（道路与铁道工程专业论文）高等级公路动力固结加厚硬壳层处理方法的研究.pdf

摘要 在我国沿海及内陆湖泊地区，公路工程建设中经常遇到软土地基。通常在软 土地基上覆盖有一层工程性质较好的硬壳层，该土层具有较高的强度和较低的压 缩性，如果加以合理地利用，将会极大的节省工程造价。本文就是针对软土地基 上硬壳层的作用机理以及承载变形等工程特性进行较为深入、系统的研究，进而 证实低路堤高等级公路采用动力固结加厚硬壳层方法处理软土地基适用性。 首先，本文采用有限元软件( p l a x i s ) 对硬壳层软土地基的应力分布特性以 及固结沉降进行了大量分析研究，研究表明：硬壳层的存在对下卧软土层起到应 力扩散作用，应力扩散效应对地基沉降值的降低起主要作用。 其次j 通过有限元软件( p l a x i s ) 对动力固结法( 冲击压实法) 处理软土路 基进行了瞬态动力学数值模拟，揭示了软土路基在冲击压实作用下的应力应变规 律，阐明了冲击压实法处理软土路基的加固效果。 第三，本文研究了软基处理中普遍采用的方法，运用价值工程理论指出对于 低路堤一般路段采用动力固结加厚硬壳层方法处理软基具有不可比拟的优越性。 最后，本文对温州滨海大道软基处理进行试验研究。在软土地基处理中采用 了动力固结加厚硬壳层的方法处理，证实其实用性。 总之，本文针对软土地基普遍存在硬壳层的实际情况，应用有限元软件模拟 分析了含有硬壳层软土地基的应力分布、固结沉降、动力固结沉降等各种工况， 采用了价值工程理论说明了冲击压实方法的优越性，研究成果对于低路堤高等级 公路处理一般路段具有十分重要的现实意义。 关键词：硬壳层；冲击压实；有限元；价值指数；低路堤；温州滨海大道 a bs t r a c t i no u rc o u n t r yc o a s ta n dt h ei n t e r i o rp l a i na r e a , e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o no f t e nm e e t s t h es o f ts o i lg r o u n dt o p p i n gt oh a v eah a r dc r u s tf o u n d a t i o n t h j se a r t hh a st h eh i g h i n t e n s i t ya n dt h el o wc o m p r e s s i b i l i t y , i fp e r f o r m st ou s er e a s o n a b l y , t h ee n o r m o u s e c o n o m i c a lb u i l d i n gc o s to fp r o j e c t s t 1 1 i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h i sp r o j e c tt h ea c t u a l s i t u a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r es i m u l a t i o na n a l y s i si n c l u d i n gt h eh a r d s h e l l l e v e ls o f ts o i lg r o u n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n ，t h ec o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ts i t u a t i o n a n d u s e dt h ev a l u ee n g i n e e r i n gt h e o r yt oe x p l a i nt h ei m p a c tc o m p a c t i o nm e t h o ds u p e r i o r i t y f i r s t ，t h i sa r t i c l eu s e df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ( p l a x i s ) h a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c h t ot h eh a r dc r u s tf o u n d a t i o ns o f ts o i lg r o u n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ca sw e l la s t h ec o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t p o i n t e do u tt h a tt h eh a r dc r u s tf o u n d a t i o nt oi n s t a l l st h e s o f ts o i l l e v e lt op l a yt h ed i f f u s i o no fs t r e s sr o l e t h ed i f f u s i o no fs t r e s se f f e c tr e d u c e s t h el e a d i n gr o l et ot h es e t t l e m e n to fg r o u n dv a l u e s e c o n d ，( p l a x i s ) ( i m p a c tc o m p a c t i o n ) p r o c e s s e dt h es o f ts o i lr o a d b e dt h r o u g ht h e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et ot h ep o w e rs o l i d i 研n gl a wt oe a r l yo nt h et r a n s i e n ts t a t e d y n a m i c sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，h a sp r o m u l g a t e dt h es o f ts o i lr o a d b e du n d e ri m p a c t c o m p a c t i o nf u n c t i o ns t r e s s s t r a i nr u l e ，h a se x p o u n d e dt h ei m p a c tc o m p a c t i o nl a w p r o c e s s i n gs o f ts o i lr o a d b e dr e i n f o r c e m e n te f f e c t 眦r d ，t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dt h em e t h o dw h i c hi ns o f tb a s ep r o c e s s i n gu s e s g e n e r a l l y , u s e st h ev a l u ee n g i n e e r i n gt h e o r yt op o i n to u ti m p a c tc o m p a c t i o nm e t h o d w h e np r o c e s s i n gs i m i l a rs o f tb a s eh a st h es u p e r i o r i t y f i n a l l y , t h i sa r t i c l ec o n d u c t st h ee x p e r i m e n t a ls t u d yt ow e n z h o ub i n h a im a i nr o a d s o f tb a s ep r o c e s s i n g u s e dp o w e rs o l i d i f y i n gi nt h es o f ts o i lg r o u n dt r e a t m e n tt ot h i c k e n t h eh a r ds h e l l l e v e lm e t h o dp r o c e s s i n g c o n f i r m e di t su s a b i l i t y i nb r i e f , sa r t i c l ei nv i e wo fs o f ts o i lg r o u n du n i v e r s a le x i s t e n c eh a r ds h e l l l e v e la c t u a ls i t u a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r es i m u l a t i o na n a l y z e d i n c l u d e dt h eh a r ds h e l l l e v e ls o f ts o i l g r o u n ds t r e s sd i s t i l b u t i o n t h ec o n s o l i d a t i o n s e t t l e m e n t ，t h ep o w e rc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ta n ds oo ne a c hk i n do fo p e r a t i n gm o d e u s e dt h ev a l u ee n g i n e e r i n gt h e o r yt oe x p l a i nt h ei m p a c tc o m p a c t i o nm e t h o ds u p e r i o r i t y , 力摇r e s e a r c hr e s u l t sh a v et h ev e r yv i t a l p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c er e g a r d i n gt h el o w e m b a n k m e n tf i r s t - c l a s sh i g h w a y p r o c e s s i n gg e n e r a lr o a ds e c t i o n k e y w o r d s ：h a r dc r u s tf o u n d a t i o n ；i m p a c tc o m p a c t i o n ；f i n i t ee l e m e n t ；v a l u ei n d e x n u m b e r ；l o we m b a n k m e n t ；w e n z h o ub i n h a im a i nr o a d 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杏论诊 日期：o 矽了年3 月巧日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：杏伦论指导教师签名： 日期：耖吖年；月巧日 日期：乙年弓月j 日 j 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：苍玲珍 日期：研年；月巧日 醐、r 夕澈 7 月厶6 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖t 匕 1 1 低路堤软土地基的一般处理方法 1 1 1 1 氐路堤软土地基的介绍 软土地基一般由含大量粘土和粉砂土的一类细粒土，由大孔隙的有机质泥浆 及松砂等土层构成。这些土层堆积越新，地下水位越高，堆积在土层的厚度越薄 或者密度越小且作用在覆盖土压力小的情况下其性质越坏而形成较多的软土地 基。在道路施工中，软土地基的低路堤。经常出现一些病害，如水毁、翻浆。很 少存在象高路堤那样的稳定和侧向位移，以及施工中大的沉降等问题，开放交通 后，经常发生路面不平整和路面破坏的现象。其原因如下： 由于软土层上的路堤较低，路槽不能得到充分压实，很难达到要求的承载 力。 由于地下水位相对较高，地下水上升至路槽附近，路基的承载力容易降低。 交通荷载不能在路堤中充分扩散再传递到软土地基上，因而加剧了地基的 变形沉降。 交通荷载引起的震动容易直接传递到软土地基上。 地基土层的不均匀性影响到路堤上。 1 1 2 低路堤软土地基的处理措施 在道路路堤和路面荷载引起的沉降的基础上，增加了开放交通后的新沉降。 这种沉降是由交通荷载引起的。针对上述问题，基本上可以采取如下三项措施。 采用刚性大的路堤。 改善路堤内的排水。 减少基础地基表层的沉降，同时提高强度和均匀性。 对于l 、2 两项措施可以选择碎石土、砾石土、中砂及粗砂等透水性好，摩阻 系数大，强度高，水稳定性也好的填筑材料，并进行充分压实等措施。 对于第3 项措施的有效处理方法拦副如下： 1 ) 表层处理法： a 、砂垫层法：在软土地基上铺设厚度为o 5 一1 2m 左右的砂层，用于加 速固结排水，防止地下水上升到路堤内。 b 、铺垫法：为防止地基局部剪切破坏。在地基表面铺设抗剪强度或抗拉强度 高的材料，以达到分布与承受路堤荷载的目的，如使用化学纤维布，树脂网等。 c 、稳定剂处冶：将稳定剂渗入软弱的表层粘土中，改善地基的压缩性，强度 特性。同时提高路堤填料的稳定性及压实效果，如常使用生石灰、消石灰、水泥 2 第一章绪论 等稳定剂。 d 、表层排水法：在表层设置盲沟，改善排水状况，使地基得到改善。不过和 砂垫层样不能立时见效。 2 ) 压重法：为防止路堤上或邻接路堤设置的路面或构造物，或者埋设在路堤 的构造物产生有害的沉降及破坏，而加速固结沉降，预先使土地基沉降，同时提 高地基强度。预先填筑大于交通荷载的超压荷载，以减小开放交通后交通荷载引 起的沉降。 3 ) 换填法：用好土替换受交通荷载影响大的表层软土部分，以减少交通荷载 引起的沉降。 4 ) 挤实砂桩法：用冲击或振动荷载，将砂挤进地基中，形成砂桩的一种方法。 5 ) 石灰桩法：用打砂桩的方法，在粘性土地基中用生石灰做成桩体，通过生 石灰的消解、吸水、继而生成水化物和毛细管的吸水作用，降低粘性土中的含水 量，从而提高路基强度减小沉降。设置挤实砂桩或石灰桩，都是为改善表层地基， 以减小交通荷载引起的沉降。 各种方法之中，以改善路堤内的排水最为实用，这是因为该法可以直接利用 路堤本身的荷载作为预压荷载，经济实惠，技术也相对成熟。而其余方法，造价 相对较高。本文介绍的地基处理方法是兼有排水固结、振动密实和垫层的综合处 理方法。即浅层动力固结加厚硬壳层地基处理方法。 1 2 硬壳层成因及变形介绍 1 2 1 硬壳层软基变形规律分析 软土地基顶面通常都存在一个“硬壳层 ，目前国内外对硬壳层只是作为软土 的相对概念提出的，并没有具体的物理、力学指标，即软土层上呈软塑一硬塑状 态、力学性质比下卧软土层稍好的表土层。由于硬壳层的强度相对较高，自然就 成了软基工程研究利用的目标。 c a l d e n i u s ( 1 9 2 5 ) 在一篇报告中讨论了土质条件和路堤地基承载力之间的相 关关系。他把干的硬壳层分成与它的抗剪强度有关的三个部分，并把重力式触探 方法所得的结果考虑在分析中。太沙基u 1 驯和佩克( 1 9 4 8 ) 尝试计算覆盖在软弱土层 上的硬层承载力，他们假定上面土层的主要作用是把基础荷载扩散在其下卧层上， 由此来减少基础荷载的强度。h e l e n e l u n d ( 1 9 5 3 ) 也考虑了干硬壳层对承载力所起 的作用，他建议在计算中只能考虑取用实际硬壳层的一半厚度。他也发现较薄软 土和泥炭软土硬壳层的存在，大大有助于提高低路堤地基的承载力。雅各布森等 人( 1 9 7 7 ) 把圆形基础埋置于软土层上的砂垫层中，进行了大量的模型实验。陈国 靖( 1 9 8 6 ) 根据京津塘高速公路的资料，提出硬壳层具有扩散应力、减小不均匀沉 第一章绪论 3 降、减少地基沉降量及增加固结度的作用。郭灿华( 1 9 9 0 ) 曾根据萃松公路软土地 基沉降测试资料提出，当表土层存在1 5 - 3 o m 的硬壳层时，天然地基上的最佳 填土高度为2 5 m 左右，即在此情况下可不对地基进行处理。金吉寅等人( 1 9 9 1 ) 针 对上海地区软土地基的情况，将低路堤沉降较小的原因归结为三方面：一是由于 地表以下4 o m 土层处于超固结状态，超固结比有时可达8 左右；二是由于粘土中 的初始水力梯度较大，当外荷载较小时，粘土中的超静水压力很难完全消失，所 以沉降较小；三是由于硬壳层的存在，使其传到软弱下卧层的附加应力大大地减 小。郝传毅等人( 1 9 9 3 ) 则认为，即使路基填土高度较大时，硬壳层对地基沉降仍 具有一定的影响。这是因为硬壳层的存在，使该层承担了更多的荷载，从而减小 了软弱下卧层所承担的荷载比例。王善庆认为硬壳层处于超压密状态，提出了2 3 米高的路堤不作地基处理，更不能因施工而扰动原地基的观点。张留俊( 1 9 9 9 ) 根据石安高速公路试验工程指出：硬壳层在高路堤作用下，随着变形的增大对应 力扩散作用在减小，但对路堤稳定作用不因其变形而丧失，变形后硬壳层起到反 压护道作用。 综上所述，大部分研究成果说明的问题可归结为硬壳层的扩散作用或支撑作 用。 1 2 2 硬壳层的成因及定义 当沉积层的表面暴露到空气中时，靠近表面的土就开始变干。由于蒸发失水， 较深土层中的水在毛细作用下向着表面流动。随着毛细水的上升，孔隙水压力减 少到负值，接着就引起有效应力的增加。毛细水土颗粒表面形成的张力与超载起 着相同的力学作用。如果粘土沉积的压缩性很大，则由表面蒸发引起的干燥可以 明显地减小孔隙比，使土层具有干硬剂2 l 】的特性( t e r z a g h i ，1 9 5 5 ) 。 在干硬壳下面，化学风化结合淋滤作用形成了一个风化带，通常将不排水抗 剪强度达到最小值的那个深度作为是风化带的底部。 干硬壳的厚度主要由气候条件( 例如潮湿的或干燥的气候) 以及地下水位的高 度和季节性升降所决定，风化带的深度受粘土渗透性的影响。在工程术语中，往 往把干硬壳和风化带一起称为风化壳，或简称硬壳。 我国交通部科研所提出硬壳层划分标准【6 】为：稠度矿 0 5 ，孔隙比e 2 ，凝聚力c 。 1 5k p a 的表土层，可看成硬壳层。当其厚度 大于1 5 米时，才有利用价值。 4 第一章绪论 1 3 冲击压实的原理及性能特点简介 1 3 。 冲击压窦的工作原理 土体在压实过程中，压实机械所产生的应力使一定深度范围内的土体颗粒重 新排列并挤密，土的密度和强度随之提高，土体渐渐由塑性状态变为弹塑性状态， 直到弹性状态。土体只有在弹性状态下才能够承受一定的荷载两不变形。很显然， 加大作用于土体的冲击能量，可以增加影响深度，提高土体的密实度，从而更容 易使土体达到弹性状态。正是利用这一原理【1 1 , 1 3 】，最早由南非a u b r e yb e r r a n g e 发明了冲击压实机，这种枧械的冲击能较传统的振动压路机大6 i 0 倍，影响深 度大3 - - - 4 倍。 传统压路机压实轮为圆形，有的带有羊角，主要依靠振动力和静重压力的共 同作用克服土颗粒闻的摩擦力，使土颗粒产生位移并填充空隙丽达到密实状态。 丽冲击压实视最显著的特点是压实轮形状是将传统圆形轮改为非圆形一三边形、 四边形或五边形，这种轮子有一系列交替排列的凸点和冲压面。在行进过程中， 由配套的大功率牵引车带动“凸轮”滚动前进，冲击压实轮的凸点交替抬升与下 落，从焉在行驶滚动中产生集中冲击能量，同时辅以滚悉、揉压的综合作用，连 续对土体产生碾压作用而使土体达到密实，其工作原理如图1 1 ： 图1 1 冲击压实机工作的基本原理图 f i g 。1 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo fi m p a c tc o m p a c t i o nm a c h i n e 冲击压实机的冲击能是由压实机轮轴组件的质量、压实轮向量半径差所产生 的势能所决定的，可按一下式计算： e = m g h 式中：e - 势能( 1 ( j ； m 一冲击压实机轮轴组件的总质量( k g ) ； g _ 重力加速度，通常取9 8 m s 2 ； 魏一轮子内外半径差筐( 浆) 。 当冲击压实机的轮轴组件质量m 为1 2 t ，压实轮向量半径差值h 为2 2 c m 时， 由上式计算得该冲击压实机冲击能为2 5 k j 。这也是三边形冲击压实机的冲击能量。 冲击压实枫行进时压实轮对体所产生的冲击力，根据动量和冲量原理可按 下式计算： n - - ( m v i m v 。) t 第一章绪论 5 式中：n 一冲击力( n ) ； v 。一压实轮的终速度( m s ) ，v ，= o ； v z 一压实轮的始速度( m s ) ； t 一时间变量( s ) 。 压实轮的始速度与其线速度有关，线速度由牵引车的牵引速度决定，通常为 9 k m h , - 一1 5 k m h 。当按1 2 k m h 计算时，压实轮的始速度为3 3 3 m s ；冲击作用时间 与压实轮作用于土体长度有关，若取作用长度为0 0 3 3 3 m ，则冲击作用的时间为 0 o l s 。将上述压实轮的始速度及作用的时间代入n = ( m v 。- m v ：) t ，则冲击力计算 如下： u - _ ( m y 。一n l v 2 ) t 4 0 0 0 0 0 0 n = 4 0 l o 。k n 即以轮轴组件质量为1 2 t 的三边形轮子计算，该冲击压实机的冲击力最大可 达4 o x1 0 。k n ，但实际上受各种条件的限制，冲击力一般小于4 o 1 0 。k n ，在3 0 4 0 l o 。k n 之间。 1 3 2 冲击压实机的性能特点 大振幅低频率的振动 冲击压实机振动振幅为0 2 2 m ，其频率在正常速度时为2 h z 。而振动压路机振 动振幅一般为2 m m ，频率一般为2 5 - 3 5 h z 。振幅的大小不同对土体的作用效果的差 别，可用锤子砸钉子的比方来说明。当锤子静止地压钉子时，振幅为0 ，钉子几乎 不下降，当锤子用小振幅高频率击打钉子时( 即轻轻而快速地砸) ，钉子能被砸下 一点，若用大振幅低频率击打钉子时( 即将锤子轮得很高地砸) ，可能一锤就能把 钉子砸入被钉物件中。冲击压实机与普通振动压路机对土体的作用效果就可以用 以上比方说明。 填方厚度大 传统的压实方法填土厚度每层为3 0 ，- - - 4 0 c m ，施工周期长、成本高。而冲击 压实技术填土厚度每层可达8 0 1 2 0 c m ，打破了只有分薄层才能压实的传统方法。 压实速度快，工程效率显著 冲击压实机两个非圆形压实轮宽度合计约2 m ，压实过程中行进的速度按 1 2 k m h 计，填土厚度按0 8 m 计，压实遍数按4 0 遍计；传统的压实机宽度2 m ，行 进速度按3 5 k m h 计，填土厚度按0 3 m 计，压实遍数按8 遍计。在达到相同压实 度的情况下，冲击压实机每小时压实土体体积是传统压路机的近2 倍。 6 第一章绪论 1 4 本课题的工作思路和研究内容 在软土地区修筑高速公路，多年来一直是公路建设的一个重大技术课题。由 于计算理论、数学模式、各地软土特点的不同等一系列差异使软基问题更为复杂 和突出，多年的高速公路建设表明，软土路堤是高速公路建设问题集中地段，软 基问题也是影响工期、造价的重要因素。温州滨海新区属滨海淤积平原，地形平 坦，滨海大道沿线地基地下水位较高，主要土层类型为高含水量、高孑l 隙比、高 压缩性、高灵敏度和低抗剪强度等特性的淤泥、淤泥质粉质粘土、粉质粘土( 俗 称硬壳层) 以及少量的有机质土。一般路段为低路堤，附加荷载较小。根据高等 级公路要求、软土特性，实践工程中充分利用软土地基上层硬壳层特点，采用了 动力固结加固加厚硬壳层方法，在温州滨海大道获得了成功。本文在总结国内外 既有研究成果的基础上，主要研究内容如下： 采用有限元软件p l a x i s 首先对硬壳层软土地基的应力分布特性进行了研 究，分析了塑性变形发展、硬壳层的各种参数( 包括厚度变化、弹性模量变化、 泊松比) 对应力分布的影响规律，其次建立了含上覆硬壳层的软土地基二维平面 应变固结沉降分析模型，计算分析了硬壳层对地基固结沉降的影响规律。 通过有限元软件p l a x i s 对冲击压实法处理滨海相软土路基进行了瞬态动力 学数值模拟，揭示了温州滨海大道软土路基在冲击压实作用下的应力应变规律， 阐明了冲击压实法处理滨海相软土路基的加固效果。 介绍温州地区地基处理中常用的其他方法( 水泥搅拌桩+ 土工格栅法、水泥 搅拌桩法、塑料排水板真空联合堆载预压法、粉喷桩法、强夯法) 。将它们与冲击 压实方法的施工速率、经济效益、工程质量进行综合对比分析。 介绍温州滨海大道软基处理的试验情况，证明动力固结加厚硬壳层的方法 在低路堤高等级公路处理一般路段具有十分重要的现实意义。 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 7 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 2 1 概述 地基的上部土层是地基承载的关键部位，位于地表的具有较高强度和相当大厚 度的硬壳层，与下面的软土形成较为鲜明的强度差和刚度差，这种由土层构成的 低刚度水平和大厚度的结构，在荷载作用下呈现一种特殊的承载方式，一种柔性 的却又类似板体性的承载方式，使地基的应力分布和承载变形规律产生一系列特 有的性质。大量实测资料表明，自地基加载到破坏的过程中，不同的阶段硬壳层 对地基中应力分布的影响也不同【6 j 。 扩散效应 硬壳层在低荷载水平时具有板体支撑作用。当荷载较小时，地基中大部分应 力集中在硬壳层内，地基表现出明显的板体性承载特征，软土中的应力很小，并 且随深度迅速衰减：而当荷载较大时，虽然板体性作用的削弱使硬壳层内的应力集 中程度越来越小，但硬壳层和软基的强度差和刚度差作用，仍然使地基中的应力 大量地聚集在地基的上部。 封闭效应 较薄的硬壳层象一种柔性的板体覆盖在厚度较大的易流动的软土层上，当荷 载作用于硬壳层并向下传递时，硬壳层下沉变形，其下软土便类似于液体那样向 周围挤压。由于表层硬壳层的封闭约束，会使软土层中产生较大的附加压力，尤 其是产生较大的水平附加压力。王锡朝等通过模型试验，研究了地表硬壳层受条 形均布荷载时，下卧淤泥层内的水平应力。结果表明，在硬壳层的封闭下，淤泥 层内水平应力随条形均布荷载的增加成幂函数的形式增长，且淤泥层内水平应力 具有较高的数值，地表荷载在淤泥层内具有较大的影响范围。 滞后效应 硬壳层板体效应的产生至消失过程具有对上部荷载应力的滞后作用。在加载 的初期，如果荷载不超过一定范围，硬壳层的结构性完好无损，荷载基本上可由 硬壳层承担并扩散到路堤下相当大的范围，软土中的应力和变形很小。如果荷载 超过一定范围，地基的弹性平衡将被打乱，变形的增大会削弱硬壳层的板体性作 用，荷载扩散面减小，软土上的应力大幅度增加，塑性变形迅速发展。尽管如此， 这时硬壳层内仍然具有很强的应力集中，硬壳层仍然承担着很大部分荷载。如果 荷载再继续增加，硬壳层的板体作用将受到严重破坏，地基变形很大，荷载由在 硬壳层内集中逐渐在变形中调整为硬壳层和软土自然地承担，软土上的应力大量 增长。可见，硬壳层板体效应的产生至消失过程中，应力的发展具有明显的滞后 效应。 8 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 反压作用 硬壳层起反压护道的作用。应力滞后阶段之后，随着荷载的增加，软土层发 生较大的压缩变形并伴随明显的侧向挤出变形，此时，由于硬壳层相对于下卧层 有明显的强度差和刚度差，对周边土体的挤出变形起到盖压的作用，反应在土压 力的变化即出现中心土压力增大的同时，比较平稳的路堤坡脚外侧的土压力又开 始增大，说明由于软土层的压缩产生的侧向变形对其上硬壳层产生了向上的作用 力，也说明了硬壳层此时在起着反压护道的作用。 本文采用有限元软件p l a x i s 对均质软土地基和硬壳层软土地基在平面应变条 件下的应力分布进行模拟分析并且对含硬壳层软土地基进行沉降模拟分析。地基 土材料模型分别采用弹性、弹塑性材料模型、软土模型，得出一些有意义的结论。 2 2pla xis 程序简介及本构模型 2 2 1pia xis 程序简介 p l a x i s 程序能够计算三类工程问题：平面应变问题、轴对称问题、三维轴对 称问题。本文所使用的p l a x i s 1 9 ，2 2 】的版本只包括前两部分。对于平面应变问题， 假定垂直与横断面方向上的位移为0 。因而，堤坝、公路路基等许多问题都可以作 为平面应变问题来处理。轴对称问题假定任一半径方向断面上的应变、应力都相 同。对于轴对称问题，x 轴代表半径的方向，y 轴代表轴线方向。 p l a x i s 程序能够分析的计算类型有：( 1 ) 变形( 2 ) 固结( 3 ) 分级加载( 卸载) ( 4 ) 稳定 分析( 5 ) 渗流计算，并且还能考虑低频动荷载的影响。 2 2 1 1 程序组成 几何参数和力学参数的输入 在这个阶段，用户可以方便的为要计算的问题建模，选择网格剖分的精度， 并可以进行网格的自动剖分和优化。接下来根据需要计算水压力和初始土压力。 为了获得较高的精度，在建模过程中，必须取足够大的计算范围，并应使假定的 边界条件尽可能接近真实状态。p l a x i s 程序在处理边界时，对于下边界采用位移 u x = o ，u y ：o 的约束边界；当左右边界垂直于下边界时，采用了水平位移u x = o 的 约束边界，否则，则采用自由边界；上边界则为自由边界。对于渗流和固结问题， 还应根据实际情况确定边界的透水性问题。 p l a x i s 程序在进行网格划分时，采用6 节点三角形单元和1 5 节点三角形。单 元两种单元形式( 如图2 1 所示) 。一般情况下6 节点三角形单元就可以满足精度要 求。对于精度要求较高的特殊问题( 如轴对称问题) ，可采用1 5 节点三角形单元。 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 9 6 节点单元 1 5 节点单元 图2 1 网格划分单元 f i g 2 1 g r i dd i v i s i o nu n i t 计算过程 在计算过程中，用户可以选择所需的计算类型，确定计算所需参数( 如计算的 步骤，施工、固结的天数等) ，对计算的过程进行定义。p l a x i s 程序的计算类型共 分三类：塑性计算、固结计算、优化的网格计算( 有限元网格发生了变形) 。塑性计 算主要是处理开挖、填筑、加载、卸载、渗流、稳定性分析等问题；固结计算主 要是处理固结问题；优化的网格计算主要是处理一些有限元网格发生了变形的问 题，如均布荷载作用下混凝土悬臂梁的变形。计算过程中，p l a x i s 程序动态显示 提示信息，可以直观了解主要参数的变化。计算完成后，就可以进行成果输出。 计算成果输出 在计算成果输出过程，可以很直观的了解所计算问题变形后的位移、应力、 应变、塑性区、最危险滑弧( 稳定问题) 、渗流场( 渗流问题) 等。一般有三种输出 形式，即矢量图，等值线图，阴影图。在输出时，可根据需要来进行选择。另外， 还有一些结构物的内力图，如土工织物和桩等，都可以方便直观的输出，对所计 算的问题可以有形象的认识。 曲线形式的输出 在这个阶段，可以直观的了解某点的应力、应变、位移、孔隙水压力、安全 系数、应力路径等随时间的变化情况。这样，就可以对一些重要的点进行深入的 研究，可以更方一便的研究路基应力和变形问题。 2 2 2pia xis 程序中本构模型的简介 在p l a x i s 程序中，可供选择的本构模型一共有五种，分别是：线弹性模型、 摩尔一库仑模型、硬土模型( 双曲线模型) 、软土模型( 剑桥模型) 、软土流变模型。 摩尔一库仑模型在p l a x i s 程序中有着广泛的应用，将在下面进行详细的介绍；硬 土模型( 双曲线模型) ，这是一种双曲线模型，可用来模拟砂土、砾石和超固结粘 土的性状；软土模型( 剑桥模型) 可用来模拟正常固结的粘土和泥炭土。软土流变 模型用来模拟跟时间有关的软土的性状。 l o 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 2 3 有限元分析应力分布特性模型 2 3 1 摩尔一库仑模型 本文在分析土体变形时采用了摩尔一库仑模型，它属于弹性一理想塑性模型见 图2 2 。 盯 图2 2 理想弹塑性模型 f i g 2 2t h ee l a s t i c i t y i d e a lp l a s t i c i t ym o d e l 弹性一理想塑性的性质 材料不可恢复的变形是由材料的塑性引起的。为了估计计算中是否出现了塑 性变形，引入了一个应力一应变函数，即屈服函数，在主应力空间中屈服函数可 以表示为一个屈服面。理想塑性模型是具有固定屈服面的本构模型，屈服面是由 模型参数确定的，而不受塑性应变的影响。对于屈服面以内的点代表的应力状态， 材料的性能为弹性，所有的应变均可恢复。 弹塑性的基本准则是应变和应变增量可分解为弹性和塑性两部分： s = s 。+ g p毒= 营。+ 毒， ( 2 1 ) 虎克定律将应力增量与应变增量联系起来，将式代入虎克定律可推导出 彦= d 8 舌。= d 8 g 一圣p ) ( 2 2 ) 根据古典的塑性理论( h i i i ，1 9 5 0 ) ，塑性应变增量与屈服函数对应力的导数 成正比。因此，塑性应变增量可表示与屈服面垂直的矢量，这一理论的古典形式 采用了相关联的流动法则。对于库仑一摩尔模型的屈服函数，相关联的流动法则 计算出的土体的剪胀角偏大，因此，除屈服函数之外，程序引进了塑性势函数g 。 g = t = f 的情形被称为不相关联的流动法则。一般地，塑性应变增量可写作： 叠，= a 姿( 2 3 ) d o 式中名是硬化参数，如材料只发生弹性变形，则五= 0 ，然而在塑性变形的情况下： 兄= 0 ，当f 0 ，当f = 0 并且 d 叠 0 时( 塑性)( 2 - 4 b ) 有效应力增量和应变增量之间的关系为： 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 i i d - = e 一竺d 喹笙d ek ( 2 - 5 a ) 、da 仃o c t j 式中 d ：丝d t 堕 ( 2 5 b ) b g o g 口为一转换参数，如果材料表现为弹性性能，口的值等于o ；然而如果材料发 生了塑性变形，则口为一非零常数。 以上所述的塑性理论仅限于光滑屈服面，并且不包含摩尔一库仑模型中所涉 及到的多重屈服面，为了解释这样的屈服面中包含两个或多个塑性势函数的流动 法则，如式( 2 6 ) ，k o i t e r ( 1 9 6 0 ) 和其他学者将塑性理论进行了推广。 叠p ： 要+ 以萼+ ( 2 6 ) i 8 仃8 仃 类似地，几个相互独立的屈服函数( z ，六) 被用来确定硬化参数的大小 ( ，如，) 。 摩尔一库仑准则 摩尔一库仑屈服准则是将库仑摩擦定律推广到几种应力状态下，实际上，这 一准则确保在一个材料单元中库仑摩擦定律适用于任一平面，完整的摩尔一库仑 屈服准则用主应力表示时由6 个屈服函数构成如图2 3 所示： 石。：丢( 盯；一仃；) + 昙( 仃；+ 盯；) s i n 妒- - c c o s r p 0 的情况，标准的摩尔一库仑破坏准则考虑了拉力。事实上， 拉应力随着粘聚力c 的增大而增大。在实际情况中，土体不能承受拉应力或者只能 承受很小的拉应力，f l a x i s 程序分析通过指明拉力折减来体现土体的这一性能。 在这种情况下，摩尔圆不会出现正主应力。拉力折减引入了另外3 个屈服函数， 它们被定义为： 口 口 f f 一212，一22 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 1 3 = 盯：一一0 ( 2 9 a ) 六= 盯：一o r ；0 ( 2 9 b ) 兀= 盯；一一0 ( 2 9 c ) 当采取应力折减这一措施时，允许的盯。默认值为o 。这些屈服函数采用了一 个相关联的流动法则。屈服面以内的点的应力状态为弹性，遵从各向同性情况一 下虎克定律。因此，模型中除了塑性参数c ，缈和沙，还需输入杨氏模量e 和泊松 比u 。共5 个参数。 1 ) 杨氏模量 p l a x i s 程序在线弹性模型和摩尔一库仑模型中把杨氏模量作为基本的刚度模 量，但同时也给出其它一些可供选择的刚度模量。刚度模量与应力具有相同的量 纲。因为许多岩土材料在加荷的一开始就表现出非线性性能，所以对计算中刚度 参数的取值应给予特别的注意。在土力学中应力一应变曲线的初始切线斜率叫做 初始弹性模量邑，应力达到5 0 时的割线斜率被称为割线弹性模量b 。对于具有 很大的线弹性变形范围的材料，通常使用e o ；但对于加载条件下的土体，一般使 用e 5 。；当考虑卸荷问题时，例如地下洞室的开挖和基坑开挖的情况，则需要回弹 模量，而不是b 。 l 口i - 口3 f 铋r a i n 一 图2 4 标准排水三轴试验结果中e o 和e o 的定义 f i g 2 4t h ed e f i n i t i o no f e oa n d e s oi nc o n s o l i d a t e dd r a i n e dt r i a x i a lt e s t 2 ) 泊松比 当对于自重应力的问题采用线弹性模型或摩尔一库仑模型时，泊松比的取值是 简单的。对于这种类型的加载，p l a x i s 给出了静止侧压力系数蚝= 盟，线弹性 盯， 模型和摩尔一库仑模型对一维压缩给出旦：，因此很容易根据给定的k 。值 盯p l u 来选择泊松比u ，d 的取值必须与亿一致。在许多情况下，u 的取值范围为0 3 到 1 4 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性 0 4 。在卸载条件下，u 的取值范围通常在o 1 5 至0 2 5 之间。 3 ) 粘聚力 p l a x i s 能够处理无粘性土( c = o ) ，但是程序有些功能会出错，因此需要不要 取零值( 一般取c o 2 k p a ) 。p l a x i s 为输入的土层提供了一个特殊的选择，可以 模拟土体的粘聚力随深度的增加而增加的特征。 4 ) 内摩擦角 密实砂土的内摩擦角很大，这将会增加塑性计算的困难。计算时间的延长与内 摩擦角的增量近似成指数关系，因此对于特殊的工程进行初步计算时，应避免选 用较大的内摩擦角，用摩尔应力圆表示的图体现了内摩擦角主要地决定了土体的 抗剪强度大小。用摩尔一库仑破坏准则来描述土体的性能比d r u c k e r p r a g e r 准则 要好，因为后者的破坏面对于轴对称的构造是极不准确的。 j 双憎尊 形a 。 c ， 图2 5 屈服面上的应力圆( 与库仑破坏面相切) f i g 2 5t h es t r e s sc i r c l ei nt h ey i e l d i n gp l a n e 5 ) 剪胀角 除了严重超固结的土层，一般粘土层的剪胀角很小( 妙0 。) ，砂土剪胀角的 大小取决于土体的密度和内摩擦角。然而，对于内摩擦角够 3 0 。的土体，剪胀角 几乎为零。只有对于极其松散的砂土，剪胀角沙才可能出现负值。 2 3 2 模型建立 假定荷载分布为无限长条形均布荷载，因而采用平面应变模型，由于其对称性， 取模型的一半进行分析。具体模型参数详见表2 1 及表2 2 。 表2 1线弹性模型材料参数表 r 山l e2 1p a r a m e t e r so fl i n e a r - e l a s t i cm o d e lm a t e r i a l 参数软土层 模犁m o d e l线弹性 厚度h ( m ) 4 5 弹性模量e o ( k n m 2 ) 3 0 0 0 泊松比矿 0 4 第二章硬壳层软土地基的应力分布及同结沉降特性 表22 靡尔一库仑弹塑性模型材料参数表 所建几何模型如图所不 图26 ( a ) 均质软土地基 f i g26 f 曲u n i f o r ms o i ts o i lb e 图26 ( b ) 硬壳层软土地基 f i g26 f mh a r dc h l s tf o u n d a t i o ns o f ts o i l d a 5 e 本计算采用软件提供的1 5 节点单元自动生成单兀格功能，生成级别为中等 粗糙程度，宅成单元格如图。 阑麟 2 33 应力分布在不同条件下的分析 均质地基与含硬壳层地基应力分布比较 采用线弹性和摩尔一库仑弹塑性模型计算均质地基和含硬壳层地基的平面应变 状态下的应力分布情况如下。 1 6 第二章硬壳层软土地基的应力分布及固结沉降特性