（岩土工程专业论文）软土地基排水固结法沉降速率研究.pdf

y 1 7 4 必 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h es e t t l e m e n tr a t eo f d r a i n a g ec o n s o d a t i o ni ns o f ts o i lf o u n d a t i o n m a s t e rc a n d i d a t e ：g u ol i a n g j u n s u p e r v i s o r ：p r o f l iz h a n g m i n g j u n e2 0 1 0 i n s t i t u t eo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 排水固结法作为一种软土地基处理方法，具有诸多优点。随着我国大规模的建 设热潮，排水固结法得到了进一步广泛应用。近年来，排水固结法在机理研究、施 工工艺、设计理论等方面都得到了较大发展，但是同工程实践相比理论还是相对滞 后。近来，排水固结法处理软土地基沉降计算理论也有了很大进步，但沉降及沉降 速率的准确计算比一般土工计算更具有技术性，目前沉降速率的理论计算值与实测 值仍然存在较大差距。关于沉降速率的控制标准也不尽一致。本文在前人工作的基 础上，以广州南沙泰山石化成品油库区软基处理工程和深圳大铲湾港区直排式真空 预压软基处理工程为背景，对影响沉降速率的各种因素进行了分析，并结合现场监 测数据分析计算了两个软基处理工程实例的沉降和沉降速率。本文的主要工作及成 果如下： l 、简要总结了排水固结法加固软土地基的方法和基本原理，并着重介绍了静 动力排水固结法和直排式真空预压法两种新型的软土地基处理方法。 2 、对软土地基沉降速率的影响因素进行了分析和总结，讨论了土体的渗透系 数，固结系数，压缩性，荷载情况，垂直排水通道间距，打设深度以及井阻涂抹作 用等因素对软基沉降速率的影响，并通过m i d a s g t s 有限元程序分析了荷载大小 对软基土沉降的影响。 3 、在一定的荷载条件下，通过理论分析和计算，得出软基土的沉降速率在渗透 系数较大( 1 0 - 5 c m s ) ，排水条件较好( 排水板间距为l m x l m ) 时可以达到l o o m m d 。 因此，对于地质条件( 渗透性) 差别较大的软基处理工程，应考虑所选地基加固方 案和工艺参数的不同，采用不同的沉降速率控制标准。 4 、基于现场监测数据分析了静动力排水固结和直排式真空预压作用下的固结规 律和沉降速率变化规律。并通过解析公式计算了直排式真空预压工程软土层的理论 沉降速率值。 5 、利用m i d a s g t s 有限元分析程序对排水固结法进行三维数值模拟计算，将 用砂井( 排水板) 加固的地基简化成渗透系数较大的天然层状地基进行计算，以达 到简化有限元计算的目的。从计算分析结果与实测结果的比较来看，选取的计算模 广东工业大学硕士学位论文 型和土体本构模型都较适合真空预压的有限元沉降计算。 6 、对现场实测数据分析结果，理论公式计算结果，三维有限元模拟计算结果进 行了对比分析。从三者的计算结果来看，吻合较好，说明本文选取的理论计算公式 和三维有限元分析模型都是合理可行。 7 、通过以上的分析计算，可以综合得出建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - 2 0 0 2 ) 等规范对排水固结法处理软土地基的沉降速率控制值是偏于保守的。对于不同的施 工条件和地质条件采用统一的沉降速率标准是不恰当的。 关键词：软土地基；静动力排水固结；直排式真空预压；沉降速率；解析分析；有 限元分析 n a bs t r a c t t h ed r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o da sak i n do fs o f ts o i lf o u n d a t i o nt r e a t m e n t m e t h o d ，i th a sm a n ya d v a n t a g e s w i t ht h em a s s i v ec o n s t r u c t i o nb o o mi nc h i n a ，d r a i n a g e c o n s o l i d a t i o nm e t h o dh a sb e e nf u r t h e rw i d e l yu s e d i nr e c e n ty e a r s ，t h em e c h a n i s ms t u d y , c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , a n dd e s i g n i n gt h e o r ye c t o nd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o d h a v eb e e ng r e a t l yd e v e l o p e d ，h o w e v e r , i nc o m p a r i s o nw i t ht h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ， t h e o r y i s l a g g i n gb e h i n d r e c e n t l y , t h ec a l c u l a t i o nt h e o r yo fs o f ts o i lf o u n d a t i o n s e t t l e m e n tw i t hd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o da l s oh a dt h ev e r yb i g p r o g r e s s ，b u tt h e a c c u r a t e l yc a l c u l a t es e t t l e m e n ta n ds e t t l e m e n tr a t ei sm o r et e c h n i c a l , t h e r ei ss t i l law i d e g a pf o rs e t t l e m e n tb e t w e e nt h e o r i e sv a l u e sa n da c t u a lm e a s u r e m e n t s o nt h es e t t l e m e n t r a t eo ft h ec o n t r o ls t a n d a r d sa r en o tt h es a m e i nt h i sp a p e r , b a s e do np r e v i o u sw o r k , i n t h eb a c k g r o u n do fg u a n g z h o un a n s h at i t a no i l d e p o ta r e as o f ts o i lp r o j e c ta n dt h e s h e n z h e nb a yp o r td a c h a nv e r t i c a lv a c u u mp r e l o a d i n gs o f ts o i l p r o j e c t a n a l y z e d v a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c tt h es e d i m e n t a t i o n r a t e c o m b i n i n gs i t em o n i t o r i n gd a t a ， a n a l y s i sa n dc a l c u l a t e dt h es u b s i d e n c ea n ds e d i m e n t a t i o nr a t eo f t w os o f tf o u n d a t i o n t r e a t m e n te n g i n e e r i n ge x a m p l e s t h em a i nr e s u l t so ft h i sp a p e r sa sf o l l o w s ： 1 c o n c i s es u m m a r i z e dt h ed r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o do fs o f ts o i lf o u n d a t i o n r e i n f o r c e m e n tm e t h o da n dt h eb a s i cp r i n c i p l e s ，e m p h a s i z ei n t r o d u c e dt w on e ws o f ts o i l f o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d sw h i c ha r es t a t i c - d y n a m i cd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o d a n dt h ed i r e c tv a c u u mp r e l o a d i n g 2 a n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h es o f t s o i lf o u n d a t i o n s u b s i d e n c er a t e ，m e a n w h i l e ，i td i s c u s s e dt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fs o i l ，c o n s o l i d a t i o n c o e f f i c i e n t ，l o a dc o n d i t i o n s ，t h ev e r t i c a ld r a i n a g ec h a n n e l s ，c o m p r e s s i b i l i t y , s p a c i n g ，t h e d r i v e nd e p t ha n dt h ew e l lr e s i s t a n c eo ns o f ts u b s i d e n c er a t e ，a n a l y z e dt h el o a ds i z eo nt h e i m p a c to fs o f ts o i ls e t t l e m e n tt h r o u g hm i d a s g t sf i n i t ee l e m e n tp r o c e d u r e s 3 u n d e rc e r t a i nl o a d i n gc o n d i t i o n s ，a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n , w e f o u n dt h a tt h er a t eo fs o f t s o i ls e t t l e m e n tc a nh er e a c h e d lo o m m di nt h eg o o d p e r m e a b i l i t y ( p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t10 。5c m s ) a n dg o o dd r a i n a g ec o n d i t i o n ( d r a i n i i i s p a c i n g l mxl m ) t h e r e f o r e ，f o rs o f t s o i l p r o j e c t w h i c hh a st h e g r e a t l y d i f f e r e n t g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，w es h o u l dc h o o s e d i f f e r e n ts u b s i d e n c er a t ec o n t r o ls t a n d a r d s c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c eo f f o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n ts c h e m ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r s 4 b a s e do nt h em o n i t o r i n gd a t a , i ta n a l y z e d t h e c o n s ol i d a t i o nr u l ea n d s e d h n e n t a t i o nr a t ev a r i a t i o nu n d e rt h es t a t i c d y n a m i cd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o d a n dt h ed i r e c tv a c u u mp r e l o a d i n gp r o j e c t m e a n w h i l e ，i tc a l c u l a t e dt h et h e o r yv a l u e so f s o f ts o i ls e d i m e n t a t i o nr a t eo ft h ed i r e c tv a c u u mp r e l o a d i n gp r o j e c tb yc a l c u l a t i o n f o r m u l a 5 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no nd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o do f s o f ts o i lb y u s i n gm i d a s g t sf i n i t ee l e m e n tp r o c e d u r e ，w ew i l lc a l c u l a t et h en a t u r a ll a y e r e ds o i l w i t hh i g hh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yw h i c hi ss i m p l i f i e df r o ms a n dw e l l s ( d r a i n ) s t r e n g t h e n e d f o u n d a t i o nt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fs i m p l i f y i n gt h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n t o c o m p a r ew i t ht h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e s e l e c t e d c a l c u l a t i o nm o d e la n dt h es o i lc o n s t i t u t i v em o d e la r es u i t a b l ef o rt h es e t t l e m e n to f v a c u u mp r e l o a d i n gf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n & c o m p a r a t i v ea n a l y s i sf r o mr e s u l t so f t h em o n i t o r i n gd a t a ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n r e s u i t sa 1 1 dt l l r e e d i m e n s i o n a lf m i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h er e s u l t so f t h r e ec a l c u l a t i o n s a r ei ng o o da g r e e m e n t i ts h o w st h a tt h et h e o r e t i c a lf o r m u l aa n dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n tm o d e la r er e a s o n a b l ea n df e a s i b l e 7 t h ea b o v ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nc a nh es u m m a r i z e dt h a t ”b u i l d i n gf o u n d a t i o n s t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ”( j g j 7 9 2 0 0 2 ) o nd r a i n a g e c o n s o l i d a t i o ns o f tf o u n d a t i o n s e t t l e m e n tr a t ec o n t r o lv a l u ei st o oc o n s e r v a t i v eu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s f o rd i f f e r e n t c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n su s et h eu n i f i e d s e d i m e n t a t i o nr a t e s t a n d a r di si n a p p r o p r i a t e k e y w o r d s ：s o f ts o i lf o u n d a t i o n ；s t a t i c d y n a m i cd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o d ； d i r e c tv a c u u mp r e l o a d i n g ；s e t t l e m e n tr a t e ；a n a l y t i c a la n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v c o n t e n t s v i i i 第一章绪论1 1 1 软土地基加固沉降速率的研究意义及应用前景l 1 2 研究现状。3 1 3 本文的主要研究内容7 第二章排水固结法加固软土地基方法特点讨论8 2 1 排水固结法加固软土地基基本原理8 2 2 静动力排水固结法。l l 2 2 1 发展简介1 l 2 2 2 加固机理12 2 2 3 关键施工工艺1 5 2 3 直排式真空预压法1 7 2 3 1 发展简介1 7 2 3 2 加固机理一1 8 2 3 3 关键施工工艺1 9 2 4 本章小结2 3 第三章软土地基沉降速率影响因素2 4 3 1 概述2 4 3 2 软基土性质影响因素2 4 3 2 1 渗透系数2 4 3 2 2 固结系数2 7 3 2 3 井阻及涂抹作用3l 3 3 荷载因素3 4 v 广东工业大学硕士学位论文 3 3 1 静荷载3 4 3 3 2 动荷载3 6 3 4 排水系统3 7 3 4 1 水平排水系统3 7 3 4 2 垂直排水系统3 7 3 5 其他影响因素4 2 3 6 本章小结4 4 第四章软基沉降速率计算理论方法与实例分析4 5 4 1 竖井地基固结度4 5 4 2 沉降速率计算方法4 7 4 2 1 均质地基上施加单级荷载的沉降速率4 8 4 2 2 均质地基上施加多级荷载的沉降速率4 9 4 3 软基沉降速率控制值讨论5l 4 4 沉降速率实例计算分析5 4 4 4 1 大铲湾港区预压前期沉降速率分析5 4 4 4 2 大铲湾港区预压期沉降速率分析5 5 4 4 3 成品油库区施工期沉降速率分析5 9 4 5 沉降速率的理论计算分析“ 4 6 本章小结6 6 第五章典型工法下软土地基沉降的有限元分析6 8 5 。lm i d a s g t s 有限元软件6 8 5 2 塑料排水板地基简化计算方法6 8 5 2 1 单层竖井地基简化6 8 5 2 2 多层地基简化7 0 5 3 直排式真空预压简化有限元计算方法7 l 5 4 确定计算模型一7 2 5 5 工程算例7 3 5 5 1 计算参数的选取7 3 5 5 2 边界条件及有限元网格划分7 4 5 6 计算结果分析。7 6 v l 目录 5 6 1 软土层沉降结果和沉降速率分析7 6 5 6 2 荷载大小对沉降影响分析。7 7 5 7 本章小结7 8 结论与展望7 9 主要结论7 9 展望8 0 参考文献8 2 在学期间发表的与学位论文内容相关的学术论文8 6 独创性声明8 7 致谢一8 8 v u 1 1t h ep r o s p e c ta n ds i g n i f i c a n c ea b o u ts o f ts o i lf o u n d a t i o n s e t t l e m e n tr a t e 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 3 1 3t h em a i nc o n t e n t so f t h i sa r t i c l e 7 c h a p t e r2d r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o dr e i n f o r c e m e n t s o f ts o i lf o u n d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sd i s c u s s i o n 8 2 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o d 8 2 2s t a t i c d y n a m i cd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o d 11 2 2 1i n t r o d u c t i o no fd e v e l o p m e n t 1 1 2 2 2r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m 1 2 2 2 3k e y t e c h n o l o g y 15 2 3d i r e c tv a c u u mp r e l o a d i n g 17 2 3 1i n t r o d u c t i o no fd e v e l o p m e n t 17 2 3 2r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m 18 2 3 3k e y t e c h n o l o g y “1 9 2 4s u m m a r y 2 3 c h a p t e r 3s o f ts o i lf o u n d a t i o ns e t t l e m e n tr a t ei n f l u e n c i n gf a c t o r s 2 4 3 1o v e r v i e w 2 4 3 2s o f ts o i li n f l u e n c i n gf a c t o r s 。2 4 3 2 1p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t 2 4 3 2 2c o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n t 2 7 3 2 3w e l lr e s i s t a n c ea n dd a u bf u n c t i o n 31 3 3l o a d i n gf a c t o r s 3 4 v m c o n t e n t s 3 3 1s t a t i cl o a d 。3 4 ：；：；2d y n a m i cl o a d 3 6 3 4d r a i n a g es y s t e m 3 7 3 4 1l e v e ld r a i n a g es y s t e m 3 7 3 4 2v e r t i c a ld r a i n a g es y s t e m 3 7 3 5o t h e rf a c t o r s 4 2 3 6s u m m a r y 4 4 c h a p t e r 4s o f tg r o u n ds e t t l e m e n tr a t ec a l c u l a t i o nt h e o r ya n dp r o j e c ts t u d y 4 5 4 1c o n s o l i d a t i o nd e g r e eo fv e r t i c a ld r a i n a g ef o u n d a t i o n 4 5 4 2c a l c u l a t i o nm e t h o do fs e d i m e n t a t i o nr a t e 4 7 4 2 1h o m o g e n e o u ss i n g l e s t a g el o a da p p l i e dt of o u n d a t i o ns e t t l e m e n tr a t e 4 8 4 2 2h o m o g e n e o u sm u l t i - l e v e ll o a da p p l i e dt of o u n d a t i o ns e t t l e m e n tr a t e 4 9 4 3s o f tg r o u n ds e t t l e m e n tr a t ec o n t r o ld i s c u s s 51 4 4s e d i m e n t a t i o nr a t ee x a m p l e sc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s 5 4 4 4 1d a c h a nb a yp o r ts e t t l e m e n tr a t ea n a l y s i sb e f o r ep r e l o a d i n gp e r i o d 5 4 4 4 2d a c h a nb a yp o r ts e t t l e m e n tr a t ea n a l y s i sa tp r e l o a d i n gp e r i o d 5 5 4 4 3o i ld e p o ta r e as e t t l e m e n tr a t ea n a l y s i s 5 9 4 5t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fs e d i m e n t a t i o nr a t e 6 4 4 6s u m m a r y 6 6 c h a p t e r5t y p i c a l c o n s t r u c t i o nm e t h o d sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o fs o f t f o u n d a t i o n 6 8 5 1m i d a s g t sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e 6 8 5 2p l a s t i cd r a i n a g ep l a t ef o u n d a t i o ns i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nm e t h o d 6 8 5 2 1s i n g l ev e r t i c a ld r a i n a g ef o u n d a t i o ns i m p l i f i e d 6 8 5 2 2m u l t i l a y e rf o u n d a t i o ns i m p l i f i e d 7 0 5 3d i r e c tv a c u u mp r e l o a d i n gm e t h o ds i m p l i f i e st h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n 7 1 5 4d e t e r m i n et h ec a l c u l a t i o nm o d e l 7 2 5 5p r o j e c te x a m p l e s 7 3 5 5 1c a l c u l a t i n gp a r a m e t e rs e l e c t i o n 7 3 5 5 2b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e s h 7 4 5 6c a l c u l a t i o nr e s u l t s 7 6 5 6 1s o f ts o i ls e t t l e m e n tr e s u l t sa n ds e d i m e n t a t i o nr a t ea n a l y s i s 7 6 5 6 2l o a ds i z eo fs e t t l e m e n ta n a l y s i s 7 7 5 7s u m m a r y 7 8 s u m m a r ya n do u t l o o k 7 9 s u m m a r y 7 9 o u t l o o k j 8 0 r e l e r e n c e 8 2 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gg r a d u a t ee d u c a t i o np e r i o d 8 6 s t a t e m e n to fo r i g i n a l i t y 8 7 a c k n o w l e d g e m e n t 8 8 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 软土地基加固沉降速率的研究意义及应用前景 我国国民经济飞速发展，仓库、码头、机场、高速公路等基础设施的大量兴建。 地基好坏直接关系到建( 构) 筑物成功与否，也往往成为整个建设阶段至关重要的 环节。我国幅员辽阔，地质情况各异，地基的处理形式纷繁复杂，随着对地基的要 求越来越高，需要处理的软土地基的难度及工程量不断加大。 软土是软弱性粘土的简称，广泛分布于我国东南沿海和华南地区。在软土地 基加固的理论、设计与施工n 一书中，对软土有一个比较详细准确的定义：软土 一般是指在静力或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物，其直径小于0 i m m 的颗粒一般占土样重量的5 0 以上。软土天然含水量大、压缩性高、承载能力低、 渗透性小，是一种呈软塑到流塑状态的饱和黏性土。工程上将淤泥、淤泥质土及泥 炭、泥炭质土、冲填土、杂填土和饱和含水黏性土统称为软土。软土按环境可分为 下列四类：滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉积及沼泽沉积妇，。 软土地基承载力低，在荷载作用下，沉降变形较大，容易产生较大的不均匀沉 降，且沉降稳定历时较长，因此在软基上修筑建筑物一直是个技术难题。因为在软 基上修筑建筑物或进行加载时，地基在外荷载作用下会产生很大的变形，且持续时 间长，其沉降量无论是通过理论计算还是预测都会因为很多不确定因素而出现很大 的误差。加上地基强度小，其上施加荷载时，又很容易失稳。因此，沉降和稳定问 题多年来都显得尤为突出，国内外专家学者都给予了高度重视，并进行了大量的研 究工作，在理论和实践上都取得了一些成就。尽管地基沉降计算理论有了很大进步， 但沉降及沉降速率的准确计算比一般土工计算更具有技术性，目前沉降速率的理论 计算值与实测值仍然存在较大差距。当前控制施工进度的标准通常有两种方法，即 根据剩余沉降( 工后沉降) 判断和根据当前