（道路与铁道工程专业论文）岳阳城陵矶进港道路软土地基沉降特性和稳定性研究.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 地区建设高等级公路已有许多成功的经验和防治措施，但是，在河相和湖相的深 厚淤泥质软粘土地基上运用浅层综合处理措施修建较高路堤方面的研究还比较 少。由于本文所依托的工程具有淤泥质软土深厚、工程性质差、道路施工期短、 填筑加载快等特点，同时采用的处理措施主要是浅层综合处理，使得该研究具有 相当的代表性。本文主要工作包括地基变形施工期现场监测、现场监测数据分析、 沉降拟合曲线比较和稳定性数值分析；并基于这些工作总结了进港道路软基施工 期的变形特点和规律，为路堤填筑施工起到了指导作用。 针对本文的研究目的，选取了进港道路软土分布最为典型的k 2 + 8 5 0 断面最 为研究对象，埋设了静力水准仪、沉降板、孔隙水压计、水泥边桩、测斜管，对 路堤填筑过程中的地面沉降、超孔隙水压、坡脚地面的侧向位移和隆起量以及地 基地层的侧向位移进行了监测。 本文采用指数法、双曲线法、泊松法三种曲线拟合方法对沉降实测数据进行 拟合，获得了三种拟合的地基固结沉降曲线，经对比分析，得出：软土地基曲线 拟合的效果，主要取决于路堤填土加载过程及实际沉降观测曲线的形状特征，经 过拟合分析发现，用指数函数法进行整体拟合的结果与观测曲线最接近，其次为 指数法，而泊松法拟合的结果较差。 采用有限元分析评价公路软土地基在分级加载情况下的稳定性，根据室内软 土抗剪强度指标的试验结果及压缩试验结果，竖向位移和水平位移的计算结果与 实测结果均比较接近；同时由模拟计算的结果可以看出，反压护道和松木桩在限 制路堤左侧坡脚地层的水平侧向和保持路堤的稳定性方面发挥了积极作用。计算 结果和实测数据的对比说明，本文所提出的用有限元法评价软粘土地基在路堤填 土分级加载作用下稳定性的方法是合理的。 关键词：淤泥质软基；变形监测；固结沉降；分级加载：曲线拟合；有限元 a b s t r a c t 1 1 l em a i np r o b l e m sf o ra l le n g i n e e rt ob u i l dh i g h - g r a d eh i g h w a y so ns o f ts o i l f o u n d a t i o n sa r ec o n c e r n e dw i t ht h es e t t l e m e n ta n ds t a b i l i t yo ft h es o f ts o i lf o u n d a t i o n s s o f ts o i lw i l lh a v ed i f f e r e n te n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sb e c a u s eo ft h e i rd i f f e r e n t f o r m a t i o n i nt h es o f ts o i la r e aa l o n gt h es e ao ft h es o u t hc h i n a , t h e r ea r em a n y s u c c e s s f u le x a m p l e sa n dg o o dt r e a t m e n tm e a s u r e sd e a l i n gw i t ht h ec o n s t r u c t i o no f h i g h g r a d eh i g h w a y s h o w e v e r t h e r ea r eaf e wr e p o r t so nt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h e m b a n k m e n to ns i l ts o f tf o u n d a t i o ni nt h ef i v e ra n dl a k ea r e a si u s tb ym a k i n gu s eo f t h es y n t h e t i ct r e a t m e n tf o rt h es h a l l o ws o f tc l a yf o u n d a t i o n t h ep a p e ri sb a s e do na p r a c t i c a lp r o j e c tw h i c hh a ss o m es p e c i a lf e a t u r e ss u c ha sd e e pm u df o u n d a t i o n b a d e n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c eo fs o i l ，s h o r tc o n s t r u c t i o nt i m e ，f a s tl o a d i n gf o rf i l l i n g ， g e n e r a ls h a l l o wt r e a t m e n tm e a s u r e s ，a l lo fw h i c hm a k e st h ep a p e rm o r er e p r e s e n t a t i v e t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri n c l u d e sm o n i t o r i n gg r o u n dd e f o r m a t i o ni nt h ep e r i o do f c o n s t r u c t i o n ，o n s i t em o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i s ，c u r v el i n ef i t t i n go fs e t t l e m e n ta n d n u m e r i c a la n a l y s i so ft h es t a b i l i t y i ta l s os u m m a r i e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e g u l a r s o ft h ed e f o r m a t i o nf o rr o a d si nj i ng a n g b a s e dc o n s t r u c t i o np r o j e c ta n dh a sp l a y e da g u i d i n gr o l ef o rt h ef u t u r eu s e f o rt h ep u r p o s eo ft h er e s e a r c h 。w es e l e c tk 2 + 8 5 0c r o s s s e c t i o na st h er e s e a r c h o b j e c t w eb u r r y as t a t i cl e v e l i n gm e t e r , as e t t l e m e n tp l a t e s ，ap o r ep r e s s u r em e t e r , t h e c e m e n ts i d ep i l e sa n dc h i l o d o n e l l at om e a s u r et h ep r o c e s so fs e t t l e m e n t , e x c e s sp o r e w a t e rp r e s s u r e ，t h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to ft h eg r o u n ds l o p ea n du p l i f t ，a sw e l la st h e l a t e r a ld i s p l a c e m e n to ft h ee m b a n k m e n t w ea l s ou s et h r e em e t h o d s ，i e m e t h o do fi n d e x m e t h o do fh y p e r b o l i ca n d m e t h o do fp o i s s o nt of i tt h es e t t l e m e n td a t ao b t a i n e df r o mt h em e a s u r e m e n ta n d p r e s e n tt h r e ef i t t i n gc u r v e so fc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n to ft h ef o u n d a t i o n b yc o n t r a s t a n a l y s i s w ef i n dt h a tt h ef i t n e s se f f e c t so fc u r v e sd e p e n dl a r g e l yo nt h el o a d i n g p r o c e s sf o rf i l l i n ge m b a n k m e n ta n dt h es h a p ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a ls e t t l e m e n t c u r v e a f t e rf i t t i n ga n a l y s i s ，w ea l s o f i n dt h a tt h ef i t t i n gc u r v ef r o mm e t h o do f e x p o n e n t i a lf u n c t i o ni si nag o o da g r e e m e n tg l o b a l l yw i t ht h eo b s e r v i n gr e s u l t s l e s s g o o dr e s u l ti st h em e t h o do fi n d e x ，a n dt h a to fp o i s s o n w ea l s oa d o p tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo ft h eh i g h w a y u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fg r a d a t i o nl o a d i n g a c c o r d i n gt oi n d o o re x p e r i m e n tr e s u l t s a b o u tt h es h e a rs t r e n g t ho fs o f ts o i lt e na n dc o m p r e s s i o nt e s t , w ec o m p a r eb o t ht h e v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t sw i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，a n dt h er e s u l t sa r e s a t i s f a c t o r y a tt h es a m et i m e ，i tc a nb es e e nf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h e a n t i p r e s s u r el a n d s l i d ep r e v e n t i o na n dp i n ew o o dp i l e sh a v ep l a y e da na c t i v er u l ei n l i m i t i n gt h el e v e lo ft h ef i g h tl a t e r a lf o o tf o r m a t i o na n dm a i n t a i n i n gt h es t a b i l i t yo f e m b a n k m e n t t h ec o m p a r i s o no ft h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t ht h em e a s u r e dd a t as h o w s m a tt h em e t h o da d o p t e di nt h ep a p e rw i t ht h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h e e v a l u a t i o no fs o f tc l a yf o u n d a t i o nf i l le m b a n k m e n ts t a b i l i t yu n d e rt h eg r a d a t i o n l o a d i n gi sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：s i l ts o f tf o u n d a t i o n ；d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ；c o n s o l i d a t i o n s e t t l e m e n t ；g r a d a t i o nl o a d i n g ；c u r v ef i t t i n g ；f i n i t ee l e m e n t 学位论文原创性声明与版权使用授权书 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。 名：鼍蛊状 日期：莎刁年岁月彳日 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：唧年j 月“e t 日期裔彳年岁月日 第一章绪论 1 1 淤泥质软土特点及工程问题 1 1 1 淤泥质软土的特点 淤泥质软土称为软( 粘) i t l , 2 , 3 1 ，软粘土是在静水或非常缓慢的流水环境中沉 积，经生物化学作用形成，天然含水量大于液限、天然孔隙比大于1 0 的粘性土。 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。在我国东南沿海、内陆平原地区，软土广泛分布，内陆湖泊河流冲积平原地 区亦分布较广。 天然软土具有下列特征1 4 , 5 1 ： ( 1 ) 含水量高：淤泥和淤泥质土的含水量多为5 0 一7 0 ，液限一般为 4 0 。6 0 ，天然含水量随液限的增大而增加。 ( 2 ) 孔隙比大：天然软土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙比 高出o 2 o 4 。 ( 3 ) 渗透性小：其渗透系数值一般在l 1 0 4 。lxl o 。8 c m s 之间。而大部分泥 质土，由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉砂、细砂、粉土等，故在垂 直方向的渗透性比水平方向要小。 ( 4 ) 压缩性高：淤泥和淤泥质土的压缩系数a 1 2 一般为0 7 。1 5 m p a ，最大达 4 5 m p a ，且随着土的液限增大，压缩性增大。 ( 5 ) 具有结构性：即其力学特性与应力水平有密切关系，应力水平较低时压 缩性较低，应力水平较高时结构性受到破坏，压缩性较高；结构性是不可逆转的， 一旦破坏很难恢复，从而加大了土的压缩量；具有结构性的土应力一应变关系具 有一定的剪胀性；在此类基础上进行工程施工，一旦施工过程不当，很容易造成 工程质量问题，甚至工程事故【6 】。 软土在我国分布广泛( 如图1 1 ) j 给公路工程建设带来较大的影响，成为公 路工程建设质量控制中需妥善处理的关键问题之一。根据成因，软土可以分为滨 海沉积、湖泊沉积、河滩沉积、谷地沉积和沼泽性湿地沉积五大类。成因不同， 工程性质亦存在一定的差异，力学性质往往有很大的不同。湖南省地处南方，属 于亚热带季风气候区，全年降雨量丰富，河流、湖泊、池塘、水稻耕地等地形地 貌分布广，分布较为广泛的淤积软土，大面积的软土主要分布在湘江、洞庭湖等 冲积平原地区。特别是湖南省洞庭湖沿岸地区是由长江、湘江冲积以及历史上洞 庭湖沿岸人为围湖造田形成的低洼平原，地表排水不畅，地表层第四纪沉积的粘 土透水性较差，表层土质普遍有明显的草根层，呈海绵状，孔隙度大，保持水分 能力强。软土以淤泥质低液限粘土为主。 图1 1 我国软土分布圈 11 2 软基工程问题 软土是一种特殊性土，由其物理性质决定了软土具有压缩性大、渗透性低、 固结变形时间氏、承载力低、稳定性差等特点。在软基上修筑公路，沉降和稳定 性问题显得尤为突出，因此，国内外许多专家学者对软土问题的研究都给予高度 重视，并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 随着基础设施建设的发展，在软土地区兴建公路、堤坝、机场、码头等工程项目 将会日益增多，同时对于工程的质量控制和服务标准的要求也在不断提高，困此 研究如何保持软基在路堤填筑过程中的稳定性和控制路基工后沉降具有重要的 学术价值和社会经济效益【7 - 1 6 1 。 上世纪8 0 年代以来，我国确定将交通、能源产业置于国民经济建设优先发 展地位，从而为我国的公路交通的发展打开了一个崭新的局面mj 。现代公路要 求达到“安全、高效、舒适”的服务目的 18 1 。如果路基不均匀沉降或工后沉降 过大导致路面平整度差，将影响行车的舒适性和车速的提高，而且路面低凹处或 桥头跳车产生的冲击力，会使路面不平整进一步加剧，必将缩短路面结构的服务 寿命。有些公路在建成后不久，就因路堤工后沉降过大而导致路面开裂等，甚至 经过多次返修也未能彻底整治，造成很大的人力物力浪费( 如图l2 、1 3 ) 。因 此，解决软基在加载后的变形发展问题，是公路建设工程提出的新要求。 图1 - 2 地基差异沉降引起水泥面板断板图13 地基差异沉降导致路面平整度极差 另一方面软土地基稳定性差，在路堤分级加载过程中，可能由于软基的强度 增长速度跟不上路堤填土的加载速度而导致地基失稳破坏，而导致工程事故，由 于加载过快而导致的软基失稳的工程事例屡见不鲜，给工程建设造成了极大的浪 费( 如图1 4 ) 。 图14 软基加载过快导致路堤垮塌 软土地基的沉降变形和稳定性，一直是软土地基处理技术考虑的两个重要方 面，我国公路建设，尤其是沿海软土分布地区的建设中，在这些方面开展了大量 的科研工作，获得了一系列重要的成果，积累了丰富的工程经验，但是未见有湖 区、水网地区具有普遍使用价值的成熟的系列成果。岳阳洞庭湖地区软土的成因、 分布特征和工程性质与沿海的软土有一定的差异，该地区软土地基固结沉降与稳 定性研究的成果还很少，能否直接引用沿海地区软土地基的工程治理措施、借助 沿海地区软土的工程性质评价所采取的工程治理措施的效果等，还有待进一步地 研究、论证。 1 2 软土固结理论与稳定性研究现状 1 2 1 土的固结理论研究现状及其局限性 地基土的沉降及稳定性的发展过程，均与时丑j 有关。由有效应力原理可知， 土体在外荷载作用下，土中超孔隙水压力消散，有效应力增加，土体将被不断压 缩，直至达到稳定，这一过程称为固结【1 “。随着土体的固结，有效应力的增加， 土体的强度逐渐增加。土的固结是土力学中的重要研究内容之一。 1 国外研究状况：近代土力学起源于1 9 2 5 年t e r z a g h i 提出土的太沙基一维 固结理论。该理论是以一定的假设条件为基础的，如土的渗透性为常量等。由于 太沙基一维固结理论过于模型化和理想化，与复杂的工程实际情况存在比较大的 差别，因此用一维理论算出的固结时间速率往往与实际观测结果并不_ 致。后来 的学者对t e r z a g h i 理论进行了改进，将一维太沙基固结理论发展到三维固结理论 ( r e n d u l i c ，1 9 3 6 ) ，但是仍然没有考虑骨架与孔隙水运动之间的相互作用，最后 得到的固结方程只台孔隙压力一个变量，实际上与太沙基一维固结理论没有本质 区别。1 9 4 1 年比奥( b i o t ) 从较为真实的固结发展机理出发推导了能准确反映孔隙 水压力消散与土骨架变形相互作用的三维固结方程，常称为真三维固结理论，而 太沙基一伦杜立克三维方程称为准三维固结理论。真三维固结理论考虑了土体骨 架变形和孔隙水渗流的相互作用，它直接从弹性理论出发，满足土体的平衡条件、 弹性应力一应变关系和变形协调条件，此外还考虑了水流连续条件。在实际应用 时，目前应用比较多的只是近似的b l o t 线弹性固结方程，其数学求解较为困难， 经过b i o t 本人及后来其他学者的研究，给出了几种简单情况下的解析解。b i o t 曾求得条形荷载下地基固结问题的解析解，m a n d e l 首先求解了简化b i o t 线弹性 固结方程【2 。m c n a m e e 和g i b s o n 等求解了集中力作用下简化b i o t 平面或轴对称 固结方程。b o o k e r 等分析了横观各向同性半空间表面作用均布和集中荷载时的 简化b i o t 固结方程【2 。j i a n g u ow 和s h i s h e n gf 在状态空间下求解了多层地基的 b i o t 固结问题 2 2 1 。 2 国内研究状况：国内许多岩土力学专家应用简化b i o t 线弹性固结方程对建 筑物沉降的时间效应进行了探讨。顾尧章和金波分析了多层轴对称半空间的简化 b i o t 固结方程。胡亚元等 2 3 1 研究了多层平面半空间的简化b i o t 固结方程。陈光 敬等分析了横观各向同性半空间的简化b i o t 固结方程【“1 。上述分析都是针对特 定荷载作用下具体工程问题的b i o t 线弹性固结方程解。始终缺乏普遍有效的一 般解，原因是固结方程的人工解答过于复杂。直到6 0 年代末7 0 年代初这个问题 才得到解决，电子计算机的发展以及有限元法的应用为普遍应用b i o t 固结方程 成为了现实1 2 引。现在不少学者基于b i o t 固结理论并结合粘塑性模型，解决软土 的蠕变性【2 6 】 2 7 11 2 8 】。随着土体本构关系的研究及有限元法的广泛应用，目前对地 基固结沉降过程的计算大多数是采用数值分析，将土体非线性弹性、弹塑性本构 关系引入b i o t 固结理论有限元程序，把地基土的物理力学参数带入来进行计算【2 9 】 【3 0 】 o 软土地基的沉降分为瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降，其中主固结沉降 占主要地位。地基土的固结沉降计算一般先计算最终沉降量，然后利用固结方程， 计算不同时间的沉降量。最终沉降s c 的计算常用分层总和法【3 ，将压缩层范围 内的地基土层分成若干层，分层计算土体竖向压缩，然后求和得到总竖向压缩量， 即总沉降量。有些方法还对求和值进行修正。有单向压缩法、考虑先期固结压力 沉降法【32 1 、规范法【33 1 、浙大经验公式、黄文熙三维压缩法等都属于分层总和法。 有限单元法计算地基在荷载作用下的变形在工程上的应用日益广泛，且发展 较快。在有限元计算中，可以结合地基土的变形特征选用各种本构模型，可以比 较方便地处理几何形状不规则的地基，复杂的边界条件，以及土的非均质性和各 向异性，也可考虑地基中初始应力场以及上部结构刚度对地基变形的影响。采用 有限单元法计算地基变形的精度，很大程度取决于所选用的地基土体本构模型的 合理性以及模型参数选用的正确性。为了得到地基总沉降，则需要采用建立在排 水条件下的本构模型，以及排水条件模型参数。在总沉降分析中最好采用有效应 力分析，如采用b i o t 固结理论有限单元法分析。 另外，应用比较多的是利用监测数据建立的数学模型( 如双曲线、龚帕斯曲 线、指数曲线、神经网络等) 对最终沉降量进行预测【3 4 】，可以避免计算参数取 值不当对计算结果的影响，是一种半理论半经验的方法。 4 上述固结理论均是在一定的假设基础上推导出来的，软土的固结系数直接影 响到计算结果，在以往的计算中，常常把固结系数取为定值，其计算结果往往与 实际结果产生较大的偏差。在路堤填土分级加载的过程中，计算软土地基固结沉 降如何利用试验结果选取可变的计算参数还有待进一步研究。 1 2 2 软土地基稳定性研究现状 1 软土地基上填筑路堤控制填土速率的意义 施加荷载( 填土) 后软土地基由于排水固结的原因，地基的抗剪强度就随着时 间而增长，同时地基应力随着荷载( 填土) 的增加而增大。一个是与固结的时间 发展有关，一个是与填土高度有关。如果地基应力增大的速率快，排水固结增加 的抗剪强度慢时，一旦地基应力大于抗剪强度时，就会发生地基破坏。在软土地 基上进行公路的路堤填筑时，路堤将由于固结和剪切变形而产生很大的沉降，甚 至由于强度不足而产生地基土破坏的例子屡见不鲜。如果能够控制填土的速率使 得作用在地基上的荷载小于地基的破坏荷载，给予地基土充分的固结和超孔隙水 压力消散的时间，抗剪强度则会得到相应的提高，也就是利用前期荷载使地基固 结，从而提高软土的抗剪强度，即提高地基的承载力，以适应下一期荷载的施加。 当采用较快的施工速度时，地基就会发生稳定性破坏，因而路堤就不容易填 筑成功。采用分期加载的方法填筑路堤，就是为了防止路堤在填筑过程中因地基 承载力不足而发生稳定性破坏，将填土分期施工，待地基因前期荷载的施加而产 生的固结( 使地基的抗剪强度提高) 达到一定程度，在施加下一级荷载，直至填 筑到设计高度。 软土地基分级加载强度增长机理可以用三轴试验中的应力路径的概念加以 说明：如图1 5 所示，图中斜线为抗剪强度线： 图1 5 分级加载应力路径示意图 设土样在天然条件下的固结应力如图1 5 中l o 点，若荷载一次施加到位， 在荷载施加的瞬间，土样来不及排水，因而地基上增加的重量将全部由孔隙水承 担，导致孔隙水压力急剧增加，从图上可以看出，其应力路径沿厶厶。发展至a 点破坏，其相应的抗剪强度为f 。 假如采用分期施工的方法，每级荷载施加瞬间产生的孔隙水压力，因有一 定的排水固结时间而不断消散，从而使得有效应力仃增加。随着各级荷载的施加， 有效应力盯也不断增加。有效应力将沿图中厶厶，厶厶，厶厶。和厶厶至厶点最 后到达厶点的路径增长。若最后一级荷载施加后发生稳定性破坏，则应力路径 5 沿厶厶至b 点，相应的破坏的抗剪强度为气。由此可以清楚地看出，分级加载 使土体的抗剪强度增加了a r = 一f 。 在软土地基上修建路堤，主要任务是如何合理地控制路堤填筑速率，使加载 速率与地基强度的增长速度相适应，保证地基的稳定性。软土路堤的施工过程中 应编制合理的施工组织设计，严格控制填土施工速度。在大量的工程实践中，常 常发生因填筑速率过快而导致的地基破坏，路堤坍塌的工程质量事故【3 5 】【3 州。 2 控制填筑速率的方法： 目前国内外常用的控制填筑速率、判断地基稳定性的方法有以下几种： 孔隙水压力观测法：利用孔隙水压力计可监测地基不同深度不同时间的孔隙 水压力的变化发展情况。根据测点孔隙水压力时程曲线，可以反算地基土的固结 系数，推算不同时刻的固结度，从而推算强度增长，可估计下一级荷载的施加大 小和时间，同时孔隙水压力和荷载的关系曲线可用于判断该点是否达到屈服状 态。孔隙水压力观测法的优点是：能够提前预示地基固结过程中的极限填筑高度， 引起施工重视，正确指导施工，可靠度亦较高。其缺点是：成本较高，仪器的埋 设要求较高；同时，孔隙水压力会随着时间的增长而逐渐消散，一旦间隔时间较 长，从曲线得出的结果可能不一致，施工中应加以注意。 深层观测法：主要采用分层沉降仪或测斜管进行深层沉降和侧向位移观测， 目前使用测斜管进行的深层观测较为普遍。其主要方法是：在坡脚埋设测斜管， 通过观测路堤中部沉降量s 和坡脚侧向位移丽，绘制赫一日曲线，找出丽位移 较大的深度点，用这一点的观测值与路堤中部沉降量s 绘制关系曲线，根据两一 s 曲线的变化来分析地基的稳定情况。如图1 6 ，国一s 曲线与s 轴有一夹角9 ， 当安全时，测点在e 直线上移动，而一旦接近破坏，踊比s 增加显著，当踊s 值 急剧增加时，意味着地基接近破坏。这种观测方法，可以使用在各种不同层厚的 软土地基中，能够测定坡脚不同深度的侧向位移情况和竖直位移情况。从而为了 解深层土层变位情况提供依据，准确地判定地基稳定情况【37 1 。其缺点是不能单 独做出判定，还需要借助于路堤中部地基沉降观测资料。 图1 6 6h s 曲线示意图 边桩位移速率观测法：路堤填筑过程中，一般在距路堤坡脚2 m 、1 0 m 左右 的位置设置观测边桩，通过观测边桩的水平、垂直位移变化速率来判定地基的稳 6 定情况，这种方法又被称为坡脚地面位移观测法，也是现行的公路、铁路等施工 中常用的观测方法。观测边桩一般采用水泥浇注成1 5 m 长，上头加钢筋头，打 入地面埋设，然后观测边桩的水平与垂直位移情况，以每日的位移量( 公路规范、 铁路规范以及地方标准等各不相同) 作为地基临界破坏的依据。 以上是目前国内外运用得比较成熟的方法，国内尤以第二、三种方法应用得 最多，因为边桩位移速率观测法简便易行，观测数据又比较直观。多年的工程实 践证明，边桩位移对软土地基加载下的变形反应十分敏感，根据土的侧向位移数 值及其发展趋势，判断地基的稳定性，决定安全的填土速率不仅准确可靠，而且 观测方便、易于控制、设备简单、成本较少，尤其适合于路线较长、软土分布广 泛的大区段路堤观测。在实际运用时，常以地面沉降观测速率的数据和边桩位移 数据相互佐证，以判断地基的稳定性3 8 l 【3 9 儿4 0 1 。 3 填筑速率的极限值 在实际工程中，为了加快资金周转，提高经济效益需要加快路堤的填筑速率， 以缩短工期，这是任何一个投资运营商都不懈追求的目标。但是如果填筑速率太 快，将使地基孔隙水压力增长迅速，从而导致孔隙水压力来不及消散，地基有效 应力得不到很快提高，致使地基失稳破坏。 一般认为，在填土低于极限高度( 即地基未经任何加固处理，用快速施工方 法填筑，所能填筑的最大高度) 时，在保证碾压施工质量的前提下，填筑速率可 以不受限制，一旦超过极限高度，必须规定边桩位移及沉降速率限值，防止地基 因失稳而破坏，但是由于地域性和行业性的差别，其限值有很大的不同，笔者根 据有关资料收集了如下几组数据： ( 1 ) 我国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 ) 4 1 】规定的 控制标准为：路堤中心线地面沉降速率不大于1 0 m m d a y ；坡脚水平位移速率不 大于5 m m d a y ；规定稳定性判断要结合沉降与侧向位移发展趋势进行综合分析： 填筑速率，应以水平位移速率控制为主，如超过限值应立即停止填筑。 ( 2 ) 京津塘高速公路的研究报告中【4 引，根据现场填筑试验提出了如下稳 定控制标准：路堤中心日沉降小于2 0 m m d a y ，同时坡脚( 或反压护道坡脚) 的 日位移量小于1 0 m m d a y 。 ( 3 ) 铁路地基规范【4 3 】中规定：边桩的水平位移速率小于2 0 m m d a y ，竖向 沉降速率小于1 5 m m d a y ：对路堤中心地面沉降未作规定。 ( 4 ) 连云港地区试堤总结中则规定：边桩的水平位移速率小于2 0 m m d a y ， 竖向沉降速率小于1 0 m m d a y ；路堤中心地面沉降速率小于3 0 m m d a y 。 ( 5 ) 铁道部第四勘测设计院白日升 4 3 1 提出：天然地基路堤边桩位移速率，水 平位移小于2 0 m m d a y ，垂直位移小于1 0 m m d a y ( 强度极低的软土) 或1 5 m m d a y ( 强度较低的软土) ；中心地面沉降速率不超过1 0 m m d a y 为宜。 7 ( 6 ) 地基处理中叶书麟规定：边桩的水平位移速率小于3 。1 5 m m d a y ；路 堤中心地面沉降速率小于l o m m d a y 。 ( 7 ) 陈思德、张胜【4 4 】等人在芜湖至宣州高速公路软土地基的路堤稳定控制研 究中提出的侧向位移控制标准：粉喷桩处理的地基为l m m d a y ，其他方法处理的 地基为2 m m d a y ；沉降速率控制标准为：粉喷桩处理的地基为小于l o m m d a y ， 其他方法处理的地基为1 0 2 0 m m d a y 。 由于地区性的差别和行业性的不同，造成了上述控制标准的差别。但是，都 有一个共同的缺陷：就是忽略地质情况、地基处理方法的不同也不加以区分、固 结沉降的大小等实际情况亦未考虑周全，对于同一标准只给出一个唯一的限值， 这在很大程度上容易存在盲目性，甚至有可能是不合理的。从上面的不同标准和 不同工程试验段的限值非惟一性也可以证明这一点。用一个固定的限值，以不变 应万变地来限定不同软土条件和加固条件的预压沉降速率，显然是不够科学的 【4 5 1 。 1 3 研究的背景及意义 淤泥质软土具有含水量大、压缩性高、强度低、透水性差等特点。在淤泥质 软土地基上直接修筑路堤时，一方面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，同时固结沉降持续的时间很长，会产生很大的工后沉降量，日后 有可能会影响到公路的建设质量。另一方面在淤泥质软基上修筑公路时，当加载 速度较快时，土体来不及固结，抗剪强度增加不及时，会造成施工期间软土地基 失稳。故在淤泥质软土软基上修筑路堤时，地基的沉降与稳定性是两个突出的问 题。一般来讲，在软基上修筑公路前通常根据工程的要求，需对软基进行相应的 技术处理。 1 3 1 进港道路工程地质特点 湖南省岳阳市洞庭湖地区是著名的“鱼米之乡 ，水网密布，特别是洞庭湖 沿岸地区是我国重要的商品粮生产基地，土质多为历史上“围湖造田 沉积形成、 的湖相沉积饱和淤泥质软土和低液限粘土( 亚粘土) ，呈流塑、软塑、硬塑一可 塑状态，厚度达8 1 7 m 以上，该土层结构疏松含有机质，物理力学性质差，承 载力低( 如图1 7 ) 。 围17 淤泥质软土土层厦土质 1 3 2 进港道路路基施工特点 岳阳市城陵矶( 松阳湖) 进港道路是城陵矶港区一期工程的重要配套工程， 路线全长44 4 2 k m 为了适应城陵矶新港的开港要求，进港道路的施工工期相当 紧张，使得该建设项目具有工期短、路堤快速填筑的特点，因此该依托工程对于 研究淤泥质软土地基在快速分级加载情况下的变形特点具有一定的代表性。 l3 3 进港道路软基处理特点 由于受技术和资金问题的影响，过去岳阳市洞庭湖地区的公路建设比较多的 采用抛石挤撒的方法对软基进行处理，再在上面填筑路基，路基填筑完之后修筑 过渡路面，让地基经过长时间的固结沉降和稳定之后再修筑正式路面，这种方法 技术难度低，节省了大量的建设资金，从岳阳地区己建的公路使用情况来看，还 是取得了一定的效果，缺点就是路堤的填筑时间漫长，因为在路堤填筑过程中必 须给予地基充分的固结时间使地基强度增强以适应分级加载的要求。 进港道路沿线地质条件较为复杂，路线的k 2 + 7 5 0 。k 4 + 4 4 2 段，主要由淤泥 质粘土和亚粘土组成，平均厚度为8 1 7 m ，工程性质较差。为保证路堤的整体 稳定和减少工后沉降量，工程项目建设指挥部从工期、经济、技术等方面考虑决 定采用抛石挤淤、打设松木桩、设置反压护道、铺设土工格栅等综合措施对软土 问题进行治理，并在现场埋设监测设备，进行长期监测，以便指导施工，保证较 土地基在旅工期的稳定性，并利用监测数据评价软土地基的处理效果，推测软土 地基的工后沉降。该文依据该工程，开展了相关方面的研究，为项目提供方案指 导，论文依据项目监测数据和室内试验的结果，提出了综台采用抛石挤淤、设置 反压护道、铺设土工格栅等浅层地基处理方法来处理深厚淤泥质软土地基，以及 如何保持在修筑较高路堤的条件下软土地基的稳定性，为今后该地区公路软土地 基地段的处理提供技术参考。 1 3 4 该文的研究目的和意义 该文要达到的研究目的是通过对洞庭湖湖区软土的工程性质进行详细了解 的情况下，在对软基进行处理后，通过埋设监测仪器对沉降和稳定性进行监测的 情况下，总结出软土地基分级加载的沉降规律，同时将本规律用于指导路堤填筑 施工，避免在施工过程中发生软基失稳事故和减小工后沉降。 洞庭湖区地域辽阔，环洞庭湖地区也是经济比较发达的地区，近年来经济的 发展对公路交通提出了更高的要求，而洞庭湖区又是软土的广泛分布地区，软土 的工后沉降和稳定性问题严重的影响了该地区的公路建设质量，通过该文对该地 区软土工后沉降和稳定性规律进行研究，总结该地区软基的沉降和稳定性规律是 有一定价值和意义的。 1 4 该文主要研究内容、章节安排及技术路线 1 4 1 主要研究内容 该文以岳阳市进港道路b 标段k 2 + 8 5 0 断面淤积的软土地基为研究对象。在 该监测断面，安装静力水准仪、孔隙水压力计、观测边桩、测斜管等多种观测仪 器，进行了路堤填土施工期的连续观测。在获得大量现场监测数据的基础上，该 文对监测数据进行详细的分析。在现场监测数据和室内试验的基础上，该文的主 要研究内容包括： ( 1 ) 通过试验段的工程地质勘查，采集土样，进行原位测试，根据场地的工 程地质条件和路堤填高，提出合适的固结沉降与稳定性分析的现场观测方案、观 测的试验项目及观测设备的埋设方法。 ( 2 ) 现场监测结果整理与分析。利用沉降监测数据分析路堤填土分级加载过 程软土地基固结沉降量；结合侧向位移监测数据评价软土地基在路堤填土加载过 程中的稳定性；利用孔隙水压力监测数据评价软土地基固结程度。最后，利用监 测数据分析软土地基在路堤填土分级加载作用下的稳定性，控制施工加载速率， 指导施工，保证软土地基的稳定性，检验软土地基处理的工程效果。 ( 3 ) 采用指数曲线法、对数曲线法、泊松曲线法对现场沉降观测曲线进行拟 合，提出适合于该地区软土地基的固结沉降过程拟合曲线，推测软土地基在路堤 填土荷载作用下的最终沉降量和工后沉降量。 ( 4 ) 利用室内直剪试验和压缩试验的结果，选取计算参数，利用m i d a s g t s 有限元计算软件对分级加载条件下的沉降和稳定性进行预报，并与实测数据进行 对比，验证所提出的分级加载条件下软土地基稳定性有限元数值分析方法合理 性。 1 0 1 4 2 章节安排 第一章综述公路建设中软土地基问题、软土地基处理和评价方法的发展和应 用，阐述、分析软土固结理论与软土地基稳定性研究的现状及局限性，说明该文 研究进港道路软土地基固结沉降与稳定性的目的和意义。介绍论文立题背景、主 要研究内容、章节安排及研究的技术路线。 第二章介绍试验段软土地基的治理措施。提出合适的软土地基现场监测试验 方案，展示试验断面的监测结果，包括地表沉降、孔隙水压力、地表隆起和水平 位移。利用监测数据分析进港道路软土地基在路堤填土分级加载作用下的稳定 性，以控制施工加载速率，指导施工，检验淤泥质软土地基综合处理的工程效果。 第三章根据实测沉降曲线的形态特征，采用若干拟合方法，提出合适的软土 地基的固结沉降曲线，推测软土地基在路堤填土荷载作用下的最终沉降量。对比 计算结果与实测结果，验证该文所提出的计算方法的可行性。 第四章阐述路堤一软土地基体系有限元分析原理，建立评价路堤填土分级加 载作用下软土地基稳定性的几何模型和力学模型。利用路堤填土分级加载条件下 软土地基稳定性的有限元分析方法，重点提出利用室内直剪试验和压缩试验的结 果，验证所提出的分级加载条件下软土地基变形和稳定性有限元数值分析方法的 合理性。 第五章为该文总结，并提出了一些需要继续深入研究的问题。 1 4 3 研究的技术路线 详见图1 8 1 5 本章小结 本章论述了岳阳市洞庭湖区广泛分布的淤泥质软土地基的沉降与稳定性是 该地区公路工程的建设中的一个重要的工程地质问题，在详细地总结软土地基固 结理论及稳定性研究的现状和局限性的基础上，阐述了该文研究的必要性和重要 性。详细说明了该文的立题背景、主要的研究内容、各章节安排和研究的技术路 线。 技术路线 上 上上 l 进港道路软土室内试验进港道路软土地基现场监测 上上 上上上上 i 压缩试验 直剪试验 通过监测 利用沉降 ll 数据分观测数 析，控制 据，提出 评价软土通过直剪 施工加载 适台于进 压缩固结 试验总结 过程、指 港道路软 特性及压软土抗剪导施工、 土地基沉 缩指标的强度及强保证经治 降过程的 变化规律度指标，为 理后的软 为分级加数值分析 土地基的 拟合曲 载沉降过提供参数。 稳定性。 线。 程理论提 评价地基 供计算参 处理效 果。 数。 l 1r1r 1r 采用分级选取计算推测软土地基在 加载固结参数：e 、填土作用下的最 度理论计 c 、缈。终沉降量，确定 算软土地 每级填土荷载相 基固结沉对于最大填土荷 降过程，并 载所达到的固结 与监测结 上 果对比分 析，验证计 利用计算参数，有限元分析软土地基 算方法的 在路堤分级加载作用下的软土地基 合理性。 稳定性，利于监测结果验证。 i 上 结论 图1 8 该文研究技术路线图 1