（地质工程专业论文）黄土地区大跨度桥梁地下连续墙基础沉降研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 黄土所具有的平面均质性、直立性以及地下水位较低等特点，使得地下 连续墙作为大跨度桥梁基础在黄土地区具有良好的推广前景。针对这一现象， 本文对黄土地区桥梁地下连续墙基础的沉降进行了研究，通过数值分析，得 出黄土地区地下连续墙基础沉降特性，并从现有的沉降计算方法中提出适合 地下连续墙基础沉降的估算方法。 运用有限元数值分析方法，研究了地下连续墙基础及墙周士体的沉降变 形特性。根据计算结果可知，在荷载作用下，墙外侧土体侧摩阻力的发挥远 大于墙芯土体，墙土间相对位移沿墙深度方向逐渐减小，说明墙体侧摩阻力 从墙顶往下逐步发挥。墙端阻力的大小决定了土体的主要竖向变形，墙底以 下土体的竖向变形主要产生在墙端下约1 5 倍基础宽深度范围内。同时，还 研究了土体变形模量、泊松比及墙土间摩擦系数对地连墙基础沉降的影响， 并分析了各种因素对基础沉降的影响程度。 借鉴工程实践中常用的群桩沉降计算的各类等代墩基法对地下连续墙基 础沉降进行了计算分析和对比，提出了适合于依托工程地区桥梁地下连续墙 基础的沉降估算方法，并给出了该地区沉降计算的修正系数。 关键词：沉降地下连续墙黄土有限元数值分析等代墩基法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t d i a p h r a g mw a ui ss u i t a b l ef o rl a r g es p a nb r i d g ei l ll o e s sa r e a ，t a k i n gi n t o a c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh o m o g c n o u s ，v e n i c a lo fl o e s ss u b s o i la n dl o w c r g r o u d w a t e r ic o n s i d e r i n gt h ec a s e ，t h ep a p e rs t u d yo ns c t t l c m c n to fd i a p h r a g n l w a l lf o u n d a t i o n b a s e do f e m ( 矗n i t ee l e m e n tm e t h o d ) a n a l y s j s ，s e t t i c m e n t p r o p c n i c sa r ep u tf o r w a r d w i 也r e f c r c c et oe x i s t e n t ，t h cp a p e rb r i g sf o 刑a r da p r a c t i c a lc a l c u l a t i o m e t | l o do fv e n i c a ll o a d e dd i a p h r a 鲫w a l lf b u n d a t i o n i m cp r o p e f t i e s0 fs e t e m e n to ft h cd j a p h r a g mw a l la n ds o i la r es t u d i e di nt h e p a p 盯b yu s co ft h e3 一df e mm e h o d a c c o r d 证gt o t h er e s u l t s ，w h e nt h e d i a p h 阳g mw a l l a f e v e n i c a n yl o a d c d ， t h cd e v c l o p m 吼to ft h eo u t e rs h a f t n s i s t a n c c0 ft h cd i a p h r a g mw a l li sm o 他t h a nt h e 血n e r ，柚dt h er e l a t i v c s e t t l c m to ft h ew a l l s o i lf a d u a l l yd e c 咒a s ei nd c p t h ，w h i c hi 1 1 u m i n a t et h es h a f l s i s t 粕o ft h ew a l lt 姐n s f c rg r a d u a l l yf r o mt h ct o po ft h cw a nt ot h eb o n 眦 a 1 0 n gt h ed e p t h t h ec n dr e s i s t a n c ed e t e 咖i n e st h em a i nv e n i c a ld e f o r m a t i o no f s o i l ，a n dt h ev e n i c a ld e f o m a t i 曲o ft h es o i lu d e r 也ew a ua l w a y st a k ep l a c ci n t h ed e p t ht h a tr a n g c df r o m0t 01 5t i m e st h ef o u n d a l i o w i d t hb c l o wl h ew a l lt o e b e s i d e s ，t l l ei n n u e n c e so fd e f o 皿a t i o m o d u l e ，p o s s i o sr a t i oo fl o e s sa n d f r i c t i o nc o e f f i c i e n to nt h es e t n e m 衄ta r ef e s e a c h e d u s i n gf o rr e f c r e n c em c t h o d so fg r o u pp i l e s ，d i f f c n ta r cc o m p a r e d ，卸dt h e s i m p l es c t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm c t h o df o rd i a p h n g mw a l li l ly l l nc h e n ga r e ai s p r o p o s e d k e yw o r d s ：s e t t l e m e n t ，d i a p h r a g mw a l l ，l o e s s ，f i i t ce l 锄锄t 聪a l y s i s ，e q u i v a l e n t f o o t i n gm e t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出及选题的意义 地下连续墙( 以下简称地连墙) 技术是近几十年内发展起来的一种基础 工程新技术，初期多用于高层建筑的地下室、地下停车场以及地铁等建筑的 外墙结构。现在高层建筑将地连墙作为主体结构或至少作为主体结构的一部 分来使用，直接承受上部结构荷载，形成集挡土、承重和防水于一身的“三 合一”地连墙川1 2 1 。 我国黄土地区除跨越黄河的大桥以外，一般高速公路建设的特大桥其单 孔跨度多在3 0 0 m 以内，根据黄土地区的地形地貌，桥梁跨越黄土沟壑较多。 而桥梁基础形式多以摩擦桩为主，即在巨厚层的黄土层中没有良好的桩尖持 力层，只能采用摩擦桩，在沟底和基岩埋藏较浅的地区采用端承桩。由此可 见，黄土地区大跨度桥梁的基础形式较上部结构的比选、变化而言，非常单 一。然而，黄土层所具有的平面均质性( 横观各向同性) ，直立性，以及地下 水位较低等特点，使我们能够将地连墙作为黄土地区大跨度桥梁的基础。地 连墙基础将以相对较浅的埋深取代以往黄土地区大跨度桥梁较深的基础形 式，随着基础底板标高的抬升，将会对桥梁的安全、经济、旄工工期等带来 明显的效益l j i 。 随着近年来国民经济的飞速发展，国家对交通运输行业的重点投入，国 内业已建成多座大跨度的跨海、跨江、跨黄河的特大桥，桥梁设计和建设水 平已经发生了很大的飞跃。在我国西部大开发中尤为重要的是交通基础设施 的建设，针对我国国情提出在西部黄土地区大跨度桥梁建设中的一种新型基 础形式，即采用地连墙“浅”基础形式，在确保桥梁安全的前提下，将会取 得良好的经济效益，在黄土地区具有良好的推广前景，值得深入研究。 本论文结合交通部西部交通建设科技项目“黄土地区大跨度桥梁地下连 续墙和箱型基础的应用研究”，采用山西运城黄土高原上省重点工程国道2 0 9 线河滓至临猗段k 2 3 + 3 8 5 米处天桥作为科研依托工程，针对该桥梁地连墙基 础形式开展研究。采用有限元数值分析方法，对该地区地连墙桥梁基础及墙 周土体的沉降规律进行了分析。并根据黄土地区特性，从计算群桩的各种等 代墩基法中，提出适合地连墙基础的沉降估算方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地连墙基础发展现状 地连墙技术起源于欧洲，最初是根据打井和石油钻井使用泥浆护壁和水 下浇注混凝主的方法而发展起来的。1 9 1 4 年开始使用泥浆。1 9 2 0 年初见于德 国；2 0 世纪5 0 年代首次在意大利城市米兰成功的建成而获得专利，之后法 国、墨西哥、日本、美国、前苏联纷纷引进，并逐步改进使这项先进技术发 展起来。欧美称其为混凝土地连墙或地下泥浆墙i l j 。 自从1 9 5 9 年日本引进地连墙这项技术之后，由于其具有刚度大、强度高； 与地基密闭性好，能得到周围地基的摩擦力支持；对地基的适用范围广；施 工采用稳定液护壁开挖；现场浇筑混凝土，工效高，成本低等特点；因此在 日本得到了迅速地发展，目前日本已经成为地连墙最发达的国家。将地连墙 用于桥梁基础也以日本最多，而且在日本无论旌工还是设计都有独特地创造。 1 9 7 9 年日本在东北新干线高架桥工程中采用了地连墙闭合式刚性基础，开创 了地连墙技术应用到桥梁工程的先河【4 】。日本青森大桥2 个主塔墩，北浦港 大桥3 个海中墩等也都成功采用了平面呈闭合状的井箱结构地连墙基础【5 l 【6 l 。 日本的明石海大桥锚碇基础采用也是地连墙形式【”，此外，日本国室兰港的 白鸟大桥( 主跨7 2 0 m 悬索桥) 主塔墩的直径3 7 m ，深7 0 m 的基坑采用地连 墙围堰，从筑岛顶面算起地连墙打入地下1 0 0 m ( 嵌岩3 0 m ) 成功修建了主 塔墩的直接基础【8 j 。 我国近年来使用地连墙基础也日益广泛，多用于沿海软土地区的高层建 筑的深基础、地下室外墙、防渗墙及深基础支护，作为桥梁基础在我国的应 用尚处于起步阶段。 郝育森、许黎明通过介绍地连墙基础的特点及其在日本的发展情况 【9 l 【1 0 j 。我国宝中铁路线将地下闭合墙基作为一种新型桥基首次在西北地区使 用【1 1 l ，铁道部第一勘察设计院的李涛等研究了黄土地区桥梁挖井基础设计方 法【1 2 ) ，这些可以看作是地连墙在我国桥梁基础上应用的雏形。 同济大学的李桂花、周生华等首次在国内进行了单片地连墙的垂直静荷 载试验，对地连墙的荷载传递机理及垂直承载力进行了研究，分析了墙端阻 力和侧壁阻力随位移发展而发挥的特性及它们之间的相互影响关系，提出了 侧壁阻力的计算模型及地连墙垂直承载力的设计方法【”j 。 兰州铁道学院的孙学先和崔文监在国内首次进行了黄土地基中两个单片 地连墙的水平承载和侧面摩阻力的现场模拟试验，分析和研究了两种受力性 状地连墙的横向承载和不同墙面上水平摩阻力与土抗力随位移发展而发挥作 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用的特性，并提出了士抗力与摩阻力相关计算模式i l ”。 同济大学的傅德明、王庆国等通过对现场压桩试验数据的整理分析，对 一字型及葫芦型地连墙受垂直荷载时的受力机理进行了探讨1 1 。 广东省在1 9 9 5 年还专门编制了地连墙结构设计规程。我国在广东虎 门大桥和武汉阳逻长江公路大桥应用地连墙作为桥梁锚碇基础获得了成功， 我国援孟加拉国桑布贡吉公路大桥，亦选用地连墙基础作为桥梁护岸工程 1 1 5 1 1 2 2 深基础沉降计算研究现状 基础沉降计算从来就是地基基础工程中的难题。多年以来，很多专家、 学者都对此作过贡献，至今还没有完全解决。目前解决地基沉降计算问题主 要有以下途径i l ”。 ( 1 ) 解析法。以弹性理论为基础，假定地基是线弹性的连续体，在半无 限体表面和半无限体内作用各种荷载时，可以得到地基应力计算公式和地基 变形分析的解析解【1 7 l 【1 8 】。由于弹性力学解受初边界条件限制，只有很少的情 况下可以达到精确解析解。而地基土的物理力学性质、本构关系十分复杂， 又很难满足弹性力学的要求。所阻沉降计算的各种解析解同工程实测值差别 较大，有时差好几倍。 ( 2 ) 半理论半经验方法( 或称经验法、简化法等) 。这种地基沉降计算 的方法仍以解析法为基础，根据工程实测沉降数据研究，统计分析出经验系 数或经验公式来。其沉降计算结果比较接近实测值。国内外规范编制大多采 用这个方法。 ( 3 ) 数值计算法。以有限元为代表的数值分析方法可以模拟地基的一些 非线性、非连续、非弹性性质，处理各种不同的边界条件。但其基础理论还 是弹性理论，其计算结果往往不尽人意。 从以上可看出，地基变形或基础沉降计算涉及若干科学，并与地质条件、 土的物理力学性质和工程密切相关，至今还没有很好的办法，使其计算理论 值与沉降实测值一致或十分接近。因此，半理论半经验方法就显得十分重要， 此种计算方法是否实用与地基附加应力、地基力学参数、本构关系这几个重 要因素密切相关。 1 2 2 1 地基附加应力酌研究 在地基沉降计算中，地基中附加应力的计算尤为重要，一般计算浅基础 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的沉降时，常用法国的b o u s s i n e s q ( 1 8 8 5 ) 解答( 以下简称布氏应力解) ，它是 在半空间表面上作用一个竖向集中力时，半空间内任意点处所引起的应力和 位移的弹性力学解答。但大量工程实践表明，按此沉降计算方法所得的理论 值与实际沉降观测值并不相符，有时甚至相差甚远。究其原因，是布氏应力 解未能考虑基础埋深和地基土质条件的影响1 1 9 j 。美国c o l u m b i a 大学土木工 程系m i n d l i n 于1 9 3 6 年提出了半无限体内受集中力作用所引起地基中垂直应 力的公式( 以下简称明氏应力解) 1 2 0 】。因其能考虑基础埋深及地基土质条件 对附加应力的影响，故将其用于深基础的沉降计算肯定要比布氏应力分布合 理。但其表达式相当地繁杂与冗长，所以一直难以得到普遍推广与应用。2 0 世纪5 0 年代，我国学者徐志英先生以明氏应力解为依据，导得了不同荷载分 布条件下的明氏应力公式【2 。王士杰等在前人研究的基础上对不同荷载分布 条件下的明氏应力公式进行了重新推导，并将其结果加以了整理与简化 【2 2 】叫矧。 考虑到布氏应力解应用中的方便，姚笑青对布氏和明氏应力计算方法， 以及它们对大桩数的建筑桩基和小桩数的桥梁桩基的适用情况进行了分析对 比【2 们。王士杰，张梅等则以圆形均布荷载为例，根据弹性力学的圣维南原理， 找出了布氏解取代明氏解的条件，对改进现有沉降计算方法具有指导作用 【2 7 】。 周罡、何思明等以明氏解为基础，推导了任意桩侧摩阻力分布形态时地 基土中附加应力的计算方法，并针对单桩沉降问题进行了分析，为单桩的沉 降量计算提供了一个较为合理的方法1 2 驯1 2 。 宫全美、吕凡任等利用明氏位移解进行群桩沉降的分析【3 0 】【3 l 】。前者推导 了不同形式的桩侧摩阻力在地基土中引起的位移公式，对不同桩长、桩距、 桩侧摩阻力的群桩沉降提供一种计算方法。后者假设桩身为完全弹性，外荷 载作用下桩、土之间的摩阻力是相对位移的函数，建立方程组，采用有限差 分法进行求解。 张忠苗、陈登伟、张小平、蒋刚等对复合地基沉降计算方法进行了探讨 f 3 2 h 3 5 1 ，利用明氏应力解和布氏应力解联合求解柔性承台下复合地基的附加 应力，可以得到与实际较符合的应力分布，并对分层总和法求得的沉降进行 修正，可以得到与实测接近的沉降计算值。 1 2 _ 2 2 地基力学参数及本构模型的研究 地基土受力时其力学性质是复杂的，目前大多的沉降计算方法包括我国 的规范都是以弹性理论为基础而发展起来的，因而各种计算方法的适用条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 及合理的地基土变形模量e 。和压缩模量e s 尤为重要，不少学者也对此进行 了研究。王宗生针对建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 - 2 0 0 2 ) 中地基沉 降计算深度范围内压缩模量当量值昧的计算公式，通过理论推导，提出了该 值的实用计算公式，使得计算十分筒便【3 6 j 。林柏、张听等通过工程实例分析 计算，就建筑桩基技术规范( g j g 9 4 9 4 ) 提供的“等效分层总和法”适 用范围进行讨论【3 7 】。李云翼，陈国拣等通过分析大量桩基沉降实测资料，确 定桩基沉降是由竖向变形和侧向变形两个部分组成，压缩层厚度在桩尖平面 以下0 6 1 8 基宽范围内，压缩层的压缩模量毋= 1 4 呱o m 2 1 3 8 j 。 也有不少学者在研究考虑土体弹性非线性和弹塑性本构模型等的计算方 法。何思明等建议了土体的非线性弹性塑性本构方程，其中弹性部分采用 d u n c e n c h a n g 本构模型，塑性部分则采用了修正的剑桥模型，提出了基于弹 塑性理论的修正分层总和法新理论【3 9 】小1 1 。周正茂，蒋洪胜等运用增量理论给 出了变形模量随应力增量比变化的计算方法，在此基础上得到了薪的考虑应 力路径的沉降计算方法1 4 z - 。 1 2 3 地连墙基础沉降计算方法研究 地连墙基础在我国应用以来，一些学者也开始了其沉降计算方法的研究。 同济大学的张琦以上海同济大学图书馆扩建工程为对象，以现场实测数据为 依据，引用m i n d l i n 公式，提出了实用沉降估算公式，同时也结合实际工程， 探讨了该类基础沉降对周围建筑物的影响问题1 4 3 j 【4 4 1 。上海华东建筑设计研究 院的王卫东提出了用p o u l o s 弹性理论法进行地连墙基础的沉降计算【4 5 】1 4 “。 同济大学工程建设监理公司的季明和同济大学地下建筑与工程系的李桂花提 出了由地连墙桩箱或筏所构成的复合基础的二阶段沉降计算方法，进一步 论述了在考虑地基土补偿状的前提下，可用分层总和法计算第一阶段沉降， 用变形总和法计算第二阶段沉降。美国乔治亚理工学院土木与环境工程系 的常红和兰州铁道学院土木工程系的郑越通过研究模型试验中地连墙在竖向 受荷时墙顶的沉降特性，推导出一字形墙的沉降计算公式，提出了采用增大 系数计算异型地连墙基础沉降的方案i ”】1 4 9 】。 1 2 4 地连墙基础数值分析研究 关于地连墙基础在荷载作用下的受力与变形历来是岩土工程师们所关心 的问题，近年来有些人对地连墙基础数值分析计算进行了研究。陈永福对地 连墙箱形基础用有限元和无限元耦合计算方法进行数值分析，得出了基坑周 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 围地基土在开挖过程中的沉陷、基坑内土体回弹、支护结构的侧向位移及地 基土变形的规律【5 0 】。李建交在其博士论文中首次提出了对地连墙体系进行有 限元分析时确定离散区域的最小计算区域方法，并采用动态数组技术解决不 同工程中有限元解题规模差别很大的问题【”l 。王卫东以p o u l o s 弹性理论为基 础编制了地连墙一桩一箱复合基础及地基共同作用的三维计算分析程序1 4 6 j 。 刘兴旺用f 0 n r 姐语言编制了可考虑墙土接触面变形非线性特性的三维有限 元分析程序，并运用此程序分析了单片墙在竖向荷载分级施加情况下，墙侧 摩阻力、端阻力的分析、发展规律以周围土体的变形性状垆“。 1 3 论文主要研究内容及技术路线 本论文主要研究黄土地区大跨度桥梁矩形闭合地连墙基础及墙周土体在 竖向荷载作用下的沉降特性及沉降估算方法，揭示竖向荷载作用下地连墙基 础及墙周土体的竖向变形规律，并从现有的沉降计算方法中提出适合地下连 续墙基础沉降的估算方法。解决的主要问题有墙土体相互作用的数值模拟模 型、数值分析方法、沉降计算模式及土体承受竖向荷载后附加应力的计算等。 本文的研究思路如下： ( 1 ) 阅读大量有关文献。地连墙在我国的应用较少，作为桥梁锚碇结构 在我国还只是处于起步阶段，作为桥梁竖向承重结构在工程上还未见报道。 但由于其受力性能与桩基及沉井、沉箱基础有许多相似之处，通过阅读大量 桩基方面的资料和文献，结合目前国内外地连墙基础的资料，了解两者在沉 降特性等方面的异同点。 ( 2 ) 工程地质勘察。通过现场工程地质勘察总体上了解依托工程黄土地 区的地形、地貌，调查该地区湿陷性黄土的基本特征和分布状况，确定该地 区的地层划分。取出有代表性土样，以备室内试验分析其物理力学性质，为 分析地连墙受力、沉降等提供详细资料。 ( 3 ) 室内物理力学性质试验。为查明各土层的一般物理力学性质，对探 井深度内3 3 件不扰动土试样进行了测试；通过对不扰动土试样进行的静三轴 压缩试验，测定了各土层的应力应变关系、抗剪强度以及其它参数。 ( 4 ) 现场载荷试验。通过对地连墙现场垂直承载力试验的研究，得出不 同荷载下基础底部的沉降位移，并根据试验数据分析墙体侧摩阻力的分布。 ( 5 ) 有限元数值分析。利用m a r c 有限元软件的接触分析功能建立墙土 体相互作用的模型，分析了在竖向荷载情况下墙端土体、墙芯土体和墙外侧 土体的沉降变形特性。 ( 6 ) 沉降估算公式提出。参考桩基沉降计算的等代墩基法和数值模拟计 要妻窑塑查兰璺主堡窒生兰堡兰奎一j ! 生垦 一。一、 算结果，从现有的计算方法中提出与数值计算结果相关性较好的沉降估算方 法，并给出该地区沉降计算的修正系数 具体研究的技术路线见图1 - 1 。 磊王瓦匿天丽轿桑两 垂壅苎苎型亟堕婴塞 现 场 工 程 地 质 勘 察 丽氟稠匣 圃幽 土 体 物 理 力 学 性 质 体 本 构 模 型 参 数 侧 摩 阻 力 分 布 规 律 基 础 力 的 传 递 分 析 等 代 墩 基 法 的 对 比 墙 土 沉 降 数 值 分 析 影 响 沉 降 计 算 因 素 研究结果 地连墙基础沉降 解析估算垒i 一 砘连墙基础及墙周 土体的沉降特性 圈1 1 论文研究技术路线豳 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章黄土工程地质特征 2 1 黄土的地质特征及其地层划分 黄土在我国分布面积相当广泛，由于各地的地理、地质和气候条件不同， 使黄土在沉积厚度、地层特征和物理力学性质上都表现出明显的差异和变化， 一般具有以下特征【5 3 】【5 5 】： ( 1 ) 颜色以黄色、榍黄色为主，有时呈灰黄色； ( 2 ) 颗粒组成以粉粒( o 0 5 加加5 m m ) 为主，含量一般在6 0 咀上，粒 径大于0 2 5 m m 的较少 ( 3 ) 有肉眼可见的大孔隙，较大孔隙，一般在1 o m m 左右； ( 4 ) 富含碳酸盐类，垂直节理发育。 我国黄士的形成经历了整个地质年代的第四纪时期。按形成的年代可分 为老黄土和新黄土。老黄土有午城黄土，其标准剖面首先在山西隰县午城镇 找到，所以称为午城黄土：离石黄土，其标准剖面首先在山西离石县找到， 所以称之为离石黄土。新黄土有马兰黄土，其标准剖面首先在北京西北马兰 山谷的阶地上找到，所以称之为马兰黄土；新近堆积黄土，形成年代较晚， 距今约5 0 0 0 年，一般二l 质疏松。马兰黄土和新近堆积黄土均具有浸水湿陷性， 故又称之为湿陷性黄土。 各层黄土形成年代和成因如表2 1 。 表2 1 中的午城黄土、离石黄土和马兰黄土属原生黄土，基本由风积而 成，全新世的次生黄土是马兰黄土经由风和水的多次搬运沉积而成的。水力 搬运一般距离较短，所以次生黄土的颜色和颗粒组成以及矿物成分都酷似马 兰黄土，但其结构更为疏松，大孔隙更为发育，湿陷性更为强烈。 兰黄土，但其结构更为疏松，大孔隙更为发育，湿陷性更为强烈。 表2 1 黄土地层划分和特性p q 年代黄土名称成因备注 次 水成 杂乱无章，具不均 全新近期新新近堆积生 为主 匀性、高压缩性、 世o t黄黄强湿陷性 早期 马兰黄土 土一般湿陷 土 浅色，一般具有湿 晚更新世0 3 性黄土原 风成 陷性 中更新世q 2 离石黄土 老 非澎陷性 生 为主 褐红一般不具有 黄黄 湿陷性或在高压作 早更新世0 ， 午城黄土 黄土 土 土 用下具轻微湿陷性 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 全新世黄土状土为新近堆积，多分布在塬、梁、峁表层及河谷阶地上， 坡脚以及阶地上及地层的项部，受各种自然营力的影响，其物理力学性质的 差异较大。质地较疏松，成岩性差，具有湿陷性，甚至强烈的湿陷性。 晚更新世黄土( q 3 ) 马兰黄土构成黄土层的上部，为典型黄土。其质地 疏松，无层理，大孔隙结构发育，有垂直节理裂隙，有较强的湿陷性或自重 湿陷性。 中更新世黄土( q 2 ) 离石黄土为马兰黄土下面的埋藏黄土层，其间夹有 多层古土壤层和厚度较大钙质结核，构成黄土塬的主体。质地较密实，一般 无湿陷性，但在高压下仍具有一定的湿陷性。 早更新世黄土( q 1 ) 午城黄土为老黄土的下部，颜色呈淡红色，含有棕 色的埋藏古土壤层。其质地密实、强度大、压缩性小、厚度较薄，几乎不透 水，无湿陷性。 2 2 黄土的物理力学性质 黄土的物理力学性质常随其成岩时代、成岩地区表现出一定的差异。一 般新近堆积黄土( q 4 ) 的干重度较小，孔隙比较大，压缩变形大，渗透性强， 干燥状态具有一定结构强度，浸水饱和后结构破坏，粘聚力迅速减小，且变 化幅度大，呈现较强的湿陷性；晚更新世黄土( q 3 ) 的物理力学性质相似于 新近堆积黄土，它们的结构强度均偏低易变，受水湿影响大，是湿陷性黄土 的主要埋藏地层；中更新世黄土( q 2 ) 是黄土地层的主体，由黄土、古土壤 层和钙质结核层相间组成，质地比较密实，容重大，压缩性和渗透性均较小， 无湿陷性或在高压作用下具有轻微湿陷性，是良好的地基持力层；早更新世 黄土( q ，) 地层较薄，为黄褐色，较之中更新世黄土更密实，强度大，压缩 性小，无湿陷性，透水性也小1 5 。”。不同地层时代黄土的物理力学性质随生成 之早晚而表现出一定的规律性，如表2 2 所示。 表2 2 不同地层时代黄土的物理力学性质f 5 8 l 地层 物理性质力学性质 时代 干重度 孔隙比 压缩性渗透性抗剪强度湿陷特性 0 4 小大 高 强低强 q 3 较小较大 较高较强较低 较强 0 2 较大 较小 较低较弱较高弱 q 1 大小低 弱高 无 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 与黄土地基基础承载力和沉降有关的主要力学性质有：黄土的压缩变形 特性、黄土剪切强度特性以及黄土的强度指标及其变化规律等。现就这三类 力学性质作简述如下。 2 2 1 黄土的压缩变形特性 土工建筑物的变形计算理论主要以古典弹性理论和粘弹性理论为基础a 当然也结合土的特性( 松散性、高压缩性和变异性等) 作了相应的修正，也 就是说考虑了土的共性和个性，这完全是合理的。土变形最大的特性就是变 异性特别大，通常是用的它的变形参数来反映。变形参数也是一个随机变量， 受土的许多物理量影响而变化( 如密度、湿度、粒度、组构、岩性、沉积状态 和应力历史等) 。土的变形量计算的准确性，根据实践经验，计算方法的影响 远小于变形参数的准确性。变形参数都需要通过室内外试验确定，本节对这 些试验参数进行简要的介绍，以便后续的数值模拟分析。 单轴压缩试验测定的变形参数。根据单轴压缩试验，土的压缩模量表示 如下： 如警；击= 警一篙辫 仕- ，。 d 占：m 矿口， 0 4 3 4 c c 上式中 c c 一压缩指数； 口一压缩系数； m 体积压缩系数。 此四种参数的关系见表2 - 3 。 表2 3 备压缩变形参数间的关系”1 侧限压缩模量 体积压缩系数压缩系数压缩指数 压缩性指标 区 知 口” c c e s 与各指标 西= 麓娅 的关系 耻誓西= 古凰= 警 m 。与各指 标的关系 m r = 毒 坼= 等胁= 南m 炉篙等 a 。与各指标 的关系 舻斧 a v = t l + e o ) m y 舻啬舻半 c c 与各指 标的关系 c c = 麓舞c c = 警 c c = 撩c c = 素 注：8 0 为初始孔隙比，5 0 为初始、最终压应力平均值。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 表2 3 中的变形参数( b 、m ，a ，c c ) 都是在侧限条件下测定的，与 土体的实际变形条件不完全符合。因为实际土体的变形都有侧向变形。在均 布荷载作用下，用上列压缩变形参数计算的变形量( s ) 尚能符合实际。但常 因试验土样的应力释放和扰动，致使这些参数一般偏小，常使计算变形远大 于实测值。因此常用的的沉降计算公式中都加有一校正累数5 4 1 。 按弹塑性基本理论，土体的弹塑性计算 模式中均应采用杨氏交形模量e 和泊桑比y 。 在土力学中通过力学变换，并结合图2 1 ，求 出e 与风或嘶的关系为： d 口， 占j 善 在无侧限条件下) 图2 1 气咎产e 。一击紫 p z ， ( 1 一，) 。 m p ( 1 1 ，) 、。7 式中的泊桑比是根据晒= 芒 及岛= 1 s i n 求得，即 l s i i l 7 ”i 孟 ( 2 - 3 ) 2 一s i n 口 式中舻土的有效摩擦角 考虑到实际工程，对土体变形计算，其变形条件既非完全侧限，亦非完 全无侧限情况，而是有一定的侧限，如地基在附加荷载作用下土体的压缩变 形既有弹性变形，也有塑性变形。因此这种情况下的参数为变形模量励，西 的大小反应了土体抵抗弹塑性变形的能力，可用于弹塑性问题分析。岛通常 用三轴压缩试验或现场荷载试验确定。根据半无限弹性体理论分析所推导的 荷载试验确定。根据半无限弹性体理论分析所推导的荷载试验公式为： e 。= 业等盟 ( 2 _ 。) 式中 n 卜一与荷载板尺度大小有关的刚度系数【掣； 曰荷载板的宽度； p 一荷载强度； 9 一与荷载强度相应的沉降量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 由上式可以看出e d 正比于p ， 变形和受压层范围内士体的性质、 符合实际。 反比于s ，按此式所确定的岛考虑了侧向 结构、压硬性、基础尺度和刚度等j 比较 按理论压缩变形量毋应该大于岛。但根据实际试验结果比较，岛均大 于毋，其间的统计关系为印j - 岛= 小毋( 2 5 ) 式中土性参数，随土的孔隙比和湿度等而变。根据实践统计分析，对于 黄土( q 3 ) 当土的孔隙比e = 1 o 时，压力强度在5 0 一1 5 0 k p a 范围内，压缩模 量风和荷载试验的变形模量岛与含水量m 间存在如图2 2 所示的关系。 由图2 2 可以看出：在同一孔隙比和含水量( ) 条件下的e d 且，二者 的比值m w 甄，与孔隙比( e ) 和含水量( 吐 ) 的关系如图2 - 3 。 击6 毫t 2 图2 - 3m 与e 和的关系蓝线 由图2 2 、图2 3 可以看出：对于同一种土，荷载试验的变形模量( e 口) 绝 大部分大于室内压缩试验模量( 西) ，值的交化范围大致如下： e = 1 0m = 1 9 8 3 8 3 均值2 9 0 p = 1 1 厅l = 1 2 0 3 8 6 均值2 0 3 e = 1 2m = 0 6 1 4 3 9均值2 5 0 根据实际调查资料统计，小值与黄土孔隙比e 存在下列关系【6 1 1 ： 胧e = 2 7 1 8 ( 2 6 ) 2 2 2 黄土的抗剪强度特性 黄土的抗剪强度仍服从库仑定律，由摩擦力和粘结力组成。根据h r 捷 尼索夫的观点，黄土及黄土状土的粘结力由土粒间分子引力形成的原始粘结 力和颗粒间的胶结物质形成的加固粘结力组成。原始粘结力和士的密实度相 关，加固粘结力与土粒的矿物成份、形成条件和胶结物质的性质有关。当土 所处的环境和条件改变时如压力或湿度增减和盐份溶滤时，其值将会减小或 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 完全消失。黄土颗粒间的胶结物质一般为石膏、碳酸盐类等，耐水性差，当 湿度增加时其强度( 粘结力) 有显著降低。但在低湿度和不扰动结构情况下 仍有较高的强度。在饱水情况下其原始和加固粘结力有显著降低，在最优含 水率情况下击实强度最高，其主要原因为击实密度增大，使其摩擦力与粘结 力均有很大提高。 黄土工程中对黄土和黄土状土的强度指标c 、妒值或c 、乒值的确定与 一般粘性土的测试方法相同，根据工程的实际受力和捧水情况，通过直剪仪 或三轴仪进行原结构或击实情况的饱和不固结不排水剪( u 【，) 、固结不排水 剪( c e ，) 、或固结捧水剪( c d ) 以及非饱和土( 原状土) 的( u u ) 、( c u ) 或( c d ) 剪试验确定。 2 3 黄土地基工程特征 地基土的允许承载力，是在保证地基强度稳定的条件下，建筑物的沉降 量和沉降差不超过允许值的地基承载力，它取决于地基土的特性以及建筑物 的结构性和使用要求等，主要受建筑物的允许变形量制约。承载力是确定基 础尺寸和类型的主要依据。 黄土是具有特殊结构的土，其湿度( 含水量、饱和度曲) 、密度( 孔 隙比b ) 、粒度( 粘粒含量、液限眦、塑性指数昂) 和碳酸盐( 碳酸钙) 含 量等物理性参数与黄土的强度和变形有密切关系，因而对黄土地基的承载力 的确定，也应考虑这些因素。但通常按照黄土物性指标确定地基承载力时， 只能选用几个主要参数。根据试验研究和有关规范( 湿陷性黄土地区建筑规 范g b 5 0 0 2 5 2 0 0 4 、建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 等) 进行对比。一 般情况下，优选出、e 和轨三个主要参数与黄土地基承载力建立关系，制 成表格，这样只要做黄土的重度( r ) 、湿度( ) 和液限( 轨) 试验就可以 确定黄土地基承载力。 黄土的另一特性是它的成因时代对承载力也有显著影响，时代越早，上 覆土层越厚；在自重压力长期作用下，压密效应越大，压缩性小，抗剪强度 高，因而承载力也越大，如新近堆积黄土形成年代晚、堆积时间短、上覆地 层薄、固结作用差、密实度小、抗剪强度低、压缩性高，与晚更新世湿陷性 黄土( q 3 ) 相比，即使物理性指标相近，而承载力却较后者低。 我国老黄土和新黄土的分布区域和地层剖面基本相似，其基本物理力学 性质有一定差异，如新黄土具有大孔隙，垂直节理，含碳酸盐，具有一定的 凝聚力和不同程度的湿陷性。而老黄土一般无湿陷性，只有在高压情况下具 有轻微湿陷性，压缩性小、强度高、承载力比新黄土高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 1 黄土地基承载力和变形特征 ( 1 ) 黄土地基沉降量随基础宽度增加而增加，近似直线关系，但相对沉 降比值( s b ) 随基础宽度增大而减小，这说明基础宽度越大，地基的侧向 变形相对要小，也就是说地基土的工作条件越好，地基承载力越高。 ( 2 ) 黄土地基受力后变形影响深度随基础尺寸和压强增大而加深，但 7 0 左右变形，均产生在基底宽( b ) 的( 1 1 5 ) b 深度范围内。这对于选 定地基持力层和地基加固处理范围有一定的指导意义。 ( 3 ) 黄土地基的变形模量( 肠) 和压缩模量( 玩) 指标，是计算地基变 形量的主要参数。黄土具有结构强度，当其承受压强小于结构强度时，e s 、 岛一般为一常数，其值可按比例极限值p 口和相应的沉降量s 按弹性理论计算。 当p p d 时，e d 和毋随应力水平增大而改变，载荷试验的变形模量e o ，一般 大于室内压缩试验的模量凰，如前节所述，其关系为占d = 州两。聊的取值范 围见前节。 ( 4 ) 黄土地基具有较好的垂直渗透性，因而变形稳定快，据野外试验统 计，一般软粘土每级荷载稳定时间需2 0 以4 h 左右，而饱和黄土仅需5 6 h 。 据实际统计，饱和黄土地基施工期间沉降量可达总沉降量的6 0 以上，剩余 变形量的完成时间与土的湿度和排水条件密切相关。 2 3 2 黄土地基的压缩变形 新黄土( q 4 和q 3 ) 具有湿陷性，在外荷作用下，首先考虑其浸水的湿 陷变形，压缩变形相对要小。对于老黄土( q 2 和0 1 ) ，湿陷性较小，在外荷 作用下，以压缩变形为主，当外荷在地基允许承载力范围以内( 即比例变形 界限内) ，剪切变形较小可不予考虑，主要为压缩变形( 垂直下沉) 。影响压缩 变形的主要因素为： ( 1 ) 地基的地质条件。如地基中各土层的构造、结构、类型、厚度、埋 深和各层土的物理力学性质及其在外界条件下影响变形的规律等。 ( 2 ) 基础条件。基础把上层荷重传给地基，基础的大小、形状和刚度等 都对地基变形发生较大影响，在相同的地基与均布荷重条件下，面积大的基 础的极限荷载大，而垂直变形也大，刚度不同，基础下的反力分布也各异。 ( 3 ) 荷载条件。动静荷载或偏心与中心荷载均可能使地基与基础发生均 匀和不均匀沉降。 一般情况下，地基的变形是上述诸因素的综合反应。 天然地基变形计算。普遍采用分层总和法，计算公式一般为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 s - 砉c 莆， ( 2 7 ) 或改成下列惯用公式： 如蕃熹( p 2 叩1 ) 风。善意妣 1 式中 一士层的压缩变形量； e 1 土层在自重压力作用下的孔隙比； e 2 土层在自重压力和附加应力作用下的孔隙比； 麒受压f 土层厚度； 4 土层的压缩系数； 公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 是假定土在侧限条件下的压缩变形式，适用于浅基， 压缩土层较薄，附加压力p z 很小时( 在比例变形阶段以内) ，不考虑侧向变 形的正常压密土。而且上述公式是根据侧限单向压缩分层总和法推导的计算 公式，没有考虑地基土的侧向变形影响，常会出现计算结果与实测值有一定 的差异，为此在湿陷性黄土地区建筑规范( g b 2 0 0 5 伽1 0 4 ) 或建筑地 基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中建议将计算结果作相应的修正，对最 终沉降量公式应以系数加以修正，即： s 一钆s( 2 - 9 ) 式中k 按有侧限分层总和法计算的沉降量； 妒。修正系数，其值见表2 4 b ( m p a ) 3 oi5 o7 51 0 01 2 51 5 o1 7 52 0 0 伊s 1 8 0f1 2 20 8 20 6 20 5 00 4 0o 3 50 3 0 注；瓦为沉降计算深度范围内压缩模量的当量值，应按下式计算 丘= 拦 厶e “ 一r 一基底以下第j 层土的附加应力的面积； 最r 一第f 层土的压缩模量( m p a ) 、 t 压缩层的厚度z 可以根据附加应力与自重应力的比值或按应变比法确 定。因为附加应力随深度递减，自重应力随深度递增，达某一深度，二者的 比值就很小，由附加应力引起的变形可以忽略不计，这一深度常定为压缩层 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 深度。一般认为附加应力与自重应力比值为o 2 ( 一般土) 或0 1 ( 软土层) 时为受压层深度，或按下列经验式确定1 6 “。 z 一四( 2 5 0 4 l i l 曰) 式中曰基础宽度( m ) 如在此深度以下相临处尚有软弱夹层时，应计算到软弱夹层底为止。 2 4 研究地区黄土工程地质特征 2 4 1 地质概况及地层划分 本项目采用山西运城黄土高原上国道2 0 9 线河津一临猗一级公路的一座 跨线桥作为依托工程。拟建天桥位于此一级公路k 2 3 + 3 8 5 m 处，全桥长5 0 m ， 地处山西省万荣县高村。地形平坦，地面标高介于7 2 7 9 2 7 2 9 2 0 m 之间，高 差1 2 8 m 。该工程场地5 0 m 深度范围内未见地下水。 根据桥台位置附近的剖面出露，该处黄土与古土壤分层沉积，为黄土高 原第四纪黄土与古土壤交替沉积的典型地层，地层具体划分见表2 5 。 表2 - 5 地基土的地屡划分 层号 地层描述深度( m ) 上更新统q ，“褐黄色，坚硬，大孔及针状孔隙发育，含有大量植物 0 9 8 黄土层l l 根系，中压缩性土。 上更新统0 3 。 黄褐色，坚硬，大孔及针状孔隙发育，含有白色钙质 9 8 1 3 2 古土壤s 1 条纹及少量钙质结核，低压缩性土。 中更新统q 产1浅黄褐黄色，坚硬，大孔及针状孔隙发育，含有少 1 3 2 1 7 6 黄土层k 量姜石，中压缩性土。 中更新统q 2 c 。 棕褐色，坚硬，大孔及针状孔隙发育，舍有白色钙质 条纹及少量姜石，底部钙质结核含量较多，并富集成 1 7 6 2 1 9 古土壤s 2 层，中压缩性土。 中更新统0 2 。1褐黄色，坚硬，可见少量大孔，针状孔隙，较发育， 2 1 9 2 6 6 黄土层b 含有少量白色钙质条纹，低压缩性土。 中更新统0 2 。 棕红色。可塑，可见少量针状孔隙，含有大量白色钙 质条纹，可见大量钙质结核，底部钙质结核含量较多， 2 6 6 3 3 吉土壤s 3 井富集成层，绚层4 5 m ，低压缩性土。 中更新统q 2 e “ 褐黄色，坚硬，含有少量白色钙质条纹，偶见钙质结 黄土层k核，混有石英砂颗粒，中压缩性土。 3 3 4 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 2 4 2 常规物理力学性质 为了查明各层土的一般物理力学性质，对桥址处探并深度内3 3 件不扰动 土试样进行了室内常规物理力学性质指标测试，各土层物理力学性质指标试 验结果见表2 6 。 表2 6 地基土常规物理力学性质统计表 召水率 重度饱和度孔隙比塑性液性压缩系数压缩匾 层号w 跚指数 指数 a 1 e s l - 2 ( )( 订)( ) l r ( )i l ( 肛，a _ 1 )( m p a ) 黄土l