（岩土工程专业论文）寒区湿地软土地基固结沉降与稳定性研究.pdf

摘要 在软土地基上修建高等级公路面临的工程地质问题主要是软土地基的 沉降和稳定性。软土的成因不同，工程性质就会有一定的差异，在我国南方 沿海软土地区建设的高等级公路的许多成功经验、防治措施，是否适用于黑 龙江省公路建设中常遇到的湿地淤积的软土，需要研究论证。为此，本文研 究寒区湿地软土工程性质、道路施工期短、填筑加载快以及温度影响，改进 软土地基固结沉降预测和稳定性评价方法。主要工作包括寒区湿地软土的工 程性质试验、现场监测数据分析、沉降计算、沉降拟合曲线比较和稳定性数 值分析，提出了随路堤填土分级加载改变固结沉降预测和稳定性评价中计算 参数的建议。 试验研究揭示了寒区湿地软土孔隙比、压缩系数、压缩模量随固结压力 的变化规律：压缩系数随固结压力的增大而减小，压缩模量随固结压力的增 大而增大；主固结系数和次固结系数随固结压力及不同加载比的变化规律： 两层软土主固结系数e ，均随固结压力的增大而减小，与固结压力具有较好的 相关性。第一层软土的次固结系数较大，即第一层软土的蠕变性较第二层软 士的蠕变性强，加载比p i p 1 ，软土的次固结系数随固结压力的增大而增 大，具有明显的规律性；不同的固结压力、不同固结度下，主应力差与轴向 应变的关系：采用不固结不排水剪时，第一层软土所能够承受的主应力差明 显地高于第二层软土，围压较大时，两层软土的最大偏应力比较接近，第一 层软土受剪过程中应力一应变关系呈现典型的加工硬化特征，第二层软土接 近理想塑性。在相同的应变情况下，随着固结压力和固结度的增加，寒区湿 地两层软土的偏应力逐渐增大；不同的固结压力下，剪切过程中孔隙水压力 与轴向应变之间的关系：在剪切过程中，小应变时两层软土中孔隙水压力升 高相对较快，随着应变的增加孔隙水压力增长的速率逐渐减慢。直至稳定， 第二层软土表现得更为明显；软土强度指标和抗剪强度随固结压力、固结度 的变化规律：寒区湿地软土的粘聚力c 在固结度u 2 0 ，均随固结度的增加而增大。内摩擦角妒随着固 结度的增大有所增加，但规律性不很明显。湿地软土抗剪强度总体上随固结 压力和固结度的增大而增加，个别情况下，例如，固结压力5 0k p a 、固结度 u 2 0 时，粘聚力在抗剪强度中起主要作用时，抗剪强度随固结度的增大 而减小：经对比分析，湿地软土土层厚度比沿海地区软土小，工程性质从总 体上看要好于沿海地区的软土，为直接引用沿海地区软土地基成功的治理措 施提供了依据，试验结果为计算寒区湿地软土在路堤填土分级加载作用下固 结沉降与稳定性提供了计算参数。 本文寒区湿地软土地基固结沉降与稳定性现场监测数据的分析结果表 明，路堤填土加载过程中，软土地基的沉降量明显增加，越接近软土地基表 面沉降量越大。软土的沉降量占全部沉降量的8 0 以上。袋装砂井处理的软 i 中国地震局1 = 程力学研究所博l 学位论文 土地基沉降曲线后期较塑料排水板处理的软土地基平缓，更有利于软土地基 的排水固结，减少最终沉降量：软土地基的侧向位移和最大位移深度随着荷 载和软土的厚度增加而增大。填筑速率越快，软土地基侧向位移增加得越快。 路堤填土冻结过程中，靠近中央分隔带处的土压力逐渐减小，靠近路堤边坡 处的土压力逐渐增大。在路堤填土融化的过程中，靠近中央分隔带的土压力 逐渐增大，靠近路堤边坡的土压力逐渐减小。随着施工荷载的增加，工格 栅的加筋效果越来越明显，发挥网兜效应，使基底压力分布趋于均匀。 依据室内试验和现场监测数据，采用分级加载固结度理论，提出软土地 基固结沉降计算中随加载逐级改变计算参数的思路，并给出了计算通式。经 验证，计算得到的沉降曲线与实际观测沉降曲线比较接近：袋装砂井和塑料 排水板加固的寒区湿地软土地基，采用双曲线法分段拟合沉降曲线与观测结 果较接近：各方法推测的最终沉降量比较一致。 本文用有限元分析评价公路软土地基稳定性，根据室内软土抗剪强度指 标随固结压力和固结度变化的试验结果及压缩试验结果，分级加载后逐级改 变相应的计算参数，竖向位移和水平位移的计算结果与实测结果均比较接 近。软土地基在后期加载的过程中没有出现明显的屈服区，与工程实际相符。 计算结果和实测数据的对比说明，本文提出改进的寒区湿地软土地基在路堤 填土分级加载作用下稳定性评价方法是合理的。 关键词：湿地软土、固结沉降、分级加载、曲线拟合、计算参数、有限元 摘要 a b s t r a c t h i 中国地震局t 程力学研究所博i ：学位论文 r e s i s t a n c es t r e n g t hw i t hc o n s o l i d a t i o np r e s s u r ea n dd e g r e eo f c o n s o l i d a t i o n ：w h e n d e g r e eo fc o n s o l i d a t i o nu 2 0 i tw i l li n c r e a s ew i t h i n c r e a s i n g o f d e g r e eo f c o n s o l i d a t i o n i n n e rf r i c t i o na n g l e 妒i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s y n go - fd i j r e eo f c o n s o l i d a t i o n ，b u tt h er u l ei sn o to b v i o u s i ng e n e r a l ，t h es h e a rr e s i s t a n c es t r e n g t h o tm a r s hs o f ts m li n c r e a s e sw l t 【li n c r e a s i n go tc o n s o l i d a t i o np r e s s u r ea n dd e g r e e o tc o n s o l i d a t i o n 1 1 1s e v e r a lc a s e ss u c ha sw h e nc o n s o i i d a t l o nc o m p r e s s i v es t r e s s i s5 0k p aa n dd e g r e eo fc o n s o l i d a t i o nu l ； 方案，分级加载至7 5 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 k p a ，加载比卸v 1 时p 1 9r 曲线的线型基本相同，主次固结划分比较明显；但 印p 1 时e l g t 曲线 0 1 1 01 0 0 0 固结时间m i n 0 9 0 8 丑0 7 圣 0 6 o 5 l 5 0 k p a + 2 0 0 k p a ：羔些望矗! 竺”8 = 1 1 _ _ - = 嗣 = = = = - 一 ? ；= ： = = 2 。 - - o ： 0 1 1 01 0 0 0 固结时间m i n ( a ) 第一层软土( b ) 第二层软土 m 2 6 寒区湿地软土在加载比卸p l 软土的次固结系数随固结压力的增 大而增大，具有明显的规律性。 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 妊o 0 1 2 弘器 o 0 0 6 o 0 0 4 0 0 0 2 0 02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0l 0 0 0 固结压力k p a 舞 髅 螺 重 蛞 02 0 0 4 0 0 6 0 08 0 01 0 0 0 固结压力k p a ( a ) 第一层软土 ( b ) 第二层软土 图2 i o 寒区湿地软土不同加载比对次固结系数影响曲线 2 3 2 三轴压缩剪切试验 2 3 2 1 试验研究方案 为了探索寒区湿地淤积两层软土固结度及每一固结度不同固结压力 对应力应变的影响，三轴试验采用固结度u = 0 、u = 5 0 、u = 1 0 0 ，固 结度为u = o 采用不圄结不排水剪，u = 5 0 、u = 1 0 0 采用的是固结不排 水剪。每一固结度施加固结压力分别为5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0k p a 。试 样尺寸毋= 3 9 5 r a m ，日= 8 0 m m 。按照“公路土工试验规程”o t j0 5 1 - 9 3 ) ， 三轴试验剪切应变速率每分钟l ，剪切进行到轴向应变1 5 2 0 。 2 3 2 2 试验结果分析 ( 1 ) 主应力差随轴向应变的变化 两层软土的不固结不排水剪切的三轴试验结果，如图2 1 l 所示，自 下而上的曲线依次对应固结压力5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 和2 5 0k p a 。从图中 见，在围压小于1 5 0k p a 时，第一层软土所能够承受的偏应力，即主应力 差，明显地高于第二层软土；围压在2 0 0k p a 和2 5 0k p a 时，两层软土的 最大偏应力比较接近，这说明偏应力与应变之间的关系，不仅取决于围压， 还取决于软土本身的工程性质。从图中亦可看出，第一层软土偏应力在小 应变阶段随应变接近线性增加，屈服点明显低于第二层软土，在受剪的过 程中应力应变关系呈现典型的加工硬化特征，同时也可看出第二层软土 的结构性较第一层软土的结构性强( 王国欣等，2 0 0 5 ) 。第二层软土在变形 较小时，很快达到了屈服，屈服点接近峰值，土体发生屈服破坏后，软土 的强度不会随变形增加产生明显的增大，接近于理想塑性。 2 5 叭眦m懈耋呲耋|o 0 o o 0 o o 中国地震局t 程力学研究所博士学位论文 l i l l 目i i i 葺| i i i i 宣i i j 毒i i 蕾宣i i i i 宣i i i i 宣萱宣i i 皇薯宣i i i 嗣审皇_ 5 0 4 5 4 0 芒3 5 3 0 篓2 5 崔2 0 爿1 5 1 1 0 0 0246 81 0 1 2 1 4 】6 】82 0 2 22 4 轴向应变( ) 0 2 4 68 】0 1 2 】4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 轴向应变( ) ( a ) 第一层软土( b ) 第二层软土 图2 1 l寒区湿地软土不固结不排水剪试验结果 图2 1 2 和图2 1 3 展示了固结度5 0 和1 0 0 固结不排水剪切的三轴试验 结果。从图中可见，在相同的应变下，随着初始固结度的增加偏应力逐渐 增大，这与文献( 温耀霖等，1 9 9 5 ) 发表的珠江三角洲软土试验结果相符。 固结度增加到5 0 ，偏应力峰值达到不固结不排水剪的峰值的3 4 倍固 结压力越大，偏应力增加得越明显。固结度增加到1 0 0 ，偏应力随固结 度增加的幅值没有小固结度时明显，特别是第一层软土。这与下述直剪试 验得到的抗剪强度随固结度变化的规律一致。 恭 墨 ；： 瓣 6il 02468l o 1 21 41 6 1 8 轴向应变( ) o246 81 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 轴向应变( ) ( a ) 第一层软土( b ) 第二层软土 图2 1 2 寒区湿地软土固结不排水剪试验结果( u = 5 0 ) 2 6 第二章寒区湿地软工程性质室内试验研究 0 246 81 0 1 2 1 4 1 6 1 82 0 2 22 4 轴向应变( ) 3 0 0 2 5 0 蔓2 0 0 篓1 5 0 等 霜1 0 0 5 0 o 0 2 46 81 01 21 41 6 1 82 0 轴向应变( ) ( a ) 第一层软土( b ) 第二层软土 图2 1 3 寒区湿地两层软土固结不排水剪试验结果( u = 1 0 0 ) ( 2 ) 孔隙水压力随轴向应变的变化 图2 1 4 展示了寒区湿地两层软土在不同的固结压力下，使固结度达 到l o o ，即孔隙水压力为零时，固结不排水剪得到的孔隙水压力与轴向 应变之间的关系曲线。从图中可见，在小应变时孔隙水压力升高相对较快， 随着应变的增加孔隙水压力增高的速率逐渐减慢，直至稳定。固结压力越 大，孔隙水压力升高的越大，但孔隙水压力最大值与总应力的比值随着固 结压力的增大而减小。第一层软土由3 8 减小到2 6 8 ，第二层软土由 4 8 减小到1 9 6 ，可以认为是固结度l o o 、固结压力2 5 0k p a 时第二层 软土能比第一层承受偏应力大的主要原因。 0 2 4 6 81 0 1 2 1 4 1 6 1 82 0 轴向应变( ) ( a ) 第一层软土 0246 81 01 2 1 41 6 1 82 0 轴向应变( ) r b ) 第二层软土 图2 1 4 三轴试验中孔隙水压力随轴向应变的变化 2 7 | 枷m m m 啪；2 矗 弱o 生髫rr翟州 m o 芒rr王*釜1圭 加们m o 芒天董*越1 2 3 3 直剪试验 2 33 l 试验研究方案 软土地基的处理方法大多数是根据软土地基在上部荷载的作用下，加 速软土地基的排水固结，使软土的抗剪强度增加的原理，达到提高承载力 的目的。评价软土抗剪强度重要依据是两个抗剪强度指标。因此，寒区湿 地淤积的两层软土的抗剪强度指标随不同固结压力及每一固结压力不同 固结度的变化规律也作为本文的一个重要研究内容，以便为评价公路软土 地基在路堤填土分级加载作用下的稳定性提供重要的力学性能指标。 为研究寒区湿地软土随不同的固结压力及每一级压力下不同固结度 强度指标的变化规律，本文采用直剪试验方法。直剪试验虽然不具有三轴 试验能很好地控制排水条件的优点，但对于透水性较差的软土利用剪切速 度控制排水条件，来完成固结不排水试验还是可以满足工程中的实际要求 的。分析软土强度指标及抗剪强度变化规律，需要进行大量的试验，完全 采用三轴试验周期比较长，而直剪试验操作简便，可以避免周期长的缺点。 采用直剪试验控制固结度的方法是利用某一压力下达到某一固结度等于 该级压力某一时间的沉降量与最终沉降量的比值，即： u _ - 妾 ( 2 4 ) 其中，墨为某一压力下某一时间的沉降量：为某一压力下最大沉 降量。 具体操作方法：首先在剪力盒的下半部分不放透水石，放入不透水的 钢垫，并与剪力盒之间涂抹凡士林，在试样上部放滤纸和透水石，利用直 剪仪先完成每一级固结压力的主固结，使固结度达到1 0 0 ，详细记录每 一级固结压力下不同时间的沉降量，为随后相应固结压力下固结度2 0 、 4 0 、6 0 、8 0 所需要的加压时间及相应的压缩量提供依据。为了减小 试验误差，当试样的压缩量达到设计要求时，用手摇轮轴顶住加压杠杆， 土样不再压缩，静止一段时间，本次试验静止时间为2 小时，使土样充分 排水固结，然后换掉透水石，土样上部同样放置不透水的钢垫，目的是尽 量减少土样在剪切的过程中排水和竖向压缩。开始剪切时，反向摇动手轮 使竖向压力重新增加到设计的固结压力，并使试样快速剪切破坏。本试验 采用电动应变控制式直剪仪，剪切速率2 4m m m i n ，根据“公路土工试验 规程”( j t j0 5 1 9 3 ) 当有峰值时，取峰值强度，无峰值时取剪切位移达6 1 1 1 1 1 1 时的剪切强度。 2 3 3 2 试验结果分析 ( 1 ) 不同固结压力下湿地软土抗剪强度指标随固结度的变化 直剪试验得到寒区湿地软土在不同固结压力、每一级固结压力不同固 结度的抗剪强度指标值，列于表2 3 。 2 8 第二章寒压湿地软土工程性质室内试验研究 表2 3 直剪试验获得的寒区湿地两层软土抗剪强度指标值 固结度4 - 目p 2 5 0 k p a p = 1 0 0 k p ap = 1 5 0 k p ap = 2 0 0 k p ap = 2 5 0 k p a f 、 一历 c 伊 c 妒c妒 c 妒 c 妒 一层 7 59 i8 91 0 21 2 01 0 21 3 81 1 51 5 19 6 一 二层 8 32 6 59 02 5 8l1 52 6 61 4 0 2 7 5 1 4 5 2 8 8 一层 8 511 31 3 91 0 72 2 51 2 42 0 61 2 31 7 68 7 “ 二层9 2 2 8 81 0 22 4 51 4 03 0 9l7 8 2 8 91 9 73 0 9 ，一层 8 0 1 2 4 1 7 5 1 5 62 0 51 6 72 1 81 5 3 2 3 01 2 3 一 二层 1 0 13 0 51 5 82 5 71 6 23 1 22 0 22 9 82 5 63 1 5 。 一层 1 1 81 5 61 9 81 1 32 2 71 3 42 3 4 1 3 62 4 31 3 7 一 二层 11 o3 2 42 0 52 5 51 9 22 8 82 2 03 0 93 4 83 2 0 一层 1 2 91 6 7 2 0 5 1 3 62 3 6 1 4 1 2 4 8 1 6 52 6 52 0 3 二层 1 4 53 2 92 9 02 7 52 9 53 3 43 7 03 1 84 3 53 3 8 洼：一层为腐殖质粘土，二层为淤泥质粉质粘c 为粘聚力k p a t 妒为内摩擦角( o ) 图2 1 5 展示了在不同固结压力下两层软土粘聚力随固结度的变化曲 线，从图中可见，寒区湿地软土的粘聚力c 值在快剪时都比较大，在固结 压力小于1 5 0k p a 、固结度小于2 0 时，粘聚力c 随固结度的增加而减少： 固结度大于2 0 时，粘聚力c 随固结度的增加而增加。第一层软土粘聚力 c 在固结度2 0 6 0 之间增加得较快，第二层土在固结度大于2 0 时， 粘聚力随固结度接近线性关系增长。这种变化规律说明寒区湿地软土具有 一定的结构性，开始固结时土体受扰动而粘聚力降低，与文献( 何群等， 2 0 0 5 ) 发表的软土抗剪强度与固结度关系的结果是相符的。 3 0 2 5 星2 0 姜1 5 霪1 0 5 o 02 04 06 08 01 0 0 0 2 04 06 08 0 1 0 0 固结度( )固结度( ) ( a ) 第一层软土0 3 ) 第二层软土 图2 1 5 寒区湿地软土粘聚力随固结度的变化 图2 1 6 展示了在不同固结压力下两层软土内摩擦角随固结度的变化 曲线，从中可见，寒区湿地软土的内摩擦角变化幅度不大，随固结度的增 加，总体上有所增加，在有些固结压力下增加过程中有起伏，规律性不很 明显。 2 9 中国地震局工程力学研究所博士学位论文 i i 葺葺i 宣暑皇i i 赢羞薯薯宣i i i i i i i i i i i i i i i i 置置i 置i i i i 皇昔眚暑葺i i i i i i i 萱 2 5 2 0 e 套1 5 糍 瓷l o 墨 5 0 0 2 04 06 08 01 0 0 团结度( ) ( a ) 第一层软土 3 6 3 4 3 2 l 时e l g f 曲线的线型基 本相同，主次固结划分比较明显：卸p 1 软土 的次固结系数随固结压力的增大而增大，具有明显的规律性，当卸p = 1 3 3 中国地震局工程力学研究所博上学位论文 和幻p 1 时无明显的变化规律。 ( 6 ) 试验结果表明，采用不固结不排水剪时，第一层软土所能够承受 的主应力差明显地高于第二层软土：围压较大时，两层软土的最大偏应力 比较接近；第一层软土受剪过程中应力一应变关系呈现典型的加工硬化特 征，第二层软土接近理想塑性。 ( 7 ) 在相同的应变情况下，随着固结压力和固结度的增加，寒区湿地 两层软土的偏应力逐渐增大。 ( 8 ) 在剪切过程中，小应变时两层软土中孔隙水压力升高相对较快， 随着应变的增加孔隙水压力增长的速率逐渐减慢，直至稳定，第二层软土 表现得更为明显。固结压力越大，孔隙水压力升高的越大，升高的孔隙水 压力最大值与总应力的比值随着固结压力的增大而减小。 ( 9 ) 寒区湿地软土的粘聚力c 在固结度u 2 0 ，均随固结度的增加而增大。内摩擦角舻随着固结 度的增大有所增加，但规律性不很明显。 ( 1 0 ) 寒区湿地软土抗剪强度总体上随固结压力和固结度的增大而增 加，个别情况下，例如，固结压力5 0k p a 、固结度u 2 0 时，粘聚力在 抗剪强度中起主要作用时，抗剪强度随固结度的增大而减小。 ( 1 1 ) 寒区湿地软土抗剪强度与圃结度之间的关系曲线，可采用多项式 进行拟合，得到的相关性很好。 ( 1 2 ) 试验所得到的抗剪强度指标及抗剪强度随固结度的变化规律，可 与现场实际的固结压力及下一级加载前达到的固结度相结合，评价寒区湿 地软土地基在分级加载情况下的稳定性，控制施工加载过程。 3 4 第三章寒区湿地公路软土地基现场监测 3 1 试验段软土地基的综合治理措施 3 1 1 试验段的综合治理方法 试验段在国道1 1 1k g + 2 8 0 k 1 1 + 1 2 0 湿地软土地基上，软土具有天然含 水量高、孔隙比大、处于软塑状态，天然软土地基不能满足道路对沉降和稳 定的要求，必须采取工程防治措施。本试验段主要采用两种软土地基治理措 施，第一种为袋装砂井堆载预压排水固结法加铺土工格栅；第二种方法为塑 料排水板堆载预压排水固结法加铺土工格栅。袋装砂井直径1 0f f f f l ，等边三 角形布置，间距为1 0m ，处理的软土厚度为6m 以内。塑料排水板采用s p b 塑料排水带，b 型，带宽1 0o t i ，带厚4m m ，平面布置方式取等边三角形， 间距lm 。土工格栅采用钢塑格栅，铺设在排水垫层上。排水垫层采用的是 透水性较好的天然砂砾。结合北方寒冷气候的特点，防止路堤填土产生严重 的冻胀现象，对排水垫层的设计厚度及质量提出要求。排水垫层不仅要起到 排水的作用，还要阻断地下水向冻结区迁移的毛细管道。设计排水砂垫层的 厚度为1 5m ，土的粒经以租颗粒为主，含泥量小于1 。图3 1 展示了竖向 排水体堆载预压排水固结法加铺土工格栅综合处理软土地基示方案的示意 图。 图3 1 竖向排水体堆戴预压排水固结法加铺土工 格栅综合处理软土地基方案的示意图 3 1 2 两种处理方法的应用、加固软土地基机理及优缺点 袋装砂井和塑料排水板堆载预压排水法是在天然软土地基中设置袋装砂 井或塑料排水板竖向排水体，缩短土体的排水途径，加速软土排水固结，然 后利用建筑( 构筑) 物本身重量分级逐渐加载或在建筑( 构筑) 物建造之前在场 地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时 强度逐渐提高的方法( 刘玉卓主编，2 0 0 2 ) 。袋装砂井是近年来竖向排水井工艺 的发展，是砂井排水法的延续。 1 9 2 5 年莫兰( m o r a n ，见叶书麟等，1 9 9 6 ) 最早将垂直砂井用于土的深层加 固，并于1 9 2 6 年获得专利。1 9 3 4 年美国加州公路局用砂井堆载预压法处理 3 5 中国地震局工程力学研究所博上学位论文 软土地段的地基，取得了满意的效果( 胡中雄，1 9 9 7 ) 。但是，砂井法存在以下 普遍性问题： 砂井不连续或颈缩现象很难完全避免； 施工设备相对比较笨重，不便于在很软弱的地基上进行大面积施工； 断面大是砂井施工的需要，并非是竖向排水的要求，材料消耗大，造 价很高。 袋装砂井的应用基本解决了上述砂井技术存在的问题。我国1 9 7 7 年首先 由交通部第二航务工程局科研所引进这项技术，并结合7 l l 工程进行试验研 究，取得了成功。在公路软基处治中，1 9 8 5 年上海沪嘉高速公路首次试验用 袋装砂井处理软土地基，取得良好效果，并在广佛、京津塘等高速公路得到 了推广应用。以往的工程实践证明，袋装砂井处理软土地基不仅加快了软土 地基的固结，而且由于置换了一部分软土，可减少地基土最终沉降量。 用作排水预压固结法竖向排水体的塑料排水板是继杰尔曼纸质排水板之 后，由维格提出来的种新型竖向排水板材料，也是一种行之有效的软土地 基加固新技术。塑料排水板由于具有性能好、质量可靠、旋工方便、工效高、 工程费用低、对土的扰动小、可用轻型机械在超软土上旌工等优点，迅速在 国内得到推广，大有替代砂井、袋装砂井的趋势。与袋装砂井比较，塑料排 水板处理软土地基，基本上不能减少软土地基最终沉降量。 1 9 9 5 年在芬兰的t o r p p a r i n m a k i 进行了塑料排水板的现场试验研究，在软 弱地基上铺设碎砾石排水垫层，并布设水平向排水管，布设1 0i n 深的塑料 排水板，再铺设砂垫层的软基处理方法，结果证明塑料排水板能加速软土地 基的排水固结。1 9 9 5 1 9 9 6 年韩国首次在k i m h a e 对原地面以下2 6 7m 的粉 质粘土插设塑料排水板，并进行堆载预压取得了预期效果。7 0 年代中后期， 日本大阪南港软土地基布设塑料排水板进行处理获得成功。 1 9 8 0 年，河海大学研制出我国第一块塑料排水板：1 9 8 1 年，天津港湾工 程研究所研制成功我国第一台专用的塑料排水板插板机，同年第一次在天津 塘沽新港码头堆场软基加固工程中开始应用。在南方大面积的软土区，比如 宁波外环路、京福高速公路中，很多路段采用了塑料排水板的处理方式。近 几年，我国北方地区在高等级公路的软土路段也开始采用塑料排水板处理软 土地基。2 0 0 1 年，哈尔滨绕城高速公路k 4 7 + 1 0 0 k 4 8 + 1 0 0 大面积应用塑料 排水板处理软土地基，并进行了相关试验研究。 土工格栅是一种热塑性塑料片经超声等方法连接，展开后呈网格状，属 于特种土工合成材料，土工格栅起源于2 0 世纪7 0 年代。1 9 9 3 年引入我国， 最旱应用在石油勘探中的探路、井场路的建设。土工格栅成本低、质量轻、 整体连续性好，抗拉强度大，延伸率低，具有耐酸、耐碱、耐腐蚀、抗老化 等耐久性能。因此，土工格栅处治软土地基在公路工程中的应用日趋广泛( 李 英萍，2 0 0 5 ) 。地基的沉降一般由竖向压缩变形和侧向水平位移组成，通过土 工格栅处治软土地基，可以有效地抑制地基土的单向压缩变形，控制地基的 3 6 第三章寒区湿地公路软土地基现场监测 水平位移，从而达到控制地基沉降的目的。土工格栅能够较好控制软土地基 的水平位移，根据莫尔应力圆原理，就能够提高软土地基的承载力。土工格 栅与土之间的嵌锁效应，软土地基产生不均匀沉降，便会产生网兜效应，能 有效控制公路软土地基的不均匀沉降。 3 2 寒区湿地公路软土地基现场监测试验方案 我国软土地基的沉降及稳定性评价主要采用分析的方法，由于土体的复 杂性，采用的计算参数往往难以和实际完全相符，计算结果常常会和实际情 况有一定的偏差。为了更好地反映工程中的实际情况，近几年来高等级公路 建设中在不少软土地基地段开展了现场监测。虽然现场监测的费用较高，给 工程施工带来一定的不便，但利用监测结果可以更加完善计算结果，同时， 高等级公路软土地基的现场监测成果也是用以判断路堤旌工进展中安全和预 压是否达到稳定的主要依据。在本文依托的项目中，现场监测的主要目的是 掌握软土地基在施工期和预压期的变形动态，以便有效地进行公路软土地基 变形与孔隙水压力动态控制，确保公路软土地基施工期的安全与稳定。通过 现场监测，调查分析季节性的变化对寒冷地区公路软土地基固结沉降与稳定 性的影响，更可靠地评估软土地基的固结与稳定性，评价地基处理效果，预 测工后沉降，以验证设计，指导施工，并为以后该地区同类工程提供设计依 据与经验。本监测方案与南方软土地基监测方案比较，最主要的差别是在监 测断面中埋设了温度探头，用以了解寒区湿地软土地基固结沉降过程中温度 的影响。 3 2 1 现场监测的项目及每一监测项目的目的和意义 现场监测的试验项目及试验设备的埋设方法，主要根据试验段的工程地 质条件、当地的气候特征、路堤施工过程三个方面来确定。目的是使监测到 的数据更能全面反映影响寒区湿地软土地基固结沉降与稳定性的各种因素。 试验段内共选择8 个断面进行现场试验研究，每个断面都埋设了分层沉 降管和测斜孔，部分断面埋设了孔隙水压力测头、温度测头和土压力盒。所 有现场监测设备的埋设于2 0 0 5 年1 1 月4 日全部完成。本文主要选择二个典 型断面并参考其他断面的监测结果进行现场监测数据分析及分析计算，两断 面分别为k 9 + 2 8 0 、处理方法为袋装砂井加铺土工格栅，k 9 + 8 2 0 、处理方法 为塑料排水板加铺土工格栅，工程地质条件及仪器设备埋设如图3 2 和图3 3 所示。 各监测项目的观测频度主要取决于施工过程、沉降量的大小、观测的目 的及气候季节性变化等方面。在停工期间，观测数据变化不大时每2 3 周观 测一次，在施工期每一道工序前后都要观测一次。 ( 1 ) 分层与总沉降，利用沉降仪和分层沉降管进行监测。整个试验段共埋 设沉降管2 4 个，主要目的是为了准确掌握地基各土层在上部荷载作用下的变 形特性。对土体深层( 分层) 沉降观测，可以充分了解地基土在分级加载作用下 地基各土层沉降变化，根据实测沉降曲线预测地基固结情况，推测地基土的 3 7 最终沉降量及工后沉降量，为施工计量提供依据，与其他监测项目相结合控 制施工加载过程。 、0 “ b 人工自i 土 工壤土 乜 i 9 ，o l 檀、_ h 柚辩土* l 0 i n “ 廿厦牯土“4 口 i 址l 糟质帖土 i 嗣斟t 1 4 7 o 辩警 l 7 o 7 镕p m 日口 _ _ 1 4 6 口暖再 口孔障m 压摄央- 丹g 沉辟盛环口压力盘6 湿虞摄 图3 2k 9 + 2 8 0 断面地质剖面及仪器埋设图 ，名。 、“ 竺： v 。 i 她“。 i 且“0 ：f： 捌鼻 。 糟曩格上 - t 冲 ：争，一 m i 1 ，口 j “口 肌“口 l “口 精詹牯土 1 4 7 嚣辫t m 口广旷 二_ l “3 q 孔曩术括虫- # 层沉降鼍耳口压力土 曩鹰摄头 图3 3k 9 + 8 2 0 断面地质哿i 面及仪器埋设图 ( 2 ) 软土地基侧向位移，利用测斜仪和测斜管进行监测，整个试验段共埋 设测斜管1 6 个，可以测出软土地基不同深度的侧向变形，便于对地基变形进 行分层研究。地基土在路堤荷载的作用下，土体最大水平位移发生在地面以 下一定深度的范围内，利用绘制的侧向位移观测曲线可以直观地了解软土地 基的滑动趋势及滑动面的位置，与沉降观测相结合，可有效地指导路堤的施 工，控制加荷速率。 ( 3 ) 地基孔隙水压力监测，利用孔隙水压力计进行监测，共埋设孔隙水压 力计2 2 个，通过地基土孔隙水压力的变化，掌握地基土在不同排水条件下、 不同附加应力状态时的固结状态，可以了解并据此分析地基土的固结程度及 地基处理效果。其主要目的有以下两个方面：在外部瞬时荷载的作用下， 软土地基中孔隙水压力的升高，产生超孔隙水压力，根据有效应力原理，固 结沉降过程就是超孔隙水压力消散，有效应力增加的过程。因此，孔隙水压 力变化的观测能很好地评价公路软土地基在路堤填筑分阶段荷载的作用下固 3 8 结沉降变化的全过程，使荷载增加与地基固结速率相一致，减少附加沉降量， 保证公路软土地基的整体稳定性。同时，为了揭示孔隙水压力在公路软土地 基中垂直方向消散变化情况，在同一钻孔不同深度处分别埋设了孔隙水压力 计。为了揭示寒区公路软土地基固结沉降的变化规律，特别是寒区公路施 工冬季停工期较长，路堤填筑作为预压荷载，要对公路软土地基预压排水效 果进行分析。因此，在冬季对孔隙水压力的变化也要进行定期的观测，结合 分层沉降的观测，以达到能够正确评价路堤堆载预压在冬季停工期对软土地 基的固结效果。 ( 4 ) 土体中温度变化的监测，利用温度探头进行监测，试验段共埋设温度 探头7 个。主要目的是：了解寒区路堤填土温度和冻深随季节的变化，特 别是最大冻深的确定。利用现场温度的观测数据有助于分析土压力、分层 沉降、土体测向位移、孔隙水压力等数据变化的原因。 ( 5 ) 土压力监测。利用土压力盒进行监测，试验段共埋设土压力盒1 7 个。 埋设土压力盒主要依据软土地基的处理方法，本次埋设在同一竖直线上，分 别在土工格栅的上侧和下侧埋设，主要目的是了解土工格栅在软土地基处理 中的网兜效应，评价土工格栅处理公路软土地基减少路堤横断面不均匀沉降 的效果。另外，同一深度横向不同位置也分别布置了土压力盒，主要目的是： 分析路堤填筑荷载的作用下，同一深度竖向土压力沿水平向的变化规律； 分析路堤填土冻结的过程中，竖向土压力的变化及同一深度竖向土压力沿 路堤横断面的变化特征。 3 2 2 监测原则 根据工程的实际，提出了以下5 点监测原则。 ( 1 ) 无论在路基的纵向和横向，测点越多，测得的结果越能反映路基真实 情况。但测点多，无论费用、测试工作量、测点保护工作量都会增加，而且 测点会对施工造成不便。从满足监测需要与施工便利性两方面考虑，该软土 地基地段共选择8 个监测断面。 ( 2 ) 为了便于施工和各观测数据的相互验证分析，各观测项目的所有测点 尽可能集中布置在同一个观测断面上。 ( 3 ) 明确监测控制标准，路堤填筑的过程中应着重进行沉降和稳定监测。 参照交通部颁发的施工技术规程的控制标准，本监测段路堤中心线地面沉降 速率不大于每昼夜1 0m m ；坡角水平位移速率不大于每昼夜5m m 。观测结果 应结合沉降和位移发展趋势进行综合分析。填筑速率，应以水平位移控制为 主，如超过此限度应停止填筑。 ( 4 ) 确定合理的监测频度，在施工期间位移和土压力应每填筑一层土观测 次；如果两次填筑时间间隔较长，每三天至少观测一次。路堤填筑完成后， 堆载预压期间或在冬季停工期的观测应视地基稳定情况而定，一般半月或每 月观测一次。孔隙水压力的观测，每填筑一层后，应每隔1 小时观测一次， 连续观测2 3 天。气温发生明显季节性变化时，要加强温度的观测频度。 3 9 中国地震局工程力学研究所博士学位论文 ( 5 ) 路堤稳定出现异常情况、可能失稳时，应立即停止加载并采取果断措 施，待路堤恢复稳定后，方可继续填筑。 3 2 3 埋设流程 仪器埋设应与路堤施工相互配合。图3 4 为竖向排水体地基处理与仪器 埋设配合流程图。 图3 4 仪器埋设与路堤施工配合流程图 3 2 4 主要观测仪器的工作原理、埋设技术与注意事项 3 241 分层沉降监测 分层沉降监测主要由沉降仪、沉降管、沉降磁环三部分仪器组成。 ( 1 ) 工作原理 沉降仪工作原理，电磁式沉降仪的主要元件是探头，它是内部带有磁 感应器的探测器，遇到土中的磁性物质( 沉降环) ，电流将会发生变化，引起蜂 鸣器发出声响。除了测头，沉降仪还配有钢卷尺，系于测头的尾部，测量时 一同放在测量管( 沉降管) 内，用以提供深度信息。钢卷尺的长度一般为5 0 1 0 01 1 3 ，其温度变形值较复合材料要小得多坝9 量数据更为精确、可靠。当测 头沿导管向下移动，遇到埋于土中的磁环时，沉降仪蜂鸣器就会发出声响，此时 读出测尺上的深度读数，在钡4 每一磁环的具体位置时，需要进行往返测量，则磁 环所在的深度读数： 三= ( r 往+ r 诋) 2 ( 3 1 ) 们 第三章寒区湿地公路软土地基现场监测 式中：l 为磁环所在的深度，i n l t l i 足往、为测尺往返读数，m m 。 图3 5 沉降观测方法 及埋设方法 每次观测时用水准仪测出孔口高程，测得测点( 磁 珈t 尺环) 在孔内的深度，即可换算出测点的高程，观测 双 点的沉降量( 噜) ( r a m ) 等于测点初设时的高程 瓦胁 风( 姐) 减去t 时测点的高程皿( 衄n ) 即： f t 墨2 风一只 ( 3 2 ) f t 、， 可得到不同深度在不同时期土体的分层压缩量。测 试方法如图3 5 所示。 沉降管亦称沉降观测导管，用硬质聚氯乙烯 塑料制成，包括主管和连接管。主管内径为币5 0 m m ，外径为垂7 0m m ，长度为4m ，相配的连接管 内径为t b 7 0m m ，外径为币8 2 衄，长度为3 0 4 0 c m 。连接管套于两节主管衔接处，用自攻螺丝固 定，还需用透明胶带缠好，以防泥水渗入。 沉降环工作原理：是一种磁性圆环，套在沉降管外壁，带有三个叉簧片。 固定于土体中，随土体沉降。 ( 2 ) 埋设技术与注意事项 监测的孔位( 测点) 定位要准确； 在定位点钻孔，直径为垂1 0 8i t l l t i ，成孔要垂直，倾斜度不能大于1 0 ， 不允许有塌孔、缩孔现象存在，遇到松散软土时，应下套管或泥浆护壁，避 免坍孔； 沉降管底部要装有底盖，底盖与沉降管联接处应进行密封处理，这样 可防止泥水进入沉降管内； 沉降管连接成几段，逐节在孔口连接，沉降管连接处应特别注意要用 胶带包裹，这样既可以防止泥水进入沉降管内，保证管道外壁光滑，使得沉 降管不受阻碍下到预定深度； 下沉降环时，一般lm 一个，也可以根据土层的厚度来决定放置沉降环 的数量，但土层分界面处必须放置沉降环。下沉降环时，三个叉簧片拢成的 直径稍大于沉降管外直径，到了埋设深度再使叉簧片的弹性发挥到最大限度， 使三只叉簧片牢牢地插入土壁上； 每埋好一个沉降环，都要用中粗砂回填，回填量可以根据孔深，孔径以 及土质情况而定； 沉降环埋好后，立即用沉降仪测量一次，对环的位置，数量进行校对， 并对孔口高程进行测量： 把埋设结果记入记录表，包括工程名称、沉降管编号、位置、孔口高 程、深度、埋设环数、每一沉降磁环的标高、埋设日期、人员等等。 4 1 中困地震局工程力学研究所搏f j 学位论文 3 2 42 侧向位移监测 侧向位移监测系统主要由测斜仪和测斜导管两部分组成。 ( 1 ) 工作原理 侧向位移采用测斜仪测试。测斜仪主要由探头、电缆、和接收仪表三 部分组成。测斜仪读取的是土中测斜管或结构物某一部位的倾斜度。在此， 以活动式的测斜管为例，来说明测斜仪的基本原理，如图3 6 所示。 图3 6 测斜仪工作原理示意图 在土中预埋一根管道，分成几节，彼此用接头连接，使整个管道易于紧 随地基变形。变形后每节管道都有一个倾斜度瓯，倾斜度的变化在管子两端 产生了相应的水平位移差最，即： 4 = l is i n a f ( 3 3 ) 式中：厶为一给定的整数，本项目所用测斜仪厶= 5 0 e r l l 。 把每段的水平位移增量自下而上逐段累加，得到不同深度总位移量细： a n = y l ，s i n a ， ( 3 4 ) = 测斜仪是沿测孔两个正交方向测量的，可以描述测孔沿深度的位移全貌， 确定发生位移( 滑动) 的部位，以及位移的大小与方向。 测斜管是用聚乙烯、聚氯乙烯、a b s 塑料、铝合金等材料制成，管内 有互成9 0 。四个导向槽，国产塑料测斜管尺寸多为内径1 5 8m m 、外径1 , 7 0r l l l l a ， 长度分别为2 m 、3 m 、4 m 三种。 ( 2 ) 埋设技术与注意事项 测斜管的埋设主要靠钻孔和管道连接技术保障。其关键在于： 定位要准确，测斜导管应埋设于地基土体水平位移最大的平面位置， 4 2 一般埋设于路堤边坡坡角处； 在定位点钻孔，孔径以大于测斜导管最大外径4 0r l l n 为宜，钻孔的垂 直度偏差不大于l 。考虑护壁泥浆的沉淀，钻孔深度要比导管设计深度大2 0 左右： 按长导管时，应使导向槽严格对正，不得偏转； 测斜管埋入钻孔中，埋设深度一定要穿过软土层，底端固定在稳定土 层中； 用经纬仪校正导向槽的方向，使其对正欲测的方向； 回填转孔时，采用粗砂灌水回填，使回填土密实； 埋设完成后，应及时将测斜导管有关资料记入埋设记录表； 测斜导管埋好后，经一段时间稳定后，即可建立初值。 3 2 4 3 孔隙水压力监测 图3 7 钢弦式测头构造示意 通过透水石，作用于承压膜上，使其产生挠曲 变化，钢弦的自振频率，也随孔隙水压力的变化而变化； 电缆，采用屏蔽电缆，能承受一定拉力，且必须绝缘： 二次仪表，即“钢弦频率计”，用于测定钢弦的频率。 ( 2 ) 钢弦式孔隙水压力仪的工作原理 土中孔隙水通过透水石，孔隙水压力作用于承压膜上，使膜片中心产生 向上的挠曲，钢弦的张力随之变化，自振频率也随孔隙水压力的变化而改。 用钢弦频率计接收其自振频率，频率与孔隙水压力有如下关系。 = 七( 露一r ) ( 3 5 ) 式中，“为孔隙水压力，k p a ：k 为常数，称为传感器系数，其数值与承 4 3 压膜和钢弦的尺寸及材料性质有关，由室内标定给出：厶为钢弦的初始自振 频率，h z ：z 为在孔隙水压力“作用下的钢弦自振频率，h z ；通过测读钢弦 的自振频率，便可求出相应时刻的孔隙水压力，k p a 。 ( 3 ) 埋设技术与注意事项 准备，取下仪器端部的透水石，在钢膜片上涂一薄层黄油或凡士林油 以防生锈。将透水石放入纯净的清水中煮沸，排除其孔隙内气泡，煮沸时间 要在2 小时以上： 钻孑l ，采用干钻法，深度比设计的埋设高程高3 0c i n 左右： 埋设，探头未装上透水石前，在大气中测量初始频率。将透水石在水 桶中安装在探头上，尽快将探头放入孔中，并下压3 0g r n 至埋设高程： 电缆保护，测头埋好后，应立即铺埋电缆，电缆不宜拉紧，防止路基 变形拉断电缆，并将电缆集中到一起进行观测，检查是否工作正常。 3 2 4 4 地基土中温度监测 地基土中温度监测主要由温度传感器、测读仪、电缆三部分组成。 ( 1 ) 工作原理 测温传感器的测温原理是利用组成传感器物质在温度变化时本身电阻也 随着发生变化