（工程力学专业论文）基于微观结构软土地基变渗透系数固结模型及其应用.pdf

中山大学硕士学位论文 基于微观结构软土地基变渗透系数固结模型及其应用 专业：工程力学 硕士生：黄子容 指导教师：周翠英教授 摘要 软基固结变形问题是目前学术界与工程界共同关注的热点问题。我国软土层分布广 泛，其具有高含水量、高压缩性、低渗透系数等“三高两低 的特点，使得与之相关的 软基加固措施变得十分必要。而目前在软土加固工程中，预压排水固结法因具有操作简 便、施工工期短、成本低等优点，被广泛使用，其实质是通过加载预压使得地基达到排 水固结的目的，理论计算上归结为土体的固结问题。软土具有较强的各向异性，使土体 性质产生不均匀性。太沙基固结理论中一条重要假设是土体性质不变，而固结过程土体 渗透系数、固结系数等宏观性质随着微观结构的变化而不断变化，导致了传统的固结理 论在计算软基的变形和破坏时与实际监测值存在较大差异。为此，本文依托广东省东沙 至新联高速公路软基处理工程，以预压排水法为代表，从微观结构角度出发，对软基加 固过程中土体微观结构变化、变形沉降规律进行研究，建立渗透系数变化的固结模型， 探索设计参数优化方法，旨在丰富、完善和发展软土性质不均匀固结理论与方法，也为 预压排水软基加固工程设计提供有价值的参考。论文主要内容包括： ( 1 ) 研究不同深度软土的微观结构特征，运用图像处理技术分析土体固结过程中 渗透系数的变化与土体孔隙比、颗粒形状系数、孔隙直径等微结构参数的关系，分析渗 透系数随深度的变化规律； ( 2 ) 基于上述规律，在太沙基固结理论的基础上推导变渗透系数条件下的竖向非 线性固结模型；同时借鉴前人研究成果分析渗透系数径向变化规律，在传统含竖向排水 体沙井地基固结理论的基础上推导变渗透系数条件下的径向固结模型； ( 3 ) 将本论文推导的模型应用于塑料板排水预压软基工程，计算排水板间距和深 度对软基固结沉降的影响，从而对设计参数进行优化。计算结果表明，对于本工程，排 水板间距1 5 m ，深度2 0 m 较为合理。 关键词：软土；竖向排水体；微观结构；变渗透系数；非线性固结模型；加固效果评价 基于微观结构软士地基变渗透系数同结模型及其应用 c o n s o i i d a t i o nm o d e lo fs o f ts o 订w i t hv a r i e dp e r m e a b i l i 够 b a s e do nm i c r o s t m c t u r ea n da p p l i c a t i o ni np r a c t i c e m 句o r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s n a m e ：h u a n gz i r o n g s u p e r v i s o r ：p r o z h o uc u i y in g a bs t r a c t s o rs o i lc o n s o l i d a t i o np r o b i e mi so n eo fh o ti s s u e si 1 1a c a d e i l l i cf i e l da n de n g m e e r m g f i e l d s o rs o 辽a sak i l l do fs p e c i a lm a t e r i a l s ，i sw i d e l yd i s t r i b u t e di i lc o a s t a la r e ao fs o u t h c h i i l a f o ri t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hw a t e rc o m e n t ，1 1 i g hc o m p r e s s i b i l i t y ，1 0 w p e m e a b i l i t y ，t h es o f ts o i l 如u n d a t i o nt r e a t m e n ti sv e r ye s s e n t i a l p r e l o a d i n gd r a i l l a g em e t h o d i sw i d e l yu s e di ns o rs o i lr e i n f o r c e m e n te n g i l l e e r i i 培s 南ri t sa d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o 玛 s h o r tc o n s t n l c t i o np e r i o da n d1 0 wc o s t t h ee s s e n c eo ft h i sm e t h o di st 0m a k es o f ts o i l f o u n d a t i o nc o n s ol i d a t eb yd r a m a g ea 1 1 dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fp r e l o a d i i 培d r a i r 埝g ec a n b ec o m ed o 、v nt oc o n s o l i d a t i o np r o b l e mo fs o rs o i lp r o p e r t i e so fs o f ts o i l i si r 岫i n o g e n e o u s d u et ot h ea n i s o t m p yo fs o i lt r a 【d i t i o n a lc o n s o l i d a t i o nt h e o 巧w a se s t a b l i s h e db a s e do nt h e i m p o r t a n th y p o t h e s i st h a tt l l ep e r m e a b i l i t yc o e f j e i c i e m 舭dc o m p r e s s i o ni n o d u l u sa r ec o n s t a n t 洒t h ep r o c e s so fs o rs o i lc o n s o l i d a t i o n a c t u a l l y ，t h e s ep a r a m e t e r sa r ec h a n g i l l ga l o n gw i t h t h ev a r i a t i o no fs o i lm i c r o s t r u c t u r e t h a ti sw h yt h e o r e t i c a l r e s u n so fs o i ld e f o r i n a t i o na n d s e d i r n e n t a t i o na r eu s u a l l yo fg r e a td i 髓r e i l c ew i t hm o n i t o r m gd a t a i nt h ep r e s e n tp a p e r ， r e l y i n go nt h ee n g i n e e r i n go fd o n g x i l ll l i g h w a yo fg u a n g d o n gp r o v i r l c e ，s o i n es t u d i e sa r e m a d et o a n a l y z e t h ev a r i a t i o n r e g u l a t i o n s o fs o i lm i c r o s t m c t u r ea n dd e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs o f ts o i lf o u n d a t i o nmt h ep r o c e s so fs o rs o i lc o n s o i i d a t i o l l ，c h o o s i n g p r e l o a d i n gd r a i l l a g em e t h o da sar e p r e s e n t i v e f ol l o w i l l gt h i s ，an o l l l m e a rc o n s o l i d a t i o n m o d e lo fs o f ts o i li sp r o p o s e da n dt h ed e s i g no p t i m i z a t i o nm e t h o di ss t u d i e d s u c hk i n do f r e s e a r c hi sn o to i d ya b l et oe n r i c ha n dd e v e l o pn o n l i n e a rc o n s o l i d a t i o nt h e o r y ，b u ta l s oo f g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e 南rp r o v i d i i l gv a l u a b l et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rp r e l o a d i l l g d r a i n a g ed e s i g ni i lr e 洫f o r c e m e n te n g m e e r m go fs o r 南u n d a t i o n t h er e s e a r c h 、v o r km a i l l l y i i l c i u d e s ： ( 1 ) b yi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h er n i c r o s t r u c t u r e 免a t u r e so fs o rs o i li n d i f i f e r e n t s o i ll a y e r sa r es t u d i e d t h ev a r i a t i o nr u l e so fp e r m e a b i l i t ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p e r m e a b i l i t y ，p o r o s i t yr a t i o ，s 1 1 a p ec o e 伍c i e n ta n dp o r ed i a m e t e ro fs o f ts o i la r ea n a l y z e d 一i i 中山大学硕士学位论文 ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h er e g u l a t i o n so b t a i n e da b o v e ，an o n l i n e a rv e n i c a lc o n s o l i d a t i o nm o d e l o fs o rs o i la s s u m i n gt h ep e m l e a b i l i t yc h a n g m gw i t ht h es o i ld 印t hi sd e d u c e db a s e do nt h e t e r z a 曲it h e o m o r e o v e r ，an o n l m e a rr a d i a lc o n s o l i d a t i o nm o d e lo fs o f ts o i l si sd e d u c e d b a s e do nt h et r a d i t i o m ls a n dw e nc o n s o l i d a t i o nt h e o 巧 ( 3 ) a p p l y i l l gt 1 1 ep r o p o s e dm o d e l st ot h ep r a c t i c a lp r o j e c tu s i l 玛p r e l o a d m gd r a _ i i l a g e m e t h o d ，t h er e m 旬r c e m e n te 丑b c tb e t w e e ns u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dv a c u u mp r e l o a d m gb y s e t t i l l g d i f 佗r e n ts p a c i l l ga n dl e n 舀ho fp l a s t i cd r a i l l a g ep i a t ei sa s s e s s e da n dt h ed e s i g n p a r a m e t e r so fp l a s t i cd r a i l l a g ep l a t ea r eo p t i i l l i z e d t h er e s u l ts h o 、v st h a ts p a c i r 毽o f1 5 ma r l d l e n 舀ho f2 0 m i sr e a s o m b l e 南rt h i sp r q j e c t k e y w o r d s ：s o rs o i i ；v e r t i a ld m i n s ；m i c r o s t l l l c t u r e ；v a n e dp e 珊e a b i l i 够c o e m c i e n t ； n o n u n e a rc o n s o l i d a t i o nm o d e i ；r e i n f o r c e m e n te f f e c ta s s e s s m e n t i 论文原创性声明内容 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已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作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结果由本人承担。 学位论文作者签名：戎子多 日期：川年多月男日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 肜日 孩z 寸阳 ：净 名训鹳 -=i7+上导日砺日 该罗。_ 矿 文名月 论签 位者ul靴储悼私刘m 保论 ： 法位期 中山大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究背景 软基固结变形问题是目前学术界与工程界共同关注的热点问题。我国沿海地区大量 分布着海相软土，其含水量高、强度低、压缩性大、渗透性差、流变性十分显著，固结 周期长【l 】。当作为建筑地基基础使用时，其承载力和稳定性往往达不到设计要求，若不 采用有效的处理方法，极易引起地基失稳，从而导致工程灾害的发生，如：广东省三水 市西南填特大独搭不对称斜拉桥台地基主体结构破坏、流变导致失稳【2 j ，地基不均匀沉 降导致建筑物倾斜、产生裂缝或道路不平和桥头跳车【3 】等。目前工程常用的软基处理方 法有预压排水固结法、密实法、换垫层法、搅拌桩法等，其中预压排水固结法因具有操 作简单、施工工期短、成本低等优点【4 】，在软基加固工程中被广泛使用。该方法实质是 通过加载预压使得地基达到排水固结的目的，理论计算上归结为土体的固结问题。 太沙基固结理论作为最早提出的一维固结理论，其推导过程作了许多假定，例如： 假定孔隙水渗流服从达西定律，渗透系数为常数等。但研究表明【5 q 】：软土性质( 如渗 透系数、压缩模量等) 呈现明显的非均匀性和各向异性特征，这种特征从根本上取决于 土体微观结构的非连续性和非确定性。因此从土的结构性出发，探讨非均质土体固结过 程的定量描述是一条极具探索意义的研究途径。 为此，本文依托广东省东沙至新联高速公路软基处理工程，以预压排水法为代表， 从微观结构角度出发，对软基加固过程中土体微观结构变化、沉降规律进行研究，建立 渗透系数变化的固结模型，探索设计参数优化方法，旨在丰富、完善和发展软土性质不 均匀固结理论与方法，也为预压排水软基加固工程设计、施工提供有价值的参考。 1 2 含竖向排水体软基固结的研究现状 1 2 1 含竖向排水体软基固结理论 ( 1 ) 固结沉降计算方法 含竖向排水体软土地基的固结理论，归纳起来主要有两类：第一种是以太沙基等创 立的经典力学为基础的解析法，如巴隆解、汉斯波( h a i l s b o ) 解和曾国熙解【l o j 等；第二种 是建立在太沙基单向固结理论和比奥固结理论上的数值解法【l ，如有限元法、边界元法、 有限差分法、加权残值法、无网格法等。 基于微观结构软土地基变渗透系数固结模型及其应用 解析法最先由巴隆( 1 9 4 8 ) 【1 2 】提出，在不考虑涂抹效应的前提下，仅考虑径向渗流 和竖向压缩，且将砂井地基变形分成自由应变和等垂直应变两种理想情况求解；随后 y o s h 蛔n i & n a k a n o d a ( 1 9 7 4 ) 【1 3 ，1 4 】在自由应变假定的基础上，同时考虑了径向和竖向渗 流，提出了考虑井阻作用的含竖向排水体地基轴对称固结的解析解，但是其解包含了贝 塞尔函数和双重级数，不利应用；h a n s b o ( 1 9 7 8 ) 【” 1 8 】给出了一个同时考虑井阻和涂抹作 用的较为简单的解答，该解答与y o s h i l ( u n i & n a k a n o d a 的解较接近，含参数少，应用上 较方便；在y o s h 呔u i l i 的基础上，o n o u e 【1 9 】研究了涂抹作用对竖井地基固结的影响，提 出了径向正交公式，这是迄今最完善的自由应变条件下竖井地基线弹性固结解析理论； 谢康和【2 0 2 2 】提出了等应变条件下能同时考虑井阻和涂抹作用的打穿竖井地基固结问题 的精确解，而且解答的表达式较为简单。 数值解法的发展促进了轴对称固结理论的完善，b i o t ( 1 9 4 1 ) 【2 3 】推导了准确反映孔 隙压力消散与土骨架变形相互关系的“真三维固结方程 ，但是求解非常困难，对于土 层情况复杂的地基无法求得解析解，随着数值解法的发展，真三维理论才开始应用于工 程实践。 以上各种固结理论都是建立在土体为线弹性变形且土体的压缩系数、渗透系数为常 数的假定条件下的，而实际土体通常为非线性变形体，土体微观结构随着上部荷载不断 变化，从而导致加固过程中土体宏观性质如渗透性、压缩性发生改变1 2 4 2 引。 非线性固结理论的研究始于上世纪6 0 年代8 1 8 4 ，1 0 0 1 。s c h i 胁a n & g i b s o n ( 1 9 6 4 ) 【2 7 】最 早对非均质地基的一维固结问题展开系统的研究，假设土性随深度呈多项式函数或线性 函数变化，采用差分法求解了土性不均匀和成层土的固结问题；b a r d e n & b e r r y ( 1 9 6 5 ) 口副 提出考虑土体透水性和压缩性变化的小应变理论；g i b s o n 等人( 1 9 6 7 ) 提出了一维有 限非线性应变固结理论即大变形固结理论，它考虑了土体压缩性和渗透性的非线性变 化，以及土体自重应力等方面的因素；m a g n a ne ta 1 ( 1 9 7 9 ) 口9 】提出同时考虑土的成层性， p 、c ，和尼随仃，的变化，次固结和非饱和状态等的一维固结模型；m e s r i ( 1 9 8 5 ) 3 0 】用有限 差分法编制了既考虑固结参数变化又考虑初始有效应力随深度变化的非线性一维固结 计算程序i l l i c o n 。 国内对于非线性固结问题的研究起步较晚，研究方向侧重于对太沙基固结理论假设 的修正，对于土体性质如渗透系数、压缩系数变化的固结理论主要有两类【3 卜3 4 】：一是假 定渗透系数、压缩系数随有效应力非线性变化，建立一维非线性理论；二是假定渗透系 数、压缩系数是深度的函数建立方程。黄文熙等【3 5 】提出了一个反映单层地基一维固结的 普遍方程鲁+ 击等筹一尝】+ 吉誓老= o ，该方程综合考虑了上层厚度随时 一2 一 中山大学硕士学位论文 间变化，以及土的渗透性随深度变化等情况；李冰河，谢永利，谢康和【3 6 】等建立求解初 始有效应力沿深度变化的软粘土非线性一维固结问题的半解析解；谢康和，郑辉，cj l e o ( 2 0 0 3 ) 将p l g 口。和p l g 后，关系引入成层地基一维非线性固结问题的研究中，建立 了能综合考虑荷载、土的成层性和自重等因素影响的固结控制方程。徐妍、江雯、谢康 和( 2 0 0 8 ) 【3 7 ，1 0 1 1 研究初始孔压非均布条件下考虑涂抹区渗透系数变化的沙井地基固结解 析解，给出其一般解和各种特殊情况下固结解。 ( 2 ) 渗透系数概述及研究进展 1 8 5 6 年达西总结得出渗透能量与渗流速度之间的相互关系，发现土中渗透的渗流量 g 与圆筒断面面积a 及水头损失办成正比，与断面间距z 成反比，即达西定律： 厶 一 g = 觑半= 砌f ，v = 兰= 舫，其中水力梯度为l 时水的渗流速度即为渗透系数尼( 铡s ) ， ，么 它是反映土体透水能力的一个综合指标【3 引。目前从宏观上确定渗透系数的方法主要有： 实验室测定法、现场测定法和经验估算法【3 9 1 。 实验测定法分为常水头试验和变水头试验，前者适用于透水性较大的土，应用粒组 范围大致为细沙到中等卵石，后者适用于透水性较小的粘性土。常规的室内渗透试验是 在无载荷的条件下进行的，得到的是土体本身的渗透系数，与外界条件无关，但是实际 工程中，土体总是承受上覆土的自重应力和建筑物的附加应力，引起土体内部应力状态 和土的微观结构的变化，因此分析结构性对软土渗透系数的影响，建立两者关系，对于 实际工程具有重要的意义。 与实验室测定法相比，现场测定法的试验条件更复合实际土层的渗透情况，测得的 渗透系数为整个渗流区范围内土体渗透系数的平均值，是比较可靠的测定方法，但是试 验规模较大，所需人力物力较多。 渗透系数还可以用一些经验公式估算【4 0 ，8 5 1 。1 9 1 1 年哈森( h a z e n ) 【4 1 】提出计算较均 匀砂土的渗透系数公式后= 以。2 ，吐。对应于筛分曲线上通过率在l o 时的粒径，c 是经 验系数，此公式在沙土中应用较广；1 9 5 5 年太沙基提出考虑土体孑l 隙比p 的经验公式 七= 西。2 p 2 。这些经验公式虽然有其实用的一面，但都有其适用条件和局限性，可靠性较 差，一般只在作粗略估算时采用。 粘性土的渗透系数除了可以用传统的达西定律描述外，还可以从土的微观结构角度 进行描述，因为土体的渗透性实际上就是水在土体内部的流动产生的，故土体发生渗流 时，土体颗粒表面将对水流产生内摩擦阻力，由内摩阻力定律可以知道，水流在流动时 受到的内摩擦阻力与速度的梯度和接触面积成正比，由于粘性土的颗粒相对较细，一定 体积土体中的颗粒表面积大，孔隙的表面积大，故水流在其中的流动要受到较大的内摩 基于微观结构软土地基变渗透系数固结模型及其应用 阻力，渗透性较差【2 l 】。由于土体宏观构造和微观结构的复杂性，土体的渗透系数可以具 有高度的不均匀性和各向异性。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的 形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性。基于层流区域，从理论上推到渗透系数表达式 的途径主要有量纲分析法、毛管模型、水力半径、拖曳理论法、统计模型等【2 引。 1 2 2 竖向排水体预压法设计理论 ( 1 ) 竖向排水体 美国工程师d j m o r a 在1 9 2 5 年提出沙井排水固结法，主要用来加固深层土，增加 土体的稳定性，减小工后沉降，早期的设计施工多基于经验。1 9 3 4 年美国加利福尼亚公 路局首次利用沙井加固旧金山奥克兰海湾大桥公路软土路基。我国于1 9 5 3 年第一次在 某造船厂运用沙井预压排水固结法，随后该法在铁路路堤、土坝、堆场、机场、高速公 路等工程中被广泛应用【4 ，8 7 ，8 8 】。但是沙井用砂量大，施工不易控制，容易出现颈缩或断 裂现象，逐渐被随后发展起来的袋装沙井替代。袋装沙井是预制的小直径沙井，其直径 小，长径比大，井对渗流水的阻力影响大，与普通沙井相比，袋装沙井具有用料省、施 工简便、速度快和能适应地基变形的特点。同时板式排水体如塑料排水板的出现有效地 推动了预压排水法的发展，其体积小重量轻、运输方便、入土质量容易控制、扰动小效 率高、成本低。随着板式排水体材料的不断改进，其在工程中的应用越来越广泛【5 5 6 6 】。 工程上把沙井、袋装沙井和塑料排水板通称为竖向排水体。 竖向排水体类型的选用，应根据设计建筑物的特点及排水固结地基的要求、地基土 层的工程性质、打入深度、材料的来源、施工条件等，并考虑技术的先进性和经济合理 性择优选取。塑料排水板( 带) 质轻价廉，具有足够的排水能力，施工简便，质量易于 保证，一般情况应优先选用；当工程场地沙料丰富，透水性能良好，价格低廉，并且具 备施工机具，打入深度在15 m 以内可考虑采用普通沙井或袋装沙井。 以上各种排水体处理软土地基的原理是相通的，本文主要以塑料排水板为例研究软 基的固结沉降。 ( 2 ) 竖向排水体间距 竖向排水体间距是指相邻两个竖向排水体中心之间的距离。国内外大量的工程实践 显示，排水体间距是影响地基固结速率的主要因素之一，它的大小直接关系着施工期和 经费预算的合理性【4 9 6 5 。 r i c h a r t 在1 9 5 7 年指出井距对平均固结度的影响较井径大，即缩小井距要比增加沙 井直径的排水效果好得多，从而促进“细而密 布井原则的产生m 】。目前工程中一般采 用“细而密”的布置方式。但是，对于考虑井阻作用的非理想井，比值k i l l ( w ( 非扰动 中山大学硕士学位论文 土体的水平向渗透系数与排水体渗透系数比值) 越大，“细而密”原则的经济效果越差。 理论上，竖向排水体间距越小，排水通道越多，越有利于加快软土地基的固结。但由于 竖向排水体间距过小，埋设时会对排水体周围土产生较大的扰动，反而会延滞地基固结 【4 5 4 7 1 ，另一方面竖向排水体过密，势必会增成本，不经济。因此界定排水体疏密的范围 是竖向排水体设计的关键。1 9 8 8 年赵维柄、钱家欢【4 s 】用改进的半解析法计算并制成真 空沙井预压地基设计用表格，当已知抽真空历时t 和加固欲达到的固结度时沙井井距与 井径比的关系为，= 1 7 7 3 门或，= 1 9 0 4 ，2 吒，。王祥( 2 0 0 2 ) 【4 5 】指出塑料排水板间距小于1 5 m 时，固结度与时间正相关，与间距无关，但当塑料排水板间距大于1 5m 时，由于此时 处理区固结度未达到1 0 0 ，固结度仍然与时间正相关。吴玉才【5 0 】提出了以固结排水法 确定砂井间距的分析方法，该分析方法是根据具体的工况条件和软土的变形特性进行工 后沉降分析得到满足软基工后沉降要求所需的固结度后，再根据软土的固结特性和工期 要求分析确定砂井间距。彭勇、史玉金 5 1 】基于沙井地基固结理论建立了关于沙井地基的 3 个非理想综合参数，利用解析法用图表法计算袋装沙井间距值并制出理想井与非理想 井井径比用表，快速经济地确定排水井间距。赵维炳【4 】提出一条竖向排水体间距的经验 式，根据地基土的固结特性、允许预压时间、竖向排水体类型、布置方式和通水能力、 竖向排水体施工对周围软土的扰动以及工程经验等，初步确定间距为 r、o5 ，： 垒正l 一 ，其中g 、r 、【，。、巩分别为地基土的水平固结系数、工 l n ( ，“) l n o 8 ( 1 - ) 】j ” 一 程允许的固结时间、工程要求达到的固结度和排水体直径。 ( 3 ) 竖向排水体有效影响半径兀 在软粘土地基中按照等边三角形或正方形的布置原则打设一定间距的竖向排水体， 假定每个竖向排水体只对周围一定范围内的圆柱体土体产生作用，圆柱体的面为一个不 透水边界，圆柱体土体的直径用以表示，以就是竖向排水体有效影响范围直径。竖向 排水体的影响范围直径与排水体排列问距d 的关系如下垆2 5 3j ： 当竖向排水体按井距为d 的正方形布置时，每个竖向排水体的近似影响范围在平面 上是边长为d 的正方形，它的面积为d 2 ，为了方便对竖向排水体进行轴对称固结分析， 又将正方形等效成等面积的圆，该圆直径为以= 1 1 2 8 d 。 当竖向排水体按井距为d 的等边三角形布置时，每个竖向排水体的近似影响范围在 平面上是等边六边形，将六边形等效成等面积的圆，即( 7 r 以2 ) 4 ，所以以= 1 0 5 0 d 。可 以看出，竖向排水体按等边三角形布置比正方形布置紧凑有效，故在实际工程中常被采 用。 基于微观结构软土地基变渗透系数固结模蓰圾其应用 幻三角形布置 一生 。； o o b ) 正方形布置 图1 1 排水板通道的平面布置形式【5 4 】 f i g 1 1 p l a n el a y o u tf o r m so fv e r t i a ld r a i n s 【5 4 】 ( 4 ) 板式排水体的等效半径。z 。 目前含竖向排水体的软基固结理论是从沙井地基固结理论发展而来的，因此对于塑 料排水板这样非圆截面的排水体来说，在设计时，一般将排水板换算为等效的圆形沙井 进行计算，才能利用传统的含竖向排水体软基固结理论对塑料排水板进行设计和计算， 该等效圆形沙井的半径吒，一般称为塑料排水板的等效半径。塑料排水板等效半径的概念 首先由k i e l l m a n 于1 9 4 8 年提出的，h a n s b o 利用有限元法加以证明。 现有的排水板等效半径换算公式主要是丸= a + 6 ) 2 ，其中a 为排水板等效半径 的换算系数，口和6 分别为排水板的宽度和厚度。目前，确定塑料排水板等效半径换算 系数的方法很多，主要有：现场对比试验研究、室内通水量研究和室内模型研究【3 】。 现场试验研究是最直接研究排水板等效半径的方法，它能较好的反映排水板在地基中的 实际情况，但在分析时应注意排水体井阻和涂抹作用的影响。现场对比试验一般是选取 土质条件基本相同的两个试验区分别打设塑料排水板和沙井，控制排水板和沙井的间距 和入土深度，观测并计算两区域的固结情况或沉降特性，由固结度和沉降特性反分析得 到排水板的等效半径。室内通水量的测试结果仅反映排水体通水能力的大小，即在室 内采用带土排水板进行测试，不能反映排水板在地基中的真实状况。在工程应用中，应 先考虑现场实际的各种影响因素，折减一定的安全系数。由于排水板和沙井的材质与性 状不同，实际的折减系数也不同。若排水板的板材质量较差或过分弯曲，使其在地基中 的通水能力过低，土体中的水排出不畅，表明排水板在地基中的井阻较大，必然降低地 基的固结速率；反之，若排水板的通水能量高于某一值，流入排水板内的水能够很顺利 地排出，井阻作用在地基固结中可以忽略不计，说明排水板在地基中的通水能力己足够， 继续增加也不能够相应提高土体的固结速率，只能使地基固结保持原状。室内模型试 中山大学硕士学位论文 验能够有效地控制试验条件，基本保证沙井地基和排水板基地在相同的理想状态下进 行，若能合理控制试验中的各种影响因素，所得到的结果应比较合理。 国内外众多学者进行大量的研究，所得换算系数也各不相同：h a n s b o 【1 5 】利用等排水 边界假定塑料排水板和砂井的周长相等、两者会达到相同的固结效果，提出的塑料排水 板等效直径的折减系数a = 1 o 。后来的研究表明，由于边角效应，等效直径应小于基于 等排水边界假定得到的值。f e l l e n i u s 等人通过现场对比分析得出：在粘土中的 a = 1 5 3 o ，在粉土中的a = 2 5 4 0 。刘家豪【3 9 】等根据天津新港现场固结效果对比分 析口= 1 0 6 。严驰等人通过室内通水对比试验得到倪= 3 ，j a n s e n 和h o e d t 认为相同表面 情况下，流入排水板的水量明显要比流入圆形沙井的少，建议口= 7 r 4 。地基处理手 册建议排水板的打设深度在1 0 m 左右时，a = o 7 5 。赵维炳等人【3 【4 】由模型试验结果计 算出目前工程常用的一字形排水板、十字形板、圆形板的等效直径换算系数分别为o 8 8 、 o 9 4 、1 o 。 1 3 软土微观结构的研究进展 软土是复杂的多相混合体，由于其成因、物理性质、粒度组成、化学性质、有机质 含量、溶液性质和浓度的不同，形成各种类型的软土结构。在长期的工程实践中，人们 发现软土的宏观工程性状在很大程度上受到微观结构的系统状态或整体行为的控制，复 杂的物理力学性状是其微观结构特性的集中体现1 5 酬。微观结构特征包括小于0 0 0 5 m m 的结构单元体的特征、在空间的分布状况以及它们之间的接触连接特点和微观孔隙特 征。胡瑞林7 】研究并定义土体微结构，指出微观结构特征由颗粒形态、颗粒排列方式、 孔隙性和颗粒接触关系4 种结构要素定性描述，这4 种结构要素分别由颗粒大小、颗粒 形状、颗粒定向性等9 种结构参数定量刻画，如图1 2 所示。 微观结构状态 结构簟元特征滩元体排列特征孔 浆性结构联结性 上上 古 j 一 j 一 j -上 j 一 单 接 粒 单单 表二c孑l孔 触 闷c二，l 二c 隙 隙 带连体体 面体 体 人 分 人形 形定 分 形 接 态向 小以 小状靠 态 性 性 图1 2 微观结构要素及其结构参数组成【5 7 l f i g 1 2e l e m e n t sa n dp a r a m e m e r so fm i c r o s 仃u c t u r e 【5 7 】 基于微观结构软土地基变渗透系数同结模型及其应用 对于软粘土微观结构的研究始于二十世纪二十年代【5 8 ，5 9 1 ，1 9 2 5 年t e r z a 曲i 首次提出 土的微观结构概念并定义了蜂窝结构，这时期关于土的微观结构知识主要建立在假想的 土颗粒排列的基础上；三十年代开始采用光学显微镜对土样薄片和光片鉴定，出现了隐 结构、盐絮结构、开放式非盐絮凝结构和分散排列结构；至五十年代，光学显微镜、x 光衍射和电子显微镜才逐渐揭开土体微观结构的真面目；六十年代晚期，扫描电镜和土 样制备技术的发展【6 3 ，7 0 1 ，对粘性土微观结构的认识进一步深入，使得微细结构研究在结 构层次的深度和结构要素联系的广度上都取得了飞跃的发展；进入七十年代开始微观结 构定量化研究【2 2 ，6 4 ，7 2 1 ，这是土体微观结构领域的一个难点，早期主要应用x 光衍射仪， 如b 血d l e d ( 1 9 5 3 ) ，m a n i n ( 1 9 6 2 ，1 9 7 0 ) 等【6 0 1 ，计算机图像处理技术使土结构的定量化研究 飞速发展；到了八十年代中期，计算机断层扫描仪( c t ) 开始应用到地质学中分析岩石 的性质和特征，这一技术无损伤地探测多孔介质以及内部液体的物理和化学性质。目前， 除c t 技术外，大部分方法已经被广泛应用。 国内外众多学者对土体微观结构的图像处理及定量化分析进行过各种研究r 7 ，6 1 ，6 2 】： m “c h e l l ( 1 9 7 6 ) 阐述了粘土类和岩石微观结构及其控制因数的定量分析。t o v e y 【6 3 ，6 4 j 提出 了孔隙液体移出的液氮法冻干技术以及用于电扫描的胶带剥离技术并应用计算机图像 处理系统对土结构的图像形貌进行定量分析。s u l ( h a r e v ( 1 9 9 2 ) 等开发了一系列粘性土 微观结构计算机处理软件。我国关于微观结构的研究起步较晚，直至七十年代扫描电镜 的普及使用才使这一课题有较大进展，罗鸿喜、陈守义( 1 9 8 1 ) 、潭罗荣、张梅英( 1 9 8 2 ) 、 李生林、施斌( 1 9 8 2 ) 【6 1 7 6 8 】等对海相沉积粘土特性的微观结构进行了深入研究，曲永新 等( 1 9 7 7 ) 、王幼麟( 1 9 8 0 ) 、陈守义( 1 9 8 0 ) 对软岩微观结构特征与工程特性进行了 详细分析。潭永荣( 1 9 8 0 ) 、施斌( 1 9 8 8 ) 【6 9 】利用x 光衍射仪对粘性土中扁平粘土矿 物质颗粒定向排列进行了定量测定。吴义祥( 1 9 8 8 ，1 9 9 1 ) 【1 7 3 】研制了温差真空干燥系统和 土体微观结构图片计算机定量分析系统，在不同压力不同作用时间下对粘土定量分析， 总结了粘土结构状态参数的变化规律并分析结构变化与粘土物理力学性质之间的关系。 施斌( 1 9 9 0 ，1 9 9 5 ) 【6 7 1 应用计算机图像处理技术对微观结构形貌定量研究。蒋明镜【7 ，7 4 】 ( 1 9 9 6 ) 、齐吉琳【8 l 等( 2 0 0 0 ) 采用人工备制结构土的方法对土的微观结构进行研究。 齐吉琳等人( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 发展了土结构性研究的土力学方法，构造了能同时反映土的 排列特征和联结特征的土结构性定量化参数。毛灵涛等【_ 7 0 】( 2 0 0 7 ) 提出用于描述软土孔 隙变化的孔隙分维、孔隙分布分维和孔隙边缘形状分维，并用分维数对土体扫描电镜图 像进行分析。 结构性粘土的微结构模型实质上是对土颗粒以及孔隙的排列、形状、接触关系的组 合形式的一种类型划分【7 l 7 引。p r a t 和b a z a n t ( 1 9 8 6 ) 、c a r o l ( 1 9 9 0 ) 等人相继对粘性土的 一8 一 中山大学硕士学位论文 变形、蠕变、岩石和混凝土的断裂等方面建立了微观力学模型。m a t u s o 【7 7 1 等引入基于统 计方法的结构因子m = ( 1 ) ( 吩s i n2 b ) 2 + ( c o s 礁) 2 ，m 为结构因子，表示 颗粒的定向程度，b 表示所观得第f 组颗粒的倾角，为改组颗粒数。沈珠江【7 8 】指出未 来的结构性模型有三种：散粒体模型、复合体模型以及堆砌体模型，复合体模型是引入 损伤力学概念得到的，能很好反映结构破损过程，但不能模拟三轴试验中低围压下的剪 胀现象，堆砌体模型则能很好地反映低围压下的剪胀。施斌【6 8 】借助s e m 图片微观定量 测试技术，提出描述土体各向异性的几个指标，针对重塑土样提出一个蠕变微观力学模 型。刘松玉【_ 7 9 j 提出基于土工试验的粒度分维表示法：d = 3 6 ，6 为双对数坐标下 m ( 厂) ( m 一，) 的直线段斜率，m 为土样总质量，m ( ，) 为粒径小于，| 的颗粒累计质量。王 常吲7 2 ，8 0 1 研究了固结过程中微观结构参数的变化，提出微观结构因子m 的概念，并用其 构造一个反映变形本质的固结蠕变本构模型，其表达式为： 厂f 卢d fi 甲 s = la m 。( + 1 ) 尸一6l l n 三，其中，眠是初始微观结构因子，土体结构单元体定向 l j 分维与定向度的比值，描述了加载前的软土微观结构综合特征。谢定义【8 j 提出一个既能 反映结构性关于颗粒排列( 几何特征影响) ，又能反映结构性关于颗粒联结( 力学特征 影响) ，简单明晰的结构性定量指标一一综合结构势，其表达式为： = 卺= 萋篙= 等，其中氐、墨、s 分别为原状样、饱和样和重塑样在某一压 力p 下的变形量( 或应变量) 。 在岩土工程领域，关键问题是土的微观结构对强度、变形等工程力学特性的影响。 目前，在土的微观结构形态研究中，大多采用s e m 方法，研究主要集中在通过微观结 构的形貌观察和分析，对土的工程特性作定性说明，而定量化的研究在方法和手段上还 不是十分成熟和完善。 1 4 目前存在的主要问题 软土固结理论发展至今，国内外学者提出了众多的固结模型与计算方法，其中太沙 基固结理论作为最早提出的土的固结理论，一直为研究人员公认并广泛应用。但由于软 土本身的复杂性，这些理论模型仍存在一些问题： ( 1 ) 土是一种复杂的不确定性介质，其固结沉降不但受应力水平、应力路径的影 响，还受土体微观结构的影响，而不同性质土体的微观结构存在非常大的差异性，要选 基于微观结构软土地基变渗透系数固结模型及其应用 择一种数学模型来全面正确地反映这些复杂因素是非常困难的。因此研究应针对共性问 题，寻找能反映其显著特征的定量表达方式。 ( 2 )目前土体微观结构研究取得不少进展，但尚未建立较完善的土体微观结构和 宏观变形之间的模型，对于预压排水固结法中软土微观结构变化的研究不多。过去的各 种计算方法多从宏观上考虑地基的强度特性、固结变形和沉降，缺少从土体单元特征参 数、颗粒排列特征、孔隙等参数入手深入地分析软土的非线性固结特性的相关研究。 ( 3 ) 现有的非线性固结模型中关于渗透系数、压缩系数等参数的变化规律的研究 多以宏观手段为主，结合微观结构的变化分析排水固结过程中土性变化的非线性特征的 研究不多见。 1 5 本文的研究思路及内容 本文针对上述问题，以广东省东沙至新联高速公路软基处理工程为依托，通过对软 土固结过程中微观结构变化与渗透系数变化之间关系的研究，分析了软土渗透系数随深 度的变化规律，然后基于太沙基固结理论推导了变渗透系数非线性固结模型，并将该模 型应用于实际工程，对比分析了预压排水固结法中不同的加载方式、不同排水板间距和 深度下软基的加固效果。具体的研究内容包括： 第一章：综述软基预压排水固结法的发展历程；总结竖向排水体间距、深度、有效 半径、等效半径等参数的设计方法；介绍土体微观结构的研究进展；并指出软土固结过 程中渗透系数不断变化，且与软土微观结构特征有关，为本论文指明研