于高速公路经过的路线长，往往会 跨越不同地质路段，由于区域因素的影响，这些路段的软基往往成因不同，地 下水条件、软基厚度、地基土物理力学性质指标之间差异很大，有些地段如构 造物处软基沉降周期很长，对不均匀沉降有严格要求，这给处理带来很大困难， 单一的技术方法往往很难满足要求，有时需要联合采用两种或两种以上的技术 联合处理软基。 近年来，按沉降控制设计理论不断得到人们的重视。任何工程设计都要同 时满足承载力要求和小于某一沉降量要求，也就是说无论按承载力控制设计还 是按沉降控制设计都要满足上述要求。对浅基础或端承桩桩基础的设计，常规 的设计思路是先按承载力设计，再验算沉降是否满足要求。对沉降量验算结果 只要求计算值满足小于某一数值，而不管其量值大小。这种设计思路称为按承 载力控制设计。对于复合地基适合按沉降控制进行设计，所谓按沉降控制设计， 其思路是先按沉降控制要求进行设计，然后验算地基承载力是否满足要求。一 般情况下，沉降量能满足要求，承载力大部分也能满足要求。按沉降控制设计 可以有效控制基础工程的投资，达到节省工程投资的目的。 另外，许多软土地基处理工程除了要求满足地基承载力、沉降与不均匀沉 降不超过规定的限值要求外，还要求工程竣工后能以较快的固结速率尽快完成 沉降，以达到尽早使用或尽早开始后继工程的修筑，以及合理的预留施工超高 等目的。因此，在设计复合地基时，应考虑复合地基的固结要求，对复合地基 的期望固结度进行计算。再有，当前的复合地基设计计算，常常以地基的最终 沉降作为设计的控制指标，事实上，这样的设计思想是过于保守的。在深厚软 土地基上修建的高速公路，其复合地基完成全部的固结沉降需要很长的时间( 可 达5 0 年甚至更长时间) ，然而，工程的实际服务年限一般不超过2 0 年，一旦服 务期满，就要进行全面翻修。可以预见，地基在工程服务年限内的沉降比最终 5 武汉理工大学硕士学位论文 沉降要小的多；如果设计中采用服务年限内复合地基的允许沉降作为设计依据， 无疑将会更加合理、经济；而实现这一设计思想的前提是对地基沉降随时间的 发展规律能够做出科学准确的预测。 在软弱地基上修建高速公路，承载力已经不是矛盾的焦点，而沉降控制被 提到越来越重要的位置，已经引起工程界和学术界的关注，沉降控制不仅关系 到工程设计的成败，而且在很大程度上决定了工程投资的多少。复合地基经过 几十年的发展已建立起一套比较完整的理论体系，但相对而言还远远落后于工 程实践，其中一个反映比较突出的问题就是有关沉降量的计算。 1 3 国内外研究现状 地基的沉降计算方法自1 9 2 3 年t e r z a g h i 固结理论问世以来已有很大的发 展，从简单的半经验公式图表法到应用计算机的数值分析方法，可谓种类众多。 尽管地基沉降的计算方法有很多种，但根据其应用原理，基本可以分为两大类： 一类是基于土体固结压缩原理的纯理论计算法；另一类是基于实测沉降资料的 沉降预测方法。这两类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研究现状对实际问题的解决有着重要意义。 ( 1 ) 基于土体固结压缩原理的纯理论沉降计算方法 在基于纯理论进行沉降计算的方法中，有可以分为两大类：一类是以室内 一维或三维固结试验为基础，借助试验得到的土工参数代入根据压缩规律得到 的公式中进行分析的沉降计算方法；另一类是根据土的应力应变模型和b i o t 固 结理论，利用有限元法或有限差分法进行沉降计算求解，随着计算机编程技术 水平的提高，此类数值解法适合于各类工程，日益得到人们的青睐，现阶段在 许多大型的具有复杂地质条件的工程中得到应用。 为了解决工程实际问题，何思眺j ( 2 0 0 3 ) 提出了基于弹塑性理论的分层总和 法；此外，结合b i o t ( 1 9 4 1 ) 的固结理论，有多位学者研究了三维固结对竖向沉 降的影响，先后提出的相关沉降计算方法有：s k e m p t o n - - b j e r m m ( 1 9 5 7 ) 法，黄 文熙三维沉降法( 1 9 5 7 ) ，费罗林三维沉降法，魏汝龙( 1 9 7 9 ) 三维沉降法，龚晓南 ( 1 9 8 4 ) 建议的三维压缩非线性模量法等。为了更好地考虑侧向变形对竖向沉降 的影响，近年来学者们又进行了大量的相关研究。l a m b “1 9 6 7 ) ， d a p p o l o n i a ( 1 9 7 1 ) , s i m o n sa n dm e n z i e s ( 1 9 7 7 ) ，m e s r i ( 1 9 8 5 ) ，b e r g a d o ( 1 9 9 0 ) ，徐 6 武汉理工大学硕士学位论文 日庆( 1 9 9 5 ) 等先后提出相关的沉降计算方法【1 - 2 】。b e r g a d o ( 1 9 9 0 ) 在分析了高速公 路的沉降后指出，在土质比较好的区段采用s k e m p t o n b j c r m m 法进行沉降计算 比较合适，但如果用d a p p o l o n i a 法计算瞬时沉降，采用各压缩指数的分层总和 法求固结沉降来联合分析路堤沉降也是可行的1 5 】。 ( 2 ) 沉降计算的数值方法 地基沉降计算的数值方法有5 种形式：差分法、有限元法、边界元法、变 分法、加权余量法。目前应用最广的是有限元法。自1 9 6 6 年c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将有限元法用于土坝应力和变形分析以来，各国学者对之进行了大量的研 究，取得了很大的进展。 s a n d h u 和w i l s o n ( 1 9 6 9 ) 用有限元法求解了b i o t 二维固结问题：国内的沈珠 江( 1 9 7 7 ) 首次将有限元法应用于软粘土地基的固结变形分析；黼( 1 9 8 8 ) 1 3 l 探 讨并编制了土体非线性及弹塑性比奥固结平面有限元程序( b c f ) 。 国外d u n c a n c h a n g ( 1 9 7 0 ，1 9 8 0 ) 提出的双曲线模型是最具有代表性的典型 的非线性弹性模型，也是目前国内外土工有限元法分析中应用的最多的模型之 一。俞帆，王铁儒( 1 9 9 3 ) 在d u n c a n c h a n g 模型基础上，提出了切线模量实质物 理意义时剪切模量的观点，并分别采用应力法和应变法推导了剪切模量和体积 模量公式，对不同的变形模量计算方法进行了比较，提出了改进的非线性弹性 模型1 4 】。 高速公路在荷载作用下，沉降是不可避免的。由于路堤高度差异和地基不 均匀等原因，路基各部分的沉降或多或少总是不均匀的，使得路面产生不均匀 变形。当不均匀变形超过了一定的限度，将导致路面的功能性、结构性破坏， 使得公路的服务水平不能满足设计要求。 国内外对不均匀沉降做了大量的研究和实践工作，1 9 6 7 年日本道路协会的 道路土工指南，1 9 7 0 年日本道路公团关于土工、路面、排水及绿化的“设 计要领”，1 9 8 9 年日本道路协会的软土地基处理技术指南都对容许工后沉 降提出了量的指标，而最新的日本高等级公路设计规范已不考虑容许工后 沉降，原因之一就是地基沉降量随时间的变化关系难以预测。美国和法国则对 工后沉降的容许量控制很严。德国则用施工期的预压来解决工后沉降问题，并 且对预压的控制也是很严的。我国目前主要在软基沉降问题研究上投入了很大 的力量，并且这种势头还在发展。另据日本有关专家介绍：认为路堤的沉降并 不构成问题，而与桥梁等构造邻接的路堤的工后沉降值得重视。交通部重庆公 7 武汉理工大学硕士学位论文 路科研所等单位在天津新港地区软土地基上修筑公路路堤的试验研究报告中指 出，对于高等级公路路堤铺筑路面2 0 年内，容许工后沉降值为3 0 5 0 m m ，邻 接梁等人工构筑物的路堤，容许工后沉降值定为1 0 2 0 m m 较为适当，这一段 长度，根据桥头路堤纵坡情况，可设为5 0 1 0 0 m ，与长路堤要考虑路基稳定要 求，路堤中心容许残留沉降值不作规定，留待在使用过程中进一步观测并通过 养护以纠正其有害的影响。沪嘉高速公路试验研究指出，沪嘉高速公路在桥台 处可增设搭柱，邻近桥梁构造物的路堤取容许工后沉降值l o m m ，并在5 0 m 范 围内逐渐过渡到容许工后沉降3 0 r a m ，其沉降差为0 4 ；正常路段允许工后沉 降取3 0 r a m ，其横向沉降差为0 4 8 尚属恰当。萃松高速公路在试验研究中指 出，路堤的容许工后沉降应根据路堤的商度来确定，当路堤高度大于2 3 5 m 时， 则容许沉降为l o 1 5 m m ，当路堤高度小于2 3 5 m 时，则容许工后沉降为l o m m 。 合适的控制标准有必要继续进行研究【孤。 1 4 本文的主要研究内容和方法 根据对中山古神高等级公路项目的初步研究，确定将重点放在高速公路工 后沉降的预测方法研究上。根据柔性公路路基宽度较大，软基厚度相对较大的 特点，从土工原理角度看，选用一维固结理论及桩土相互作用的原理进行本课 题分析是合理、可靠和简单可行的。基于以上目的，本文制定了以下研究思路： 1 对有工程代表意义的砂井预压地基和桩土复合地基共六个断面进行了路 基、路堤的填方过程、沉降发展过程的现场实测研究。 2 根据土工原理及复合地基的相关理论，提出了桩土相互作用原理的复合 地基沉降计算模型。 3 结合现场实测沉降资料，对路基沉降规律进行分析，提出软基沉降与填 土高度、压缩层厚度及地基处理方法等因素的关系。 4 根据现场实测的软土地基荷载一时间一沉降数据，结合软土地基的固结 理论，推导了高速公路工后沉降的预测方程。 5 根据高速公路工后沉降预测方程与理论计算结果的对比分析，提出了不 同的软基处理方式与预测方程的相互适用性。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章地基沉降量计算方法 2 1 土体最终沉降量计算 2 1 1 弹性理论法计算沉降变形 弹性理论法计算沉降是基于半无限弹性体的布西奈斯克课题的解，因此该 法假定地基是均质的、各向同性的、线弹性的半无限体。需要指出的是布西奈 斯克课题是研究荷载作用下地表的情形，因此可以近似用来研究荷载作用面埋 深较浅的情况。但是当荷载作用位置深度较大时( 如箱基础、桩基础等深基础) ， 则应采用明德林课题的位移解的弹性理论法进行沉降计算。由于地基土经常是 成层的，并非是均质各向同性的，因此弹性理论法计算沉降变形在实际工程中 应用是近似的【1 事1 捌。 2 1 2 分层总和法计算最终沉降 分层总和法计算地基沉降是目前沉降计算中使用最多的方法，几乎各土建 行业的相关行业规范都将其列入法定算法。它假定地基材料是弹性的、应力分 布符合布西奈斯克解。但同时又假设地基材料是弹塑性的，其变形特性符合侧 限一维压缩情况。用分层总和法计算最终沉降变形又做了如下两个假定： ( 1 ) 一般取基底中心点下地基附加应力来计算各分层土的竖向压缩量，认 为基础的平均沉降量s 为各分层竖向压缩量a 墨之和，即s - y s ，式中n 为沉 降计算深度范围内的分层数； 一 ( 2 ) 计算a s 时，假定地基土只在竖向发生压缩变形，而没有侧向变形，故 可以利用室内侧限压缩试验的成果进行计算。设压缩模量在小的应力增量下保 持不变，进而有( 应用e p 曲线) ： a s t l 羁竺h ( 2 - 1 ) 1 + a 毛 。 式中，日。第i 分层土的厚度； 9 武汉理工大学硕士学位论文 乜第i 分层对应于以一p 么段的压缩模量；p u ，p 。分别土层自重应力 平均值、附加应力与自重应力之和的平均值； a 岛在e p 曲线中对应于应力p l i 和p 。的孑l 隙比的差。 关于分层总和法的几点讨论： ( 1 ) 分层总和法假设地基土在侧向不能变形，而只有竖向发生压缩。这种 假设在当压缩土层厚度同基底荷载分布面积相比很小时才比较接近。如果当不 可压缩岩层上压缩土层厚度h 不大于基底宽度之半时，由于基底摩阻力及岩层 层面阻力对可压缩土层的限制作用，土层压缩只出现很少的侧向变形。高填方 的公路地基一般符合这种情况。 ( 2 ) 假定地基土侧向不能变形引起的计算结果偏小，取基底中心点下的地 基中的附加应力来计算基础的平均沉降导致结果偏大。因此，在某种程度上得 到了一定的相互补偿。在分层总和法计算应力的过程中，附加应力的计算采用 了取平均值的方法。这对于附加应力为线性分布的情况是精确的。但是附加应 力的分布是非线性的，且分层厚度又很大的情况下，仍应用传统的分层总和法 中上、下层面的附加应力的平均值作为该分层平均的附加应力，就会造成很大 的误差。在此种情况下，有人基于同样假设条件下提出应用应力面积法来计算 沉降变形。它由于采用了精确的“应力面积”的概念f 实质就是对附加应力在计 算深度内进行积分) ，就可以划分比较少的层数，一般可以按地基土的天然层面 划分就可以了，从而使得计算量得到简化，计算精度得到改善。同时，在应力 面积法中，地基沉降计算深度z n 的确定方法较传统分层总和法更为合理。它认 为如果某层的计算变形量小于其上所有层变形总和的0 0 2 5 倍时就可以结束计 算了。由于应力面积法也是基于同分层总和法一样的基本假设上，因此实质上 是一种简化并修正了的分层总和法。其中建筑地基设计规范推荐的方法就含有 应力面积的含义1 1 6 1 。 在进行构筑物地基沉降变形计算时，土的应力历史的影响也很明显。很多 工程中计算值与实测值相差很大的原因也可能是忽视了土的应力历史的原因。 现场的土在其地质历史上一般受过某一最大压力以，由于地层的变动，河流的 冲刷、基坑开挖和人工堆填等原因，这一压力就往往不一定等于目前现场的有 效应力p 。，为此可将粘土分为3 类，当p c p o 时称为超固结土；当见一p o 时 称为正常固结土；当p t。时称为欠固结土。这三类土的沉降公式都可引用公c p 式( 2 1 ) ，只是公式中嵋的计算方法不同而已。不同固结状态土的压缩曲线的性 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 状是不同的。 对于正常固结土有： a q - g l g ( 哟( 2 - 2 ) p 眦 式中，a 只和c d 分别为第i 层的附加应力增量和压缩指数。 对于超固结土沉降量的计算可以用原始压缩曲线和再压缩曲线分别确定土 的压缩指数和回弹指数( 再压缩指数) 并且区分了以下两种情况： ( 1 ) 对于a p 缸一p 0 ) 的各层土 a 岛一e + e 。- q l g ( 旦+ 乞1 9 ( 盥兰码( 2 3 ) p 嘶p d ( 2 ) 对于a p t ( 成一风) 的各层土 a 弓一gl g 坠竺)( 2 4 ) p 吼 将a q 代入公式( 2 - 1 ) 中，就得到了利用e l g p 曲线计算沉降的表达式。 2 1 3 应力路径法 应力路径法计算沉降是用地基内部的应力变化轨迹来表示建筑现场在施工 前、施工期间以及完工后地基内部的应力变化情况。土体中某一单元的应变、 孔隙压力和强度都与应力路径有关，所以能够应用应力路径法从土体内部应力 变化推测土的变形和强度。应力路径法清楚的阐明了土力学中地基沉降与稳定 两大课题的计算公式的内涵，并且把两者有机的联系起来。同时，应力路径法 有助于认识目前常用的土工实验及分析计算方法。应用有效应力路径法来计算 沉降，其步骤如下： ( 1 ) 在现场荷载下估计地基中某些有代表性( 如在土层中点) 土体单元的有 效应力路径。 ( 2 ) 在实验室做这些土体单元的室内试验，复制现场有效应力路径，并同 时量测试验各阶段的垂直应变。 ( 3 ) 将各阶段的垂直应变乘以土层厚度，即得到了初始及最终沉降值。 武汉理工大学硕士学位论文 应力路径法实质上就是应用模拟现场实际应力路径的室内试验的方法对预 估沉降量做出了分析，能够考虑加载方式和加载速率的影响。但是，应力路径 法同其他方法一样，无法避免用弹性理论来计算土体中的应力增量。同时，应 力路径法特别要求高标准的取样，过多的依赖于室内试验，试验工作量相当大， 且对试验技术要求也很高，这就使它的实际应用受到了很大的限制。 2 1 a 采用数值方法计算沉降 近年来，随着计算机的日益广泛应用，促进了计算技术和计算方法的发展。 从而使许多复杂的土工问题得到了一定程度的解决。这些复杂问题已经很少能 够应用数学方法求得精确解或者通过模拟试验得到定量解，原因是边界条件非 常复杂和非均质、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。在土工计算中引入数值计算方法，从而使具有非线性应力应变关系、非均 质和各向异性的土体在复杂边界条件下求解成为可能。许多学者提出了非线性 弹性、弹塑性、粘弹塑性等多种描述土的本构模型以适应有限单元法的应用。 目前应用于沉降量分析的的数值方法主要有差分法、有限单元法和边界元法， 其发展趋势是有限元法与差分法或者与边界元法相结合解决问题。利用数值计 算方法分析土体的沉降，虽然能够充分发挥有限单元法适宜非线性、非均质和 复杂边界条件计算的优点，但同样参数准确的获取是影响计算结果的关键。同 时由于土的性质极为复杂，要想找到一种能够用于各种土性的理想的应力应 变模型至少目前难以办到。 2 1 5 考虑蠕变变形的沉降计算方法 在荷载作用下，总沉降的计算分为三部分：初始沉降、主固结沉降和次固 结沉降。初始沉降又称为瞬时沉降，是由土体在附加应力作用下产生的瞬时弹 性变形引起的；固结沉降是土体在附加应力作用下产生固结变形引起的，这部 分变形采用固结理论进行计算；次固结沉降是土体蠕变引起的的沉降变形。近 年来，有许多学者在考虑土的流变性质从而求解粘土层的沉降做了大量工作。 陈宗基把粘土在剪应力作用下的变形视为麦克斯威体，建立了粘土固结三维理 论，求解一维和三维情况的若干特殊边界问题。王盛源选用指数函数作为蠕变 武汉理工大学硕士学位论文 函数，并将士骨架视为力学三元件模型，依据弹性体和粘弹性体之间的关系导 出了一维沉降公式。但是，由于问题的复杂性，此算法目前还无法普遍使用1 1 5 】。 2 1 6 沉降量的概率统计分析法 即使采用最先进的计算方法，准确预估地基的沉降量也可能会失败。其原 因是：土工参数的可变性，外加荷载的大小、分布情况以及描述应力分布和变 形数学模型假设的不准确性。在绝大多数概率统计分析中，均把表示压缩性和 外荷载的量看作是随机变量或者变量函数，这些变量都具有确定的从合适数据 中导出的概率分布，然后将这些随机变量代入沉降变形的计算公式中，就可以 得到沉降量的分布。从而就可以应用概率统计的分析方法来分析沉降变形。 2 2 饱和土体固结理论的发展 固结理论一直是土力学的重要课题之一。固结是土体受外力作用，内部应 力变化引起体积变化，同时有部分孔隙水被挤出的压密过程。要探讨固结规律， 建立固结微分方程，首先要研究平衡条件、应力应变关系和水流连续条件等几 个问题。 2 2 1 饱和土体一维固结理论 早在1 9 2 5 年，太沙基就在其著作中提出了著名的有效应力原理，并且据此 建立了一维固结理论，建立了单向固结基本微分方程，获得了一定初始条件与 边界条件的解析解，成为土力学发展史上的一个重要的里程碑。太沙基为了便 于分析和求解，作了如下假定： ( 1 ) 土体是均质的，完全饱和的理想线弹性材料； ( 2 ) 土体变形是微小的且土体变形完全是由孔隙水排出和超孔隙水压力消 散引起的； ( 3 ) 土颗粒和孔隙水均不可压缩； ( 4 ) 土中孔隙水渗流服从达西定律，且渗透系数为常数； ( 5 ) 荷载是一次瞬时施加并维持不变，土体承受的总应力不随时间而变化； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 土体中只发生竖向压缩变形和竖向孔隙水渗流； 在上述假设条件下，太沙基在其经典推导中将饱和土的本构方程与流动定 律结合起来。通过使用体积变化系数m 这一土性指标，用本构方程描述应力状 态变化同结构变形之间的关系。太沙基提出用有效应力作为应力变量来描述饱 和土的性状，用达西定律来计算固结过程中水的流动速率。达西定律使用渗透 系数k 的土性指标将水的流动速率与水头梯度联系起来。根据饱和土的连续条 件要求土单元的体积变化等于单元中的