（大地测量学与测量工程专业论文）软土路基沉降动态模拟研究.pdf

摘要 针对我国软土的分布情况、工程性质、分类标准以及软土对公路工程造成的危害做 出了简单的介绍，进一步介绍了沉降在国内的研究的主要理论和沉降计算方法。 在阐述动态模拟的理论依据时，先从弹性力学的基本方程入手介绍了几种土的弹塑 性模型和破坏准则；在对软土路基沉降的机理进行分析时，从软土变形的指标介绍开始， 列出了土的固结和压缩的基本方程，同时分析了影响软基沉降的主要因素并针对软基固 结沉降量的计算公式做出了阐述。在沉降变形监测过程中，高程基准点的稳定性问题是 首要问题，结合变形监测数据处理方面的有关知识，介绍了高程基准点稳定性分析的基 本方法；在对高程基准点的稳定性进行评估时，对高程基准网中稳定点和不稳定点的分 析做出理论方面的应用；最后，对软土路基进行变形监测的实施和控制做出了阐述，并 用有限元相关软件对其沉降过程进行了动态仿真。 在对软基路堤进行模拟仿真的基础上，得出了重要结论：1 有限元相关软件可以动 态模拟变形体变形过程；2 在l s d y n a 动力分析中，多期沉降量监测数据可以作为边 界条件在有限元软件中进行数据输入，在时间历程后处理器中沉降监测点的竖向位移可 以以曲线形式输出；3 采用时间缩放法，可以获取某一时间变形体的变形情况。 关键词：固结、变形监测、沉降、动态模拟 a b s t r a c t t h e o r e t i c sa b o u td i s t r i b u t i n g ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t y , s o r t i n gs t a n d a r do fs o f ts o i la n d d a m a g et oh i g h w a yp r o j e c t ，a r ei n t r o d u c e di nan u t s h e l l f u r t h e r , p r i m a r yt h e o r e t i c sc o m p u t i n g w a y sa n dm e a n s ，b o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，a b o u ts u b s i d e n c ea r ei n t r o d u c e d ，t o o s o m ee l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t ym o d e la n dd e s t r o yr u l ea r ee x p a t i a t e da f t e rc a r d i n a l e q u a t i o no ne l a s t i c i t yt h e o r yi s l i s t e d toa n a l y s es o f ts o i ls u b s i d e n c e ，s o m ep a r a m e t e r s ， i n t e r r e l a t e db a s i c a lf o r m u l a ea b o u ts o i la r ew r i t e d a tt h es a m et i m e ，m a j o rf a c t o r so fs o f ta n d c o m p u t i n gf o r m u l a ea b o u ts o i ls u b s i d e n c ea r ei n t r o d u c e d s t a b i l i t yo fr e f e r e n c ep o i n ti sv e r y i m p o r t a n t ，s ob a s i c a lm e t h o da b o u ti t ，b a s e do ns u b s i d e n c ed a t ac o m p u t i n g ，i st o l di nt h i s p a p e rd u r i n gs u b s i d e n c es u r v e ya le o nd o i n g ，i no t h e rw o r d ，m e a nt i m ei n t e r v a l c o r r e l a t i v e t h e o r e t i c sa b o u ts t a b i l i t yo fr e f e r e n c ep o i n t si su s e di no r d e rt od i f f e r e n t i a t et h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h es t e a d ya n di n s t a b i l i t yp o i n t s a tl a s t ，d i s s e r t a t i o n sa l em a d ea b o u tc a r r y i n go u t a n dc o n t r o l l i n go fs o f ts o i ls u b s i d e n c es u r v e y ；p r o c e s so f s u b s i d e n c ei ss i m u l a t e db yf e as o f t c o n c l u s i o n sa r em a d eo nt h es i m u l a t i o nm o d eo nt h eb a s eo fs o f ts o i ls i m u l a t i o n f i r s t ， p l a s m o d i u mc a nb es i m u l a t e db yf e as o f t s e c o n d ，c u r v eb e t w e e ns u r v e yd a t a ，w h i c hi s s u r v e y e db yi t e r a t i o nf o rl o n gt i m e s ，a n ds u r v e yd a t ab yc u r v ec a nb ei n p u ti n t oc o m p u t e ra n d v e r t i c a l d i s p l a c e m e n to fs u r v e yp o i n tc a nb ee x p o r t e db yc u r v ea f t e rp l a s m o d i u mi s s i m u l a t e d t h i r d ，d i s t o r t i o no f p l a s m o d i u mc a nb ea t t a i n e da ts o m et i m eo f t h ed a yb ys c a l e k e yw o r d s ：c o n s o l i t i o n ；s u b s i d e n c es u r v e y ；s u b s i d e n c e ；d y n a m i cs i m u l a t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 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。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者躲参l 锇峰妇7 7 年r 脓日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢剀铋崎砷年j 膨日 导师签名：憾永 渺7 年5 月日 长安大学硕士学位论文 1 1概况 第一章引言 在我国辽阔大地上，地质情况的分布复杂多变【1 】，软土在我国分布极其广泛，软土 具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性高、抗剪强度低和灵敏度高等弱点。在软 土地区高等级公路修建过程中，一直是一个重大技术难题。近年来，随着全国高速公路 建设的迅猛发展，针对路线通过的海相、湖泊等软基不良地质地段，软土给公路工程建 设带来了很大的隐患，由于计算理论、数学模式的不同，各地软土性质的差异，以及勘 探手段、施工工艺等的差别，软土地基是严重影响工期与造价的重要因素。在软土地区 修建的公路，在交通荷载作用下，常使道路沉降变形，严重影响道路的质量和使用，并 造成巨大的经济损失。因此，正确认识软土路基的性质与危害，采取合理有效的沉降控 制方法已成为软土地区高速公路建设急需解决的关键问题。一些科研机构、科技人员结 合实体工程进行研究，取得了一定的成果。如针对水网地区海相、湖泊深软弱夹层，无。 法挖除替换土层而采取的“排水固结”、“水泥砂桩”、“粉喷桩”等技术，或者应用“土工布”、 “土工格室”、“纤维网加透水性材料”、“塑料泡沫块( e p s ) ”等新材料、新工艺。 根据砂井、土工布及砂井、塑料排水板、反压护道等手段在治理软基方面取得的成 果，交通部第一公路勘察设计院主编了公路软土地基路堤设计与施工技术规范 ( j t j 0 1 7 9 6 ) ；交通部公路司在总结多年来关于软土工程领域的科学研究成果的基础 上，组织编写了交通土建软土地基工程手册；2 0 0 3 年1 2 月通过了关于四川省交通 厅公路局、交通部公路科学研究所阿坝州交通局承担的草原( 沼泽) 地区路基稳定技 术的研究( 一期) 西部项目成果。 淤泥及淤泥质土总称为软( 粘) 土【2 1 。软土一般指在静水或缓流水环境中以细颗粒为 主的近代粘性沉寂土，是一种呈软塑到流塑状态的饱和( 或接近饱和) 粘性土，常含有 机质，经生物化学作用形成的。其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于1 0 。当天然 孔隙比大于1 0 而小于1 5 时为淤泥质土；当天然孔隙比大于1 5 时为淤泥。习惯上也把 工程性质接近淤泥土的粘性土统称为软土。软土广泛分布在我国东南沿海、内陆平原和 山区，如天津、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门和广州等沿海地区以及昆明和武 汉等内陆地区。 天然软土具有以下特征： 第一章引言 ( 1 ) 颜色以深色为主，粒度以细颗粒成分为主，有机质含量高； ( 2 ) 天然含水量高，容重小，天然含水量大于液限，超过3 0 ，相对含水量大于1 0 ； 软土的饱和度高达1 0 0 ，甚至更大，天然容重为1 5 1 9 k n m 3 ； ( 3 ) 天然孔隙比大，一般大于1 o ； ( 4 ) 软土地基透水性很低，一般小于1 0 6 c m s ，沉降速度慢，固结完成所需时间 较长；竖直向的渗透系数k 约在1 0 。8 - - 1 0 。1 0 之间，当有机质含量较高时，k 值更低，因此 软土在荷载作用下，要达到较大的固结度，需要相当长的时间，使许多压密加固方法在 短期内不能凑效，而且软土的渗透性有明显的各向异性，水平方向渗透系数常比竖直方 向大。 ( 5 ) 粘粒含量高，塑性指数大； ( 6 ) 软土空隙比大，具有高压缩性，压缩系数口。一：( 在1 0 0 - 、, 2 0 0 k p a 压力下) 在0 5 2 0 m p a - 1 之间，部分软土甚至更高，压缩模量e 。 o ， 0 ，尾 巧二( 厶，f ) h o ) = a 来检验高程基准点的稳定性，置信水平口通常取0 0 5 或0 o l 。 当统计量f 小于由附表查得的分位值互。( 厶，厂) 时，认为所有高程基准点是稳定 的：否则，认为有部分高程基准点发生升降的现象。 长安大学硕士学位论文 4 2 不稳定高程基准点的剔除 根据参考文献【3 2 】，将沉降监测高程基准点分为稳定组( f 组) 和不稳定组( m 组) ， 这时f 组中也可能存在不稳定高程点，将两期基准点沉降监测高差胡、按f 、m 组排序并分块 胡r = ( a h f r ；胡m r ) = ( 乏p m m ) 龃m = 龃m + p 意p m f 龃f p f f = p f f p f m p m - 1 m p m f 贿心龃= a h r p r r a h r + 硪m a h m 令亿坼，彳刮鼠) = 口啡= 半t ( 4 4 ) f 统计量 f = 了0 2 p 旷 互一。( 厶，石+ f ：) l m o ) = 口 若f f ( 坛，f i + f i ) ，则f 组所有高程基准点都是稳定的，否则，含有不稳定的高程基 准点。 设共有t 个点，其中第i 点为不稳定点，其余为稳定点，则分成的两组为 f i 组：1 ，2 i 1 ，i + 1 t m i 组：i 计舁h 削m r ，m 削m ( i 1 ，2 t ) ，共有t 组这样的数值，该值最大的点即为高程发 生变化的基准点。在剔除该点后对剩下的基准点再进行整体性检验，若通过即剩下的基 准点全部是稳定的，否则继续用上述方法就行剔除，直到满足要求为止。 4 3 软土路基变形监测 由文献【3 1 知，软土地基中超静水压力的消散，必须经历一定的时间才能完成。为了 能使路提填筑所产生的应力增加量与路堤底部地基强度的增量相适应，必须加以监测和 第四章软土路基变形动态模拟 控制，以下是有关单位实施软土路基沉降监测和水平位移监测的主要做法。 4 3 1 软土路基沉降监测 路提施工沉降监测的目的主要有三个：1 ) 控制填土速率；2 ) 根据实测沉降曲线预 测地基固结情况，根据预测的残余沉降量确定填方的预留沉降量、余宽及涵洞的预留沉 降量和断面余量并确定构筑物和路面的施工期；3 ) 为工程计量提供依据【3 2 1 。软土路基沉 降观测的方法有两种【3 3 】：一是在原地面分层竖向位移上埋设电磁式沉降板进行高程观 测；二是埋设水杯，应用连通器原理进行多测点静力水准观测。沉降板观测设备简单， 埋设简易，观测精度高，常用于一般软土路基施工的沉降观测，但测点不宜过多较大； 水杯观测装置较复杂，埋设要求高，且难度大，但测点多，对路提施工影响小，一般用 于试验工程路提施工的沉降观测【3 4 1 。 表4 1 分层沉降仪的主要技术性能指标 ( 1 ) 沉降板的构造与布设 沉降板底板采用钢板或钢筋混凝土板且其底面尺寸不小于5 0 c m x 5 0 c m x 3 c m 。沉降 板由沉降底板、金属测杆和保护套杆组成。沉降底板采用钢板，测杆采用外径为4 0 0i t l m 的钢管制成，并用3 根直径1 0 m m 斜钢筋将其焊接在沉降板上。为了使测杆处于自由状 态，防止测杆与路基填料直接接触发生摩擦，影响沉降观测结果，应在测杆外部加保护 套管，其直径以能套住测杆并能使水准尺进入套管为宜，测杆和套管应随填土升高而逐 段接高，每节长度不大于5 0 c m ，接高后的测杆顶部应略高于套管上口，套管上口应加 盖封住管口，防止填料落入管内影响测管自由下沉，测杆高出填料高度不宜大于5 0 c m 。 软土地基一般每隔2 0 0 m 左右布设一个沉降观测点，桥头引线路段至少布设3 个观 测断面，第一块沉降板应布设在桥头搭板末端或桥台桩位处( 有台前预压时) ，沉降板 间距离不宜超过5 0 m ，桥头高填方路段的沉降观测点设于台后的1 0 m 范围内，沉降板 埋设于路中心、路肩的底部。在埋设地点原地面挖一6 0 0 m m x 6 0 0 m m x 2 0 0i i l i l l 的土坑， 坑内铺5 c m 的黄砂并整平压实，将沉降板平放在坑内，四周用黄砂填实，并用水平尺 校正使板面水平。将套管垂直套入测杆并与沉降板的距离保持1 0 c m 以上的高度，在套 管四周用土堆实使其立稳，用水准仪观测测杆杆顶标高，确定初时高程。待填筑一层土 后，先测测杆原杆项标高，随即接上第二节测杆，观测杆顶标高。 ( 2 ) 测量频率及要求 2 6 长安大学硕+ 学位论文 测量频率： 1 ) 路提填筑过程中每填一层观测一次；填筑间歇期间每3 d 至少观测一次。 2 ) 路基填筑完毕进行预压期观测，第一个月观测频率为每周一次；第二、三个月 每隔1 5 天观测一次；自第四个月起每月一次。 技术要求： 沉降板观测应采用s 1 、s 3 型水准仪，s 1 水准仪作二等水准测量用，主要用于高程 基准点和基准点校核点的高程测量，以二级中等精度要求的几何水准测量高程，观测精 度应优于l m m ；s 3 水准仪作三等水准测量用，主要在填筑过程中沉降观测用。 表4 2 路堤施工全过程沉降观测水准测量等级、精度指标和对仪器的要求1 2 l 等水准仪 视线前后视前后视距累红黑面读数红黑面高差往返测较差， 型号长度( m ) 距差( m )计差较差较差附和允许闭合差 级 ( m )( m m )( i 姗)( 蚴) 注：n 为测站数，路线允许闭合差取自工程测量规范( g b 5 0 0 2 6 - - 9 3 ) 表4 4 容许工后沉降( g r gd 3 0 2 0 0 4 ) 4 3 2 软土路基地面水平位移监测 ( 1 ) 观测仪具 软土路基稳定性监测是通过地面水平位移监测和土体内部水平位移监测来实现的。 边桩采用钢筋混凝土预制，混凝土等级不小于c 2 5 ，长度不小于1 5 m ，断面采用的正 方形或圆形，其边长或直径以l o - - - 2 0 c m 为宜；并在桩顶埋设不易磨损的测头。边桩的 埋设可采用打入或开挖的方式埋设，要求桩周围回填密实，桩周上部5 0 c m 采用混凝土 浇筑，确保边桩的稳固。 第四章软土路基变形动态模拟 ( 2 ) 观测方法【3 3 】 1 ) 视准线观测法，即用光电测距仪直接测取边桩的水平位移量。视准线法适用于 地势平坦、通视条件好的平原地区。视准线法要求布设三级点位，由位移标点和控制标 点的工作基点，以及用于控制工作基点的校核基点3 部分组成。工作基点桩要求设置在 路堤两端或两侧工作边桩的纵排或横排延长轴线上，且在路基变形影响区外，用以控制 位移边桩。位移边桩与工作基点桩的最小距离以不小于2 倍路基底宽为宜。 2 ) 单三角前方交会，即采用经纬仪、红外测距仪对三角形的边角进行测量。单三 角前方交会法通过三角形边角的变化计算比较获取边桩的水平位移量，要求监测点与控 制点、校核控制点构成三角网，并要求点间通视条件良好。校核控制点要求布设在远离 施工现场和控制点而且地基稳定的地方。 上述两种方法的精度为：测距仪误差+ 5 m m ，方向观测水平角误差2 5 。当采用视 准法观测时，观测仪器宜采用光电测距仪；当采用单三角前方交会法观测时，观测仪器 采用j l 和j 2 经纬仪。 ( 3 ) 用于观测路基水平位移的控制点、校核控制点可同时用于沉降观测。位移监测点 的个数根据路基稳定监测的目的而确定。埋设于坡趾及以外的控制点一般兼测地面沉 降。 4 3 3 软土路基土体内部水平位移监测 ( 1 ) 测量器具的埋设 测斜管埋设时应采用钻孔机导孔，导孔要求垂直，偏差率不大于1 5 。管内的十 字导槽必须对准路基的纵横方向。测斜管内纵向的十字导槽应润滑顺直，管端接口密合； 测斜管埋设于地基土体水平位移最大的平面位置。测斜管由塑料管或铝合金管制成，其 弯曲性能以适应土体的位移情况为宜。 ( 2 ) 土体内部水平位移观测的技术要求【2 】 1 ) 地基土体内部的水平位移量是通过在观测点埋设测斜管由测斜仪测得。 2 ) 测斜管有铝合金管和塑料管两种，它的弯曲性能应以适应被测土体的位移情况 为宜。测斜管内纵向的十字导槽应润滑顺直，管端接口密合。 3 ) 测斜管一般埋设于软土路基土体水平位移最大的平面位置，如路堤边坡坡趾或 边沟上口外缘1 0 m 左右的位置。埋设时采用钻机导孔，导孔要求竖直，偏差率不大于 1 5 。测斜管底部应置于深度方向水平位移为零的硬土层中至少5 0 c m 或基岩上，管内 2 8 长安大学硕士学位论文 的十字导槽必须对准路基的纵横方向。 4 ) 观测断面位置的确定应满足设计和施工要求。对于凌空面较大的沿河、池塘和 桥台前缘，以及路基地面横向呈倾斜状的山前坡地软基路段，其路段稳定性必须加以重 视，施工时尽可能进行土体内部横向水平位移观测，观测断面的设置间距不宜大于5 0 m 。 测量时，测头在孔底停留5 m i n 测试。 ( 3 ) 观测频率 1 ) 水平位移观测频率和测定时间应与沉降监测同步。 2 ) 水平位移速率，边桩控制在每天不大于3 r a m ，测斜管控制在每天不大于5 m m 3 3 1 。 4 4 软基沉降动态模拟 已知路基填料为坚硬的黏土，参数：密度2 2 0 0 k g m 3 ，弹性模量1 2 0m p a ，泊松比 o 2 5 1 2 7 1 。据此( g ；兰、k ；冬【驯) 得剪切模量g = 4 8 m p a ，体积弹性模量 2 ( 1 + ，| )3 0 2 v ) k = 8 0m p a ，路基下伏层为软土，为研究软土路基在运营阶段的沉降变形情况，根据测 量规范，对极易发生沉降的软基a 区路段布设了6 个沉降观测点( 见图4 1 ) 并从 2 0 0 4 6 1 1 到2 0 0 5 1 1 1 4 进行了1 7 期沉降观测( 沉降观测数据见表4 5 ) ，由此得观测点 4 累计沉降量曲线见图4 2 。研究表明，当地基局部面积上作用有外部荷载时，土体不仅 产生竖向变形，同时也产生侧向变形【3 】。 有限元模拟仿真的关键步骤：1 为模拟仿真方便起见，将沉降观测时间按照一定的 比例进行缩放为计算机模拟时间，其对应关系见表4 6 ；2 建立路基模型并进行网格划 分：取底面1 5 x 2 0 m ，高6 0 m ，边坡1 ：0 7 5 的梯形进行建模【3 6 】，输入材料的密度、弹 性模量和泊松比【3 7 1 ，网格划分见图4 4 ；3 施加约束条件：选取软基底面的全部节点， 施加u x 、u y 、u z 等位移约束条件。4 施加边界条件( 沉降观测点沉降量累计曲线) 和重力：a 定义并填充c 0 1 、c 0 2 c 0 9 和g 、t 数组【3 8 】；b 定义组元d 0 1 、d 0 2 d 0 9 和 d g ；c 定义沉降监测点沉降量累计曲线、重力与时间的关系曲线：c u l v co p t i o n s 菜单下 面选择a d dc u r v e ，在打开的表里面输入曲线号1 、2 1 0 并在下拉菜单中依次选择矩阵 数组t 和矩阵数组c 0 1 、c 0 2 c 0 9 ；d 施加沉降量累计曲线、重力与时间关系曲线【3 9 】： 在s p e c i f yl o a d s 展开菜单中依次选择施加荷载的类型a z 、u z 以及对应的组元d 0 1 、 d 0 2 d 0 9 、d g 和曲线号1 、2 1 0 ；5 写入并修改关键字：在w r i t ej o b n a m e 菜单下选择 a n s y sa n dl sd y n a 并存入数据库；在关键字在数据表m a t e r i a ld e f i n i t i o n s 下 2 9 第四章软土路基变形动态模拟 进行修改；6 求解和结果显示1 4 0 j ：时间历程后处理器中，在u z 下面选择沉降监测的节 点号，再点击p l o t 按钮即可显示各个沉降观测点随计算机模拟时间变化的曲线刚4 1 1 。 用有限元相关软件模拟得各沉降观测点竖直位移( 单位：m ) u z 随时间( 单位：s ) 变化曲线见图4 3 ( 位移单位：m ) ，为研究软土路基在不同时刻的变形情况，在4 个 不同时刻分别截取路基横向( x 方向) 位移分量、纵向( y 方向) 和竖向( z 方向) 的 变形等值面图见图4 5 4 1 4 。 为研究位移、应力以及应变与距离的相互关系，分别沿路基横向、路基纵向以及竖 直方向布设了3 条路径见图4 1 5 ，描述变形的物理量与距离关系曲线见图4 2 2 4 2 4 。 图4 1 软基a 区沉降观测点埋设示意图 表4 5 软基路段沉降观测数据( 单位：m ) 2 0 0 5 0 9 1 50 0 6 0 80 0 7 4 90 0 7 9 5- 0 0 6 8 3- 0 0 4 0 10 0 2 9 8 长安大学磺士学位论文 ；ii i； ； ii ；i 女女 目 田4 2 软基a 医沉薛蕊涮点祝降曩计曲线圉 图4 , 3 轼基a 区祝障履嗣点有限元模拟沉降累计曲线圈( 位移单位：m ) 图4 2 中分别为沉降观测点c 0 1 、c f f 2 c 0 9 从2 0 0 4 - 0 6 1 1 至2 0 0 5 4 1 9 1 1 期间的累计 沉降量与时间的变化曲线，软基路段在初期下沉量先增大，后逐渐减小，曲线呈现先“陡” 后“缓”的特点，最终趋于稳定；图4 3 分别为沉降观测点e 0 1 、c 0 2c 0 9 在计算机模拟 起始时闻o 至1 2 8 期间的竖直位移与时间的变化曲线。从上面两图可以看出各点的曲 线形状基本一致，从图4 2 可知观铡点c 0 4 最大沉降量为7 9 5 c m ，而图4 3 则为8 0 0 锄； c 0 9 在图4 2