（岩土工程专业论文）基于abaqus对真空联合堆载预压加固软土路基的计算分析.pdf

基于a b a q u s 对真空联合堆载预压加固软土路基的计算分析 摘要 真空预压法及真空联合堆载预压法作为一种软土地基处理方法，具有诸多优点。 随着我国大规模建设热潮，真空联合堆载预压法也得到进一步的广泛应用。真空预压 法及真空联合堆载预压法在机理研究、施工工艺、设计理论等方面得到了较大的发展， 但是同工程实践相比理论研究相对滞后，不少理论问题仍未能得到圆满解决。如真空 预压法的加固深度、真空预压区地下水位的变化情况及真空预压对周围环境的影响等 问题以及缺乏简便实用的真空预压设计计算方法等，因此制约了该方法的进一步推广 和应用，已引起国内外学术界和工程界的广泛关注。 本文通过收集现场和室内试验资料，经过理论分析，对真空联合堆载预压的加固 机理与计算方法问题进行了较为深入的探讨，并结合工程实例，运用有限元软件 a b a q u s 对预压固结过程进行数值模拟研究，进而对工后沉降进行预测，提出工程优化 方案。主要结论有： ( 1 )对真空预压及真空联合堆载预压机理进行研究的基础上，进一步探讨了加 固深度、水位变化等问题，从加固机理来看，对于软基处理工程来讲真空联合堆载预 压加固效果比单独的真空预压或堆载预压的加固效果更好。 ( 2 )根据固结等效的原则，总结了将砂井地基转化为均质地基的等效渗透系数 法及等效砂墙地基计算法，从而将复杂砂井地基转化为均质地基或砂墙地基，两者均 可用于平面有限元简化计算。 ( 3 )运用有限元软件a b a q u s ，对真空联合堆载预压加固软基的加固过程进行 了研究；数值分析结果表明真空联合堆载预压加固软基的加固效果受真空度大小、加 固深度、土体强度、加载曲线等因素影响。结合真空联合堆载预压工程实例，采用数 值方法进行模拟，有效的预测了路基的工后沉降，并提出路面施工时间的建议。 ( 4 )研究了真空预压的环境效应，重点研究了安全措施对预压影响区的防护效 果。数值分析表明挖应力释放沟及打设桩都能有效的减弱影响区的水平位移和沉降， 且挖应力释放沟的防护效果优于打设桩。 关键词：真空联合堆载预压；加固深度；环境效应：本构模型；a b a q u s 5 t h ec o m p u t a t i o n a la n a l y s i so nv a c u u mc o m b i n e d s u r c h a r g ep r e l o a d i n gb a s e d o i la b a q u s a b s t r a c t v a c u u m p r e l o a d i n ga n dv a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n ga r ee f f e c t i v em e t h o d s t oi m p r o v es o f tf o u n d a t i o n a l o n gw i mo u rc o u n t r y sc o n s t r u c t i o nu p s u r g e ，t h e s et w o m e t h o d sw e r eu s e dm o r ew i d e l y t h e r ea r es o m ed e v e l o p m e n t so fi m p r o v e m e n tp r i n c i p l e ， c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa n dd e s i g nt h e o r y , b u tt h e r ea r em o r eq u e s t i o n st os o l v es u c ha st h e d e p t ho fi m p r o v e m e n ta n ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，e f f e c t o fv a c u h i t ip r e l o a d i n gt ot h e e n v i r o n m e n t ，c o m p u t a t i o nm e t h o d s ，a n ds oo n t h i ss t a t u sl i m i t e dt h em o r ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h e s et w om e t h o d s m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r s a t t e n t i o ni nt h e w o r l d f o c u s e so nt h e s eq u e s t i o n s t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h eq u e s t i o n sa b o v ev i ae x p e r i m e n td a t aa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em a i nw o r ko ft l l i st h e s i sa r e ： ( 1 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho fi m p r o v e m e n tp r i n c i p l eo ft h ev a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g e p r e l o a d i n g ，t h ec h a n g eo fu n d e r g r o u n dw a t e r , d e p t ho fi m p r o v e m e n ta n dc o n s t i t u t i v em o d e l a r es t u d i e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fe q u a l i t yo fc o n s o l i d a t i o nd e g r e e ，t w oe q u i v a l e n t m e t h o do fc o n v e r t i n gv e r t i c a ld r a i nt ol a y e r e ds o i lo rt od r a i nw e l l sa r ep r o p o s e d ，a n dw e c a nu s ep l a n es t r a i nf e mt oa n a l y z eg r o u n dw i t hv e r t i c a ld r a i nv i at r a n s l a t i n gi tt ol a y e r e d s o i lf o u n d a t i o no rd r a i nw e l l sf o u n d a t i o n ( 3 ) w i t ha b a q u sf e ap r o g r a m ，t h es t a b i l i t yo fs o f t s o i lf o u n d a t i o nt r e a t e dw i t h v a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t a b i l i t y o fs o f ts o i lf o u n d a t i o nw a sr e l a t e dt ot h ed e g r e eo fv a c u u m ，t h ed e p t ho ft r e a t m e n t ，t h e s h e a rs t r e n g t ho fs o i l ，t h el o a d i n gp r o c e d u r ea n de t c t h e nb yf e ap r o g r a m ，t h e d e s t a b i l i z a t i o no fa ne n g i n e e r i n gp r o j e c tw a ss i m u l a t e d l a s t l ys o m es u g g e s t i o n sf o r c o n s t r u c t i o nw e r ep u tf o r w a r d ( 4 ) t h ee n v i r o n m e n t a le f f e c to fv a c u u mp r e l o a d i n gw a sr e s e a r c h e d ，w em a i n l yf o c u s e d o nt h es a f e t ym e a s u r ee f f e c t si na f f e c t e ds o f tg r o u n da r e a k e y w o r d s ：v a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g ；i m p r o v e m e n td e p t h ；e f f e c t e da r e a ； c o n s t i t u t i v em o d e l ；a b a q u s 6 插图清单 图卜1 真空联合堆载预压示意图2 图2 1 真空预压加固模型“ 图2 2 地应力示意图。1 2 图2 - 3 土体1 2 图2 - 4 真空预压受力模型1 2 图2 5 有排水体情况下真空预压受力模型1 4 图2 6 真空预压加固过程中地下水位的变化情况1 6 图2 - 7 提水高度示意图18 图3 - 1 单井计算有限元网格“2 8 图3 - 2 理论值与简化方法计算值对比曲线2 9 图4 1 实验区断面图3 2 图4 - 2 荷载一时间过程3 2 图4 3 计算模型的有限元网格划分3 4 图4 4 路基中心沉降过程线3 4 图4 5 各级荷载作用下路基沉降等值线。3 7 图4 6 加固区中心不同深度处的沉降过程线3 8 图4 - 7 路基右侧深层土体水平位移3 9 图4 8 水平位移等值线4 1 图4 9 各阶段孔隙水压力等值线4 4 图4 1 0 各种工况下的沉降累计过程线4 6 图5 - 1 分析模型的网格划分。5 0 图5 - 2 真空加载曲线图5 0 图5 - 3 浅部开挖应力释放沟计算模型的网格划分5 l 图5 - 4 不同沟深的地表沉降量5l 图5 - 5 不同沟深的地表水平位移5l 图5 - 6 无沟地基变形图51 图5 - 7l m 沟地基变形图5 2 图5 - 82 m 沟地基变形图5 2 图5 - 93 m 沟地基变形图5 2 图5 - 94 m 沟地基变形图5 2 图5 - 1 0 打设桩体加固计算模型的有限元分析5 2 图5 - 11 不同模量的桩对影响区沉降的影响5 3 图5 - 1 2 各种模量的桩的沉降等值线5 3 图5 - 1 3 不同渗透系数的桩对影响区沉降的影响5 4 9 图5 1 4 不同渗透系数的桩的沉降等值线5 5 图5 - 1 5 不同桩长对影响区沉降的影响5 5 图5 1 6 各种桩长的地基沉降等值线5 6 l o 表格清单 表2 1 真空范围1 l 表4 一l 土体主要物理力学性质指标3 0 表4 2 有限元计算参数3 3 表4 3 砂井参数调整3 3 表4 - 4 计算项目分类表4 5 表5 一l 若干真空预压、真空联合堆载预压加固地基工程环境效应一览表4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金g 曼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 卅蓍 学位论文版权使用授权书 签字日期： 川午j 2 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权金g 曼王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 南l 缉 i 签字日期：莎矽z 争仁 学位论文作者毕业后去向：屿衣 工作单位： 臼交 通讯地址：煳舌嘉禾太唇土木槛苦广庇 电话： f ；纡多考扩争，厂甲 邮编： 易譬口工广 诟 扔t 蝴 渺 致谢 本文是在导师钱德玲教授的悉心指导下完成的。在近三年的学习过程中， 钱老师渊博的学识、严谨的治学态度、兢兢业业的工作精神和平易近人的作风 给我留下了深刻的印象，实在是我在以后工作和生活中的学习榜样，使我受益 终生。钱老师在学习上多次为我指点迷津，使我深切的认识到自己的不足和学 海无涯，从而也更加坚定了我求学的毅力。在此，我向钱老师致以最真诚的感 谢和敬意! 感谢许小健、张金轮、刘振杰、张文彦、涂芬芬、程媛嫒、赵洪波、韩松 等师兄弟，感谢商兆涛、滕祖峰等同学，近三年来朋友们在生活和学习上的关 心和帮助使我充满热情和活力。感谢其他为本文工作提供帮助的老师、同学和 朋友。 感谢我的父母对我的养育和教导，二十多年来，他们勤劳质朴的高贵品质 在我心中永远敬仰! 最后，向曾经在一起学习和生活过老师和同学们表示诚挚的谢意1 4 作者：刘华 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 概述 随着我国国民经济的迅速发展，基建项目进入一个高速发展的时期，其中高速公 路的建设成就尤其引人注目。1 9 8 8 年1 0 月，沪嘉高速公路建成通车，全长1 8 5 公里， 标志着我国大陆地区高速公路零的突破。到2 0 0 1 年年底，全国高速公路里程达到2 万公里，超过了加拿大，列世界第二位，创造了世界高速公路发展的奇迹。到2 0 0 7 年年底，全国高速公路里程已达到5 3 6 万公里，但是由于我国地域广阔，人口众多， 目前的高速公路在路网上基本呈散状分布，不能发挥其应有的规模效益，供需缺口很 大，已有的高速公路仅为需求的1 5 ，因此目前全国各地的高速公路建设仍方兴未艾。 我国已有及在建的高速公路主要集中于东南沿海一带。而我国沿海除山东部分地 段外，大部分的海岸线为淤泥质海岸，多为河相、海相或泻湖相沉积层，在地质上属 第四纪全新纪q 4 土层，多属于饱和的正常压密粘土。土的类别多为淤泥、淤泥质粘 土、淤泥质亚粘土，在南方少数地区还有淤泥质混砂层。这类土具有高含水量、大孔 隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性、中等灵敏度等特点。在这种软弱地基上 建设高速公路，地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和差异沉降，而且沉降 的延续时间很长，从而影响高速公路的正常使用。另外，由于其强度低，地基承载力 和稳定性往往不能满足工程要求而容易产生地基破坏。为保证在施工和使用期间的承 载力与稳定性安全、消除过大的沉降变形和正常使用，首先要对这种软土地基进行处 理【l i 。 1 2 国内外研究现状 真空预压法加固软土地基的基本原理，最早由瑞典皇家地质学院的杰尔曼教授 ( w k j e l l m a n ) 于1 9 5 2 年提出l 引。但是多年来由于施工工艺方面的困难，主要是 抽气设备、密封材料、垂直排水通道打设技术等方面的原因，这一技术的发展相当缓 慢，没有得到大规模的生产应用，过去几十年也仅仅在少量几个工程中被采用。我国 早在5 0 年代就开始真空预压技术的研究。 对高速公路软土路基处理而言，真空联合堆载预压法是比较理想的软基加固方 法。从1 9 9 8 年8 月起，广东珠江三角洲地区开始引入真空联合堆载预压加固高速公 路软基的方法，从几条高速公路的试验段情况看，该处理方法效果是比较理想的p 1 。 由于可以将填筑的路堤作为堆载加以利用，不仅具有很好的加固效果，而且经济效益 也很明显。目前该方法已经在广东、浙江、江苏、上海的高速公路建设中得到了比较 广泛的应用1 4 j 。除了在高速公路建设中的应用外，真空联合堆载预压法也广泛应用与 港口、码头、工民建、机场等工程建设中【5 j l l2 。 在国外如法国的m e n a r d 公司的真空固结法( m e n a r dv a c u u mc o n s o l i d a t i o n m e t h o d ) 和荷兰i f c o 公司的i f c o 真空强制固结法都已大规模地投入了生产使用。 1 2 1 真空联合堆载预压法简介 采用真空预压法处理地基时，首先在原地基表面铺设一定厚度通常为( 3 0 - 5 0 c m ) 的砂垫层，再在土体中打入袋装砂井或塑料排水板( 统称砂井) 。将不透气的薄膜铺 设在需要加固的软土地基表面的砂垫层上，薄膜四周埋入土中，借埋设于砂垫层中的 管道，将薄膜下砂垫层中的空气抽出，使其形成相对负压，由于砂井的渗透性较大， 该负压能够快速传递到砂井中，从而在砂井和砂井周围土体之间形成孔压差，使土体 中的孔隙水流入砂井并被排出，以达到固结。真空预压系统主要由抽真空系统和排水 排气系统两部分组成。根据目前的工程经验，膜上下压差可维持在8 0 - - 一9 0 k p a 左右， 一般可取7 5 - - - 8 5 k p a 作为设计值。真空联合堆载预压法是在真空预压法的基础上，在 膜下真空度达设计要求并稳定一定时间后进行堆载预压施工，其示意图如图卜1 所示。 若天然地基特别软弱，可适当推迟堆载时间。在加载第一级荷载时，应采取可靠措施 保护密封膜。堆载施工完毕后，真空和堆载联合作用，直到满足固结度要求或者沉降 速率要求时可以卸除真空荷载。 路基堆载 、抽真空装置丁u 4 ：，上二_ 仪1 丑 图卜1 真空联合堆载预压示意图 1 2 2 加固机理和理论研究现状 前人对真空预压法加固机理的研究主要集中在以下几个方面： l - 2 2 1 真空作用原理 真空作用原理是加固机理分析的基点，在真空预压方法发展的初期，许多学者通 过大量室内与现场试验从不同角度对真空作用原理进行了解释。8 0 年代后期，陈环等 l ”j 研究者提出抽真空只是不断地改变土体内的孔隙水压力，即真空预压是通过降低土 体中的孔隙压力，使有效应力增加而加固，得出了在相同的压差下，正压与负压下的 2 试样在加固后有基本相同的土体参数，即其加固效果基本相同，土体强度的增长也基 本相同的结论。因此，真空预压和堆载预压一样，都是固结过程，只是其边界条件不 同，真空预压是保持土中初始条件，降低边界孔隙水压力形成渗流。同时还指出，只 要边界条件与初始条件符合实际，用固结理论即可求解真空预压问题，并结合具体事 例给出了求解方法，结果表明把固结理论用于真空预压问题的求解是切实可行的。 龚晓南、岑仰润等认为，抽真空在土体较大孔道中形成真空渗流，土体中较小孔 道中的孔隙水与较大孔道中流动的“真空流体”由于压差作用而排出，产生固结现象。 实际上也可以将真空预压情况下的固结过程看做“真空流体”在更为细小的孔道中扩 散，或者说“真空流体”对土中更为细小孔道中的孔隙水的驱替，而这种扩散和驱替 与时间有关，其结果导致土颗粒的重组和土体的压密1 1 4 j 。 候红英、王清等认为负压条件下的求解只是边界条件的改变，同样可以用现有的 固结理论进行求解，并通过对真空预压在大刚性基础软基处理中的应用进行研究，结 果表明有限元计算与实测的土体变形较为一致，从而进一步论证了真空作用原理就是 通过降低土体中的孔隙水压力，使有效应力增加而达到加固的目的1 1 5 l 。 1 2 2 2 真空预压加固有效深度 以前大多数学者认为：由于1 个大气压力为1 0 1k p a ，因此真空预压加固法的有 效深度为1 0m 左右，已有的研究成果表明该观点是错误的，真空预压的加固深度至 少可以达到排水体的设置深度，但其处理的效果会随深度的增加出现逐渐减小的趋 势。 高志义、张美燕等( 1 9 9 8 ) 通过一系列真空预压法的离心模型试验，表明真空的 同时进行压载的联合加固，进一步提高了加固效果。说明两者产生的有效应力是可以 叠加的，砂井长度为2 0m 时，在2 0m 附近仍有一定加固效果1 1 6 j 。 阎澎旺、傅海峰( 2 0 0 5 ) 提出了一套真空预压固结模型，实验结果解释了为什么 真空预压的有效加固深度可以大于1 0m l j 。 同时，现有的真空预压理论还认为真空度的传递深度即为加固深度，因此，为了 进一步掌握真空预压加固的深度，许多的学者在现场真空预压过程中，对土体内的真 空度进行大量的测试工作。 温晓贵、朱建才、龚晓南等( 2 0 0 4 ) 通现场实验认为，真空度在传递过程中，塑 料排水板中所受的阻力最小，真空度相对较容易传递；淤泥中的阻力最大，随着抽气 时间的延续，由于土层发生固结，真空度的传递能力下降；砂井的阻力介于两者之间 f l8 】 o 1 2 2 3 地下水位变化及影响 关于地下水位的变化规律理论上存在有多种观点，从真空预压处理软土地基开 始，这样的争论就一直存在，这主要是真空预压下地下水位的测量至今没有可靠的方 法。因此，有些研究者测得地下水位降低，而有的研究者则得到地下水位上升的结果。 目前主要有三种观点： 第一种观点认为测量的地下水位是零位线，因此地下水位是下降的。龚晓南等通 过现场试验，认为现场测试过程中，水位管打开的一刹间立即测量水位，虽存在误差， 但不会产生水位大的变化结果。但目前所有支持该观点的地下水位文献都没有具体的 测试方法和仪器介绍，水位管的设计是否能真实反映地下水位的变化情况等均对测试 结果产生较大的影响。一些室内试验结果也表明真空预压过程中地下水位是下降的 f 1 9 卜【2 2 1 o 第二种观点是刘加才等( 2 0 0 0 ) 认为不存在地下水位的下降而只有孔隙压力变化 线，该观点类似于8 0 年代末期南京水利科学研究院张诚厚提出的地下水位线状态观 点，认为软土在真空预压加固过程中，土体始终处于饱和状态，因此地下水位线就是 一个实际上存在但无法观测到的状态而己。该观点没有从工程物理力学角度来说明水 位与孔隙水压力的关系，但是却反映了真空预压过程中水位线受真空荷载影响的结 果，把孔隙水压力变化引入到水位变化中来1 2 3 j 。 第三种观点认为地下水位不可能下降，只存在不变或上升的可能性。明经平、赵 维炳等( 2 0 0 5 ) 从物理力学角度分析了真空预压作用下地下水位的变化，认为地下水 位只存在不变或上升的可能【“j 。 对于地下水位变化出现不同的观点，主要是由于测量技术的局限性，使得水位变 化的观点一直成为真空预压加固机理中探讨的热点。许多学者均进行了大量的研究工 作p 引1 2 7j ，但没有显著的成效。地下水位的变化直接影响到路基稳定与沉降计算取值， 同时也是对加固效果组成的一个重要因素。 1 2 2 4 正负压联合作用分析 真空联合堆载预压的加固效果是真空与堆载共同作用产生的，主要由两方面组 成：一是真空产生负压引起孔隙水压力降低，土体有效应力增加；二是堆载正压引起 土体中总应力增加，孔隙水压力消散后土体有效应力增加，受消散速率的影响，土体 强度增长较慢。真空使得土体中孔压降低，堆载使得孔压升高，两者同时施加时，正 负压可以抵消一部分，大大减少了荷载引起的超静孔压消散所需要的时间，因此土体 有效应力增长的速率就能得到提高，这便是真空联合堆载预压法能节约工期的原因。 1 2 2 。5 加固效果的研究现状 e c l e o n g ( 2 0 0 0 ) 等用固结仪研究了相同压力下( 分别为正、负压力) 土样剪切 强度增长的情况，得出了堆载预压加固效果要好于真空预压的加固效果的结论1 2 8 j ，该 观点后经证实与现场实际不符。张诚厚等用模型槽研究了真空面位置和排水板间距对 加固效果的影响，研究表明，真空作用面移向低部后，加固效果更好，排水板间距的 影响不可忽视p 。 侯红英、王清等( 2 0 0 1 ) 通过现场真空预压加固前后软土工程性质的变化分析， 结果认为加固前后土的含水量、孔隙比、压缩系数等指标减小，容重增大，土的物理 力学性质得到改善，强度明显增长，取得了较好的加固效果；此外，现场十字板试验 结果表明，在排水板打设深度在2 5m 的情况下，加固前后2 0m 以上软土的抗剪强度 4 增长较大，但2 0m 以下土体抗剪强度明显减小；结合排水体内真空度测点结果分析 认为，上部真空度较大，由于井阻现象，十几米以下真空衰减较大，上部土体有较大 的固结压力；侧向位移基本在1 0m 以内范围产生，其加固效果较好l l 5 | 。 提出真空堆载联合预压并不是真空荷载与堆载压力的简单叠加，用等效的真空荷 载来进行沉降设计计算是错误的。试验表明，真空堆载联合预压实质上是淤泥与竖向 排水体之间孔压差的叠加。真空和堆载加固效果的叠加主要体现在孔隙水压力的变化 之中，从许多现场实测孔压数据可知，由负超静孔隙水压力与正超静孔隙水压力叠加 后产生的总超静孔隙水压力相对较小，一般小于o ，利于路堤的快速堆载，这个观点 已被许多学者通过试验所证实。 1 2 3 真空联合堆载预压过程中地基稳定分析研究现状 s s g u e ，y c t a n 和s s l i e w 等( 2 0 0 0 ) 报道了采用真空预压处理软土路基， 在路堤填筑过程中成功和失稳的工程实例，分析了其原因，强调了现场监测的重要性。 e c l e o n g ，r a a s o e m i t r o 和h r a h a r d j o ( 2 0 0 0 ) 通过试验比较了堆载和真空预压 加固土样剪切强度增长的变化，试验中采用了非饱和土试验中的轴平移技术，认为在 相同压力下，采用堆载预压加固对土体抗剪强度的提高要优于真空预压1 2 引。黄腾、张 迎春、杨春林等从应力状态入手分析真空联合堆载加固软基的特点和机理，在此基础 上建立在真空联合堆载条件下计算地基稳定性的数学模型，提出抽真空作用下真空度 衰减公式和土体抗剪强度增量的计算公式，并应用于某真空联合堆载试验段的稳定分 析中【3 引。江茂盛、何昌荣对广东新会一台山高速公路真空联合堆载预压方法及堆载预 压方法加固的软基路堤稳定性进行了计算和分析，通过比较得出真空联合堆载预压法 加固的软基有较高的稳定性的结论。娄炎、尹敬泽( 2 0 0 6 ) 通过工程实例和应力路线 分析，说明采用真空联合堆载预压法加固软基时，也需要考虑加荷速率的控制，否则 会发生地基失稳的事故1 3 1 | 。 1 2 4 沉降计算与预测分析研究现状 地基沉降分析是土力学的重要研究课题之一。自从t e r z a g h i 的一维固结理论问 世以来，土体固结沉降理论研究取得了较大的进展，并在工程建设中发挥了巨大的指 导作用。计算机技术的进步使得有限元等数值计算成为现实，但是软土地基沉降的课 题1 3 2 】仍然困扰着许多岩土工程技术人员。软土是一种特殊性土，具有压缩性大、渗透 性低、固结变形时间长等特点，在软基上修建筑物，沉降问题和稳定问题就显得尤为 突出，因此，国内外许多专家学者对软土进行了大量研究工作。在我国沿海和内陆地 区，软土分布范围广泛，且随着基本建设的发展，在软土地区兴建公路、堤坝、机场、 码头等项目将会日益增多，对沉降计算要求也在不断提高，因此改进或提高软基沉降 预测和计算方法具有重大学术价值和社会效益，许多文献均对此进行了探索性研究。 软土路基沉降分析主要指沉降的计算和沉降历程的预测两个方面内容1 3 引。目前采 用的分析方法可划归为两种类型：理论公式法和数值分析法。理论公式法( 含某些经 验公式法) 是建立在太沙基等人创立的经典土力学的基础上的，其中引入了不少假定， 该法具有参数要求少且易取得、直观、简单，因而在工程中得到广泛的应用；数值分 析方法是近代土力学研究的产物，随着计算机应用的普及，人们可以把复杂的土工计 算问题编制成计算程序，通过计算机运算，从而得到较准确的结果，该法可以全面地 考虑土体的侧向变形、流变以及复杂的边界条件等，理论上较严密。目前，适用于路 堤沉降计算和预测的方法很多，下面拟对传统的方法作一总结的同时，侧重于对较为 实用的计算方法进行介绍。 1 2 5 1 常用沉降计算方法 对于以沉降为控制条件需进行预压处理的工程，沉降计算的目的在于估算堆载预 压期的沉降发展情况、预压时间、超载大小以及卸载后的工后沉降，以便调整排水系 统和加压系统的设计。目前，国内外关于软土路基沉降的计算方法很多，常见的几种 求路基沉降的方法如下： 分层总和法，现有文献和规范对地基固结沉降的计算大部分均采用分层总和法思 想1 3 4 】。在此基础上发展起来的方法有膜下真空度等效荷载法、负压渗流场法1 3 引、真 空度差值法1 3 酬。但现有地基规范上提供的修正系数，几乎均不可能有针对性地考虑土 体侧向位移对沉降的影响，取值不仅范围大，而且无具体取值参考表。 应力路径法是1 9 6 4 年t w l a r n b e 提出的新方法l ”j 。这种方法过程虽繁琐，但 比较合理。其缺点是根据弹性理论来预估地基土中应力的，当地基中所选计算点达到 塑性状态时，计算结果不太合理，而且试验也无法进行。 差分法是将加固区域用差分网格加以离散，用差分公式近似代替所加固区域微分 方程导数，从而得到差分方程。从上个世纪4 0 年代起，就有人开始用差分法求解 t e r z a g h i 一维固结问题；到8 0 年代初，赵维炳、钱家欢【弘j 曾采用中心差分法的形式 对比奥固结问题进行了求解；目前美国、法国、加拿大一些学者在常规计算沉降的方 法基础上，用该法把土层的不均匀性、土层参数的非线性变化等因素纳入到计算程序 中，使该法可考虑土层的多层次、土应力一应变的非线性、排水距离对次固结的影响 等。该法也可用来计算软基路堤的沉降一时程曲线。 计算机的飞跃发展使得b l o t 固结理论【”j 的非线性有限元法求解成为现实，沈珠 江首先利用平面应变b i o t 固结有限元法对某真空预压法处理的工程进行了计算1 4 。 该法除了可以采用非线弹性、弹塑性、粘弹一塑性等多种描述土体应力一应变关系的模 型外，目前已能考虑到较为复杂的土体本构关系，如一些考虑流变的粘弹一塑性模型， 考虑损伤效应的弹塑性损伤模型等【4 1 | 。求得的沉降可以同时包含瞬时沉降、固结沉降 和次固结沉降三部分。此外，有限单元法还可以考虑复杂的边界条件、土体应力一应 变关系的非线性特性、土体的应力历史、孔隙水压力等，可以模拟现场逐级加荷和处 理超填土问题，能考虑侧向变形、三维渗流对沉降的影响，并能求得任一时刻的沉降、 水平位移、孔隙水压力和有效应力的变化1 4 引，同时对真空联合堆载预压能较好地根据 现场情况进行模拟。有限元确实是一种较为完善的方法，但是由于其采用的模型中所 6 涉及的计算参数多且不易确定，程序复杂难以为一般工程设计人员接受，在实际工程 中并没有得到普遍应用，只能用于一些重要工程、重要地段路堤沉降的计算。 此外，无单元法【4 引、边界元法、有限层理论法【4 5 】等在沉降计算中也有一定的 应用和发展。 1 2 5 2 常用预测沉降方法 在公路施工过程中，沉降预测是一项极其重要的工作。为了控制施工进度，指导 后期施工组织和安排，同时保证路堤的稳定与实用，需要对路堤不同时刻沉降及最终 沉降量进行预测。一般沉降计算是基于理论状态下的结果，由于施工过程中各种因素 差异较大，边界条件等千变万化，所以造成理论计算值与实际相差甚远，因此利用沉 降实测数据来推算后期沉降具有重要意义。目前，这类方法归纳起来，主要有如下几 类： 经验公式法，目前常见的经验公式法主要有：指数曲线模型、双曲线模型、 l o g i s t i c 模型、v e r h u l s t 模型、抛物线拟合法以及由此派生的一些方法( 如修正双 曲线法等等) 。此方法需要大量的现场实测资料进行分析预测，而且对满载预压后的 资料尤为重要，该方法操作简单，是工程技术人员最常用的软土路基预测方法之一。 a s a o k a 法是由日本学者a s a o k aa i 拍j 于1 9 7 8 年提出的，又称图解法。该法可作 为路堤最终沉降的一种简便的预测方法，其突出优点在于其可利用较短期的观测资料 就能锝到较为可靠的最终沉降推算值。其次，还能对是否已进入次固结阶段进行判断， 并进行次固结沉降的推算。但存在一些不足之处，最终沉降预测值一定程度上依赖于 时间间隔x t ，对主、次固结的划分有时存在一定的人为误差。 李广信等1 47 j 提出：在复杂的岩土工程中需要“理论导向，经验判断，精心观测， 合理反算 ，引进不确定性的理论方法是一个重要的发展方向。反馈分析法作为计算 土力学的一个分支，就是在此基础上发展起来的。一方面采用先进的测试技术进行原 体观测，一方面用现代计算技术进行反馈计算，通过这一途径改进理论计算，无疑是 现代土力学的一个重要特点。 灰色系统理论是我国原华中理工大学邓聚龙教授于2 0 世纪8 0 年代提出的，它是 用来解决信息不完备系统的数学方法。所谓灰色系统，是指部分信息明确，部分信息 不明确的系统。影响建筑物基础沉降的因素中有很多因素都具有不确定性，因此地基 沉降变形过程是一个灰色系统1 4 8 ，对于软土路基的沉降预测一般均采用单步灰色预测 法计算最终沉降。 人工神经网络法在处理非线性问题上具有其独特的优越性，可以充分运用人工神 经网络较强的非线性映射能力，基于路堤沉降的前期实测资料，对高度复杂、高度非 线性的土工结构进行直接建模来预测路堤的沉降量，这样更能反映软基路堤的沉降规 律。但是该法对多级荷载下的路堤沉降预测，特别是沉降一时间曲线上适用性较差。 1 2 5 3 真空联合堆载预压的沉降分析 在路基工程中用真空联合堆载预压法处理的路段均是稳定和沉降较难控制的路 7 段，一般说来软土层深厚、填高大的路段，其总沉降量也大，相对应的工后沉降则较 难控制。 李丽慧、王清等( 2 0 0 1 ) 等在三轴仪上对真空排水预压下土体变形特性进行了应 力路径分析1 4 引，测定软土地基在真空预压加固后应力路径的改变对沉降量的影响，该 文献认为土体在经过真空预压后再承受正压，其应力路径发生改变，土体产生较大的 后期沉降，该部分沉降量主要是由正压所产生的剪应力所引起的，且其值大于理论计 算的残余沉降量；因而在真空预压加固软土地基的最终沉降量计算中，应考虑到应力 路径的改变对最终沉降量的影响，即应把正压所产生的剪应力引起的剪切变形导致的 附加沉降量考虑在内，得出一个估算最终沉降量的简便公式，即对理论计算的最终沉 降量s 。乘上修正系数r l 。 赵维炳等( 2 0 0 3 ) 通过理论计算结合现场实测数据认为真空联合堆载预压处理软 土路基工后沉降比堆载预压要小，但存在最佳处理深度，深厚软基下卧层的工后沉降 在地基总的工后沉降中所占的比例很大，该比例随路堤高度增加而增大、随加固深度 增大而减小，因此，控制工后沉降的地基加固设计关键，是在已定的路堤高度下，合 理确定加固深度、预压期及超载高度【5 0 j 。 沈扬、梁晓东等针对重塑萧山粘土进行的真空预压室内模拟实验p ，印证了实现 真空固结是膜内外大气压差与土样内外大气压差两种作用的综合效应，通过对土体受 力的简化弹性分析，发现在目前真空预压工程中，真空预压大于等效荷载下的堆载预 压下所产生的工后沉降，这是在现场施工中应当注意的。此外，如能通过实测进一步 确定真空预压区侧壁的土压力系数，则将对真空预压沉降估计的数值模拟起很大帮 助。刘慧敏、黄腾( 2 0 0 6 ) 根据两个断面长期工后监测资料分析结果，淤泥厚度在竖 向排水体控制范围内的软土层，用真空预压的处理效果是理想的，工后沉降基本可以 控制在允许范围内i 记j 。对于深厚淤泥，竖向排水体悬在淤泥中，则下面的未处理区在 工后阶段将发生较大的沉降量，该区沉降是产生较大工后沉降的主要原因。 1 2 5 真空预压环境效应研究现状 真空预压的影响范围一般是指在水平方向的影响距离，是城市建设施工中必须要 考虑的问题，其主要包括侧向位移方向、影响程度和处理措施三个方面，其中对于真 空预压过程中，地基水平变形向着预压区收缩由现场实测位移数据已得到证实。 范顺顺等p 3 j 结合天津港四港池后方堆场软基加固工程，对真空预压的施工、监测 进行了研究，结果表明真空预压过程中，地基水平变形向着预压区收缩，真空荷载可 以一次抽到最大值而不会产生侧向挤出现象。于志强、朱耀庭、喻志发p 4j 根据若干工 程实测结果，提出了利用理论计算最大沉降量s 。估算加固影响区可能发生变形的经验 方法，指出加固区外2 0m 以内地基土水平位移约占总沉降量的1 0 一2 5 之间。 彭劫、刘汉龙、陈永辉等( 2 0 0 2 ) 5 5 j 根据浙江杭金衙高速公路娄下陈段的真空联 合堆载预压法的软基处理工程实践，报道了真空联合堆载预压法加固软基对周围环境 影响的实测情况，并进行了有限元分析。余湘娟、吴跃东、赵维炳( 2 0 0 2 ) 结合深圳 8 河真空预压, j j n 固软基工程实例，采用平面应变有限元分析真空预压法对加固区边界的 影响，计算中考虑了软土的流变特性和施工扰动对结构损伤的影响1 5 6 j 。 朱建才、陈兰云、龚晓南( 2 0 0 5 ) 【5 7 l 认为真空预压使影响区土体向加固区方向收 缩，在水平方向，地表的水平位移影响范围可达2 0m 。霍吉栋、朱平认为真空预压法 施工中周边有构筑物存在，应使加固区与构筑物保持足够的距离，对于周边有浅基础 的构筑物可采用挖隔离沟办法降低变形的影响，对于桩基础须考虑软土地基中桩的嵌 固点较深，上部抗水平力较弱的因素，并在判断土体位移影响后，根据桩基形式与加 固区保持适当距离。 1 3 目前仍存在的问题 总结前人对真空预压及真空联合堆载预压的研究成果，通过以上的分析，认为真 空联合堆载预压处理软土路基主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 在真空预压固结机理方面，仍存在许多的问题并没有一个明确统一的思想。 例如：抽真空过程中地下水位的变化和影响、负压荷载的传递与分布、加固影响区范 围( 包括加固深度与周边建筑物的影响) 等等。 ( 2 ) 砂井地基本身的复杂性加大了研究的难度，真空预压法及真空联合堆载预 压法的数值计算方法以及简化计算方法仍有待进一步研究。 ( 3 ) 在工后沉降控制与预测方面，对处理效果具有影响作用的一些控制指标， 在真空联合堆载预压规范中并没有统一的标准，如：加荷计划的设计、真空强度的设 计、真空预压有效时间的确定、真空停泵的标准等等的研究成果较少。 ( 4 ) 对于真空预压法处理软土地基时，对影响区采取防护措施的防护效果，及 具体防护措施的确定等方面的研究较少。 1 4 本文的主要工作 通过对上述关于真空预压及真空联合堆载预压研究成果的分析可以知道，该课题 涉及固结理论、砂井理论、土体本构模型等多方面问题，具有非常广泛的理论背景。 针对上节所提出的一些问题，本文进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 在理论上对真空预压的加固机理以及地下水位、加固深度等问题进一步研 究，结合高速公路真空联合堆载预压试验段工程，研究了真空联合堆载预压的加固效 果、地下水位、加固深度及其与堆载预压的区别与联系。 ( 2 ) 研究了将真空预压砂井地基转换为砂墙地基的等效方法，并应用平面应变 有限元进行了验证、计算。 ( 3 ) 运用有限元软件a b a q u s ，对真空联合堆载预压加固软基的加固过程进行了 研究：结合真空联合堆载预压工程实例，采用数值方法进行模拟，并提出路面施工时 间的建议。 ( 4 ) 研究了真空预压的环境效应，重点研究了挖应力释放沟和打设桩等安全措 施对预压影响区的防护效果。 9 第二章真空联合堆载预压法的加固机理和本构模型的研究 2 1 概述 真空预压法是在需要加固的软粘土地基中设置砂井或竖向排水带，然后在地面铺 设砂垫层，其上覆盖不透水的密封膜与大气隔绝，通过埋于砂垫层中带有滤水管的分 布管道，用射流泵进行抽真空，从而达到加固地基的目的。真空联合堆载预压则是在 真空预压的基础上，在软基上施加堆载荷载。 涉及加固机理的研究