（道路与铁道工程专业论文）硬壳层软土地基工程特性研究.pdf

摘要 软土地基的表层由于水分蒸发，地下水位降低，荷载迁移，可溶盐及其它成 份的沉淀等因素长期作用，会形成一层硬壳层，它的承载特点将与人们通常所了 解的概念有很大的不同。现阶段国内外对硬壳层地基方面的研究不多，在实际工 程计算中基本上运用一些近似的理论求解，这样使得一些结果不尽精确。 本文在总结国内外的研究现状与进展的基础上，主要从以下几个方面进行分 析研究： 1 分析硬壳层的主要形成原因和硬壳层的几个特殊作用及其对工程的影响； 2 运用双参数模型对上覆硬壳层软土地基应力进行分析研究，得出条形均靠 荷载作用下上覆硬层软土地基界面上应力扩散系数计算方法，并通过工程实例计 算说明了该计算方法具有一定的可行性； 3 分析了均质地基和上覆硬壳层软土地基在条形均布荷载作用下的临塑荷 载，考虑硬壳层的多种作用对迈耶霍夫和汉纳提出的冲剪破坏理论公式进行改进 并通过工程实例计算对所推导公式进行验证； 4 运用数值模拟方法，通过改变各种力学参数，研究各参数的变化对水平应 力的影响。 通过本文的研究，在对层状地基进行沉降和极限承载力计算时，运用扩散应 力系数法和考虑硬壳层的多种作用后，其结果更加接近工程实际值。这使得工程 的可靠性和经济性得到更加充分的发挥。 由于工程特性的特殊性，国内外对硬壳层软土地基的工程特性的研究不多， 特别是现场试验资料极少。在今后的研究过程中很有必要多进行一些现场试验研 究，以此来验证理论研究。对硬壳层方面的认识还需在今后的应用和研究中不断 的充实和总结，达到成熟和完善，以便在今后的设计和施工中给予充分的考虑。 关键词：硬壳层；软土地基；应力分析；极限承载力 a b s t r a c t s o f tf o u n d a t i o ns u r f a c eb e c a u s eo fw a t e re v a p o r a t i o n ，g r o u n d w a t e rl e v e l l o w e r ，l o a dt r a n s f e r ，s o l u b l es a l t sa n do t h e rc o m p o n e n t sd e p o s i ta n do t h e rf a c t o r s o fl o n g - t e r me f f e c t ，w o u l df o r mal a y e ro fh a r ds h e l ll a y e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f i t sb e a r e rw i l lb eq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h ec o n c e p to fp e o p l eo f t e nk n e w a tt h e p r e s e n ts t a g e ，a th o m ea n da b r o a dt h e r ea r el i t t l er e s e a r c ha tt h ef o u n d a t i o no f h a r d s h e l ll a y e r ，i np r a c t i c a le n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n si ti sb a s i c a l l yu s eo ft h es i m i l a r t h e o r yt os o l v e ，i tm a k e st h a ts o m eo ft h er e s u l t sa r en o ta c c u r a t e i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so fs u m m e du pt h es t u d ys t a t u sq u oa n dp r o g r e s sa t h o m ea n da b r o a d ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c hm a i n l yc a r r i e do u tf r o mt h ef o l l o w i n g s o m ea s p e c t s ： 1 i ta n a l y s e st h em a i nc a u s e so fh a r ds h e l ll a y e rf o r m e da n dt h es p e c i a lr o l e a n di t se f f e c to fp r o je c t ； 2 b yu s i n gt w o p a r a m e t e r m o d e li t a n a l y s e s h a r ds h e l l l a y e rs o f t s o i l f o u n d a t i o ns t r e s s ，o b t a i n i n gt h es t r e s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d a b o u ti n t e r f a c eo f h a r ds h e l ll a y e rs o f ts o i lf o u n d a t i o na tt h ec o n d i t i o no fs t r i pa n d u n i f o r ml o a d ，a n db ym e a n so fp r o j e c te x a m p l e st oi l l u s t r a t et h a tt h ec a l c u l a t i o n m e t h o di sf e a s i b l e 3 i ta n a l y s e sp r op l a s t i cl o a do fh o m o g e n e o u sf o u n d a t i o na n dh a r ds h e l ll a y e r s o f ts o i lf o u n d a t i o na tt h ec o n d i t i o no fs t r i pa n du n i f o r ml o a d ，i m p r o v e si m p a c t a n ds h e a rd a m a g et h e o r yf o r m u l ap r o p o s e db ym e y e r h o fa n dh a n n aa tt h e c o n d i t i o no fc o n s i d e r i n gm u l t i r o l eo fh a r ds h e l ll a y e r ，a n db ym e a n so fp r o j e c t e x a m p l e st ov e r i f yt h ef o r m u l ad e d u c e d 4 t h eu s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，b yc h a n g i n gt h ev a r i o u s m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，s t u d yt h ee f f e c ta b o u tt h el e v e lo fs t r e s s t h r o u g ht h i sp a p e r ，i nt h ec a l c u l a t i o n so fl a y e r e df o u n d a t i o ns e t t l e m e n ta n d u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ，b yu e s i n go ft h es t r e s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n tm e t h o da n d c o n s i d e r i n gt h er o l eo fav a r i e t yo fh a r ds h e l ll a y e r ，t h er e s u l t sa r ec l o s e rt ot h e a c t u a lv a l u eo ft h ep r o j e c t i tm a k e st h a tt h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo ft h ep r o j e c t i sm o r ef u l l y b e c a u s eo ft h es p e c i f i c i t yo fe n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，b o t ha th o m ea n da b r o a d t h es t u d ya b o u te n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fh a r ds h e l ll a y e rs o f ts o i lf o u n d a t i o ni s u l i t t l e ，i np a r t i c u l a r ，f i e l dt e s td a t ai sv e r yf e w i nt h ec o u r s eo ff u t u r er e s e a r c hi ti s n e c e s s a r yt oc a r r yo u tm a n yf i e l dt e s ti no r d e rt ov e r i f yt h et h e o r y i nt h ep r o c e s s o fa p p l i c a t i o na n ds t u d yi nt h ef u t u r e ，t h ek n o w l e d g en e e dt ob ee n r i c h e da n d s u m e du pa b o u th a r ds h e l ll a y e r ，a n dr e a c hm a t u r i t ya n dp e r f e c t i o n ，s ot h a ti tc a n b eg i v e nf u l lc o n s i d e r a t i o ni nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nf o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：h a r ds h e l ll a y e r ；s o f tf o u n d a t i o n ；s t r e s sa n a l y s e ；u l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t y 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。 作者始订缈嗍砑年夕删日 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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：们伊嗍巧年2 , y 仙 导师签名月日 第一章绪论 1 1 课题研究目的及意义 1 1 1 研究目的 随着我国对外开放和经济建设的发展，平原和沿海地区的工程建设项目也随 之增多。在这些地区修建各种工程结构，经常遇到几米甚至几十米的抗剪强度很 低且易于流动的淤泥层。在这些淤泥层的表层，由于自然应力的长期作用，形成了 一层性质较好但厚度不大的硬壳层。这种硬壳层能够将其上部的荷载传递到较大 的面积上去，起到应力扩散的作用，使地基承载力得到提高。 具有硬壳层的软土地基在荷载作用下，硬壳层与其下的软土层形成一整体的 承载力体系。软土层的承载力与硬壳层有着密切的关系。当硬壳层的平面范围足 够大时，一方面硬壳层的存在限制了其下部软土层向四周挤出及周围软土向上鼓 起，使软土层需要在较大的外荷载下才能发生剪切变形。另一方面，硬壳层本身 密度较大，具有一定的刚度，在分担荷载产生的一部分剪力的同时，还可以将外 荷载传递到较大的软土面积上，使得硬壳层在一定的荷载作用下，不产生剪切变 形或变形很小，其下软土层上的附加应力也低于按经典扩散方法计算的附加应力， 且分布更加均匀，分布的范围更大。这正是由于硬壳层的存在改变了地层中的应 力分布规律。 由于硬壳层起着应力扩散作用和类似弹性地基板的作用，且本身变形模量较 大，受力变形，对地基的塑性变形起着遏止作用。因此上部荷载在通过硬壳层传 递到下部软土层的过程中，应力扩散作用可能使得施加到软土层顶面的附加应力 小于软土的强度，从而直接可以将硬壳层作为基础的持力层。 在硬壳层作用下，地基承载力与其特性有着很大的关系。一般的认为，硬壳 层的抗剪强度和厚度是影响地基承载力的重要因素。硬壳层的抗剪强度越大，硬 壳层的刚度越大，其壳体效应更加明显，在其有效作用范围内地基承载力也将明 显提高。硬壳层的厚度直接影响到其可利用性以及作用效果。大量试验表明，随 着硬壳层的增加，硬壳层软土路堤中界面附加应力在堤内随之减小，但在堤外则 随着硬壳层厚度的增加，界面附加应力反而增加。另外，硬壳层的容重，透水性 等都对地基承载力有一定的影响。 另外，通过大量工程实践的分析和实验研究发现，由于上覆硬壳层的封闭作 用以及淤泥层周围低强度区的约束，当硬壳层承受荷载而变形后，淤泥土便出现 类似液体那样向周围挤压的现象，在一定范围内产生较大的水平压力，并且这种 压力影响的范围较大。这种现象，称之为类帕斯卡效应，它经常给工程建设带来 一些不良后果。 1 1 2 研究意义 软土地基上有了硬壳层，它的承载特点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相应承载力指标的提高和厚度的增大， 发生重要的变化。软土地基多分布在沿海和平原地区，这些地区的路堤一般较低， 利用硬壳层的承载作用，可望满足路基的承载要求。可是，由于未掌握硬壳层地 基的性质，缺少可靠依据和受传统观念影响，人们往往还象对待一般软土地基那 样用排水固结等方法处理，结果破坏了硬壳层的结构，耗费了大量资金，而效果 却不尽人意，使用期间的地基沉降仍然大量发生。地基极限承载力问题，目前尚 无完善的计算方法，对其进行研究具有重大的理论和实际意义。因此，深入研究 硬壳层地基的承载特性，找出利用硬壳层的具体措施，已经成为软土地基的重要 课题和亟需解决的问题之一。 由于现阶段我国对硬壳层地基方面的研究不多，仅仅是对现有的几条高速公 路的硬壳层软土路堤进行过不完全的变形测量而已，得出的结论也是粗糙的。在 实际工程计算中运用一些近似的理论求解，这样使得一些结果不尽精确。例如地 基沉降分析中主要解决两个关键问题：一是获得可靠的变形参数，二是获得荷载 作用下可靠的应力分布。现有的沉降计算方法是按照压缩模量指标b o u s s i n e s q 弹 性应力解计算地基沉降，然后采用经验系数对计算结果进行修正。压缩模量是依 据钻孔取样由室内试验确定的，由于室内试验指标不能反映硬壳层的整体板体性 作用，另外在取样、运输及试验过程中土样受扰动影响，试验结果离散性较大， 导致该参数可靠性较差；b o u s s i n e s q 应力解是依据弹性体假定推求得到的，土体 具有非线性非均质性，因此按b o u s s i n e s q 弹性应力解计算得到的应力分布与实际 情况有偏差。因此，对硬壳层方面的认识还需在今后的实用和研究中不断的充实 和总结，达到成熟和完善，以便在今后的设计和施工中给予充分的考虑。在定量 掌握硬壳层的工程规律的基础上，还可用人工加厚天然硬壳层或制造人工硬壳层， 为硬壳层的充分利用提供更加广阔的前景。 1 2 国内外研究现状 长期以来，国内外学者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附加应力分布情况。这些方法大致可分为经验公式、理 论解析解和数值分析等。线性分布模型是最早也是最简单的用于描述土体内部应 力和位移的经验模型。该模型假定作用于土体表面的荷载沿某扩散角均匀扩散到 下部各水平层面。扩散角的大小取决于土层特性和土质条件。线性分布模型简单、 2 方便，但只是给出土中应力分布的一个j r 糙的解答，因此很少应用。到1 8 8 5 年法 国数学家j b o u s s i n e s q 用弹性理论推导了在半无限空问弹性体表面作用有竖向集 中力p 时，弹性体内任一点引起的应力解析解。后来o k 弗洛列希( f r o e h l i c h ， 1 9 4 2 ) 引入集中系数y ，对b o u s s i n e s q 应力解析解进行了修正。集中系数y 用来 反映土体的强度、硬度对应力分布的影响。竖直均布线荷载作用下，地基内一点 的附加应力弹性解由弗拉曼( f l a m a n t ) 给出。事实证明，b o u s s i n e s q 解、f l a m a n t 解及其各种推导修正格式适用于弹性、轴对称、各向同性及均匀土层条件，对于 成层土则不太适用。b u r m i s t e r ( 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。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。 目前，通常用以下三种方法来确定双层地基中下卧层中的应力：( 1 ) 应力系数法。 捷克的叶戈罗夫把土体作为理想的均质、各向同性的线弹性体，并假定分界面上 的摩擦力为零，利用布辛奈斯克方程并考虑应力系数，得出了条形均布荷载作用 下中心轴线与下卧层的交点处的垂直应力0 ：。( 2 ) 当层法。捷克的a l o i s 也是把 土体作为理想的均质、各向同性的线弹性体，并在此基础上提出用等效厚度h7 代 替硬壳层的厚度h 来计算下卧层面上的应力。a l o i s 认为：厚度为h 的硬壳层在下 卧层上所产生的应力与厚度为h 的软土层( 即下卧层) 所产生的应力是等效的。 ( 3 ) 应力扩散角法。 到目前为止，在对地基极限承载力的分析时，通常假定土体为满足m o h r c o u f o m b ( 莫尔一库仑) 破坏准则的刚塑性体，有三种分析方法：极限平衡法、极限分析 法和滑移线法。尽管这种有严格理论基础的滑移线法成功的用于解决均质地基中 的许多问题，但在双层地基极限承载力的运用上还不很多。在天然情况下，地基 常常是非均质的层状士，对于层状土，它就不可能形成如均质地基时的滑动面形 状，因而其承载力也会发生变化，对于这一问题用传统的方法难于很好的解决。 国内外很多学者针对不同情况提出了一些近似的计算方法，其中一种是取有效深 度范围内的厚度加权平均强度作为等效强度而直接应用均质地基承载力公式；另 外一种就是直接采用圆弧滑动法；还有一些是利用极限分析法、滑移线场理论和 极限平衡原理以及变分法，从理论上直接求解了一些简单非均质地基剖面的竖向 承载力问题，如纯粘性土粘结力成层分布、粘结力沿深度呈线性变化、较薄硬土 层下卧有软士层等情况。总而言之，对于一般的成层非均质地基承载力问题，尚 缺乏比较系统而深入的探讨。 最早详尽研究层状地基的毕奥( b i o t ，1 9 3 5 ) 及伯米斯特( b u r m i s t e r ，1 9 4 5 ) 3 等，他们根据各土层交界处的四个连续条件和边界条件，通过联立方程组确定各 土层微分方程解答中的任意常数，从而确定圆形荷载作用下的地基位移和应力， 该法求解比较麻烦，当层数较多时计算工作量非常大n 2 1 。 b u r m i s t e r ( 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【3 “】。 b u f l e r ( 19 7 1 ) 和b a h a r ( 1 9 7 2 ) 各自独立地提出了传递矩阵法，利用 c a y l e y h a m i t o n 定理，分别对二维和三维的各向同性弹性层推出了它们的传递矩 阵【5 6 1 。 r e d d y 和s r i n i v a s a n 通过假定各向异性粘土强度遵循c a s a g r a n d e c a r i l l o 关系 给出了层状饱和各向异性的双层粘土地基的承载力公式，并推导了凡n 。( l 1 的确定 方法7 1 。 m e y e r h o f 和h a n n a 基于室内模型试验结果，通过假定地基发生上部冲剪后下 部整体剪切的破坏模式给出了上硬下软层状c 由土的半经验承载力计算公式，并 给出了承载力系数的计算图表【8 9 1 。 唐建中结合双层地基模拟载荷试验，总结了双层地基应力扩散的基本形式， 并通过双层地基的实际应力扩散情况和压力扩散角的推算值，考察双层地基压力 扩散角的变化规律，继而提出了广义双层地基的概念1 。 杨果林运用8 组室内模型试验以大量的数据为基础，揭示了含软弱下卧层的双 层地基的变形特性、承载特性、界面附加应力分布规律及荷载2 变形2 时间的关系。 表明硬壳层软土地基破坏模式为刺入剪切破坏，并非整体剪切破坏，不宜用通常 的假定滑动面求解其极限承载力。得出了硬壳层软土地基极限承载力经验公式， 并提出了考虑反压护道作用，应力扩散作用以及剪切面的摩擦阻力等作用下的硬 壳层地基承载力计算公式。硬壳层地基中硬壳层表现出明显的应力扩散作用，遏 制沉降作用和反压护道作用。揭示了硬壳层软土地基中界面附加应力的分布规律， 界面附加应力与硬壳层厚度、荷载的关系。在此基础上推导出了硬壳层软土地基 界面附加应力的计算公式。提出界面附加应力与路堤表面施加的荷载具有良好的 线性关系。路堤中心线下界面附加应力值随着硬壳层厚度的增加而减小，随着硬 壳层厚度由0 增加到0 7 b 时，界面附加应力值降为无硬壳层软土应力值的0 5 - - - 0 3 倍。在同一种工程性质的软土地基上，具有同一种工程性质，但不同厚度的硬壳 层，随着硬壳层厚度的增加，界面附加应力在堤内随之减小，但在堤外则随着硬 壳层的厚度的增加，界面附加应力反而增加，显示出明显的应力扩散效应。应力 的扩散范围随着硬壳层厚度的增加而增大n 5 叫 。 王朝锡指出地表硬壳层不仅对荷载起扩散作用，而且它对下卧软土层还具有 封闭作用，这个作用会导致软土层中产生较大的附加应力和应力影响范围。并分 4 析了产生这种封闭作用的原因及封闭作用对桥台的影响。 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，在硬壳层剪切破坏前随条形均 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线的水平距离的增 大而减小，但其衰减较慢。硬壳层对淤泥的封闭作用，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层淤泥层内具有较大的影响 范围。有硬壳层的流动性较大的饱和淤泥层中的水平应力不宜用依据布西奈斯克 的线性变形体理论解求解n 8 矧。 费涵昌通过对工程实例的有限元分析及离心机模型试验，研究了有软弱下卧 层的双层体系地基的变形特性，以及土层厚度及模量对变形沉降的影响。持力层 厚度越厚，模量越大以及与下卧层模量比越小，沉降越小，反之越太。而影响有 限元分析精度的关键因素是对双层体系地基中地下水变化的模拟，研究内容为双 层体系地基强度及沉降变形验算和地基加固深度的估算提供了依据堙。 郝传毅以国内外大量试验资料为基础，揭示硬壳层软土地基的应力分布及承 载变形特性，提出以硬壳层内的应力集中程度为主要特征的硬壳层地基所具有的3 个承载变形阶段，并对如何利用硬壳层地基的各个阶段提出了具体措施。还回归 了路堤极限高度与硬壳层厚度和地基强度的关系心刳。 聂秋祥阐述了软土地基硬壳层作用机理及如何正确利用硬壳层，以提高施工 的技术经济效益。硬壳层对下卧软土层中的应力分布有扩散作用，硬层与软层间的 摩擦力影响土中应力分布，造成界面处应力集中。其扩散作用影响软土层沉降，应 力扩散作用当填土超过极限高度时无作用，用超载预压的方法可加速地基的沉降， 但硬壳层变形不失去对路基的稳定作用心引。 徐超通过对比分析层状地基承载力计算方法，结合上海地区天然地基土层分 布的实际情况，采用地基土性质指标按地基破坏剪切线( 面) 长度加权平均的方 法，建立了双层地基承载力计算模式，对特定条件下的地基评价具有理论和现实意 义1 。 张留俊提出软土层之上的硬壳层对软基路堤的沉降与稳定有着重要的影响， 硬壳层有利于路堤的稳定，也能起到扩散应力减小沉降的作用。本文结合试验工 程的观测成果，对高路堤下的厚硬壳层的特性做探讨心5 1 。 王晓谋应用土力学理论和叠加原理，深入分析了软土地基上硬壳层的作用， 推导出考虑硬壳层厚度和强度影响的软土地基临塑荷载计算公式，并提出了该公 式计算结果的最大值界限，从而可保证这一公式应用于实际工程的可靠性。同时 还提出对于软土地基有硬壳层存在时，应充分利用硬壳层的作用，当路堤自重不 超过具有硬壳层的软土地基的临塑荷载时，这样的软土地基可不进行处理，这既 节省资金，也可加快工程进度。文中提出的考虑硬壳层作用的软土地基临塑荷载 5 计算公式使用了最大值界限以后是安全可靠的，解决了此类地基临塑荷载的计算 问题，这一计算方法可以推广到具有软弱下卧层地基的情况。通过m a r c 软件应用 有限元方法分析了硬壳层厚度、变形模量和路堤等效荷载的宽度对硬壳层软土地 基竖向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。结果表明：竖向附加应力扩散范围随硬壳层的厚度而扩大，随着硬壳层变形 模量的增加而扩大；当硬壳层厚度和变形模量一定时，随着荷载作用宽度的增加， 其扩散竖向附加应力的作用在减小乜6 。2 9 1 。 杨永新从滑移线理论出发推导的双层地基极限承载力公式，并从数值计算的 过程得出，地基极限承载力的主要贡献来源于p 。、p 。、p 其他因素贡献较小。 双层地基极限承载力在下卧层承载力较高时提高是明显的，当下卧层承载力较低 时，双层地基极限承载力较上层粉土的承载力低口肛3 驯。 叶洪东本文根据m e y e r h o f 双层地基极限承载力理论，对规范中关于软弱下 卧层及处理后地基承载力特征值的修正方法进行了初步探讨，分析了承载力修正 方法存在的不足，并提出了改进办法。地基土承载力不仅与本身的性能指标有关， 同时还是基础宽度和埋深的函数，因而必要时应对地基土承载力进行深宽修正。 根据梅耶霍夫软弱下卧层顶面处的极限承载力计算公式，随着基础宽度和埋深的 增加承载力不断增大，因而也存在承载力的深宽两方面的修正问题。软弱下卧层 是一个相对概念，是相对于其上覆土层( 持力层) 而言的，并非全是软土层，对 非软土下卧层应同时进行承载力的深度和宽度修正。经处理后的地基，一律不进 行承载力的宽度修正有些不合理，深度和宽度修正系数也应按地基土类和地基处 理效果考虑相应的修正系数r b 口引。 孙翔利用大型有限元分析软件a n s y s 对上覆硬壳层地基进行了弹性和弹塑性 分析。从有限元的计算结果得出出，地基中塑性区首先出现在交界面处的上层土 中，随着荷载的增加，塑性区向交界面处上下土层均有扩展，由于下层土较软， 塑性区扩展较快，最后当塑性区到达基础底面时，地基达到极限承载力，计算开 始不收敛。拉应力区首先出现在上层土层中与基底平行的土层顶面处和上下层土 层交界面处的上层土中，随着荷载的增加，拉应力区继续向上层土扩展，当荷载 达到一定大小的时候，交界面处下层土层开始出现拉应力区，由于下层土较上层 土软，有应力扩散的作用，所以拉应力区出现的范围明显较上层土小。揭示了该 类地基在荷载作用下，地基中塑性区的产生和发展规律口5 j 。 高建红根据包头地区双层地基土( 上层粉土，下层砂土) 情况，利用数值计算程 序g f g s x 5 f o r 和g f g s x 6 f o r 对双层地基临界深度进行数值分析证明了不考虑土 重时的临界深度和实际情况偏差较大，考虑的因素越全面，所得结果才能越接近 真实状态。同等条件下，上层粉土、下层砂土的双层地基的临界深度小于均质粉 土地基的临界深度，主要是由于砂土承载力高于粉土的缘故。基础越宽，即上部 6 荷载越大，对同种地基土来说临界深度越大，说明有更深土层的土体参与承担荷 载：引。 杨立军从分析其作用机理人手，详细阐述了硬壳层在受力方面和沉降方面相 对下卧土层的优越性，并针对工程中的实际问题，结合外荷载的不同和硬壳层的 补强，提出对硬壳层的合理利用。蚺1 。 李阿池利用强度折减有限元法通过有限元岩土软件p l a x i s 8 2 建立计算模型， 先计算单层土的极限承载力，计算结果与p r a n d t l 解比较，误差极小，在精度满足 要求的基础上计算不排水条件下双层粘性土地基的极限承载力。经过计算结果的 对比，分析上层土厚度和下层土强度对极限承载力的影响。州。 问延煦在深入分析硬壳层对下卧软土层的封闭作用和扩散作用的基础上，推 导了能考虑这两种作用的软土地基临塑荷载计算公式。同时通过对封闭作用产生 机理的分析，指出传统的弹性力学分析方法无法考虑封闭作用对软土地基临塑荷 载的影响们。 从以上分析情况可知为了充分的利用硬壳层，国内外许多学者从不同的方面 对硬壳层的作用机理、作用效果进行了分析探讨。从最初认为的应力扩散作用、 支撑作用到后来提出的遏制沉降作用、反压护道作用，在上部荷载加载过程中， 硬壳层表现出来的壳体效应和下卧软土层中的类帕斯卡效应，逐渐地对硬壳层特 性深入研究。从实际工程观测结果到室内模型试验分析，再到实际工程应用，为 设计研究提供大量的数据材料和理论依据。 1 3 本文研究的主要内容及创新 本文研究的对象是上覆硬壳层软土地基，这种特殊地基的作用机理与均质地 基相差甚远。本文在国内外的研究现状与进展的基础上，主要从以下几个方面进 行分析研究： 1 主要分析硬壳层的形成原因和硬壳层的几个特殊作用以及特殊作用对工程 的影响； 2 运用双参数模型对上覆硬壳层软土地基应力进行分析研究，得出条形均布 荷载作用下上覆硬层软土地基界面上应力扩散系数计算方法，并通过工程实例计 算说明了公式具有一定的可行性； 3 分析了均质地基和上覆硬壳层软土地基在条形均布荷载作用下的临塑荷 载，考虑硬壳层的多种作用对迈耶霍夫和汉纳提出的冲剪破坏理论公式进行改进 并通过工程实例计算对所推导公式进行验证。 4 运用数值模拟方法，通过改变各种力学参数，研究各参数的变化对水平应 力的影响。 7 本文的创新主要有以下两点： 1 运用双参数地基模型对上覆硬壳层软土地基中的附加应力进行了研究，从 而避免了温克尔地基模型中地基不连续的缺陷。 2 考虑硬壳层的应力扩散、封闭作用等多种特殊作用，对硬壳层软土地基的 极限承载力进行分析，使地基极限承载力计算值得到一定的提高。 第二章硬壳层的形成原因和特殊作用及不利影响 2 1 硬壳层的概念及形成原因 2 1 1 硬壳层的概念 在我国沿海和内陆平原地区分布着大量的软土地基，这些软土地基的表层由 于水分蒸发，地下水位降低，荷载迁移，可溶盐及其它成份的沉淀等因素长期作 用，形成了一层厚度不大但性质较好的土层，即所谓硬壳层。这种硬壳层面积广 大，呈中等压缩性或低压缩性，胶结结构性强，与其下的软土层相比含水量和孔 隙比较小，容重、变形模量和地基承载力较大。硬壳层是相对于软土而言的，天 然含水量小于液限，天然孔隙比小于1 ，压缩系数大于0 5 m p a ，不排水抗剪强度 大于等于2 0 k p a 。 2 1 2 硬壳层的形成原因 软土在我国沿海、内陆平原及山区都有广泛的分布，它们的成因也不尽相同， 物理及力学指标上存在差异，厚度及深度变化悬殊，不同成因的硬壳层的工程性 质也不相同，由于内陆地下水位较深，地下水位以上土层中的水份蒸发、阳光照 射的长期作用干燥所形成的硬壳较厚，强度也较高。而海滨沉积的软土之上的硬 壳，多是受海浪岸流及潮汐的动水压力作用而形成，厚度就比较薄，并且强度也较 低。 2 1 2 1 地下水位的影响 由于软粘土层出露于地表，开始蒸发失水，土层中地下水位下降，地下水在 毛细力作用下向着地表面流动并蒸发。地下水位降低后，土体的有效应力增加， 产生土体固结，使孔隙比减少。以图2 1 土体中某点为例加以详细说明。 9 a )b ) 图2 1 地下水位变化对硬壳层形成影响图 p 点有上覆土层z p ，在其漫长的沉积过程中，它将沿e 一口：( 垂直向有效应力) 图2 1 b ) 的曲线进行。在沉积停止后的某一时间，水面降至土层顶面，但这种降落 对p 点的有效应力不能产生任何变化。然而，随着地下水位降至z m 深度，则p 点的e 一 仃：关系将沿图2 1 b ) 的曲线2 变动，其竖向有效应力将达到最大值盯：卅。若地下水位 又上升至z 。处，n p 点将沿曲线3 变化，而竖向有效应力变为盯：口。因此，即使地下水位 又上升，但固结已部分完成，孔隙比减少e 。实际土层的应力历史将比上述过程 复杂得多。总之，对土层的固结及强度增长起重要作用的是最深水位z 。及稳定固结 时间和目前地下水位深度z 。 土中任意一点户的最大有效应力o ，7 等于总的覆盖压力减去p 点的水头，即： 盯：，1 2 z ，一y 。( z ，一z 。) 2 y f zp + y 。z m 现有的竖向有效应力仃：o 为： 仃：0 2 z ，一7 。q ，一z 。) 2 厂2 ，+ 厂。z 。 固结有效应力拟增长： 盯：0 2 仃：，l 一仃：o 2 厂，( z 。一z 。) 式中：z ，一点地表下深度； z 一过去最深水位； z 。一目前水位； 7 蚍一饱和土重度； 7 一水的重度； 77 一土的浮重度。 有效应力增长与现有的竖向有效应力之比为： 1 0 完的最寺 一铲一k 门 一个iij0一 丝一兰型! 兰堡二兰q ! 口二 y 2p 七y w z o z p 越大，比值越小。从上式可以看出，地下水位变化，对表部土层的固结影响较 大，随深度增加，影响减小。 2 1 2 2 化学风化 化学风化既能在水下也能在地面上发生，不过，一旦软粘土沉积表面上升到 水面以上，风化作用立即加剧。土层顶部的风化由含有溶氧的雨水渗透所引起，因 此风化的深度由渗透深度和孔隙水的含氧量所决定。有两种基本的、决定风化结 果的变化过程，即：( 1 ) 矿物的分解，( 2 ) 离子交换。控制这两个变化过程的 方向和速率的环境因素是酸度值( p h 值) ，氧化还原电势( e h ) 和温度。 海相软粘土中的孔隙水，最初的离子成分主要是钠、钾、镁和钙离子，以钠离 子最多。如果含有二氧化碳的渗透雨水进入这种软粘土，p h 值就会减少。由于有机 物质分解产生腐殖酸，p h 值减少得更多。在低p h 值的条件下，粘土中的矿物受到侵 蚀，接着开始分解，并释放出离子，离子进到了孔隙水中。例如，从绿泥石( 海相粘 土中最不稳定的矿物) 中释放出镁离子，及二价和三价铁离子，从分解的长石和云 母中释放出钾离子。这些离子一旦被释放到孔隙水中，就可作为粘土颗粒双电扩 散层中的交换离子。如果由于长石和伊利石的分解使钾离子的浓度增加，则钾离 子就能取代置换能力弱的钠离子。同样地，多价离子( 如c a 2 + 、m 9 2 + 、a 1 3 + 、f e 2 + 、f e 3 + ) 可以置换单价离子，减少了负电性，从而减少了排斥力，减少了双电层厚度，增加了 胶体粒子间的结合力。 由矿物分解释放的铁离子和铝离子可以形成氢氧化物沉淀，起着粘结剂的作 用。其中二价铁离子在硬壳层中会被氧化成三价铁离子，后者以氢氧化物的形式较 牢固地结合在一起。 2 1 2 3 淋滤作用 淋滤是从土层剖面中排除易溶物质例如可溶盐的过程。这种过程可以在水力 梯度下发生，也可以通过扩散产生。淋滤主要靠雨水引起，随着雨水的不断下渗， 靠近地表的土层含盐量较低，随深度递增有一定量的增加，直到基本不变。 淋滤可以减少液限，而塑限下降不多，因此塑性指数减少，因含水量变化不大， 因此被淋滤粘土的原状土强度下降。对上部硬壳层来说，淋滤作用虽然使原状土 强度减小，因相对其它作用来说相对较小，因此影响不大。 2 1 2 4 胶结作用 如前所述，风化产物可以生成胶结物质。胶结是一种成岩过程，它的产生取 决于软粘土沉积期所存在的物质。胶结粘土含有由强联结结合在一起的颗粒，这 种联结具有与非胶结粘土不同的特性，在非胶结粘土中占优势的是“有效摩擦力” 和“有效粘聚力所产生的联结。胶结作用甚至表现为很大的抗拉强度或表现为 很大的粘聚力。胶结作用增加了粘土结构的强度，并表现为较高的原状土强度和 临界压力的增加。 2 2 硬壳层的特殊作用 上覆硬壳层软土地基与一般的均质地基作用机理有很大的不同，主要表现在 硬壳层的几个特殊作用，它们分别为壳体效应、封闭作用、滞后作用和反压护道 作用等。 2 2 1 壳体效应 当地基土层中没有硬壳层，应用弹性理论计算土中应力结果表明，表面荷载通 过土体向深部扩散，在据地表越深的平面上，应力分布范围越大，应力越小。根 据这种应力扩散概念，提出了一种简化计算方法，即应力分布扩散角法。如图2 2 所示可以计算出深度h 处应力大小。 图2 2 均质地基基础应力计算图 q h ：型：熊( 2 1 ) b + 2 h t g o l 式中：q o 一基础底面处土的均布荷载； q 。一某深度处土的均布荷载； b 一基础的宽度； h 一基础底面下深度； 0 一地基压力扩散线与垂直线的夹角； l 一荷载在硬壳层上的影响宽度。 具有硬壳层的软土地基在荷载作用下，硬壳层与其下的软土层形成一整体的 承力系统，软土层的工程特性与硬壳层有密切的关系。当硬壳层的平面范围足够 1 2 大时，一方面硬壳层的存在限制了下卧软土向四周挤出及周围软土向上鼓起，使软 土层需要较大的外荷才能发生剪切变形，这便是后文将讨论的封闭作用；另一方 面。硬壳层本身具有相对较大的密实度，而且有一定的刚度，因此它可以分担荷载 产生的一部分剪力，即在一定的荷载剪力作用下不产生剪切变形或变形极小，这 就使得硬壳层与下卧软弱层问的荷载传递方式有了一定的变化，此时的硬壳层已 具有了类似于板体的作用，这种作用可称为硬壳层的“壳体效应”又称为扩散作 用。壳体效应可使外荷传到较大的下卧软土中，使其下卧软土层的附加应力低于按 传统扩散方法计算出来的附加应力，且分布更加均匀，分布的范围更大。硬壳层的 厚度愈大，相对刚度愈大，这种扩散作用越大。刚度比的表达式为 v ：旦氅( 2 2 ) e 2 、一u ； 式中：e 。、1 ，一分别为硬壳层的变形模量与泊松比； e ：、u ：一分别为硬壳软土层的变形模量与泊松比。 由于表层硬壳层的封闭约束作用，荷载作用到硬壳层上后，会使软土层中产生 一定的压力影响范围，在此影响范围上荷载将进行重新分布，分界面上的应力分布 如图2 3 中的实线所示，虚线是没有硬壳层时h 深度水平面上的应力分布情况，重 新分布后的荷载大小为 口 q 。= 兰q o ( 2 3 ) 厶 式中：q ，一分界面上重新分布的荷载： l 。一荷载在分界面上的影响宽度。 应力哒1 4 避i o 力增大 软土层 ( 虚线表示均质地基中水平面上的附加应力分布) 图2 3 硬壳层地基界面上附加应力分布图 将式( 2 3 ) 比上式( 2 1 ) 可得 鱼：一q o b 土：旦 ( 2 4 ) g 厶g o 曰厶 1 3 令7 72i l ，则 正j 1 式中：7 7 一应力扩散系数。 2 2 2 封闭作用 当软土的含水量较高时，其结构强度低，抗剪强度低，具有一定的流动性。 软土中有大量自由水存在，而这种自由水在其连通的孔隙中是能够传递静水压力 的。当软土层上具有硬壳层时，硬壳层与软土层形成了较为鲜明的强度差和刚度 差。硬壳层相对其下的软土既是一种柔性的却又类似板体的结构，它不仅能够将 其下部承受的荷载传递到较大的面积上去，起到应力扩散的作用，同时对下卧淤 泥土的变形具有较强的封闭作用。 由于上覆硬壳层的封闭作用以及周围低强度区的约束，当硬壳层受荷变形后， 使淤泥中产生超常的孔隙水压力，并且这种压力的影响范围较大。这种类似封闭 液体受荷向周围挤压的现象，即所谓类帕斯卡效应。 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，硬壳层下层变形，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和压 应力影响范围，此种现象已在许多试验工程中得到了反映。 图2 4 是铁道部第四勘察设计院在广茂线大布工点测得的硬壳层厚度为4 o m ， 其上作用路堤荷载是的应力分布图乜引。曲线清楚地反映出硬壳层的封闭效果，当 荷载较小时，地基应力大部分集中在硬壳层内，软土层中应力较小。此时，地基 变形微小，硬壳层得到了明显的荷载扩散作用。但荷载继续增大至一定程度时， 应力便向下层转移，使软土层中附加应力大幅增加，并在一定的应力标准下存在 较大的影响范围，随着荷载的继续增大，软土中附加应力的增大更为显著，远远 超出常规计算值，而且地基中的最大应力并不像通常认为的那样发生在地表，而 是在软土层