（道路与铁道工程专业论文）斜坡软弱土地基路堤的工程特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 斜坡软弱土地基是指表面或底部呈倾斜状的软弱土地基。在其上填筑路 堤，稳定与变形问题为广大工程技术人员与研究人员所关心。一般认为，在 路堤荷载作用下，斜坡软弱土地基的稳定性较差，常需对其进行加固。研究 斜坡软弱土地基路堤的工程特性会为类似工程的勘测、设计和施工等提供有 益的参考与指导。为此，本文从室内土工离心模型试验和稳定性分析两个方 面入手，进行了如下工作： ( 1 ) 选取与某典型斜坡软弱土地基工点的土的物理力学指标相近的土料， 进行了四组离心模型试验；水平软弱土地基路堤、1 ：1 0 斜坡软弱土地基路 堤、打入桩加固和抗滑桩加固的1 ：1 0 斜坡软弱土地基路堤。根据试验结果， 分析了水平软弱土地基与斜坡软弱土地基在路堤荷载作用下的变形特性：比 较了打入桩加固与抗滑桩加固的效果；探讨了两种加固方案的对地基变形的 影响，并对两种加固措施的使用提出了建议。 ( 2 ) 用土工专业软件g e o - s l o p e 对不同情况下的地基进行了稳定性分 析，结合斜坡软弱土地基路堤的离心模型试验结果与室内土工试验测得的参 数。推求出了地基土的强度指标：分析了软弱土层c 、m 值的变化对地基稳 定性的影响；探讨了打入桩方案和抗滑桩方案桩间距的变化和桩间土强度参 数的发挥系数的变化对地基稳定性的影响。初步确定了不同加固方案的安全 桩问距。 试验结果与稳定性分析表明，在水平软弱土地基上填筑路堤比在1 ：1 0 斜坡软弱土地基上填筑路堤更为安全：水平地基的变形大致对称于线路中心 线，斜坡地基的变形集中在下坡一侧边坡下；打入桩加固与抗滑桩加固均能 保持地基稳定，但前者的加固效果好于后者；当工程对地基沉降有严格要求 时，抗滑桩宜与其他加固措施同时使用；地基稳定性随软弱土层c 、中值的 增长而增强；打入桩和抗滑桩加固软弱土地基时，桩间距越大，桩间土的强 度发挥系数越小，则地基稳定性越差；本文条件下，打入桩加固的安全桩间 距为2 米。抗滑桩加固的安全桩间距为6 米。 关键词 土工离心模型；斜坡软弱土地基；路堤；稳定性；变形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s tr a c t s l o p es o f t s o i i f o r u n d a t i o nm e a n st h es o i if o u n d a t i o nw h o s es u r f a c eo r b o t t o mp r e s e n t ss l o p ea n ds o f t t h es t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o no fe s t a b l i s h i n g e m b a n k m e n tu p o ns u c hf o u n d a t i o n a r em u c hc o n c e r n e db y e n g i n e e r s a n d t e c h n i c i a n s g e n e r a l l y , s u c hs l o p e s o f t - s o i lf o u n d a t i o no f t e nn e e d st ob e r e i n f o r c e dd u et oi t sp o o rs t a b i l i t yu n d e rt h el o a do fe m b a n k m e n t a n ds t u d y i n g t h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs l o p es o f t - s o i lf o u n d a t i o nw i l lp r o v i d eu s e f u l r e f e r e n c ea n d g u i d a n c e f o rs u c ha s e n g i n e e r i n gr e c o n n a i s s a n c e ，d e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n do t h e r s t h e r e f o r e t l l ef o l l o w i n gw o r ki sc a r r i e do u to nl a b g e o t e e h n i c a lc e n t r i f t i g em o d e la n ds t a b i l i t ya n a l y s i s ( 1 ) t h es o i l w h o s ep h y s i c m e c h a n i c sp a r a m e t e r sa r es i m i l a rt ot h a to fa t y p i c a ls l o p es o f t s o i lf o u n d a t i o n i ss e l e c t e da n df o u rg r o u p so f c e n t r i f u g em o d e l t e s t sa r ec a r r i e do u t t h et e s t si n c l u d e ：l e v e ls o f tf o u n d a t i o ne m b a n k m e n t s l o p e s o f t s o i l f o u n d a t i o n ( 1 ：1 0 ) ，s l o p e s o f t - s o i l f o u n d a t i o n ( 1 ：l o w i t h t h e r e i n f o r c e m e n to fd r i v e np i l e sa n ds t a b i l i z i n gp i l e s a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ， t h ed c f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl e v e ls o f t - s o i lf o u n d a t i o na n ds l o p es o f t s o i l f o u n d a t i o nu n d e rt h el o a do fe m b a n k m e n ta r ea n a l y z e d t h ee f f e e t so fd r i v e n p i l e s a n d s t a b i l i z i n gp i l e s r e i n f o r c e m e n t s a r e c o m p a r e d t h er e s p e c t i v e i n f l u e n c eo ft h et w or e i n f o r c e m e n tm e a n su d o nf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o ni s d i s c u s s e da n du s e f u ls u g g e s t i o n so nh o wt ou s et h et w om e a n sa r ef i n a l l yp u t f o r w a r d ( 2 ) b yu s i n gt h ep r o f e s s i o n a lg e o t e c h n i c a ls o f t w a r e “g e o - s l o p e ”，t h e f o u n d a t i o ns t a b i l i t yu n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e si sa n a l y z e d t h ei n t e n s i t y p a r a m e t e r so f s o f t s o i lf o u n d a t i o no b t a i n e df r o mc e n t r i f u g em o d e lt e s t so fs l o p e s o f tf o u n d a t i o na n dl a bg e o t e c h n i c a lt e s t sa r er e a s o n e do u t h o wt h ec h a n g eo f c 、中v a l u e so fs o f t s o i lw i l li n f l u e n c et h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t yi sa n a l y z e d h o w t h ec h a n g eo fs p a c eb e t w e e nd r i v e np i l e sa n ds t a b i l i z i n gp i l e sa n dh o wt h e c h a n g eo f e x e r t i o nc o e f f i c i e n to ft h eb e t w e e n - p i l es o i li n t e n s i t yp a r a m e t e r sw i l l i n f l u e n c et h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t ya r ea n a l y z e d t h es a f es p a c eb e t w e e np i l e so f d i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n ts c h e m e si si n i t i a l l yc o n f i r m e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 贞 t h et e s tr e s u l t sa n ds t a b i l i t ya n a l y s i si n d i c a t e st h a t ：i ti ss a f e rt oc o n s t r u c t e m b a n k m e n tu p o nl e v e ls o f t s o i lf o u n d a t i o nt h a n s l o p e s o f t s o i lf o u n d a t i o n ( 1 ：l o ) t h ed e f o r m a t i o no fl e v e l f o u n d a t i o ni s g e n e r a l l ys y m m e t r i co fr o a d c e n t r a ll i n ea n dt h ed e f o r m a t i o no fs l o p ef o u n d a t i o ni sm a i n l yc o n c e n t r a t e do n t h eb o r d e rs i d eo ft h e d e c l i v i t y b o t hd r i v e np i l e s a n ds t a b i l i z i n g p i l e s c a n m a i n t a i nt h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t ya n dt h ef o r m e rm e a n sw o r k sb e t t e rt h a nt h e l a t e r s t a b i l i z i n gp i l e sa r eb e t t e ru s e dw i t ho t h e rr e i n f o r c e m e n tm e a n si ft h e p r o j e c ti s s t r i c tw i t hf o u n d a t i o ns u b s i d e t h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t yb u i l d su pb y t h ei n c r e a s eo fc 、mv a l u e so fs o f ts o i l w h e nu s i n gb o t hd r i v e np i l e sa n d s t a b i l i z i n gp i l e st or e i n f o r c es o f tf o u n d a t i o n ，a st h es p a c eb e t w e e np i l e sg r o w s ， t h ei n t e n s i t ye x e r t i o nc o e f n c i e n tp a r a m e t e r so f b e t w e e n p i l es o i lt h e nr e d u c e s a n dt h ef o u n d a t i o n s t a b i l i t y b e c o m e sw o r s e i nt h i s t h e s i s ，t h e s a f e s p a c e b e t w e e nd d v e n p i l e si s2m e t e r sa n ds t a b i l i z i n gp i l e s6m e t e r s k e y w o r d s ：g e o t e c h n i c a l c e n t r i f u g em o d e l ；s l o p e s o f t s o i l f o u n d a t i o n ； e m b a n k m e n t ；s t a b i l i t y ：d e f o r m a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 软土( 或软弱土) 是指近代水下沉积的饱和粘性土，在我国沿海地区和 内陆平原或山问盆地都有广泛的分布，它们的沉积类型、成因、结构和形态 不尽相同，但都有具有压缩性高、含水量大、渗透性弱、强度低、固结变形 持续时间长等共同特点。在软弱土地基上修建铁路、公路、机场、码头、建 筑及水利设旄时，往往会产生不同程度沉陷和坍滑，危及工程安全。 随着我国经济的发展，基础设施建设的规模越来越大，速度越来越快， 要求越来越高，公路与铁路建设尤其如此。到2 0 0 5 年”十五”计划完成时， 全国二级以上公路里程将达到28 l04 k m ，其中高速公路2 5 l04 k m 以 上，全面建成“两纵两横三个重要路段”，完成“五纵七横”国省主干线系 统的7 5 左右。到2 0 1 0 年。全部建成国省主干线系统，基本建成西部开发 省际通道，在东部地区建立省会与地市级城市之间以高速公路为主的快速公 路网络，中西部大部分省会与地市级城市间实现二级以上高等级公路相连 接，所有具备通车条件的乡镇和行政村通上公路m 。全国铁路营业里程到 2 0 0 5 年时，将达到7 5 万k m 左右，其中西部路网规模新增2 0 0 0 多k m ，全 国提速线路里程1 4 万k m 左右，复线铁路里程约2 5 万k m ，电气化铁路里 程约2 万k m ，主要繁忙干线电气化比重有较大增长，路网质量进一步提高， 点线能力配套，满足铁路提速及安全要求“1 。路网覆盖率的提高必然导致线 路经过的软土区域增多，提速、高速与重载的要求必然导致软土地基问题更 为突出。因此，加强对软基问题的研究比以往更为突出和迫切。 斜坡软弱土地基问题是诸多软基问题中的一种。它主要具有如下两个特 征：一是软弱土层表面或底部，具有一定的斜坡；二是地基土体松散，具有 低强度和高压缩性的特点。在西南地区修建铁路与公路时，时常遇到，渝怀 铁路即是一例。作为西部大开发重点工程之一，渝怀铁路西起重庆，经贵州 铜仁地区，东至湖南怀化，全长6 2 5 公里，线路地处西南山区，沿线地形、 地质复杂，常需在斜坡软弱地基上填筑路堤。研究斜坡软弱土地基路堤的工 程特性，无疑对加快渝怀线的顺利建成，确保工程质量，工程竣工后铁路的 运营、养护维修和效益，具有重要的意义。同时，还能为以后类似工程的勘 测、设计与施工提供参考与指导。这也是本文的主要研究内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状及主要问题 软土对工程的危害极大，因而广为国内外专家学者和工程技术人员所关 注。对于软土及软土地基的研究深入且范围广泛，包括了软土的物理力学性 质、成因类型和结构、软土地基的稳定和变形特性、软土的加固处理等。但 到目前为止，专门针对斜坡软弱土地基的研究尚不多见。现就上述情况并针 对软土地基路堤的研究现状进行综述如下。 1 2 1 软土的定义、工程特性及成因 对于软土的定义、工程特性及成因的描述各专业技术部门和文献专著存 在一些差异，但大致相同。 文献 3 将软土定义为“淤泥、淤泥质土以及天然强度低、压缩性高、 透水性小的粘性土总称。从广义上来说，包括松砂、淤泥、淤泥质土、软弱 吹填士和杂填土等”。淤泥和淤泥质土，是在非常缓慢的水流环境中沉积并 经过生物化学作用形成的的粘性土沉积物；杂填土是随人类活动而任意堆积 形成的无规则的堆填物，具有成分复杂、无规律性、性质随堆填龄期而变化、 含腐殖质及水化物等特性；吹填土是在整治和疏通江河航道时，用挖泥船和 泥浆砂把江河和港口底部的泥砂用水力吹填形成的沉积土。 文献 4 将软士称为软粘土，通过对瑞典、芬兰、挪威、加拿大和美国 北部( 芝加哥和波士顿) 、墨西哥、泰国曼谷等地分布的软粘土的描述，以 及对软粘土的物理化学特性、稠度、变形特性、抗剪强度和渗透性等基本特 性研究成果的回顾，指出软粘土的定义为：抗剪强度低、压缩性高、灵敏度 高、渗透性低的粘性土。特别指出软粘士的抗剪强度低于2 5 k p a 。 文献 5 认为软士是新生代水下沉积的粘性土，其含水量高，土质软塑 至流塑，孔隙比大，含有一定数量的有机质，有机质含量为3 1 0 者为淤 泥质粘土，l o 5 0 者为泥炭质软土， 5 0 者为泥炭。软土的抗剪强度低， 一般p 。u = o ，c 。= 5 2 5 k p a ，多分布在沿海地区、河湖、海湾、沼泽和丘间 谷地等处。软土地基在荷载作用下沉降量大，延续时间长。 文献 6 从微观角度一粘性士的土颗粒特征及颗粒间的相互作用和宏 观角度一饱和粘土的含水量变化对其力学特性的影响来定义软土，指出软土 是未经受过地形及地质变动，未受过荷载及地震动力等物理作用或土颗粒间 的化学作用的软粘土、粉土以及有机质土，具有孔隙比和含水量大、压缩性 高、剪切强度小、灵敏度高、透水性差等特点。该文献所指出软土还包括松 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 散砂土，松砂容易产生液化。 文献 7 将软土的成因类型分成以下几类：滨海相沉积，在我国沿海大 量分布：泻湖相沉积，如温州、宁波一带分布有泻湖相沉积，软土层较单一、 均匀、厚度大；溺谷相沉积，如闽江口的福州地区，软土层分布范围窄，软 土层相对较薄，且横向变化大：三角洲相沉积，软土层分选性差，结构不稳 定，由于海流与波浪的影响，多交错层及不规则透镜体；陆相沉积，又可分 为湖相、河漫滩相和丘陵谷地相；湖相沉积，如云南滇池东部及其周围地区， 洞庭湖、洪泽湖及太湖流域的杭、嘉、湖地区：河漫滩相沉积，如南京长江 河漫潍，沉积零乱，成份复杂：丘陵谷地相沉积，如贵州六盘水地区，多由 于水流搬运盆地周围岩石风华产物和地表有机物质在低洼处沉积而成，分布 面积不大，底部硬层常有较大的横向坡度。 文献 8 1 中，对软土的解释为：”软土是指在静水或缓慢的流水环境中 沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱粘性土”。对软土的主要特征描述为：” 天然含水量高( 接近或大于液限) ，孔隙比大( 一般大于1 0 ) ，压缩性高( 压 缩系数喁， o 5 m p a 1 ) ，强度低( 快剪的内磨擦角妒 5 。，凝聚力c 2 0 k p a ) ， 渗透性小( 渗透系数k = 1 0 一c m s 1 0 - 7 e m s ) ”。对软土的成因类型描述为：” 在沿海地区为滨海相、三角洲相：在内陆平原或山间谷地为湖塘相等”。 文献 9 中将软土定义为滨海、湖沼、谷地河滩沉积的天然含水量高、 孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。 文献 1 0 中规定，天然孔隙比大于或等于1 0 ，且天然含水量大于液限 的细粒土应判为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其压缩系数 大于o 5 m p a ，不排水抗剪强度小于3 0 k p a 。 文献 1 1 对沿海地区的软土的主要物理力学性质进行了归纳：天然含 水量高，一般在3 4 7 2 ，液限变化在3 4 5 8 之间，塑性指数变化在 1 3 3 0 之间，天然孔隙比在1 o 1 9 ；压缩性大，压缩系数一般在o 0 0 5 0 0 2 m p a ；渗透性弱，渗透系数大部分为1 0 一1 0 。7 e m s 之间，所以荷载作用下 固结很慢，强度不易提高；抗剪强度低，一般在侠剪情况下，秸聚力c 值在 1 0 k p a 左右，内摩擦角舻在0 0 5 0 之间，固结快剪粘聚力与快剪相比差别不 大，内摩擦角妒在1 5 吒2 0 0 之间：软土的强度大小与排水条件有密切关系， 在荷载作用下，如果土层有良好的排水条件，那么经过固结后，它的强度随 有效应力的增大而增加，反之，如果土层没有排水固结，则随苟载的增大， 它的强度可能随剪切变形的增大而衰减；软土的流变性十分显著，在剪应力 作用下，土体产生缓慢的剪切变形，剪应力愈大，剪切变形愈明显，当剪应 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 力达到一定值后，长期作用下土体可能会剪坏，此时的剪应力值一般小于常 规试验方法得到的抗剪强度值，该值称之为长期抗剪强度，它一般为常规试 验方法抗剪强度的4 0 8 0 ，而且土的塑性指数愈大，其值愈小；软土具 有显著的结构性，特别是海相沉积的软土，一旦受到扰动( 振动、搅拌或搓 动等) ，其絮状结构受到破坏，土的强度将明显下降，甚至产生流动状态， 这一特性可用灵敏度来表示，东南沿海滨海相沉积的软土的灵敏度约在 4 1 0 之间；软土的成因复杂，因而它的构造也较为复杂，滨海相沉积的软 土层往往形成厚度达3 m 以上的所谓”硬壳层”，下部则为夹粉细砂透镜体 的淤泥质土或夹粉砂的层状淤泥质土，而三角洲沉积的软土层则往往为淤泥 质土与薄砂层的交错层，对于湖泊沉积的软土层而言，由于沉积过程受季节 性的影响较大，因此下部软土层的淤泥质土与粉砂的层状构造更为明显，有 时还存在软厚的泥炭层，从而造成软土层在构造上具有各向异性和成层性特 点；软土主要由粘土粒及粉粒组成，常含有有机质；软土层一般具有较大的 吸力，研究表明，软土对建筑物的吸力由三部分组成，即软土与建筑物底面 的粘结力、真空负压( 即负的孔隙水压力) 和软土对建筑物侧面的摩阻力。 其中真空负压是最主要的因素。 综上所述，尽管对软土的定义不尽相同，但可归纳出软土具有如下基本 特性：含水量大，孔隙比大，渗透性弱，压缩性高，抗剪强度低，灵敏度高， 固结变形持续时间长。在软土地基上修建各种构筑物时，必须充分认识到软 土的这些特性，并根据具体情况采取各种工程措施确保工程的稳定。 各种文献对于软土地基亦有描述，主要是指自然营力生成，以软土为主， 与粉砂、泥炭等一些其它土层相间组成的地基，当然也存在厚度几十米、上 百米而土质较均匀的软土地基，有时也包括弃土、吹填土及滨海围涂造地或 山间填土地基u “。 1 2 2 软土的抗剪强度与软土地基路堤的稳定性评价 在软土上填筑路堤时，稳定性是关键之一，而稳定性评价与软土的抗剪 强度及评价方法有关。 软土的抗剪强度大致来源于三方面：第一，颗粒间的粘聚力，这里面包 括颗粒间的胶结物的胶结力、粘粒间的电荷吸力和分子吸力等；第二，为了 克服剪胀作功而需付出的力；第三，颗粒间的摩擦力。其中粘聚力在较小的 轴应变下即可达到峰值，随着应变发展而急速消失，这是由于胶结物脆裂和 电引力的消失所致。但剪胀所需的剪应力在凝聚力消失的同时，却很快上升 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 到峰值，随后逐渐消减。摩擦力则在随轴应变而逐渐地增长直到最大值。 软土的抗剪强度可以分为天然抗剪强度与荷载作用下的抗剪强度两个 方面来进行阐述。 天然抗剪强度一般在工程上常用有效强度指标c 和来计算，因为有效 强度指标对于同一种土是一个比较稳定的指标。文献 3 用如下公式来表述 软土的天然抗剪强度： c c o s - i - p 。s i n 伊【+ 4 r ( 1 一k o ) 】，、 z f o 2 百砑丽万一 1 式中c ，妒一软土的有效强度指标； 以一软土的前期固结压力，对于正常固结土p 。= 芦； 一静止侧压力系数： a ，一土样剪坏时的孔隙水压力系数。 也可表述为 t f o 2 c q + a $ t g 牮q ( 1 2 ) 式中 c 。，一软土的不排水剪的粘聚力和内摩擦角； 吼一自重应力，对欠固结土该项为自重压力与孔隙水压的差值 时为d ，一”。，对于超固结土该项为前期固结压力只： 荷载作用下的正常固结软土的抗剪强度表述为： = 7 ，0 + a r 口 ( 卜3 ) 式中f 。一增加应力盯施加后经t 时间的抗剪强度： r ，。一天然抗剪强度； a r 。一a u 作用下因固结而增长的抗剪强度，若t 时刻的固结度为u 则：抛孵妒m ，为软土的固结排水剪内摩擦角； 外荷载作用下的软土抗剪强度也可表述为 7 = c 口+ 仃；t g + u a a t g 妒q ( 卜4 ) 对于欠固结的软土，式( 1 - 4 ) 变为 f 一= c g + ( 盯，一o ) 培妒口+ u ( u o + 盯) 培妒q ( 1 5 ) 式中1 2 0 一孔隙水压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 对于超固结的软土式( 卜4 ) 变为 = c g + b d g 妒目+ u ( a c r c r o ) 培 ( 卜6 ) 式中只一前期固结压力； “一前期固结压力与自重压力的差值，c r 0 = 只一盯，。 影响软土抗剪强度的因素很多，文献【1 3 】将这些因素概括为： ( 1 ) 士粒的矿物成分、形状与级配。土粒越大、形状越不规则，表面越 是粗糙，则抗剪强度越大。一般颗粒越大、磨圆与磨光的程度越差，因此砂 土的够值随其级配中粗粒成分的增加而提高。 ( 2 ) 原始密度。土的原始密度越大，粒间的咬合作用越强，摩阻力就越 大：土的原始密度越大，亦即土粒间的孔隙越小、颗粒接触紧密，因而粘聚 力也就大。因此，原始密度对抗剪强度有很大影响，原始密度大的土，抗剪 强度亦大。 ( 3 ) 含水量。土的抗剪强度随含水量增加而降低。这是因为水分在较大 土粒表面起润滑作用，使摩阻力降低。对细小的粘土粒，含水量增加时，结 合水膜变厚，使粘聚力降低。 ( 4 ) 土的结构。士的结构破坏使土丧失一部分粘聚力，因此原状土的抗 剪强度高于同样密度和含水量的重塑土。 ( 5 ) 法向有效压力。随着有效应力的增加，土的孔隙体积愈趋减小，土 骨架逐渐变形，部分土结构被破坏而密度增大，这样使得土的摩擦力和粘聚 力均有增长，故随着法向有效应力的增加，土的抗剪强度可以提高。饱和土 样在法向压应力盯的作用下，在固结过程中的不同时刻，有效应力歹不同， 因而也具有不同的抗剪强度，当固结完成时，有效应力便等于法向压应力， 此时抗剪强度达到最大值。 ( 6 ) 预加压力。超压密状态的土，是历史上受过较现今作用压力为大的 有效压力的压密，因此具有较正常压密土为高的抗剪强度。反之，欠压密状 态的土，因压密程度不足，抗剪强度比正常压密土要低。 ( 7 ) 振动荷载。土在动荷作用下，其强度性质与静荷下有所不同，土的 颗粒和孔隙中的自由水会因振动而产生惯性力，在一定的振动强度作用下， 不同质量的土粒的惯性力也不一样。土粒间惯性力的差异导致土粒边界处产 生新的应力，破坏土粒间的联结与接触关系而改变土的原有结构。软土在受 振动荷载作用时，其抗剪强度亦随振动强度增大而降低，灵敏度愈高影响愈 大，在一定条件下，可使土变为流动状态( 触变) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 另外，软土的抗剪强度会随时间的增长而降低。文献 3 通过大量室内 试验，研究了同一种土在不同的剪应力下剪应变随时间变化的关系曲线，认 为软土的抗剪强度会随剪切历时的增长而逐渐降低，剪切变形逐渐增长，这 一缓慢变形过程称为软土的蠕变或蠕动。对这一现象的解释有三种，一种认 为蠕变过程是片状粘土颗粒定向排列的过程，颗粒定向排列后其抗剪强度有 所降低；另一解释是颗粒间的联结分为脆性的与粘滞的两种，随着变形增大 脆性联结逐渐破坏而使强度逐渐降低；还有一种解释认为剪应力由摩擦力和 粘聚力分担，粘聚力具有粘滞性，它承受剪应力后发生蠕动变形而使摩擦力 逐渐发挥作用，最后当摩擦力能全部承担所施加的剪应力时则变形终止，否 则就发生不停止的蠕动变形。 文献 1 1 研究了软土塑性指数对其强度参数的影响，认为： ( 1 ) 静止侧压力系数蚝随，增大而增大，并引用了a l p a n “”给出的公式 k 。= o 1 9 + 0 2 3 3 l o g i ，用重塑武昌粘土( 1 p = 2 2 ，k o = o 5 ) 和重塑湛江粘 土( i ，= 4 0 ，k 。= o 6 7 ) 对该公式进行验证，表明其可靠； ( 2 ) 塑性指数与有效内摩擦角之间存在软好的线性关系，胡世华等n s ，根 据对上海地区粘性土的有效内摩擦角与塑性指数的关系进行了统计分析指 出二者之间存在线性关系，可以表述为 = 4 8 _ 3 1 1 1 p ( 卜7 ) 式中为土的有效内摩擦角。 ( 3 ) 软粘土的天然强度c 。与上覆土的压力p 。的比值c 。p 。与土的塑性指 数，。之间存在经验关系。s k e m p t o n 指出这种经验关系可用下式表示 c 。p o = o 1 i + 0 0 0 3 7 ( i 一8 ) 式中，的统计范围为1 0 1 2 0 。另外，当塑性指数相同时，老粘土的c ，p 。比 新粘土大，且塑性指数愈大，这种差别越大。 研究荷载作用下软土的抗剪强度的变化规律对于软基的稳定性也是非 常重要的。一般从动荷载和荷载的增加两个方面来分析荷载对软基抗剪强度 的影响。动荷的影响已如前所述。对于加荷的影响，文献 3 以一个软基上 土堤的填筑为例进行了研究，认为有以下的规律： ( 1 ) 随路堤荷载的增加，e 点的孔隙水压力 相应增加，到施工加荷完成 时达到最大值，随后随土层固结而逐渐降低，如图1 - 1 ( c ) 中实线所示。 ( 2 ) 安全系数随路堤荷载的增加而减小，到施工加荷完成时( g 时刻) 达到最小值k l ，如图1 1 ( d ) 所示。 ( 3 ) 加荷速率的快慢有影响。若放慢施工速度，使加荷速度放慢，则施 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 施工过程中地基就能发生较大固结，孔隙水压力在施工期内增长减慢。施工 期结束时的孔隙水压较小，如图1 - 1 ( c ) 中虚线所示，因总荷重没变，故施 工结束时土的有效应力增加，使得此时的安全系数k 2 要大于k l 。工程实践 亦证明，快速施工易导致软基失稳，而放慢施工速度则有利于保持地基路堤 的稳定。 b ) 【k p 可一 t l互【3 1 一施 i 期；2 一固结期；3 一尉结后 图1 1p 、“、k 随t 变化 因软土的渗透系数很低，要使地基内孔隙水压力消散而使地基保持稳 定，在不采用排水固结措施时，必然要把施工速度降得很低，这是工程中很 难做到的事。为此，文献 1 6 认为，软土地基路堤的设计与施工需做如下 工作： ( 1 ) 依据软土地基的性质，确定不控制路堤施工速度而又能确保路堤稳 定的最大允许填筑高度，即软土路堤的填筑临界高度，路堤在此高度内地基 可不作加固处理。路基的工后沉降变形有控制要求时，则应另作计算； ( 2 ) 当设计路堤的填筑高度大于填筑临界高度时。软土地基路堤的修筑 必须作特殊处理，应在确保地基稳定和控制沉降量的基础上落实处理方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 评价软土地基上路堤稳定性的方法大致可分为两大类：一类是首先建立 土体的本构关系，应用有限元等数值解法，求出土体各单元的应力和变形， 然后通过某些间接的途径来评价软土地基及路堤的整体稳定性。这类方法的 优点是可以比较正确地模拟土的本构关系，可以通过分步计算了解软土地基 及路基稳定破坏的发生及发展过程，但此法需要较多的土性参数，参数测定 及分析计算均比较复杂，最大的缺点是不能直观地与潜在滑动面及软土地基 路堤的整体稳定安全系数建立直接联系，缺少一个为工程界普遍接受的合理 评价标准。另一类方法是直接与潜在滑动面相联系的方法，包括滑移场法， 塑性极限分析法，变分解法和静力极限平衡法等，其中在工程中得到广泛应 用的是静力极限平衡法“，此类方法都用稳定系数作为评价标准。文献【1 7 】 中提到b i s h o p 将士坡稳定安全系数只定义为沿整个滑裂面的抗剪强度- ，与 实际产生的剪应力r 之比，即 只：三 ( 1 _ 9 ) f 应用这一概念，采用条分法来计算稳定系数，常用到的方法有瑞典圆弧滑动 法、简化b i s h o p 法和j a n b u 的普遍条分法，一般的教材上三者的公式都有， 这里不再累述。 但用极限平衡法分析地基的稳定性存在一些问题。酋当其冲的是软土的 力学参数的取值，取值不准必然直接影响到计算得出的安全系数，进而影响 到稳定性的评价。计算分析中所用的软土的物理力学参数多是由现场或室内 试验测定得到。对于室内试验，由于现场取样、运输和制备试样过程的扰动， 室内试验条件与现场条件的差异，试验设备与试验技能的影响等，室内试验 得到的指标往往与实际情况有较大的出入。文献 1 8 根据江苏连云港地区 大量的工程地质勘察资料，就该区软土层的成因类型、物理力学特性、室内 试验问题、现场原位测试，特别是力学指标的确定进行了深入的探讨和分析， 结果表明：室内试验确定连云港地区软土力学指标误差大，有些指标与实 际误差在2 倍以上。现场试验也存在问题，文献 1 9 认为软土的抗剪强度 指标存在变异性，不仅不同地点的参数可以差别较大，即使同一地点、同一 土层的参数也是随着位置不同而有变化。其次，对于不同的情况应采用不同 的试验方法得出的强度指标，文献 2 0 指出，对于瞬时稳定，如建筑物施 工速度很快时，应采用不排水剪得出的强度指标来计算安全系数；而对于长 期的稳定性问题，则应采用有效应力指标来分析。另外，文献 2 1 认为建 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 筑物在施工期间能充分排水固结时，稳定性的分析应采用固结不排水剪指 标。 还有一些研究人员提出了另外的方法。 文献 2 2 认为，在实际工程中，由于滑动面的位置及其强度参数难以 准确确定，新技术和新材料的采用，使计算得出的结果与实际情况存在着较 大差别。为了保证软土地基路堤的填筑按既安全又经济的施工顺利进行，可 采用现场观测和试验资料对软土地基的稳定性进行综合分析评价，以使结果 更符合实际。主要有以下一些方法： ( 1 ) 孔隙压力法。土体受到荷载作用时，则土体处于不同变形阶段，孔 隙压力特征出现差异性。孔隙压力法就是通过不同变形阶段的孔隙压力变化 规律，利用塑性变形出现的拐点作为评价地基稳定性的控制标准。图1 2 为 某高速公路试验路堤软土孔隙压力随荷载变化的曲线，a p 为填士总重， a u 为本级荷载及以前各级荷载的超孔隙压力增量之和。可以看出1 5 m 处和4 5 m 处的a u p 曲线中出现了斜率明显不同的直线段，表明土 体发生了塑性变形，地基路堤可能失稳。 1 0 3 0 2 0 1 0 02 04 06 08 01 0 01 2 0 p k p a 图卜2 软士不同深度处孔隙压力增量之和与填土荷载的关系曲线 ( 2 ) 有效应力路径法。是通过反映有效应力和孔隙水压力的转化关系， 把有效应力增长轨迹线与极限状态时的应力路线相比较，判断地基中某点的 稳定性，能较准确地了解地基中强度增长的情况及地基中某点的稳定状态， 从中求得最大允许荷载，定量地控制加荷增量及相应的加荷速率。 ( 3 ) 侧向位移法。是通过坡脚的侧向位移来评价地基的稳定性，侧向位 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 移( 尤其是坡脚处) 急剧增大时，表明地基土体己产生了剪切破坏。一般说 来，用位移速率来反映加荷过程中地基土体性状的变化将会更直观。该法综 合考虑了土体的应力一应变特性，方法简单可靠，但不能准确定出标准，只 能通过分析判断并结合工程的实际情况，选择一个经验值作为判断标准。 文献 2 3 提出了用应力路径法分析路堤稳定性的方法。其要点是用 a d i 方法解决层状地基中孔隙水压力计算和用莫尔一库仑定律判别地基土 中任一点所处的状态( 破坏或非破坏) 。两者又通过应力路径( e s p 和t s p 路径) 加以综合反映。计算结果表明： ( 1 ) 用应力路径法分析路堤稳定性时，能全面反映地基土内部应力路径 随时间的演变过程，它为制定合理的施工速率和确定路堤下软土地基急待加 固处理的范围提供可靠的依据； ( 2 ) 填土加载速率对地基稳定性的影响，主要限于在路堤下深0 5 b 、宽 0 8 b 的区域内( b 为路堤的底宽) ； ( 3 ) 在工程实践中，路堤的极限高度和容许高度一般可分别按破坏区宽 度的1 0 倍和1 2 3 4 倍的标准加以确定。 朱梅生指出，在一定荷载作用下，软土地基会出现塑性区，塑性区开展 的大小，是评价软土地基稳定性的方法之一，塑性区的大小对了解地基的应 力状态和评价地基稳定性是有一定作用的，但如何建立塑性区的大小与整体 稳定系数( 或安全系数) 的对应关系尚存在着一定的困难n ”。 1 2 3 软土地基的变形研究 软土地基在附加应力的作用下必然产生变形，变形发生在x 、y 、z 三 个方向上。路堤荷载作用下的软土地基的变形可视为平面应变问题其变形 主要源于两个方面：一是软土受剪切引起的形状的改变，包括侧向挤出和竖 向沉降( 瞬时沉降) ：二是软土固结引起的体积减小，主要是竖向沉降( 固 结沉降与次围结沉降) 。目前的对于软基的变形研究主要集中于沉降变形， 从理论研究到试验研究屡见不鲜，数据丰富，分析详尽。而对于水平( 侧向) 变形的关注则偏少，没有可靠的理论可用来对路堤作用下的软基的水平变形 进行定量计算。 当结构物传来的分布荷载( 或压力) 作用到软土层上时，软土层会产生 沉降。文献l 4j 指出，一般沉降可分为以下三个组成部分，如图1 3 示。 ( 1 ) 瞬时沉降( 也称初固结) 。它是指在荷载作用下立即发生的沉降。如 果土体是饱和的，则变形是在体积不变情况下由负荷区域下的剪应变引起 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的。当粘土的渗透性很低时，则几乎不会发生排水。在荷载中心线下，垂直 压缩和侧向膨胀同时发生，b j e r r u m ( 1 9 7 2 ) 指出，这一沉降的组成部分更 确切地应认为是由侧向的屈服引起的。 ( 2 ) 固结沉降( 也称主固结) 。它是由于外荷载引起超孑l 隙水压力的水力 梯度促使水从土内排出，应力增量转移到土骨架上而发生的沉降。这是一个 与时间有关的过程，而且主要发生体积的变化。其中包括剪切变形在内，故 导致了进一步的沉降。 ( 3 ) 次固结沉降( 也常称为排水蠕变) 。其主要部分是在超孔隙水压力完 全消散以后，亦即有效应力不变的情况下所发生的沉降。在实际问题中，通 常假定次固结在主固结完成以后才开始的。 如何将固结分成主固结和次固结二部分，目前还没有一致的看法。关于 次固结的确切的机理，意见也不一致。例如，b a r d e n ( 1 9 6 9 ) 将主固结看成 是这样一个阶段，即这一过程中压缩量由孔隙水压力的消散速率所控制，并 往往遵循经典的h 2 的比例规律而变化( 固结时间与排水路径的长度平方成 正比) 。另一方面，次固结则受土的粘滞蠕变性所控制，而这一过程与排水 路径的长度无关。m e s r i 和g o d l e w s k i ( 1 9 7 7 ) 认为，在压缩与有效应力及 压缩与时间之间应该有一个相关关系，同时在次固结期间体积变化的机理 ( 例如位移，土粒的变形和聚集，吸附水膜的畸变和双电层厚度的变化等) 将基本上与主固结相同。这一观点意味着蠕变并不受粘滞水流所控制。 8 j e r r u m ( 1 9 6 7 ) 提出应将时间一沉降关系细分成瞬时压缩和滞后压缩二部 长 毯 固 星 菠 0 鞋 嚣 s d 一瞬时沉降；s 。一同结沉降：s ，一次同结沉降 图1 3 附加总应力和沉降历程曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 分。第一部分表示瞬时荷载引起的超孔隙水压力随外加荷载立即消散所产生 的沉降，而第二部分则是有效应力不变时所产生的沉降。这个模型基本上没 有考虑孔隙水的作用。 关于渗透固结的理论有一维与多维固结理论，其中应用较多的是太沙基 ( k a r lt e r z a g h i ) 固结理论。虽然比奥( b i o t ) 固结理论从理论上讲较太沙 基理论要严密精确，尤其在多维固结问题上是如此，但是难于求解，哪怕是 二维的问题也很难求得解析解，因此，该理论虽早在1 9 4 1 年就提出来了， 却始终未能推广应用，近年来有人将该理论应用于有限元法来解决具体固结 问题。两种理论在各种土力学教材上均有详述，这里不再重复。对于一维固 结理论的误差问题，文献 4 认为，如果压缩层的厚度相对于路堤的宽度比 较小，则其应变基本上是一维的，并且不会有瞬时沉降发生，用一维模型的 沉降分析方法能得到满意的结果；当固结