（地质工程专业论文）软土地基上山体填筑的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 因软土地基压缩性高，渗透性差，承载力低，在软土地基上进行山体填筑 工程不但所需的固结时间长，还会引起较大沉降；而且当填筑体土性较差，填 筑高度大，坡度陡时，填筑体本身也存在稳定性问题。本文以上海辰山植物园 绿环填筑试验段工程为背景，对软土地基上山体填筑工程进行深入研究。 首先，对已有竖井地基固结度计算方法进行系统的总结，以此为基础，通 过计算得到分三级堆载预压下软土地基的固结和沉降规律，地基土的强度增长 规律，从理论上验证了分级堆载预压结合塑料排水板处理软土地基的可行性。 其次，对加筋土机理和加筋技术理论进行归纳，验算加筋边坡和加筋挡墙 的稳定性，提出在填筑高度较大时需采用加筋措施来预防边坡失稳。 然后，对地表沉降、分层沉降、孔压、水位、边坡沉降、边坡水平位移和 土压力等现场监测数据进行分析，结果表明堆载预压结合塑料排水板处理此类 地基的影响深度在1 8 m 左右，在设计时应考虑将塑料排水板打插至1 8 m 深度以 下，并提出在此类软土地基上的填筑高度不宜超过l l m 。同时，在保证工期的前 提下应延长预压的时间以确保地基土达到较高的固结度。由比较分析得出现场 监测结果与理论计算有较大差别，在软土地基加固工程中不可忽视现场监测的 重要性。 最后，采用十字板和静力触探试验对一级和二级堆载后的地基加固效果进 行检验，结果表明分级堆载预压后地基土的强度得到明显提高，在合理的加载 速率和填筑高度下，堆载预压结合加筋方案在此类工程具有可行性。 关键词：山体填筑，堆载预压，固结，沉降，加筋挡墙，加筋边坡，现场监测， 原位测试 a b s t r a c t a b s t r a c t m o u n t a i nr e c l a m a t i o ne n g i n e e r i n go ns o f ts o i lf o u n d a t i o nn o to n l yr e q u i r eal o n g t i m et oc o n s o l i d a t i o nb u ta l s o w i l lg i v er i s et oal a r g e rs e t t l e m e n td u et oh i g h c o m p r e s s i b i l i t y , p o o rp e r m e a b i l i t ya n dl o wb e a r i n gc a p a c i t yo fs o f ts o i lf o u n d a t i o n ； a n dw h e nt h ef i l l i n gb o d yh a v eap o o rs o i l ，h i g hf i l l i n gh e i g h t ，s t e e ps l o p e ，i tw i l l h a v es t a b i l i t yp r o b l e mi t s e l f i n t h i sp a p e r , af u r t h e rs t u d yi sc a r r i e do u ta b o u t m o u n t a i nr e c l a m a t i o ne n g i n e e r i n go ns o f ts o i lb a s e do nt h et e s ts e c t i o no fs h a n g h a i c h e n s h a nb o t a n i c a lg a r d e nr e c l a m a t i o np r o j e c t f i r s t ，t h ee x i s t i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d so fc o n s o l i d a t i o nd e g r e ea b o u tv e r t i c a l d r a i n ss o f tf o u n d a t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e da sab a s i s ，c o n s o l i d a t i o na n ds e t t l e m e n t l a w sa n ds t r e n g t hi n c r e a s i n gr u l eo fs o f ts o i lf o u n d a t i o nu n d e rt h r e el e v e l ss u r c h a r g e p r e l o a d i n gh a v eb e e ng o t t e nb yc a l c u l a t i n g ，a n dt h e o r e t i c a l l yv a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t y o fs u r c h a r g ep r e l o a d i n gw i t hp l a s t i cd r a i n a g ep l a t ed e a lw i t hs o f ts o i lf o u n d a t i o n s e c o n d l y ，t h em e c h a n i s mo fr e i n f o r c e de a r t ha n d r e i n f o r c e dt e c h n i c a lt h e o r ya r e s u m m e du p ，t h es t a b i l i t yo fr e i n f o r c e ds l o p ea n dr e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l la r ec h e c k e d ， n o t i n gt h a tah i g hf i l l i n gh e i g h tn e e dt ob er e i n f o r c e dt op r e v e n ts l o p ei n s t a b i l i t y a n do nt h er e s u l to fs i t e m o n i t o r i n gs u c ha sg r o u n ds e t t l e m e n t , l a y e r e d s e t t l e m e n t , p o r ew a t e rp r e s s u r e ，w a t e rl e v e l ，s l o p es e t t l e m e n t , h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t o fs l o p ea n de a r t hp r e s s u r e ，t h i sp a p e ri n c l u d et h a tt h ei m p a c td e p t ho fs u r c h a r g e p r e l o a d i n gc o m b i n e dw i t hp l a s t i cd r a i n a g ep l a t ed e a lw i t hs u c haf o u n d a t i o n a t a r o u n d18 m ，t h ep l a s t i cd r a i n a g ep l a t es h o u l db ec o n s i d e r e dt oi n s e r tt o18 md e p t h ， a n dt h ed e g r e eo f f i l l i n gc a nn o tb em o r et h a nl lm a t t h es a m et i m e ，p r e l o a d i n gt i m e s h o u l db ee x t e n d e dt oe n s u r et h a tt h es o f ts o i lf o u n d a t i o nt or e a c hah i g h e rd e g r e eo f c o n s o l i d a t i o nu n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e ep e r i o d t h i sa r t i c l ea l s op o i n t e do u tt h a t t h er e s u l t so ff i e l dm o n i t o r i n ga n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa r ev e r yd i f f e r e n tf r o mt h a t i ns o f ts o i lf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n tw o r k sc a nn o tb ei g n o r e di nt h ei m p o r t a n c eo f s i t em o n i t o r i n g f i n a l l y , v a n es h e a ra n dc o n ep e n e t r a t i o nt e s t i n ga r eu s e dt ot e s tt h ef o u n d a t i o n s t r e n g t h e n i n ge f f e c ta f t e rt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yl o a d i n g ，t h et e s tr e s u l t ss h o w a b s t r a c t t h a tt h ec l a s s i f i c a t i o no fs u r c h a r g ep r e l o a d i n ga f t e rt h ef o u n d a t i o ns o i ls t r e n g t hh a s b e e no b v i o u s l yi m p r o v e d ，a n dp o i n t e do u tt h a ta tar e a s o n a b l el o a d i n gr a t ea n df i l l i n g h e i g h t ，t h ec o m b i n a t i o no fs u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dr e i n f o r c e dp r o g r a mi ns u c h p r o j e c ti sf e a s i b l e k 呵w o r d s ：m o u n t a i nr e c l a m a t i o n ；p r e l o a d i n gt r e a t m e n t ：c o n s o l i d a t i o n ； s e t t l e m e n t ；r e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l l ；r e i n f o r c e de a r t h ；f i e l d m o n i t o r i n g ；i n - s i t ut e s t i i l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签 、d 阳df 1 年 ；月 ； 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名夕歹谢 ， 洒彳锄夕日 第一章绪言 第一章绪言 1 1引言 随着经济的发展，软土地基上人工堆土造景的工程越来越多，规模越来越 大，关于软土地基上山体填筑工程的机理研究也越来越受到人们的重视。 在软土地基上进行山体填筑工程可能会产生以下两方面问题： 一方面，软土地基的工程特性较差，压缩性高，渗透性差，在软土地基上 进行高填方工程不但所需的固结时间长，引起的沉降大，而且因为软土地基的 承载力较低还容易发生整体剪切破坏。 另一方面，当填筑体高度大，土性差，坡度陡时，填筑体本身也存在稳定 性问题。 排水固结法是常用于解决饱和软粘土地基的固结沉降和稳定问题的地基处 理方法之一，可使地基的沉降在加载预压期间基本完成或大部分完成，使建筑 物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪强度， 从而提高地基的承载力和稳定性。 加筋技术用于填筑工程中，可以筑造较高的垂直面挡墙，可以建造陡坡， 减少占地面积，且加筋的土体及结构属柔性，对各种地基都有较好的适应性， 遇到软弱地基时，常不需要采用深基础，抗震性能好，造价较低。 但是，在软土地基上进行山体填筑工程，单纯的采用排水固结法处理软土 地基或者加筋技术加固填筑体都是不可行的，必须将软基的强度提高和上部填 筑体的加固结合起来，以填筑的过程作为堆载预压的过程，严格控制堆载速率， 并在进行堆载预压的过程中采用加筋技术来保证填筑体的结构稳定性，取得上 部填筑体的稳定和下部软土地基的强度提高的目的。 本课题依托于上海市辰山植物园绿环堆筑试验区工程，针对软土地基上的 山体填筑工程存在的特殊性开展研究，并综合利用多种先进的监测技术对地基 土加固过程进行监测，通过数据分析及理论计算研究该类工程地基土加固的机 理以及合理的填筑施工工艺。 第一章绪言 1 2 固结理论研究现状 1 9 2 3 年，t e r z a g h i 发表了著名静论文糕中动水疲力的消散计算疆】，提 出了土体一维固结理论，接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理，从 而建立其一门独立的学科一力学。之后固结理论一巍是土力学的主要研究课 题之一。经过近八十年的研究，固结理论得到了不断的发展和完善。 r e n d u l i c ( 1 9 3 6 ) 在固结过程中总应力不变的假设下把t e r a z 曲i 理论扩展到 三维请况哆现在一般称作t e r z a g h i r e n d u l i c - - 维固结瑗论。但是它忽略了变形 协调条件对固结过程中总应力的影响，不能解释m a n d e l c r y e r 效应。在多维问题 中，所获结果也是近似的，严格的说，这种三维固结方程只能用于求解土体竖 向变形，即使其渗流方向是多维的，因此通常也称之为“准三维豳结理论”。 b i o t ( 1 9 4 1 ) 从较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙压力消散与土骨 架变形禚互关系的三维固结方程l 弱，一般称为“真三维固结方程”。b i o t 摒弃了 t e r a z g h i 关于总应力不变的假设，考虑了变形协调条件对固结过程中总应力的影 响，能够解释m a n d e l c r y e r 效应，毙t e r z a g h i - - r e n d u l i c - _ - - - 维固结理论更符合实际。 尽管如此，b i o t 固结理论计算十分困难，往往需要采用复杂的数值解法，一直在 工程中很少应用。 b a h o n ( 1 9 4 8 ) 建立了轴对称固结基本微分方程并导出其解析解】，并总结 了等应变和自由应变两种极端情况下的理想井理论，指出自由应变条件下理论 解较等应变条件下理论解形式复杂但两者结果差别不大，并首次给毒在这两群 情况下考虑涂抹作用以及在等应变条件下考虑井阻作用的砂井理论。 高木俊介( 1 9 5 5 ) 提出了逐渐加荷下砂井地基圆结的计算和分析方法；r i c h a r t ( 1 9 5 7 ) 明确指出并距对平均径向围结度的影响较井径大；h 砒等( 1 9 5 8 ) 学者首 先研究了未打穿砂井地基的固结，提斑适用简单的平均固结度近似计算公式1 5 1 ； s c h i f f m a n 和g i b s o n ( 1 9 6 4 ) 等研究了性质随深度而变的不均匀和成层土的圆结 问题；g i b s o n 等人( 1 9 6 7 ) 提出了一维有限非线性应变固结理论即大变形网结理 论，它考虑了土体压缩性和渗透注与孔隙比的非线性变绽，以及土体盘重应力 等方面的因素。s c h i f f m a n 和s t e i n ( 1 9 7 0 ) 研究了成层土的固结问题，并考虑了施加 荷载的随意性，为分析成层地基构成的复合地基固结问题创造了条件；h a w l e ye t a 1 ( 1 9 7 3 ) 将的主、次固结过程作为统一的固结过程来研究，提出统一固结理论 【6 】；m e s r i _ ； h r o k h s a r ( 1 9 7 4 ) 研究了同时考虑压缩性、透水性随归结变化，临界压 力和次固结影响豁一维圉结模型【7 】；窦宣、蔡正银等人 3 0 ) 万2 4 h 2 一 一墼f! l b a r t o n 解 2 内径向排水固结 u ，= i - e f “) l f ( n 迎 竖向和内径向排水 u 。= 1 一( 1 一u ，) ( 1 一址) 胁，= 矗- n c 帕一笔 8 c 2 r 2 c ， 3 固结( 砂井地基平均 一- 志十争 8 凡h 成4 h 2 拧：生 固结度) 矿 九 砂井未贯穿受压土 u = q + ( 1 一q ： 4 。l 一罂p 一赫，喜q ! c l q = 熹 层的平均固结度 矿h 一) 万 5 普遍表达式盯：l 一口e 一肛 第三章堆载预压与加筋技术 表中：c v 竖向固结系数( c m s ) 已径向固结系数( 或称水平向固结系数) ( c m s ) 以每一个砂井有效影响范围的直径( r n ) ，当排水井为正方形排列时， 排水井的有效排水范围为正方形；而等边三角形排列时则为正六边形，b a r r o n 建议将每个排水井的影响范围化作一个等面积的圆来求解，等效圆的直径以， 与排水井间距i 的关系如下： 等边三角形排列时： 吃：、坞_ 1 删 ( 3 3 ) 正方形排列时： 吐= 挣- 1 1 2 酎 ( 3 4 ) “电步井直径( m ) ，当采用塑料排水板时，设计计算时，把塑料排水板 换算成圆柱体，对截面宽度b ，厚度为6 的塑料排水带，其当量换算直径： 屯：口坐塑 ( 3 5 ) 式中：口换算系数，口= o 7 5 - 1 0 ( 2 ) 逐渐加荷条件下固结度计算 实际工程中荷载施加往往是分级进行的，因此在计算实际工程的固结度时 需根据上述理论方法求得固结时间关系或沉降时间关系并加以修正，修正的方 法主要有改进的太沙基法和改进的高木俊介法。 1 改进的太沙基法 修正的太沙基方法假定：每一级荷载增量p i 所引起的固结过程是单独进行 的，上一级荷载增量所引起的固结度无关；每级荷载增量p i 在等速加荷经过时 间t 的固结度与在t 2 时的瞬时加荷的固结度相同，也即计算固结的时间为t 2 ； 在加荷停止以后，在恒载作用期间的固结度，即时间t 大于z ( 此处z 为阢的加 载期) 时的固结度和在r , 2 时瞬时加荷p t 后经过时间卜- 詈的固结度相同：所算 得的固结度仅是对本级荷载而言，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。 对多级等速加荷，修正通式为： z 2 军0 孚) 螽 。6 1 4 第三章堆载预压与加筋技术 式中：雳多级等速加荷，t 时刻修正后的平均固结度( ) ； 玩瞬时加荷条件的平均固结度( ) ； 一，、z 吩别为每级等速加荷的起点和终点时间( 从时间0 点起算) ， 当计算某一级加荷期间t 的固结度时，则瓦改为t ( d ) ； 卸。第n 级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻t 的固结度时，则 用该时刻相对应的荷载增量( k p a ) 。 2 改进的高木俊介法 改进的高木俊介法是根据巴伦理论，考虑变速加荷使砂并地基在辐射向和 垂直向排水条件下推导出砂井地基平均固结度的，其特点是不需要求得瞬时加 荷条件下地基固结度，而是可直接求得修正后的平均固结度。修正后的平均固 结度为： 曰= 主1 茜卜讣矽( e p r , _ e 户l ) 7 ) 式中：矿f 时多级荷载等速加荷修正后的平均固结度( ) ； y p 各级荷载的累计值( k p a ) ； 毹第i 级荷载的平均加速度率( k p a d ) ； z z 分别为各级等速加荷的起点和终点时间( 从零点起算) ，当计 算某一级等速加荷过程中时间t 的固结度时，则z 改为t ( d ) ； 口、见表3 1 。 ( 3 ) 影响砂井固结度的几个因素 1 初始孑l 隙水压力 以上计算砂井固结度的公式，都是假设初始孔隙水应力等于地面荷载强度； 而且假设在整个砂井地基中应力分布是相同的。只有当荷载面的宽度足够大时， 这些假设才与实际基本符合。一般认为当荷载面的宽度等于砂井的长度时，采 用这样的假设其误差就可忽略不计。 2 关于涂抹作用 当排水竖井采用挤土方式施工时，应考虑涂抹对土体固结的影响。当竖井 的纵向通水量g 。与天然土层水平向渗透吒的比值较小，且长度又较长时，尚应 考虑井阻影响。瞬时加载条件下，考虑涂抹和井阻影响时，竖井地基径向排水 平均固结度可按下式计算： 一生 阢= l em ( 3 8 ) 第三章堆载预蘧与加筋技本 t 曲一；( 羚1 5 ) 撑 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中：巧一一匿结时间 时竖井地基径向排水平均固缀度( ) ； 一一天然土层水平向渗透系数( c m s ) 毛一一涂抹区土的水平向渗透系数，可取恕= ( 吾三) ( c m 凡) ； s 一一涂抹区直径吃与竖井直径巩的比值，可取s - - - - 2 0 , - - , 3 0 ，对中等灵 敏性粘性土取低值，对高灵敏糙性土取高值； 三一一竖井深度( m ) ； 氛一一竖井纵向通水量，为单位水力梯度下单位时闻的排水量( c m 3 i s ) 。 一级或多级等速加荷条件下，考虑涂抹和井阻影响时竖井穿透受压土层 地基之乎均固结度可按式( 3 。? ) 计算，其中搿= 8 ，= 器+ 杂。 ( 3 ) 关于砂料的阻力。 砂井中砂料对渗透也有阻力，产生水头损失。扶巴伦n 鲍理论解可褥到，当 井径比为7 1 5 ，井的有效影响直径小于砂井深度时其阻力影响很小。 二、软土地基的沉降计算 软土地基沉降是一个复杂的过程，可以认为地基最终沉降量是由三个部分 组成，即：瞬时沉降劫、固结沉降& 和次固结沉降s 。，用公式表示为： s = 专鼓+ s 。 ( 3 。1 3 ) 瞬时沉降是在荷载施加后立即发生的那部分沉降懿，它是e f j 剪切变形引起 的。相对于层厚度，建筑物的荷载面积一般都是有限的，当荷载加上后，地 基中就会产生剪切变形。固结沉降指的是那部分主要凼于主固结丽引起的沉降 量，在主固结过程中，沉降速率是由水从孔隙中排出的速率所控制的，而次固 结沉降是士骨架在持续苟载下发生蠕变所弓| 起的。次鼹结大小和土的性质有关， 泥炭土、有机质土或高塑性粘性土土层，次网结沉降占很可观的部分，而其他 土则占比例不大。在建筑物使用年限内，次围结沉降经判断可以忽略的话，则 1 6 第三章堆载预压与加筋技术 最终沉降可按下式计算： = s d + & ( 3 1 4 ) 软粘土的瞬时沉降劫一般按弹性理论公式计算。 固结沉降以主固结沉降是地表沉降的主要部分。在工程上常采用分层总和 法计算。 分层总和法是一类计算方法的总称，它的基本要领是将压缩层范围内的地 基土分层，求每一层的压缩量，然后将各分层的压缩量叠加，即得总沉降量。 分层总和降计算公式如下： s = a s , = 乞红 ( 3 1 5 ) ff 式中：血；一一第i 分层的压缩量( m ) ； 毛一一第f 分层土的压缩应变； 忽一一第f 分层土的厚度( m ) 。 属于分层总和法的有：单向压缩曲线法，规范法，考虑结构性的分段法， 黄文熙三维压缩法等。传统采用的压缩曲线法，将压缩试验中应力应变的关系 转换为应力与孔隙比的关系，得出e p 或e l o g p 曲线，在计算时又将其化为 应力与应变的关系。 按e p 曲线进行计算时， s ：善宇弛 ( 3 1 6 ) 7 鲁l + e l l 1 式中：q ；一一第i 分层土的自重应力所对应的孔隙比； 乞，一一第i 层分土的自重应力和附加应力之和所对应的孔隙比； 忽一一第f 分层的厚度( m ) 。 善一一经验系数，对正常固结饱和粘性土地基可取1 1 1 4 。荷载较大、 地基土较软弱时取较大值，否则取较小值。 三、堆载预压的稳定性控制与强度增长计算 软土地基的变形及稳定性与填筑速率有密切的关系。一方面，稳定控制是 合理确定填筑计划，保证填筑计划与地基土的强度增长相匹配的基础。另一方 面，稳定控制要做好观测工作，通过观测数据来估算工程的稳定性，指导施工。 在进行软基上的堆载预压施工时，只有通过设计合理的填筑加载计划，并在施 工期对地基进行监测，才能有效地达到保证地基稳定的目的。 1 7 第三章壤载预歪与热筋技术 合理的填筑计划以对地基的稳定性分析为基础，因此稳定性分析的结果直 接影响到工程的安全和进度。稳定控制中的瑷论计算主要是稳定安全系数的计 算，工程中最常用的是圆弧滑动法。 致= 黼 ( 3 1 7 ) 式中的滑动力一般指路堤的自重应力作用，抗滑力则决定于路基土体沿潜 在滑动面的抗剪强度。 地基中莱一点在菜一时刻的抗剪强度可表为： f ，= f 加十r 庶一f 肛 ( 3 1 8 ) 式中，f ，。一一地基中菜点在加荷之前的天然抗剪强度，可震十字板或无侧限抗 压强度试验或三轴不排水剪切试验测定( k p a ) ； a r 盎一一出于固结两增长的抗剪强度增量( 1 【p 鑫) ； f n 一一由于剪切蠕动而引起的抗剪强度衰减量( k p a ) 。 考虑到由于剪切蠕动引起强度衰减部分a r 行目前尚难提出合适的计算方 法，故该式改为骚钳： f r = 刁( f r o + f 斥) ( 3 1 9 ) 式中努是考虑剪切蠕变及其他因素对强度影响的一个综合性挢减系数。警僮 与地基土在附加剪应力作用下可能产生的强度衰减作用有关，根据国内有些实 测反算的结果，穆值为0 8 - - 0 。8 5 。如判断地基上没有强度衰减可能时，则蟹= 1 0 。舀前求强度增长的方法有有总廒力法，还有通过求因固结而增长的抗剪强 度增量a z 行而求强度增长的有效应力法及有效固结应力法。 ( 1 ) 总应力法 粘土的强度增长与排水条件密切相关。总应力法试图通过控制排水的办法 模拟现场条件，以达到室内测定的强度增长率符合实际的目的，丽不问试验过 程中的孔隙压力的大小。常用的控制排水的办法有三种，即不排水、固结不排 水和固结排水，相应的强度增长公式为： 第三章堆载预压与加筋技术 纯一一固结不排水条件下土的内摩擦角( 。) ； 仍一一固结排水条件下土的内摩擦角( 。) 。 除了室内排水条件难以符合实际以外，( 3 2 0 ) 、( 3 2 1 ) 、( 3 。2 2 ) 三个公 式还暗含着破坏面的位置因排水条件而不同，总应力法的缺点是明显的。 ( 2 ) 有效应力法 有效应力法是以三轴固结排水实验为基础，结合摩尔应力圆理论推导得出， 具体公式为 a f 。：s i n ( p c d s 妒 a -(323)aa gf = l j 1 + s i n 妒 f 商：里芋磐( 盯一甜) ( 3 2 4 ) 2 了茄【幻以砌 u = 等等a o - c ，一等= 哿船u 2 5 ， 式中：盯一一剪切面上法向有效应力( k p a ) ： 够。一一土体的有效内摩擦角( 。) ； m 一一地基中某点的固结度( ) 。 将( 3 2 5 ) 代入( 3 1 9 ) 可得 。刊妒哿时吲 ( 3 2 6 ) 尽管有效应力法在理论上是好的，但妒。值和现场的孔隙压力甜值难以预 测，从而限制了它的实际应用。有人认为可以采用现场实测的孔隙压力值，这 种观点实际上混淆了破坏状态与设计状态或实际状态，即破坏前的实测孔隙压 力代表不了破坏时的孔隙压力。当采用现场实测的孔隙压力值时，一般来说， 有效应力法可能高估了破坏时滑动面的抗剪强度，使得计算所得的安全系数偏 高。因此，从工程的安全考虑，有效应力法不适合软土地基的稳定分析，特别 是施工期的稳定分析。 ( 3 ) 有效固结应力法 一般来说，引起软土压密的因素有两个，即压缩和剪缩。该法基本思想是 考虑压缩引起的强度增长，而忽略剪缩引起的强度增长，相应地在强度增长公 式中要考虑压缩过程中的孔隙压力而不计剪切引起的孔隙压力。则软土的强度 增加决定于破坏以前潜在破坏面上的有效应力增加。 这对于荷载面积相对于土层厚度比较大的预压工程，这样的计算方法大致 1 9 第三章撼载预压与加筋技术 是合理的。 对于正常圃结饱和软粘，其强度变化为： t f 2 a 喜g 译。 ( 3 ，2 7 ) 式中：纯，一一内摩擦角，阑结快剪切试验测定，也可根据天然地基十字板剪切 试验值和测定点土自重压力的比值决定( 。) ； 一一地基中计算点的有效固结应力( k p a ) 。 因焉，由固结增长的强度为 f 蠡= a o - ；德纥= 吒q 留 ( 3 2 8 ) 式中：以一一地基中计算点的应力增量( k p a ) 。 此外，在计算地基固结度增长时，应注意打设塑料排水板对粘土结构造成 的破坏，虽然随着时间的推移，逐渐趋于恢复，但刚施工后有一到两个月地基 的强度低予天然强度的过程，所以翻载时应注意这种现象。 3 2 加筋技术 3 2 1 土工格栅简介 工格栅是一种新兴的复合土工合成材料，是在满足永久性、高大土工建 筑物和淤泥质软土地基所提出的抗拉强度高、延伸率低的要求下应运而生。 土工格栅按其制造方法一般可以分为以下两种： ( 1 ) 定向拉伸土工格栅 定向拉伸土工格栅按其制造时的拉伸方向分为单向土工格栅和双向土工格 栅，如图3 。( a ) 、国) ，单向工格掇对蒜经挤压制邂的聚合物板材上冲藐， 然后只在沿板材长度方向拉伸制成；双向土工格栅时继续将单向拉伸的格栅再 褥与其长度垂直的方向上拉伸制戒。 ( 2 ) 复层双向土工格栅 复层双向土工格栅时最新发展的产品，它由多层双向土工格栅重叠捆扎而 成，如图3 1 c ) ，多层结构对土体有较强侧限作用，荷载分布均匀，防止集中荷 载引起的剪切破坏。 土工格撩的基本特性： ( 1 ) 结构特性。土工格栅由横肋、纵肋及网孔组成。相比土工织物易被填 料刺破焉损坏织物结构、降低隔离及加固效果的缺点来说，土工格搋的网簸较 第三章堆载预压与加筋技术 粗、强度高，不易发生网眼断裂、抗冲击性强，从而大大提高了抗尖石刺破能 力；网孔尺寸稳定性好，对粗粒土有较强的嵌锁作用及拱效应，增大了土工网 图3 1 塑料土工格栅的类型 格与填料之间的剪切阻力：便于现场裁剪、连接和重叠搭接。 ( 2 ) 力学特性。拉伸强度是拉伸力学特性的一个重要指标，是指试样在一 定的温度环境下快速拉伸时的屈服强度，可由室内无侧限拉伸试验获得。塑料 土工格栅具有较大的取向度和结晶度，因此大大提高了其拉伸强度( 比未拉伸 前可提高5 - 1 0 倍) ，而伸长率却只为原板材的1 0 1 5 阻训。实验已经验证， 塑料土工格栅与土体之间的摩擦咬合力较强而显著增大，并能在较短时间内发 挥加筋作用。 ( 3 ) 耐久性。材料的耐久性通常是指在一定的环境条件下，材料的工程特 性( 如物理和化学性能) 随时间增加所具有的稳定性。目前影响土工格栅耐久性 的因素主要包括材料老化、蠕变性能、铺设损伤和化学、生物腐蚀。由于这些 因素的影响，其容许强度往往低于由试验得出的格栅强度( 即极限强度) ，因此 需要采用分项系数对极限强度进行折减。 3 2 - 2 加筋土机理研究理论 土体是一种力学性能较差的材料，具有一定的抗压和抗剪强度，而抗拉强 度却很低。上世纪6 0 年代，法国工程师维达尔提出了加筋土概念，维达尔等 人认为加筋土强度的提高( 加筋上体自主稳定性的增加) 根本原因在于：填料( 主 要指土体) 和筋材在变形模量方面存在着巨大差异，因而它们在共同受力变形过 程中，存在相互错动的趋势。这种错动趋势被加筋材料和土体之间存在的摩阻 联结产生的摩阻力所抵抗，从而使筋材承受很大拉力，同时加筋材料之间的土 体侧向变形受到约束，相当于受到附加侧向约束力，正是这一侧向约束力提高 了加筋土的强度。 第三章堆载预压与加簸技术 到目前为止，对筋土作用机理的解释大致可归为三类：一是摩擦加筋原理， 二是准( 似) 糙聚力原理，三是等效围压原理。 一、摩擦加筋原理 在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力作用于墙面板，通过墙 面板上的拉筋连接件将此压力传递给拉筋，企图将筋材麸土中拔凄。丽拉筋 又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩擦力阻止了拉筋的拔出。因此，只要拉 筋幸考料具有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体就可傈持稳 定。对加筋体的一微段进行分析，如图3 2 所示。 ；l 。： 键 ； | l l 一。，。，。 d l 图3 2 摩擦加筋原理 微元体长为毖，加筋拳季料左截蕊受力为互，右截菰受力为磊，莲往筋材的 法向应力为盯，略去筋材的重量和微元体土体的重量。设筋材和土粒之间的摩 擦 系数为f ，b 为筋材宽度，土的水平摊力在该微元段筋材中所引起的拉力为搬， d t = 互一疋。设d f 为土粒与筋材在该微元段上产生的总摩擦力，则有 d f = 鼢j b d t ( 3 2 9 ) 根据对该微元体的受力分析可知，如果 d f d t ( 3 。3 0 ) 则筋一土之间不会产生相互错动，土的水平推力被筋一土之间的摩擦力所 克服，微元体保持稳定。从( 3 2 9 ) 和( 3 3 0 ) 可知，筋材要满足两点：一是表 薅要粗糙，麓使筋一土之闻产生足够的摩擦力；二是筋材要有足够的强度和弹 性模量。前者保证筋材不被拉出，后者保证筋材变形与土体变形大致相同。 第三章堆载预压与加筋技术 二、准( 似) 粘聚力原理 加筋土结构可看作各向异性的复合材料，一般情况下加筋材料的弹性模量 远远大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，外测强度包括了填土的抗剪 力、填土与筋材的摩阻力和筋材的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显 提高。可根据用摩尔一库仑应力圆( 图3 3 ) 来说明。 0 a la l 0 io l i o 1 垒曼! i 图3 3 莫尔库仑应力圆 o3 ( k p a ) 图3 4 未加筋砂和加筋砂强度曲线 图3 3 中，a 为未加筋砂极限破坏状态，b 为未破坏时应力状态，c 为加筋 砂极限破坏状态，在三轴对比试验中，未加筋砂土样在q 、c r 3 作用下达到极限 平衡。而保持以不变，加筋砂在相同应力状态下未破坏，仍然处于弹性平衡状 态。当矾增至吼，时，加筋砂发生破坏，这说明，加筋砂样比无筋砂样强度提高 了。这是由于所铺设的加筋材料与砂土之间的相互作用，相应地对原来的土体 产生一种侧向的约束，就像钢筋混凝土中的箍筋一样，限制了土体的侧向变形， 就相当于在原来的土体小单元中提供了一个侧压力增量a o - 3 ，提高了土体的抗压 强度。 第三章堆载预压与加筋技术 根据库仑理论，土的极限强度为： f ，= d r 辔伊+ c ( 3 3 1 ) 式中：f ，一一土的极限抗剪强度( k p a ) ； 盯一一土体上受到的正应力( k p a ) ； c 一一为土的粘聚力( k p a ) ； 矽一一内摩擦角( 。) 。 设吼，为土样破坏时的最大主应力，吒为土样侧面的最小主应力。根据土样 破坏时土样的摩尔圆与库仑强度线相切的条件，可得 o 1 ，= o y 9 2 ( 4 5 p + 伊，2 ) + 2 c t g ( 4 5 。+ 伊，2 ) ( 3 3 2 ) 加筋土的强度有了增加，应有一条新的抗剪强度线来反映这种关系( q ，与 ) 。根据实验证实，如3 4 ，加筋土与未加筋土的强度包线几乎完全平行，说 明妒值在加筋前后基本不变，但加筋砂的强度曲线不通过d r 一r 坐标原点，而与 纵坐标f 相截，截距为c ，相当于式( 3 3 1 ) 中的c 。加筋土力学性能的改善是 由于加筋土具有“粘聚力”的缘故，“粘聚力”不是砂土本身固有的，而是加筋 的结果，所以称为“准粘聚力”。 准粘聚力可以通过下述关系来推导。将加筋砂的三轴试验看作是无筋砂的 试验，要使其达到极限平衡状态有： o 1 ，= ( o - 3 + a o - , ) t 9 2 ( 4 5 0 + 伊，2 ) ( 3 3 3 ) 比较式( 3 3 2 ) 和式( 3 3 3 ) 可得 2 c t g ( 4 5 。+ 妒，2 ) = a o 3 i t 9 2 ( 4 5 。+ 伊，2 ) 由上式可得： c ：华t g ( 4 5 。+ 妒，2 ) ( 3 3 4 ) - a o - 3 为等效应力增量，它是加筋砂土体中的拉筋产生的，无法直接测得，可 表示为： a ：c r 3 f o 1 ；- 0 - 11 ( 3 3 5 ) d 1 上式是建立在拉筋不出现断裂或滑动，同时也不考虑拉筋受力作用后产生拉 。伸变形的条件下得出的。取三轴试样破裂时的土体为脱离体作进一步的分析，如 图3 5 所示。 图3 5 中，作用在脱离体上的作用力有：轴向应力以( 破坏时为o - 1 ，) 、水 第三章堆载预压与加筋技术 平应力吒、筋带拉力r 、破裂面上填土的反作用力r 破裂时r 与破裂面的夹角 为9 ，破裂面与水平面的夹角为4 5 。+ c p 2 。设么为试样的截面积，为拉筋 的极限抗拉强度，4 为拉筋的截面积，最、s ，分别为加筋土体中拉筋层的水平 和竖向间距，则破坏时的筋带拉力为 r ：c r = a , a t g ( 4 5 。+ q ，1 2 ) ( 3 2 6 ) s x s y 反作用力r 为 r = 么q ，s i n ( 4 5 。+ c p 2 ) ( 3 2 7 ) 根据脱离体的静力平衡条件，有 丁+ 彳巧3 f g ( 4 5 。+ 伊，2 ) 一尺s ( 4 5 。+ 伊，2 ) = 0 一将式( 3 2 6 ) 和式( 3 2 7 ) 代入式( 3 2 8 ) ，可得 q ，= o v g ( 4 5 。+ 妒，2 ) + ! 二兰铲 比较式( 3 2 3 ) 和( 3 2 9 ) ，可得 t蛔t p ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) 图3 5 加筋脱禹体平衡图 试验结果表明，加筋土的似粘聚力发展很快，对于0 2 的轴向变形，c 。就 可达到极限值的8 0 ，轴向变形到2 时，加筋层的抗拉强度已全部发挥作用。 三、等效围压原理 将加筋土中筋材的作用当成一个附加围压分析筋土破坏是首先由y a n g 比u 提 出，d o n a l d 妇2 3 等人用等效围压的概念较好地分析了三轴试验中加筋土的破坏。 所谓等效围压，是指试样在三轴压缩剪切试验中，加筋土样与不加筋土样在相 竺出 生 一箸 第三章堆载预压与加簸技本 同的围压作用下，加筋土样的应力一应变曲线比不加筋土样高，破坏主应力差 大，加筋土样抗剪强度增大昀效果相当于提高了作用子试样的圈匿，在图3 。3 中加筋效果相当于为土体增加了一个侧向围压c r 3 。假设该压力在加筋范围内平 均分布，如果上下两加筋层之间的距离为a 日，则以可以表示为：z o - 3 = 疋7 解( 式中，疋为加筋材料的单宽抗拉强度) 。 四、其它理论假设 均质等代材料理论。加筋土是由填料与加筋材料瑟层交替铺设面成豹复合 体。每层填料和加筋材料形成一个单元层，每层互相平行且间距相等，那么 加筋体就由很多的单元层组成，因此，可将加筋体看成为交替正交层系。加筋 体( 即正交层系) 的厚度与单元层相比要厚得多。假定各单元层的分层界面上无 相对位移，每一层中三个均质材料的平面垂宜于一个赢角坐标轴，而且层面又 平行于一个弹性对称面，那么这种交替正交层系可以瘸等代均簇奉| 料的理论来 分析，以研究加筋土在工作荷载作用下的性状。 为计算加筋体中的应力分布，需要确定“等代予 土与加筋层系统豹均质 正交材料的性质、有关荷载条件和所给结构的几何条件。如果臻确定等代材料 中一点的应力，则可用正交层理论求得土与拉筋中同一点的应力。将来加筋土 体中的临界应力区与加筋数量不同、加筋方向不同、加筋材料布置不同豹赧筋 体中的临界应力区进行比较，就可获得加筋土的最佳设计。 均质等代材料分析要求加筋体是弹性体，土与加筋材料闻不产生穗对滑动。 实际上，只要土中应力状态低于土的破坏包络线，加筋材料中的主应力小于加 筋材料的破坏应力，且土与加筋材料的界面剪应力低于界面上的最大抗剪强度， 都可以用均质等代分析法进行计算。也就是说，要应用均质等代分析法，加筋 体应在工作荷载条件下，而不能在极限荷载条件下。 均质等代材料分析计算可采用有限元法、有限差分法、边界积分法或积分 变换法来求解。从工程实用角度来讲，未加筋土体和加筋体的应力区比较判断 还有一个判别标准问题要解决。均旗等代材料分析的关键是确定等代的正交材 料的有关参数。 弹塑性层板理论。加筋体是由填土与加筋材料层层钠设而成，把每一层加 筋