（岩土工程专业论文）利用瞬态瑞雷波测试软基固结度的研究.pdf

摘要 摘要 瞬态瑞雷波技术是近年来兴起的一种分辨率高、应用范围广、受场地影响小、 检测设备简单、检测速度快的无损检测技术。它利用瑞雷波在分层介质中传播时， 频散特性和传播速度与介质物理力学性质的密切相关性，实现对物体内部进行测 试的目的。本文通过现场瑞雷波测试，结合室内共振柱试验，以及原位孔隙水压 力监测，对利用瑞雷波技术测试软基固结度进行了系统的研究。论文的主要内容 如下： l 针对软基的固结度问题，提出了不同预压荷载条件下软基固结度的计算方 法；基于排水固结原理，分析了超载量与软基完成固结度的关系：给出了软基预 压荷载的卸载控制标准。 2 通过对瑞雷波传播特征、数据采集、速度求取等方面和利用瞬态瑞雷波技 术测试软基固结度的具体特点的研究，提出了一种现场测试方法和相应的测试理 论。 3 根据室内共振柱试验结果建立了剪切波速与土体固结度的相关关系式，并 将试验成果应用于现场求取软基固结度的测试。通过与原位孔隙水压力监测固结 度比较，论证了利用瞬态瑞雷波技术快速检测软基固结度的可行性。为了便于实 际应用，用f o r t r a n 语言编写了相关物理参数的计算程序。 4 利用瞬态瑞雷波测试得到的固结度和原位孔隙水压力监测的成果，对某高 等级公路试验段软基的处理效果进行综合评价，就提前卸载可能产生的质量隐患 进行了分析，并提出了相应的处理建议。 关键词：瑞雷波；固结度；软基；频散曲线；瑞雷波速度；剪切波速度 a b s t r a c t n l ct r a n s i e n tv i b r a t i o nr a y l e i g l lw a v et e c h n i q u ei san e wt e e h n i q u ed e v e l o p e d r e c e n t l y ，w h i c hh a sal o to f a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hr e s o l u t i o n ，w i d e l ya p p l i c a b l e ， s m a l la f f e c t e db yt h es i t e ，s i m p l e - e q u i p m e m ，e 伍c i e n t ，n o n - d e s t r u c t i v ea n ds oo n t i l i st e s tt e c h n i q u eu s e st h ef r e q u e n c yd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i e so fr a y l e i g hw a v e w h i c hp r o p a g a t ei nl a y e rm e d i aa n dt h ec l o s e dr e l a t i o n sb e t w e e nv e l o e i t ya n dp h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h r o u g hf i e l dr a y l e i g hw a v et e s t ，l a b o r a t o r yr e s o n a n tc o l u m n t r i a x i a lt e s ta n di ns i t un e u t r a lp r e s s u r em o n i t o r i n g ，s t u d y i n gt h ea p p l i c a t i o no f r a y l e i 吐w a v ew h i c hm e 踟e l n e n tt h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o no ff o u n d a t i o ns o i l t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 p u ts o f lf o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o nc a l e u l a t i o nm e t h o d sw h i c hu s e di nd i f f e r e n t p r e c o m p r e s s i o nl o a d i n gf o rt h ec o n s o l i d a t i o no fs o f tf o u n d a t i o n ；b a s e do nt h e p r i n c i p l eo fd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o n ，a n a l y s i st h e r e l a t i o n so fs u p e r l o a da n d c o n s o l i d a t i o no fs o f tf o a n d a t i o n ；p u tt h eu n l o a d i n gc o n t r o ls t a n d a r d so fs o f l f o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o n 2 t h r o u g hs t u d y i n gp r o p a g a t i o nf e a t u r e s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s p e e ds t r i k e ，a n dt h e s p e c i f i cf e a t u r e so f t r a n s i e n tr a y l e i g i lw a v et e s ts o f tf o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i n n ；t h e na t e s tm e t h o da n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e s t i n gt h e o r ya r e p u t 3 n l e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es h e a rw a v ev e l o c i t ya n dt h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o nc a l lb ee s t a b l i s h e db yl a b o r a t o r yr e s o n a n tc o l u m nt r i a x i a lt e s t a c h i e v e m e n t ，w h o s er e s u l t sw e r ea p p l i e dt ot h ef i e l dt e s tt os t r i k et h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o no fs 0 f tf o u n d a t i o n c o n t r a s t i n gt h er e s u l t so fr a y l e i g hw a v et e s ta n di n s i t un e i i l t r a lp r e s s u r em o n i t o r i n g ，v e r i f i c a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft e s t i n gt h ed e g r e eo f c o n s o l i d a t i o ne f f i c i e n t l yb yt r a n s i e n tr a y l e i g l lw a v e p r o c e d u r e sa r ep r o g r a m m e db y t h ef o r t ra nl a n g u a g et oc a l c u l a t i n gt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so f t h et e s te f f i c i e n t l y 4 t h ee f f e c to fs o f tf o u n d a t i o ne v a l u a t e dt h o u g ht h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o nb y r a y l e i g hw a v et e s ta n dt h er e s u l t so fi ns i t um o n i t o r i n g ，a n a l y s i st h eh i d d e nq u a l i t i y p r o b l e m s 、砘t l la d v a n c eu n l o a d i n ga n dp r o p o s ea p p r o p r i a t er e c o m m e n d a t i o n s k e yw o r d s ：r a y l e i g hw a v e ；d e g r e eo fc o n s o l i d a t i o n ；s o f tf o u n d a t i o n ；f r e q u e n c y d i s p e r s i o nc u r e ；r a y l e i g hw a v ev e l o c i t y ；s h e a rw a v ev e l o c i t y 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 乐维2 0 0 7 年箩助日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 左缝2 0 0 7 年5 月? 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 改革丌放以来，随着我国国民经济的高速发展，基础设施建设特别是高等级 公路的建设也进入了一个快速发展的新阶段。尤其是进入2 1 世纪以来，公路建设 空前繁荣，高等级公路的大量兴建，其规模之巨大，对新工艺、新技术、新设备 的开发和引进之多前所未有。一大批高等级公路的建成通车提高了道路通行能力 缩短了地区之间的距离，改善了投资环境，带来了巨大的社会效益和经济效益， 为国民经济的持续快速发展做出了极大贡献。 在公路工程建设中，软基是需要进行处理的地基，而且处理的好坏直接影响 到整个工程的质量。软基是软土地基的简称，软土包括淤泥、淤泥质粘土等，多 为海相、湖相和河相沉积层，此类土在世界范围内均有广泛分布，在我国主要分 布在经济比较发达的沿海、内河两岸及湖泊等地区。软土一般具有高含水量、大 孔隙比、高压缩性、低强度、高灵敏性等特点。软土的各种物理力学性质决定着 软基固结排水速度的快慢，在荷载作用下沉降量的大小，达到稳定时问的长短， 以及处理和质量控制的难易。 对软基而言，一般具有如下特征：在外荷载作用下，固结沉降比较大，可 达数十厘米甚至到数百厘米，而且固结速度较慢；抗剪强度低，自然地基的承 载力和和稳定性往往达不到设计要求；易出现较大的工后沉降和不均匀沉降。 软基的上述特征，常常影响公路工程质量，引发事故和灾害。在佛山“一环”软 基监测中，对于采用排水固结法处理的路段，我们遇到了如下两个典型的问题： ( 1 ) 设计沉降量计算不准确问题，根据施工单位和设计单位提供的观测数 据，有些观测断面只完成设计预估沉降量的2 0 左右，而有些断面甚至大于3 0 0 。参照相近工程，荷载填完后累计沉降量与最终沉降量比值应在7 0 左右； ( 2 ) 卸载标准确定问题，在施工过程中，对沉降速率较大、排水不畅、开 工时间迟后的部分软基路段进行再超载，如果还以沉降速率连续三个月小于 5 n u r g 月作为卸载控制标准，难以执行，也不科学。 因此，正确评价软基固结情况，对完善软基处理方案、确定卸载时机、预估 河海天学硕f 学位论文 工后沉降和指导后续施工等，都具有十分重要的意义。 采用排水固结法加固软基，需随时了解软基土层的固结度及抗剪强度随时间 的变化，判断软基的加固效果，控制施工进度，避免路基失稳和滑坡事故的发生。 目酊所采用的办法一般是在现场埋设原位监测仪器，这种办法固然有效，但存在 以下不足： ( 1 ) 监测设备的埋设和监测的工作量很大，而且监测周期需随施工进度变 化，监测时间较长。工程结束以后，所有的仪器都埋在地下而无法回收，无疑造 成一定的浪费； ( 2 ) 原位监测受外界因素影响较大，仪器易受到施工干扰和人为破坏，影 响监测的精度； ( 3 ) 由于原位监测的工程费用较高，在工程建设中般只选择典型断面进 行监测，测点密度疏，有一定的局限性。 瞬态瑞雷波技术是近年来发展起来的一种新兴岩土工程检测方法，与常规的 检测方法相比较，瞬念瑞雷波技术具有分辨率高、应用范围广、受场地影响小、 检测设备简单、检测速度快等优点，因此广泛地应用于岩土工程界。利用瞬态瑞 雷波技术评价软基加固效果是通过实测软基加固前后的波速差异，得到处理后的 软基较处理前土体的物理力学性质的改善程度，同时，可方便地对处理后场地在 水平方向地均匀性做出评价，以及确定加固所影响的深度和范围。 根据瞬态瑞雷波技术的特点，以及现行工程上存在的问题，特别是采用排水 固结法处理路段，研究将瞬态瑞雷波技术作为补充或完善现有软基监测的一种更 为简便、快速、有效而且经济的方法，具有重要的实际工程意义。本文将着重研 究采用瞬态瑞雷波技术测试软基固结度的基本理论、测试原理和测试方法。 1 2 研究现状 t e r z a 曲i 一维固结理论中，固结度u 是用来描述沉降与时间之问关系的指标 i l l ，固结度与时间因素瓦有关，l 又与固结系数c ，成正比。可知，土的固结系 数越大，土层固结越快，两者关系很密切。为了正确估算软基固结度、沉降速率 及其工后沉降等，必须首先合理地测定固结系数。目前固结系数的测试方法主要 有三种：室内固结试验、沉降曲线反演法和现场固结试验。 2 第一章绪论 1 2 1 室内固结试验 室内固结试验是测定软基固结系数的最主要方法，利用传统t e r z a g h i 一维固 结理论中各变量之间的理论关系求出固结系数。 由室内固结试验求解固结系数的方法主要有：时间对数法、时问平方根法、 反弯点法、三点计算法、司各脱法。其中，时问对数法和时间平方根法是最常用 的两种方法。时间对数法必须读数满2 4 h 以上，使包括次固结的这部分曲线能全 部绘出。时问平方根法也至少要估计u 9 0 以后，该方法最困难的是初读数难 以】下确得到；另一个缺点是中部直线有时难以辨认。反弯点法和三点法避免了求 r 和蜀。的不准确性，只利用往往比较可靠的试验曲线中部，计算也比较简单。 但反弯点法中反弯点目测难以准确，这也影响到结果的精度。司各脱法不但计算 简便，而且适用于一维和多维固结情况下围结系数的确定。司各脱法和三点法还 可在一条试验曲线的不同时刻得到许多e 值，然后采用平均值作为采用的指标。 虽然室内固结试验应用广泛，且测试分析理论较为成熟，但也有其自身的较 多无法克服的缺点：土样扰动程度大；试件小；无法准确地模拟现场条件；工作 量大、试验时间长、费用高。从而导致室内固结试验结果与现场土体的真实值有 较大差异。 1 2 - 2 沉降曲线反演法 由于常规室内固结试验的结果与真实值之间存在较大差异，国内外很多学者 提出了多种方法来检验校正室内固结试验结果，以使其接近真实值。利用地质荷 载条件均较为接近的相邻工程的实测s t 曲线或孔压消散曲线来反演e ，和由工 程现场实测沉降曲线反分析固结系数e 是常用的方法。曾国熙和魏汝龙甜，陈新 彦【3 1 曾根据实测沉降曲线开展软基固结系数方面的研究。由渗流固结理论可知， 各种排水条件土层平均固结度计算可归纳为如下的普遍公式： 疗= 1 一c r p 一加( 1 1 ) 式中：口，为待求系数。 从实测s - t 关系曲线( 图1 1 ) 上选取最大恒载时段内的任意3 点( s ，t 1 ) 、 河海大学硕士学位论文 ( s 2 ，2 ) 、( s 3 ，3 ) ，并使，2 - t 1 = ，3 一r 2 = a t ，则有： 爿1n 黼 2 ， 对于竖向和向内径排水固结砂井地基： = 蒜+ 鲁 ( 1 3 ) 式中：c 。、c ，分别为土层的水平向和竖向平均固结系数，计算时可假设c 。= c 。； f 0 ) 是与井径比有关的系数。利用式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 可求得软基固结系数。 40 一r 一一一 30。_ 20 童8 0 l 6 0 i4 o 翌2 o 煞0 0 图1 1 荷载、沉降、沉降速率一时间曲线图 沉降曲线反演法可以较好地反映实际情况，推算的固结系数比较准确，但是 它只能用来验证设计参数的正确与否，无法在工程施工前的设计阶段利用该法得 到软基固结系数，因此该方法的应用受到很大限制。 1 2 3 现场固结试验 孔压静力触探试验( c p t u ) 是发展迅速的一种简捷、迅速、方便、可靠的 新型原位测试技术，能在测试过程中比一般静力触探多量测出土的孔隙水压力 外，还能够在预定深度停止贯入后进行孔隙水压力的消散试验，并由此估算软基 的固结系数。自从s c h m e r t m a n n ( 1 9 7 4 ) 【4 】和j a n b u & s e r m e s e t ( 1 9 7 4 ) f 5 】研究在 静力触探试验中产生的超静孔隙水压力开始，众多学者对确定软基的原位固结系 数进行了大量的研究。t o r s t e n s s o n ( 1 9 7 7 ) 【6 1 提出采用固结度达到5 0 所对应的 2 时间来估算软基原位固结系数公式：c = 疋。r 0 ；h o u l s b y & t h e ( 1 9 8 8 ) 1 7 1 认为 4 、，1| l j h ，一 。i 二 、一一 一 。i、i。 第一章绪论 时间参数受土体刚度，( i = 色【2 ( 1 + u 。】) 的影响较大，提出了相应的固结系 数估算的修正公式：g = ；鲁；由于用孔压消敬确定的固结系数过于片面，无 法全面反映整个固结过程中的固结系数，因而有学者提出用迭代拟合实测曲线方 法( b a l l g l i o ，1 9 8 1 ) 8 l 和采用最优化方法( k i m & l e e ，1 9 7 9 ) 1 9 1 求取软基的固结 系数，从而考虑整个固结过程对固结系数的影响。国内，朱小林和唐世栋，杜 文山，张诚厚i l l t1 劲，孟高头1 1 3 一”1 ，姜柯m 1 ，林政旧分别采用孔压静力触探( c p t u ) 设备研究软基的原位固结系数。 孔压静力触探试验虽然试验时问短、扰动小、方便经济，速度快，但该方法 只能对某点作出评价，难以对软基加固的均匀性以及加固有效影响深度等作出评 价。 1 2 4 其他测试方法 上述三种测试方法求得的是土体固结系数，要得到固结度还需进一步的计 算。以下两种测试方法不依赖固结系数，根据波速的变化估算软基固结度。 1 超声波法 超声波测试技术是一种无损检测新技术。超声波通过固体材料时，使固体材 料中的每一个微小区域都产生拉伸、压缩或剪切等应力应变过程1 堋。因此，超声 波在这种固体材料中的传播速度实质上就表征了该种固体材料的应力应变状态， 亦即直接反映了固体材料弹性模量与密度特性。这两个指标与强度有着直接关 系，亦即强度是这两个指标的综合反映。由实践证明，材料的强度愈高，穿过它 的超声波波速值就愈高，材料的强度愈低，则穿过它的超声波波速值就愈低，实 质上波速值的大小就表征了材料的强度高低。现场超声波测试主要应用纵波速度 圪作为评估固体材料特性的主要参数。利用超声波法评价软基固结效果，就是 根据波速与土体特性的关系，利用波速的变化情况，推断土体的力学特性。 超声波具有激发容易、检测简单、操作方便、价格便宜等优点，但软基中存 在的孔隙水对超声波影响较大，主要增强波阻抗，使波速减小，因此，直接测出 的不完全是软基强度的表征。目前利用超声波检测软基固结特性尚属研究探索与 试用阶段。 河海人学硕 + 学位论文 2 瞬念瑞雷波法 瑞雷波是沿地表传播的一种弹性波。1 8 8 7 年，英国数学物理学家r a y l e i 首先 发现了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在弹性半空间介质中的传播特性 1 9 1 , 2 0 世纪 5 0 年代初人们又发现了瑞雷波的频散特性2 0 _ 2 3 i ，随之丌始利用天然地震记录中 的瑞雷波探测地球内部结构的研究【2 4 l 。1 9 6 0 年，美国密西西比陆军工程队水路试 验所丌始研究面波的工程勘探方法，但是由于当时的技术条件限制未能获得成功 2 5 1 。真正将瑞雷波的频散特性用来解决工程问题始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 3 年，美 国f k c h a n g 和r eb a l l a r d 等人利用瞬念瑞雷波来研究浅部地质问题【2 ，并于 1 9 7 3 年在第4 2 届国际地球物理勘探年会上发表了“瞬念面波在浅层勘探中的应 用”论文，报道了有关的研究成果。8 0 年代初，面波勘探方法有了突破性进展。 1 9 8 2 年，日本v i c 株式会社研制出稳态法的g r 一8 1 0 型佐藤全自动勘察机【2 7 j ，用以 解决工程地质勘察问题。1 9 8 3 年，s t o k ei ia n dn a z a f i a n 等提出了所谓的面波频 谱分析方法( s a s w ) 【嚣】，通过分析面波的频散曲线建立近地表的s 波速度剖面。 随后，s a s w 方法不断改进并在许多工程中得到应用，目前，s a s w 方法已经应 用到水下工程1 2 9 i 。1 9 9 9 年，夏江海( x i aj ) 博士等人提出了瑞雷波反演估算近 地表剪切波速的新方法，对瞬念瑞雷波法进行了十分有效的改进p o j 。 我国瑞雷面波法工程勘探的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期。1 9 8 7 年，铁路系统 首先引进g r 2 8 1 0 型面波勘探仪用以解决铁路和公路路基的勘探问题。1 9 8 8 年， 吴世明等人采用瞬态瑞雷波法测试土层波速，随后展开了一系列研究【3 1 _ 3 6 】；1 9 9 7 年，出版了专著土介质中的波，书中对瑞雷波勘探方面的一些问题进行了系 统阐述1 3 7 1 。1 9 8 9 年，杨成林等人利用t e r 2 r a l o g 浅震仪配国产可控震源以及自 制的附属设备，组成了稳态瑞雷波法勘探系统，进行了第四纪地层划分、地基处 理效果评价等方面的研究 3 8 1 ；1 9 9 3 年，他们出版了瑞雷波勘探一书，书中就 瑞雷波勘探方面的一些方法、问题进行了较为深入的探讨1 3 9 1 。1 9 9 1 年，铁道部第 四勘测设计院朱裕林等利用g r 2 8 1 0 型仪器展歼了地基勘察、地基加固效果评价、 人工洞穴以及岩溶洞穴探测的工作1 4 0 。1 9 9 3 年，刘云帧等利用自制的多道地震数 据采集处理系统把瞬态面波的深度由1 0 m 提高至i 3 0 m ，条件好的情况可以达到 5 0 m 以上，基本能够满足岩土工程勘察的需要h 。胡家富( 1 9 9 9 ) 【4 2 4 4 1 、张碧 星( 2 0 0 0 ) 【4 5 】分别就瑞雷波的反演方法和瑞雷波勘探中“之”字形的形成和反演 6 第一章绪论 进行了研究。此外，关小平、黄嘉正、周鸿秋( 1 9 9 3 ) l 舶a 7 l ，崔占荣、张世洪、 张俊喻( 1 9 9 5 ) 1 4 5 ，崔建文( 1 9 9 6 ) 1 4 9 j 撰文对瑞雷波技术在实际应用中的情 况进行过研究分析，夏字靖( 1 9 9 7 ) 1 5 0 】对影响瑞雷波勘探精度的因素进行了分析， 孙进忠、祁生文等( 2 0 0 1 ) 睁l 】对改进瞬态瑞雷波勘探方法提出自己的建议、靳洪 晓5 2 1 、王兴泰【5 3 】、杨健、张辉和孙进忠1 5 4 , 5 5 】、贺会团、李青山和张献民【5 6 , 5 7 1 等撰 文对瑞雷波技术的发展、应用情况以及出现的问题进行了系统研究或综述。 可见，随着瑞雷波理论的发展，瑞雷波技术以其测试简便、快速、经济、分 辨率高等优点，广泛应用于地质勘探、划分地层、探测岩洞与裂隙，以及探测路 面厚度、工程质量检测等领域。但涉及用波速定量分析软基固结度，且直接用于 指导软基卸载工作以及检测路基质量的文章却不多见；用于软基固结度的测试尚 不完备，需要进行一系列的基础性工作和试验研究。 1 3 本文的主要工作 通过对研究现状的回顾可以了解到，目前软基固结度的测试方法都存在不 足，尚需改进或完善。瞬态瑞雷波技术作为一种简便、快速、有效而且经济的无 损检测方法已广泛应用于岩土工程界，但涉及定量分析软基固结度，且直接用于 指导软基卸载工作的研究较少。为了解决这方面的问题，本文通过现场瑞雷波测 试，结合室内共振柱试验，以及原位孔隙水压力监测，对利用瑞雷波技术测试软 基固结度进行了系统的研究。本文主要工作如下： 1 针对软基的固结度问题，提出了不同预压荷载条件下软基固结度的计算方 法：基于排水固结原理，分析了超载量与软基完成固结度的关系；给出了软基预 压荷载的卸载控制标准。 2 通过对瑞雷波传播特征、数据采集、速度求取等方面和利用瞬态瑞雷波技 术测试软基固结度的具体特点的研究，提出了一种现场测试方法和相应的测试理 论。 3 根据室内共振柱试验结果建立了剪切波速与土体固结度的相关关系式，著 将试验成果应用于现场求取软基固结度的测试。通过与原位孔隙水压力监测固结 度比较，论证了利用瞬态瑞雷波技术快速检测软基固结度的可行性。为了便于实 际应用，用f o r t r a n 语言编写了相关物理参数的计算程序。 河海大学碟 ：学位论文 4 利用瞬态瑞雷波测试得到的固结度和原位孔隙水压力监测的成果，对某高 等级公路试验段软基的处理效果进行综合评价，就提前卸载可能产生的质量隐患 进行了分析，并提出了相应的处理建议。 8 第一二章不i 叫衍载下软块州结度的计算方法 2 1 引言 第二章不同荷载下软基固结度的计算方法 软基是工程建设尤其是沿海高等级公路建设中经常遇到的一种地基形式，软 基在上部荷载作用下，沉降发生有其自身的特点，即沉降并不是瞬时完成，而是 随着时间逐渐完成：另外，软基各层的压缩量沿深度也不相同。因此，在分析软 基沉降一时自j 特性时，平均固结度就成为一个重要的指标，也是评价和衡量软基 处理效果优劣的重要标准。软基各层固结度的大小与孔隙水压力的消散相联系， 而孔隙水压力的消散情况又直接影响到软基抗剪强度的增长和沉降的变化趋势。 确定各级荷载作用下不同时间的平均固结度，可以推算出软基强度的增长，从而 可以进行各级荷载下软基的稳定分析，并确定相应的加载计划；另一方面，软基 平均固结度的大小与工后沉降量有着密切的联系，已知平均固结度不仅可以推算 出施工期间软基的沉降量，而且可以推算工后沉降量。这为超载高度和预压期的 确定、卸载标准的制定，以及卸载时机的掌握等均提供依据。 高等级公路建设对路堤填筑期软基的稳定性和工后沉降问题均比较重视，通 过长期的理论研究和工程实践，软基在路堤填筑期的稳定性问题已得到了很好的 控制，只要加强现场监测和动态的施工管理，一般可以避免失稳事故的出现。然 而，工后沉降问题一直困扰着工程界和学术界。高等级公路对软基路段的工后沉 降有明确的规范要求，即一般软基路段工后沉降小于3 0 c m 、含结构物路段工后 沉降小于2 0 c m 、桥头过渡路段工后沉降小于1 0 c m 。如何保证软基路段满足规范 要求，掌握不同荷载在不同时间段内的软基平均固结度至关重要。本章将对软基 平均固结度的计算理论、不同荷载下软基平均固结度的计算方法进行研究，并运 用研究成果对超载量与软基完成固结度的关系，以及卸载控制标准进行定量分 析，系统的研究利用瑞雷波技术测试软基平均固结度所需基本理论和方法。 2 2 软基平均固结度计算 利用瑞雷波技术测试软基平均固结度，是通过实测软基加固前后的瑞雷波波 9 i i l 海人学_ 礤f 卑位论文 速差异来实现的，其计算原理可以借鉴目前软基平均固结度的计算方法。目i ； ， 计算软基平均固结度的方法很多，归纳起来主要有两类，即按软基沉降定义的平 均固结度和按应力定义的平均固结度。 ( 1 )按软基沉降定义的平均固结度 固结沉降是软基在排水固结过程中由于体积压缩而产生，其数学表达式为： s = & e ( 2 1 ) 式中：s ，& 分别为软基在，时刻和最终时刻的沉降量。 对应的软基平均固结度驴为： 玩= 要 旺2 ， s 可通过现场观测得到，对于软基最终沉降量s 。，工程上一般通过分层总 和法进行计算。p l g p 法是较常用的计算方法，该方法具有以下两个优点：一 是可以确定试验土的先期固结压力，并根据先期固结压力的大小来判断这种土是 属于正常固结、超固结还是欠固结的；第二个优点是，在实用压力范围内，p l g p 曲线呈一直线。压缩性指标不随压力大小而改变，这在沉降计算中是很方便的。 固结沉降量可通过下式求得： 墨2 喜q 去s 半 眩s ， 式中：墨固结沉降量； 玎软基分层层数； c ：土层的压缩指数； 矗，软基各分层中点的自重应力； 只前期固结压力，正常固结时只= e o ，； 只第f 层平均应力增量，即平均附加应力。 根据国内外工程实践，实际软基的最终沉降量可以通过将固结沉降量乘以一 经验修正系数m 得到，即有： 第二章不i 川倚载下软皋嘲结度的计算方法 最= m s , ( 2 4 ) 式中：m 为考虑软基剪切变形及其他影响因素的综合性经验系数，它与软基的变 形特征、荷载条件、加载速率等因素有关。对高等级公路来说，由于沿线工程地 质条件、荷载变化复杂等因素，沉降系数m 的变化范围较大，应根据现场实测资 料分析确定。文献1 5 8 】中建议对于j 下常固结土或稍超固结土，通常取小= 1 1 1 4 。 表2 1 是一个软基平均固结度计算实例，根据佛山“一环”工程的具体地质情况 和荷载条件，取m = 1 2 。 表2 i 广东佛山“一环”城市快速干线部分标段软基平均问结度计算成果 工后沉降监测分析表明，软基在工作荷载作用下的沉降趋势，与施工期间的 沉降预测基本吻合，表2 1 中计算的软基平均固结度经工后沉降监测验证是较准 确的。用软基的沉降计算平均固结度，确定卸载时机，可以保证工后沉降量在允 许范围内。 ( 2 ) 按应力定义的平均固结度 此处的“固结”主要用来描述由于超静水压消散而发生的与时间有关的过程。 驴：1 一丝( 2 5 ) 瓦 式中：瓦，甄软基初始的和f 时刻的平均超静水压力。 工程计算中，常常按照传统的太沙基固结理论和土体的线弹性小应变假设， 将上述两类计算方法不加区分，视为等同。实际上由于土体为非线性变形体，由 式( 2 2 ) 和( 2 5 ) 得到的结果实际上并不等。对于软基在二维和三维变形情况， 河海大学硕f ：学位论文 则在线弹性假定的条件下，不能通过理论推导出用上述两类方法计算得到的固结 度相等的结论。谢新宇等人( 1 9 9 2 年) 、魏汝龙( 1 9 9 4 年) 都曾基于土中一点的 一维应力应变关系，提出了按应变定义的固结度与按应力的固结度之白j 的换算关 系。魏汝龙将i j 者称为压缩度，分别将两者定义为： 固结度 u ，= 万o - , - 可o - , o ，一o ? 压缩度玑= 三 生 f 一0 t 其中：一和，为土单元在，时的有效应力和压缩应变；一和t 为在施加荷载前 的初始应力和应变；一和乃为主固结完成时的最终应力和应变。如果采用双曲 线型的压缩曲线，生= 晶+ 舸，则推导得到两者的关系： u 2 而+ 编t t 眨s ， 吩百孝辆 q 石 以恒大于，即压缩度恒大于固结度，若采用压缩度代替固结度分析软基稳定 情况，则会得到偏于不安全的工程判断。 魏汝龙2 1 认为，应该将压缩度址和固结度作为控制预压加固的两个独立 的控制标准。例如，若要评价预压加固对于减少软基工后沉降的效果时，可以直 接利用实测沉降过程线推算最终沉降量，并确定预压期间所达到的压缩度配， 以判断工后沉降量是否减小到允许值之下。在实际工程实践中，一般对沉降和固 结度两个指标都作了明确的卸载规定。 2 3 不同预压荷载下软基固结度计算 现场施工中软基预压荷载往往是分级施加的，在对软基作固结分析时，首先 就面临对预压荷载的正确估算，并对实际加载方式做出简化，比如简化为级或 两级等速加载，进而求出软基在不同预压荷载下的固结度。 在施工过程中，预压荷载由于沉降不断发生而动态变化，软基在不同时间会 有不同的预压荷载数量。预压荷载大小和路基设计填筑高度、沉降的关系可以用 第二章不同荷载下软基固结度的计算方法 下式表示【5 9 】： p k = - o 七sk 七蝎k ( 2 7 ) 式中：最气时刻以后下一级荷载施加以前的软基预压荷载( 用厚度表示，以 下同) ； 风路基设计填筑高程； & 气时刻的沉降量； 峨第七级荷载施加过程中的沉降量( 荷载施加时间比较短时蝇近似 为零) 。 瓯由地质条件和加载方式决定，地质条件越差，沉降量越大；加载速率越 快，沉降量越大。由式( 2 7 ) 可知，风是确定的，随时间延续而增大。 根据地质条件、路基填筑高度不同，可以采用以下三种预压方式。 2 3 1 等载预压 等载预压是保持路基填筑高程不变，及时补充沉降土方，如图2 1 所示，直到 路基沉降稳定，估计的剩余沉降小于工后沉降限定值时停止补方预压循环。路基 填筑过程中，如果软基强度允许，可以一次性使路基填筑高程大于风，控制填筑 高度使得预压结束时刚好沉降到巩，且工后沉降满足要求。 h o 魁 匾 刊 婿 删 篷 螺 s 1 s 2 s k p 1p 2 1 。一、。 、f 、1 、一 、0i 、t o bt 2 ? 、| 、 二。2 一 一 、 p k 1 丁一2 图2 1 等载预压荷载一沉降时程关系图 等载预压状况下，路面施工后的荷载水平和预压期相同，路面竣工后相当于 河海大学硕士学位论文 预压期的延续，理论上施工期间完成的固结度与工作荷载( 路堤荷载、路面荷载 和汽车荷载之和) 作用下的固结度相等，预压期的剩余沉降等于工后沉降。 等载预压加载过程可以简化成一级等速加载，如图2 2 所示，乇、分别为荷 载施加的起点和终点时刻，卸。为风对应的荷载量，即等载时的填土荷载。 d j ：己 ih o 一 一 一 _ l 一一，一， 一 ! 一一， t ot lt 2时问 图2 2 等载预压荷载一时间关系图 从固结度的定义出发求得等载状况下的软基平均固结度，文献【5 8 】给出了瞬时 加载条件下的软基平均固结度的普遍表达式( 曾国熙，1 9 5 9 ) ： 玩= 1 一r e 堆 ( 2 8 ) 式中：口、取值视不同排水条件而异，见表2 2 。 表2 2 不同条件下的a 、值 表中：h r 为土层的竖向排水距离；c v 为竖向固结系数；巴为径向固结系数；以为井径比； 1 4 第一二章小问衙载下软堆州结度的计算方法 吃为等效圆直径；f ( 胛) = 毒备l r i ( 行) 一事；q 为砂井妖度与压缩层厚度的比值：r 为十柱体j f 径。 对于逐级等速加载，平均固结度计算式为： 曰2 一半) 参 汜。， 式中：矿多级等速加载，时刻修讵后的平