（道路与铁道工程专业论文）洞庭湖区硬壳层软土地基一维固结特性研究.pdf

摘要 在我国广大沿海与内陆湖泊地区，软土分布十分广泛，其表面往往会形成厚 达几米的天然硬壳层。由于该层土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。然而，在目前在实际工程中，对其利用也 非常之少，究其原因是因为对硬壳层软土地基的的固结变形特性缺乏系统的研究。 为此，本文结合岳常高速公路工程地质资料，通过室内试验与理论分析，围绕洞 庭湖区硬壳层与软粘土工程特性、硬壳层软土地基的竖向附加应力分布以及硬壳 层软土地基的一维固结理论三个方面进行了以下研究： ( 1 ) 结合岳常高速公路的工程地质资料，研究了硬壳层软土地基的沿线分布 特性；系统的分析了洞庭湖区硬壳层与软土层基本物理力学指标分布特征，并 回归得出该地区物理力学指标的相关关系。通过一维固结试验和渗透试验详细 考察了硬壳层与软土层的变形特性，得到了硬壳层与软土层e 1 9 p 与e 1 9 k v 的经 验关系。提出采用非线性最小二乘法拟合求固结系数的新方法，并通过计算实 例验证其正确性。 ( 2 ) 采用有限元法对条形均布荷载及三角形荷载作用的双层地基问题进行数 值模拟，通过二元回归分析来寻求各参数与层间竖向附加应力系数的近似函数 关系，并给出了计算图表以便查询。基于“等效深度 概念，推导出了计算硬 壳层软土地基附加应力的简明计算公式，同时对梯形荷载作用下附加应力的计 算进行了研究。 ( 3 ) 建立了考虑材料线弹性、外部荷载任意变化、初始孔压分布以及附加应 力分布的的双层地基固结模型，并采用变量分离法推导出解析解。通过m a t l a b 7 0 编制的程序研究了初始孔压与附加应力分布对硬壳层软土地基固结特性的影 响。 ( 4 ) 建立了考虑土的超固结性、非线性、变荷载、自重应力实际分布以及附加 应力分布的双层地基固结模型，并采用半解析解进行求解。通过m a t l a b 7 0 编制了 瞬时加载条件下的非线性固结模型的计算程序，并研究了硬壳层各固结参数、外 部荷载及附加应力分布对固结曲线和沉降曲线的影响。 关键词：一维固结；硬壳层；软土地基；t 程特性；非线性拟合；附加应力计算 a b s t r a c t t h es o f tc l a yi sw i d e l yd i s t r i b u t e di nc h i n e s ec o a s t a la r e a sa n di n l a n d1 a k e s ， w h e r et h e r ei su s u a l l yan a t u r a lh a r dc r u s tt oaf e wm e t e r sa b o v ei t t h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh a r dc r u s ta r ev e r yd i f f e r e n tf r o mt h eu n d e r l y i n gs o f t c l a y b e c a u s eo ft h eh a r dc r u s t sh i g h e rs t r e n g t ha n dl o w e rc o m p r e s s i o n ，i fi ti s r a t i o n a l l yu s e d ，t h e r ew i l lb eg r e a ts a v i n g si np r o je c tc o s t h o w e v e r , e v e ni ft h e c a r r y i n gc a p a c i t yo ft h eh a r dc r u s tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t ，i t su s e i sa l s ov e r yl i t t l e i nt h ec u r r e n tp r o je c t s t h er e a s o ni st h a tt h e r ew a sv e r yl i t t l er e s e a r c ho nt h e p r o p e r t i e so fc o n s o l i d a t i o na n dd e f o r m a t i o no nt h es o f tc l a yf o u n d a t i o nw i t hc r u s t t h e r e f o r , w i t hg e o l o g i c a le x p l o r a t i o nd a t ao fy u e - c h a n ge x p r e s s w a y , l a b o r a t o r y t e s t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h et h r e ea s p e c t ss u c ha st h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f h a r dc r u s ta n ds o f t c l a y i n d o n g t i n gl a k ea r e a ，t h ev e r t i c a l a d d i t i o n a ls t r e s s s p r e a d i n go ns o f tc l a yf o u n d a t i o nw i t hd r yc r u s ta n di t st h e o r yo f1 - dc o n s o l i d a t i o n w e r es t u d i e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t hg e o l o g i c a le x p l o r a t i o nd a t ao fy u e c h a n ge x p r e s s w a y , t h ed i s t r i b u t i o n o ft h es o f tc l a yw i t hd r yc r u s ti ss t u d i e d ，t h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o ft h es o f t c l a y a n dh a r dc r u s ta r e a n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yu s i n g l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s b yo n e - d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o nt e s ta n dp e r m e a b i l i t y t e s t ，t h ed e f o r m a t i o no ft h eh a r dc r u s ta n ds o f tc l a yi ss t u d i e dc o m p l e t e l y , a n dt h e e m p i r i c a lf o r m u l a so fe - l g pa n de - l g k va r eg o t an e wm e t h o du s i n g n o n l i n e a rl e a s t s q u a r e sm e t h o dt og e tt h ec o e f f i c i e n to fc o n s o l i d a t i o nw a sg a i n e da n di t sc o r r e c t n e s s i sv e r i f i e db yn u m e r i c a le x a m p l e s ( 2 ) t h ep r o b l e m so ft w o l a y e rf o u n d a t i o n sa d d i t i o n a l s t r e s su n d e rt r i a n g u l a r a n du n i f o r ms t r i pl o a da r en u m e r i c a ls i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h e a p p r o x i m a t i o nf u n c t i o n sb e t w e e nc a l c u l a t i o np a r a m e t e r s a n dt h el a y e ra d d i t i o n a l s t r e s sd i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ta r eg o tb yb i n a r yr e g r e s s i o n b a s e do n ”e q u i v a l e n t d e p t h ”c o n c e p t ，am o r ep r a c t i c a lf o r m u l aa b o u tt h ec a l c u l a t i o no fa d d i t i o n a ls t r e s so n t h es o f tc l a yw i t hh a r dc r u s ti sd e r i v e d ，a n dt h e nt h ec a l c u l a t i o no ft h ea d d i t i o n a l s t r e s su n d e rt r a p e z o i dl o a di ss t u d i e d ( 3 ) b a s e d o n1 一d t e r z a g h i c o n s o l i d a t i o nt h e o r y , t h ed o u b l e g r o u n d c o n s o l i d a t i o nm o d e lc o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so fe l a s t i cm a t e r i a l ，a r b i t r a r yc h a n g ei n i i t h ee x t e r n a ll o a d ，t h ea r b i t r a r yd i s t r i b u t i o no fi n i t i a lp o r ep r e s s u r ea n da d d i t i o n a l s t r e s si se s t a b l i s h e d ，a n dt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o ni sd e r i v e db yv a r i a b l es e p a r a t i o n m e t h o d t h ee f f e c to fd i s t r i b u t i o no fi n i t i a lp o r ep r e s s u r ea n da d d i t i o n a ls t r e s so nt h e c o n s o l i d a t i o no ft h es o f tc l a yf o u n d a t i o nw i t hh a r dc r u s ti ss t u d i e db yt h ep r o c e d u r e p r o g r a m m e db ya u t h o ra c c o r d i n g t om a t l a b 7 0 ( 4 ) t h ed o u b l eg r o u n dc o n s o l i d a t i o nm o d e lc o n s i d e r i n gt h ef a c t o r s o fo v e r c o n s o l i d a t i o n ，n o n l i n e a rm a t e r i a l ，v a r i a b l el o a d ，w e i g h t d i s t r i b u t i o na n dt h e a d d i t i o n a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni se s t a b l i s h e da n dt h em o d e li s s o l v e d b y s e m i - a n a l y t i c a lm e t h o d t h ei m p a c to ft h ec o n s o l i d a t i o np a r a m e t e r so fh a r dc r u s t ， e x t e r n a ll o a d sa n da d d i t i o n a ls t r e s so nt h ec o n s o l i d a t i o na n ds e t t l e m e n tc u r v e si s s t u d i e db yt h ep r o c e d u r eo fn o n l i n e a rc o n s o l i d a t i o nu n d e ri n s t a n t a n e o u sl o a d p r o g r a m m e db ya u t h o ra c c o r d i n gt om a t l a b 7 0 k e yw o r d s ：o n e d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o n ；h a r dc r u s t ；s o f tc l a y ；e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s ；n o n l i n e a rf i t ；a d d i t i o n a ls t r e s s i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：i 研钎扣 日期：刎咩6 月 f e l 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豹复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者 导师 期：劢砗6 月1 日 期：2 纠拜彭月1 日 1 1 硬壳层的概念 第一章绪论 天然硬壳层是指软土地基由于荷载的迁移、蒸发和风发等因素长期作用，在 地表形成少则几十公分厚则几米的硬层。这种硬壳层胶结性结构强，呈中等压 缩性，面积广大，与土基密切联接，具有很好的承载作用。我国沿海和平原地 区，上部土层通常分为硬壳层和其下的软土层，其初始成分相同，但上下两层 土的物理力学性质指标差异却很大。按照国家“六五”科技攻关成果，地表土层的 物理力学指标处于以下范围，且厚度大于1 5 米时，地基的整体性能将会显著优 于一般软土地基，可以当作硬壳层考虑利用，划分标准为：稠度 0 5 ，孔隙比 e 1 0 m p a ，c b r 2 5 2 ，快剪粘聚力c 1 5 k p a 。另外，由于人类长期的工程实践活 动对岩土工程地质的影响，很多情况时，地表存在一层人工处理过的填土层。 该层土可能是杂填土、砂石土或碎石土，也可能是原状土经过了压密处理，土 层厚度均匀，其力学性质明显好于下面的土层，形成了上硬下软的工程地质特 点，因而广义的硬壳层地基，既包括天然形成的硬壳层地基，也包括人工形成 的硬壳层地基。本文的研究对象为上覆天然硬壳层的双层粘土地基。 1 2 硬壳层软土地基的研究意义 软土地基上有了硬壳层，它的承载变形特性将与人们通常所了解的概念有很 大的不同。硬壳层地基的承载性能将随硬壳层条件的变化，发生重要的变化。 由于硬壳层起着扩散应力和类似弹性地基板的作用，且本身变形模量大，受力 后变形小，对地基的变形起着遏制作用，因此，可望满足低荷载使用要求时地 基承载、变形的要求。但是，由于对硬壳层性质了解不够，没有掌握硬壳层软 土地基的工程特性，现在的工程中般还是采用软土地基处理办法，如砂井固 结排水法、换土法等，这样人为地破坏了硬壳层，没有充分利用这层有利的硬 壳层资源，使工程费用耗资巨大，而效果并不理想，在工程竣工后沉降仍然很 大。如何充分利用这层硬壳层资源，己成为一个急需解决的问题。 对硬壳层软土地基的研究包括两大方面，是变形特性，二是承载特性。 目前对硬壳层软土地基的承载特性研究甚多，但对变形特性方面的研究还不多 见。通过已有的设计理论满足不了硬壳层软土地基沉降及固结计算，就不能充 分的利用硬壳层软土地基。因此本文将对硬壳层软土地基固结沉降计算理论及 变形特性进行深入的研究。 由于湖相软土与海相软土的成因不近相同，因此湖相软土与海相软土的物 理力学特性将有所差异，同时对于不同成因下的硬壳层，其物理力学特性也会 有所差别。因此，针对湖南洞庭湖区软粘土及其上覆硬壳层的工程特性研究也 很有必要。 本文将室内试验与理论分析相结合，对硬壳层软土地基的固结和沉降特性 进行研究，得出了一些定量或定性的结论，对今后更进一步的研究硬壳层软土 地基用以指导工程实际，具有重要的理论、实践和经济意义。 1 3 国内外研究状况 硬壳层软土地基一般当做上硬下软的双层地基来处理，因此，对双层地基 已有的研究成果分析、总结并加以改进，有利于充分的推广硬壳层软土地基固 结与变形特性的研究方向与方法。 1 3 1 双层地基附加应力场研究现状与评述 长期以来，学者们研究了不同的模型和方法用于定量的描述土体在给定荷 载水平和土层条件下的应力场分布。这些预测方法大致可分为经验公式、理论 解析解和数值分析等。 双层地基理论又称双层体系理论( t w o 1 a y e rs y s t e mt h e o r y ) 。人们很早就认识到 硬壳层的板体效应，早在十九世纪末赫兹就提出了浮板理论，解决了液体上弹 性板受集中荷载时的应力与变形问题。赫兹在理论推导中忽略了板的竖向应变， 并假定板底水平剪应力为0 ，浮板下各点的竖向支承力与下沉量成正比，这个地基 模型就是文克勒地基模型。赫兹这个理论可以说是与双层体系理论有关的最早的 理论。 在a h h o g g 等人【2 】( 1 9 3 8 ) 先后求得弹性半空间地基上无限大弹性薄板在 静力荷载作用下产生的应力场和位移场的基础上， c u m m i n g s 3 】研究了圆形均 布荷载作用下具有刚性底板双层地基中的应力问题，解出荷载中心线下不同深 度处的垂直应力， b u r m i s t e r 【4 1 ( 1 9 4 3 、1 9 4 5 ) 假定每一层土均为弹性、各向同 性、轴对称和半无限体，提出了一种线性解析解用于计算含两层或三层的成层 弹性地基土的应力和位移，给出了圆形面积上受有均布荷载时成层地基土的应 力和位移。自此之后，适用于不同荷载分布形式和边界条件下的成层地基土应 力和位移计算的线性解析解和数值模型相继被提出【6 卜【1 0 l ( h a n ka n ds k r i v e n e r ， 1 9 4 8 ；i y e n g a ra n da l w a r ，1 9 6 4 ；y e s h i t aa n dm e y e t h o ，1 9 6 7 ；h u a n g ，1 9 6 8 ： m i l o v i c ，1 9 8 5 ) 。然而，对于土层力学特性差异很大的成层土地基，尤其土的应 力应变关系为非线性时建立线性解析解是极为复杂和困难的。 2 国内研究方面，唐建中( 1 9 9 3 ) 1 l 】等在中国建筑科学研究院地基所试验室 试坑内进行了6 组地基模拟载荷试验，得出双层地基的应力扩散作用随双层地 基的模量比和厚宽比的增大而增大。王锡朝( 19 9 6 ) 【1 2 】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，有硬 壳层的淤泥层中的水平应力，在硬壳层剪坏前随条形均布荷载的大小成幂函数 的形式增长，随深度及离开条形荷载中心线的水平距离的增大而减小，但其衰 减较慢；硬壳层对淤泥土的封闭，能使淤泥层中产生超常的附加应力，并使得 作用于地表硬壳层上的荷载在下卧淤泥层内具有较大的影响范围；有硬壳层覆 盖的流动性较大的饱和淤泥层中的水平应力不宜用依据b i u s i n e s q 的线性变形体 理论解求算。杨果林( 19 9 8 ) d 3 】通过室内模型试验，得出含软弱下卧层的双层 地基的界面附加应力分布规律。王杰光( 1 9 9 5 ) 1 1 4 】采用传递矩阵法推导层状弹 性地基的附加应力分布。刘冰( 1 9 9 5 ) 【1 5 】采用轴对称的弹性层状体系理论，分 析了成层地基的附加应力，并且讨论弹性层状体系的弹性模量、泊松比和表层 土体厚度的变化对该地基附加应力分布的影响。王建华( 2 0 0 5 ) 【1 6 】通过对半无 限弹性体的通解进行数值逆变换，得到两层地基内部受有轴对称荷载下的位移 和应力解。宋文刚( 19 9 3 ) 【1 1 7 】引用g r i f f i t h 理论推导了天然双层地基应力扩散系 数的计算方法，求出上述地基交界面上以及地基内任一点竖向附加应力( 简称地 基应力) 值近似的简明计算式。徐洋、谢康和( 2 0 0 7 ) 【”】等以弹性地基梁理论为 依据解释复合地基的应力扩散效应，并在此基础上提出了应力扩散系数的计算 公式。王晓谋( 2 0 0 7 ) ( 1 9 j 应用有限元方法分析了硬壳层厚度、变形模量和路堤 荷载的宽度对硬壳层软土地基附加应力扩散的影响，并计算出考虑上述影响因 素的软土地基的应力扩散角。梁永辉【2 0 】提出了简化的双层地基应力系数法，即 采用已有的双层地基理论计算成果，计算出分界面上应力系数，然后对于硬壳 层中应力采用线性分布模型计算，而下卧层应力则采用弹性理论计算出各点的 应力，但其并没有给出应力系数具体数值。 从以上分析可知，针对条形荷载作用下的硬壳层软土地基竖向附加应力分 布计算还没有一个较为实用的计算方法，本文将借助有限元程序以及二元回归 分析来研究硬壳层软土地基附加应力分布，最终得到了计算条形均布荷载以及 三角型荷载作用下的硬壳层软土地基竖向附加应力分布的计算公式。 1 3 2 一维固结理论研究现状与评述 t e r z a g h i ( 19 2 5 ) 2 1 】最早提出了一维固结理论，r e n d u l i c ( 19 3 6 ) 2 2 】在固结过 程中总应力不变的假设下把它推广到三维情况。上述理论没有考虑骨架与孔隙 水运动的相互作用，最后得出的固结方程只含孔隙压力一个变量。b i o t ( 1 9 4 1 ) 【2 3 】考虑骨架和孔隙水的相互作用，建立了严格的固结理论，1 9 5 6 年又把这一理 论推广到动力问题，从而完成了弹性孔隙介质变形理论的基本框架【2 4 1 。以后的 发展除了考虑骨架变形的流变性、非线性和大变形等复杂化的因素外，并无实 质性的不同，以下为基于t e r z a g h i 一维固结理论的研究进展。 在考虑材料为线弹性方面，自h g r a y ( 1 9 4 5 ) 2 5 】给出了瞬时加荷情况下 双层地基一维固结解析解以来，s c h i f f m a n 等( 1 9 7 0 ) 2 6 】首先通过引申经典的 t e r z a g h i 固结理论来模拟成层体系，针对一系列边界条件和复杂应力历史给出 了成层地基固结问题的解答。w i l s o n ( 1 9 7 4 ) 【2 7 1 、b a l i 曲( 1 9 7 8 ) 等【2 8 1 基于t e r z a g h i 固结理论对矩形波载情况的单层弹性地基作出了详尽的分析。吴世明等( 19 8 8 ) 【29 】推导了以积分形式表达的任意荷载作用下的单层弹性地基的一维固结方程的 通解。谢康和等( 1 9 9 3 、1 9 9 4 、9 9 5 ) 【3 0 3 1 ，3 2 3 3 1 采用变量分离的方法求解出了 荷载为瞬时加载和或等速加载情况下双层地基一维固结计算公式及相应曲线， 首次给出了荷载随时间任意变化及初始孔压沿深度任意分布情况下双层地基一 维固结解答，并采用变量分离法给出了变荷载下任意层地基一维固结完整解析 解。徐长节等人( 1 9 9 9 ) 3 4 】针对成层弹性地基模型，运用l a p l a c e 变换及矩阵传 递法求解了任意荷载下成层弹性地基一维固结问题，得到了频域内的通解，最 后采用d u r b i n 所提出的数值拉氏逆变换进行求解，其考虑的荷载包括各种循环 荷载：矩形波型荷载、三角形波形荷载以及正弦波形荷载。王新辉等人( 2 0 0 5 ) - 【”】通过l a p l a c e 变换求解双层地基的一维固结问题，考虑到实际的加荷曲线运 用了线性二级加荷的形式来模拟现场的多级加荷，并在l a p l a c e 逆变换中借助 了s t e h f e s t 算法进行数值求解。李飞【3 6 】对单层地基不同初始孔压分布的一维固 结性状进行了分析。 在考虑材料渗透系数与压缩系数非线性变化方面，2 0 世纪6 0 年代，人们开 始研究单层地基非线性固结问题。d a v i s 和r a y m o n d ( 1 9 6 5 ) 3 7 】假定e l o g s t 成线性 关系、固结系数在固结过程中不变以及初始有效应力沿深度不变，获得了荷载恒 定条件下的一维非线性问题的解析解答。随后b a r d e n 等f 19 6 5 ) 3 8 】及m e s r i 等 ( 1 9 7 4 ) ”】分别采用线性的e - l o g s 和c l o g k v 关系，通过有限差分法研究了一维 非线性固结问题。然而这些研究，由于未区分非线性固结问题中按变形定义和 按孔压定义固结度的不同【3 2 1 ，因而得出的结论均欠全面。李冰河等人( 1 9 9 5 ) 在d a v i s 等的研究基础上假定荷载瞬时施加，考虑了两种固结度的区别，得到了 固结系数c v 为恒值时非线性固结不同固结度的表达式和固结曲线【4 0 1 。谢康和等 人( 1 9 9 6 ) 曾进一步得出了假定荷载为线性的一级加载模式，考虑了两种固结 度的区别，得到了固结系数c v 为恒值时的一维固结解析解【4 。李冰河等人【4 2 l ( 1 9 9 9 ) 引入了成层地基一维固结的思想，将地基划分为若干薄层，同时在时 间上进行离散，并假定每一薄层在每一离散时间段内的固结参数为常数，通过 4 运用任意荷载下多层地基一维固结解析解【3 2 】和迭代法，得到了变荷载下考虑k v 和m v 非线性变化的一维固结半解析解。王宏志等人( 2 0 0 4 ) 4 3 】基于d a v i s 和 r a y m o n d 一维非线性固结理论，利用d q m ( d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r em e t h o d ) 数值 方法推导了初始有效应力沿深度变化、任意边界条件、任意荷载作用下双层地 基一维非线性固结的表达式，求得了孔压、有效应力和平均固结度的解答。温 介邦等人( 2 0 0 7 ) 4 4 】，建立了综合考虑土的超固结性、成层性、非线性、变荷 载和自重应力沿深度实际分布的双层地基一维非线性超固结控制方程，并用半 解析法进行求解，进而对双层超固结软黏土地基非线性固结性状进行较为深入 的分析。刘祚秋等人( 2 0 0 7 ) 4 5 】采用双曲线型的土体应力应变关系和渗透系数k 随孔隙比变化的关系式，建立了考虑荷载变化的任意层的一维非线性固结控制 方程，并用简化加权隐式差分格式对上述非线性固结控制方程进行数值计算。 在考虑土的大应变固结方面，g i b s o n 等【4 6 】较早提出了具有普遍性的均质土 一维大应变固结控制方程；m e s r i 等【47 】研究了软土一维非线性固结问题，但未考 虑沉积作用对自重应力的影响。事实上，对于深厚软粘土、海洋沉积粘土等， 由于沉积作用，其重度是随深度而变的。郑辉等人【4 8 】较为详细地研究双层软土 地基一维非线性大应变固结问题，同时考虑了土体材料非线性、几何非线性、 渗透性交化以及受沉积作用影响的土体自重应力沿深度的分布等。 在考虑土体流变特性方面，国外g i b s o n 和l o ( 1 9 6 1 ) 【4 9 】最早推导出了基 于m e r c h a n t 流变的一维固结精确解；国内陈宗基( 1 9 5 8 ) 【5 0 】最早将流变模型 引入到固结分析中，赵维炳等( 19 8 9 ) 5 1j 采用了广义v o i g t 模型对单层地基一 维固结展开了研究。蔡袁强等( 2 0 0 1 ) 【5 2 】利用k e l v i n 流变模型，运用l a p l a c e 变换及矩阵传递法求解了任意荷载下成层黏弹性地基一维变形问题，有了较大 进展。但该求解方法不便于推广应用于稍微复杂的流变模型。蓝柳和【5 3 】( 2 0 0 2 ) 采用半解析解对考虑压缩性和渗透性非线性变化的流变固结问题进行了研究， 并分析了非线性模型中参数对固结过程的影响。李西斌【5 4 】( 2 0 0 5 ) 从理论和试 验两个方面出发，对饱和软土的一维流变固结问题进行了较细致深入的研究， 得到确定流变参数的可行方法，促进流变理论的实际应用。刘加才等( 2 0 0 7 ) 【5 5 】 对基于广义v o i g t 流变模型的双层黏弹性地基固结问题进行了研究。问延煦 2 0 0 7 】 5 6 】以经典太沙基一维固结埋论为基础，建立了双段线形式的e 1 0 9 p 本构 一维固结模型，作为预测双层地基二维沉降曲线的经验模型。然后通过三个实 例的计算分析，检验了该模型的预测能力。 纵观对一维固结问题各方面的研究，可以看出是一个不断完善的过程，从 考虑骨架线弹性到骨架变形的流变性，从材料的小变形到几何大变形，从单层 的固结问题到成层体系的研究，从渗透系数与压缩系数的不变到考虑渗透系数 与压缩系数的非线性的变化，从单一的加载方式到任意变化的荷载，从不考虑 土体的应力历史到考虑土体的超固结性等。 从以上一维固结理论可知，目前的一维固结理论均假定附加应力沿深度为 恒值，即没有考虑附加应力沿深度变化对固结特性的影响。由于硬壳层的应力 扩散效应，使得附加应力沿深度减小的更快。本文在已有的研究基础上，建立 了考虑附加应力分布的双层地基一维固结模型，将附加应力分布与固结特性联 系在一起，丰富了一维固结理论。 1 4 研究的主要内容 本文首先分析岳常高速公路的工程地质资料，对洞庭湖区硬壳层软土地基的 分布特性以及基本的物理力学指标进行了系统的分析、归纳和总结，通过室内 一维固结试验以及渗透试验研究了硬壳层与软土层的变形特性。然后通过有限 元计算与多元回归相结合的方法，对硬壳层软土地基附加应力计算进行了研究。 最后，依次建立了考虑附加应力分布的双层地基线性固结模型与非线性固结模 型，并对模型进行了求解与程序编制，进而对硬壳层软土地基的固结特性进行 了研究。本文研究主要内容具体工作如下： ( 1 ) 洞庭湖区硬壳层与软粘土工程特性研究 依托岳常高速公路的工程地质资料，对硬壳层软土地基的分布特性进行研 究，并系统分析洞庭湖区硬壳层与软土层基本物理力学指标分布特征，并回归 该地区物理力学指标的相关关系。通过一维固结试验和渗透试验了解硬壳层与 软土层的变形特性。 ( 2 ) 硬壳层软土地基竖向附加应力计算研究 采用有限元法对条形均布荷载及三角形荷载作用的双层地基问题进行数值 模拟，找出影响层间附加应力系数的主要参数，通过多元回归分析来得到各参 数与层间竖向应力系数的近似函数关系，并给出了计算图表以便查询。对比分 析各种计算附加应力分布的方法，推导出了计算双层地基附加应力较为实用的 方法，同时对梯形荷载作用下的双层地基附加应力分稚进行了研究。 ( 3 ) 附加应力任意分布的双层地基维固结理论研究 由于目前已有的双层地基固结模型没有考虑附加加应力沿深度的变化，本文 将建立考虑材料线弹性、外部荷载、初始孔压以或附加应力任意分布的的双层 地基固结模型，并采用变量分离法推导其孑l 压解析表达式，并对初始孔压及附 加应力分布对硬壳层软土地基固结特性的影响进行分析。 ( 4 ) 硬壳层软土地基一维非线性固结模型研究 为进一步深化固结模型，与实际条件相符，作者在已有的成果上将建立考虑 土的超固结性、非线性、变荷载、自重应力实际分布以及附加应力分布的双层 地基固结模型。然后采用半解析解对所建立的固结模型进行求解。最后通过 6 m a t l a b 7 0 编制瞬时加载条件下的非线性固结模型来研究了硬壳层各固结参数、 外部荷载、附加应力分布对固结曲线和沉降曲线的影响。 1 5 研究技术路线 文献资料收集 国内外研究概况 洞庭湖区硬壳层与软粘 土工程特性研究 硬壳 层软 土地 基分 布特 性研 究 基本 物理 力学 指标 相关 分析 一维 同结 与渗 透试 验研 究 考虑附加应力分布的双层 地基一维固结理论研究 考虑附加 九分布 的双层地 基线性固 结特性分 析 考虑附加 融j 分布 的双层地 皋非线性 固结特性 分析 硬壳层软土地基竖向 附加应力计算研究 条形均布 荷载作用 层问竖向 应力计算 三角形荷 载作用层 间竖向应 力计算 条形均布荷载、三角形衙载j 丁梯 形荷载作用下竖向附加应力分 布计算简明公式 结论与展望 7 第二章洞庭湖区硬壳层与软粘土工程特性研究 软土在我国沿海、内陆平原及山区都有广泛的分布，其成因不同、物理及力 学性质存在差异，厚度变化悬殊，但是在不同类型的软土层上都普遍存在一个“硬 壳层”。软土地基硬壳层一般呈硬塑状，力学强度或多或少较下卧层为好，具有 一定的压缩性，与不同成因的软土工程性质相比存在一定差别相类似，不同成 因的硬壳层的工程性质也不尽相同。 本章首先依托岳常高速公路的工程地质资料，研究了硬壳层软土地基的分布 特性，统计分析了硬壳层与软土层的典型土质与厚度范围；然后系统的考察了 洞庭湖区硬壳层与软土层基本物理力学指标分布特征，并回归得到了该地区物 理力学指标的相关关系，回归关系式可用于软土层与硬壳层力学指标的估算， 对工程应用有较大的实际意义。最后通过一维固结试验和渗透试验研究了硬壳 层与软土层的变形特性，得到了硬壳层与软土层e 1 9 p 与e 1 9 k v 经验型关系。在 求解固结系数时，提出非线性最小二乘法拟合求得固结系数的新方法，并验证 该方法的正确性。 2 1 硬壳层软土地基分布特性及物理力学指标分析 “杭州瑞丽高速公路”是国家高速公路网规划中的第十二条横线，是湖 南省高速公路网规划( 2 0 0 5 2 0 3 0 年) “五纵七横”骨架公路网中的第一横，岳 阳至常德高速公路为其中的一段( 以下简称岳常高速公路) ，主要控制点包括：岳 阳、华容、南县、安乡、常德。沿线所经洞庭湖区是我国最大的调蓄洪湖泊， 承担着长江和湘、资、沅澧超额洪水的调蓄任务，上纳洞庭湖四水( 湘、资、 沅、澧) 和长江三口( 松滋口、太平口、藕池口) 来水，下于岳阳城陵矶通江。 所经湖垸地段的湖相沉积软土广泛分布，软土深度从几米到几十米不等，软土 上部的硬壳层厚度也不均匀。本节依据岳常地质勘察资料，首先研究了硬壳层 软土地基的沿线分布特性，统计分析了硬壳层与软土层的典型土质与厚度范围。 然后采用线性回归方法得到了洞庭湖区不同区域硬壳层与软土层主要物理力学 指标之间的相关关系。 2 1 1 硬壳层软土地基分布特性 岳常高速公路总共1 4 0 k m ，根据地质资料，图2 1 给出了有硬壳层软土地基 的路基段沿线分布图，表2 1 是对硬壳层软土地基分布与承载力参数的统计。 从表2 1 中可看出硬壳层的土质为粉质粘土，厚度在o 3 m 一8 2 4 m 之间，平 均厚度为21 8 m ，从厚度变异系数9 0 可看出硬壳层厚度极不均匀硬壳层的容 许承载力为1 0 0 2 0 0 k p a 变化，平均值达到1 5 i k p a ，变异系数仅为1 23 ，说明 硬壳层的承载特性较稳定。 软土层主要为淤泥质软粘土，厚度在l2 2 25 m 之自j ，平均厚度有80 l m ， 厚度变异系数为5 57 ，说明软粘土的分布厚度相对硬壳层厚度而言均匀一些， 软土层的容许承载力为为4 0 一8 0 k p a 变化，平均值为5 1 k p a ，说明软粘土的承载 力较低。同时容许承载力变异系数仅为1 09 ，说明软土层的承载特性也较稳定。 沼线长度 ，。一0 鬟i ：i 蜜。，。 霭一8 豳飞 国r 团 酉翻 k o + 0 0 0 k 5 4 + 3 5 0 硬壳层软土地基分布图k 5 4 + 3 5 0 k 8 5 + 6 2 5 硬壳层软土地基分布图 。i ； 慧7 5 1 7 。 。业毪i l l 她。 =e，rtr，pr，fttrf，-t1zr口ittlrln，c1：ey_1一0 2 4 3 6 蓑a 睾。 1 2 1 4 1 6 k 8 5 + 6 2 5 k 1 0 2 + 5 3 5 硬壳层软土地基分布图k 1 0 2 + 5 3 5 k 1 2 0 + 4 6 0 硬壳层软土地基分布图 圈2l 硬壳层软土地基沿线分布图 曼捌嚣口 一占掣鞋霸 表2 1 硬壳层软土地基分布参数统计 硬壳层厚度( m )软土层厚度( m ) 硬壳层容许承载软土层容许承载 项目 ( 粉质粘土)( 淤泥质粘土) 力( k p a )力( k p a ) 最大值 8 2 42 2 52 0 08 0 最小值 0 3 01 2 1 0 04 0 平均值 2 1 88 0 11 5 l5 l 标准差1 9 74 4 61 8 61 0 9 变异系数 0 9 0 00 5 5 7o 1 2 30 2 1 2 2 1 2 软土层物理力学指标分析 1 。洞庭湖区软粘土基本物理力学指标分析 土样取自岳常高速某标段的天然软土地基，表2 2 为洞庭湖区软粘土的主要 物理力学性质指标，表2 3 是我国部分地区软土的物理力学指标。综合表中的统 计成果，洞庭湖区软粘土的工程特性具有以下认识： ( 1 ) 洞庭湖区软粘土具有高含水率、高压缩性、，低强度等特点。含水率w 范 围为3 0 3 5 9 2 、孔隙比e 范围为0 9 2 1 6 9 、液限w l 范围为2 5 8 4 5 9 、 压缩系数范围为o 3 9 1 1 9 m p a ，与其它地区软土指标平均值对比可看出，洞庭 湖湖相软粘土要优于大部分其它地区的软土。从压缩指标以及强度指标可看出， 湖区软土表现了一般软粘土的共同特性：压缩沉降量大，地基稳定性差。 ( 2 ) 各类指标的变异系数有所差异。含水量、孔隙比的变异系数在1 4 以内， 压缩指标及剪切指标的变异系数一般在2 6 3 2 之间，说明物理指标比压缩指 标及剪切指标的变异性要小，变异系数较大时对指标的取值已有一定的影响。 表2 2 洞庭湖区软粘土的物理力学指标统计 项含水孔隙饱和密度液塑塑性压缩粘聚摩擦 目 且 比 度 ( g c m 3 ) 限限指数系数力 角( o ) 戛 ( )( )( 1 m p a )( k p a ) 平均值 3 9 91 1l9 8 51 8 13 7 22 4 11 3 10 7 08 61 0 9 最大值 5 9 21 6 91 0 01 9 04 9 53 1 2 1 9 2 1 1 9 1 5 41 6 3 最小值 3 0 30 9 29 3 71 6 12 5 81 9 o6 70 3 91 8 71 8 7 标准差5 50 152 40 0 65 9 63 6 83 6 80 1 92 7 53 4 3 变异系数 1 3 81 3 363 2l6 o1 3 51 3 6 2 6 73 1 93 1 4 统计个数 4 23 34 23 34 24 24 23 33 33 3 1 0 表2 3 我国部分地区软土物理力学性质指标 土层含水重度孔 液 塑压缩内摩 饱和度塑性粘聚力 地区埋深量 ( k n m 隙 限 限系数擦角 ( ) 指数 ( k p a ) ( m )( ) 3 ) 比 ( ) ( ) ( 1 m p a ) ( o ) 天津 7 1 43 41 8 20 9 7 9 53 4 1