（岩土工程专业论文）高速公路软土路基变形规律现场监测及数值模拟研究.pdf

论文题目：高速公路软土路基变形规律现场监测及数值模拟研究 专业：岩土工程 硕士生：唐筱慧 指导老师：任建喜 摘要 ( 签名) ( 签名) 由于软土路基变形机理的复杂性及其影响因素的多样性，软土路基变形控制研究一 直是高速公路建设中的一个难题。开展高速公路软土路基变形规律现场监测及数值模拟 研究具有重要价值。本文采用理论分析、现场监测及数值模拟相结合的方法，研究了高 速公路软土路基的蠕变变形规律，主要工作及结论有： ( 1 ) 分析了软土的蠕变特性和几种典型的蠕变计算模型，对软的蠕变圃结变形 规律进行了初步研究。 。( 2 ) 以杭州绕城高速公路k 2 8 + 8 3 0 粉喷水泥搅拌桩处理试验段为依托，对粉喷水 泥搅拌桩处理软土路基的工程效果进行了初步研究。结果表明，粉喷水泥搅拌桩使软土 路基沉降和水平位移明显减小，地基稳定性增强，适宜加固饱和软粘土地基，尤其适合 于桥头有相对硬层作为持力层的地段。 ( 3 ) 分析软土路基的变形规律时，必须考虑软土的蠕变固结特性。应用f c 软 件完成了软土路基蠕变变形规律有限差分数值分析。结果表明，竖向及侧向位移的 f l a c - 2 d 蠕变计算结果，总体上能反映实测的路基变形发展趋势，数值计算结果与现 场监测结果基本一致。粘塑性蠕变本构模型可用于软土路基沉降预测预报，对软土路基 沉降控制有一定参考价值。 关键词：软土路基；蠕变；固结；沉降；规律；数值模拟 研究类型：应用基础研究 s u b j e e r ：i n s i t em o n i t o r i n ga n dn u m e r i a ls i m u l a t i o ns t u d yo nt h e d e f o r m a t i o nl a w so fs o f ts o i lr o a d b e do f h i g h w a y s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i e a le n g i n e e r i n g n a m e ：t a n gx i a o h u i i n s t u c t o r ：r e nj i a n x i ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 1 1 壕s t u d yo nt h ed e f o r m a t i o nc o n t r o lo fs o f ts o i l r o a d b e di sap u z z l e d u r i n gt h e c o n s t r u c t i o no fh i g h w a yb o c 鹏o f c o m p l e x i t yo fd e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dv a r i e t yo f i n f l u e n c ef a c t o r s i n - s i t em o n i t o r i n ga n dn u m e r i a ls i m u l a t i o ns t u d yo nt h ed e f o r m a t i o nl a w s o fs o f ts o i lr o a d b e do fh i g h w a yh a v eg r e a tv a l u e s 1 1 ”c r e e pd e f o r m a t i o nl a w so fs o f ts o i l r o a d b e do fh i g h w a ya r em a i n l ys t u d i e db yn l 啪so ft h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i s , o n - s i t em o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 圮m a i nc o n t e n t s 矾黔f o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r e e p - c o n s o l i d a t i o ni ns o f ts i o la n ds e v e r a l 卿c a lc r e e p c o m p u t a t i o n a lm o d e l sa r ea n a l y z e d a n dt h ec r e e p - c o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o nl a w so f s o f ts o i l a r ep r e l i m i n a r ys t u d i e d ( 2 ) t h es t u d yo nt h ee n g i n e e r i n ge f f e c to nt h es o f ts o i lr o a d b e dw i t ht h et r e a t m e n to f d r y j e tm i x i n gp i l e sb a s e do i lt h ee x p e r i m e n t a ls e c t i o nk 2 8 + 8 3 0o f h i g h w a ya r o u n dh a n g z h o ui s a c c o m p l i s h e d mr e s u l t ss h o w t h a tb e c a u s eo ft h es t r e n g t h e n i n go fd r yj e tm j x i n gp i l e st h e v e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta n dt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs o f ts i o lr o a d b e do b v i o u s l yr e d u c ea n d t h es t a b i l i t yo fs o f ts i o lr o a d b e di se n h a n c e d s ot h ed i - yj e tm i x i n gp i l e sa d a p tt or e i n f o r c e i n g t h es a t u r a t e ds o f ts o i lr o a d b e d , e s p e c i a l l yr e i n f o r c i n gb r i d g eh e a ds o f tr o a d b e d ( 3 ) w h e nt h ed e f o r m a t i o nl a w so fs o f ts o i lr o a d b e da r ea n a l y z e d , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f c r e e p - c o n s o l i d a t i o ni ns o f ts i o lm u s tb ec o n s i d e r e d 皿ec r e e pd e f o r m a t i o nl a w so fs o f ts o i l r o a d b e da a n a l y z e db yt h ef a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a 1 1 地r e s u l t ss h o wt h a tt h e c a l c u l a t e dc r e e pr e s u l t so fv e r t i c a la n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n tw i t hf l a ca r e g e n e r a l l y c o n s i s t e n tw i t ht h eo n - s i t ed e f o r m a t i o nt r e n d s a n dt h er e s u l t so f n u m e r i c a lc a l c u l a t i 躺i n a g r e e m e n tw i t hm e a s u r e dr e s u l t s 1 kv i s c o - p l a s t i cc l - l 2 pc o n s t i t u t i v em o d e l 伽b eu s e di n t h es e t t l e m e n tp r e d i c t i o no fs o f tc l a ye m b a n k m e n t s w h i c h 啪o f f e rr e f e r e n c e st oc o n t r o lt h e s e t t l e m e n to f t h es o f ts i o lr o a d b e d k e y w o r d s ：s o f ts o i lr o a d b e d c r e e p c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t l a w s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西妻错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：麓臌茕日期：。矿7 争。 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：魂啜戋、指导教师签名： 山哆年夸月巧e l l 绪论 “ 1 1 问题的提出 l 绪论 我国经济发展不平衡，东部沿海地区较发达，因而高速公路建设在东部沿海一带较 为集中，而东部沿海大部分地区在地质上属第四纪全新纪( q 4 ) 土层【，多为河相、海相 或泻湖相沉积层，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。 淤泥及淤泥质土总称软( 粘) 土【2 】【3 】，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 。当天然孔隙比大于1 o 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。软土广泛分布在我国东南沿海、内 陆平原和山区，如天津、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门和广州等沿海地区，以 及昆明和武汉等内陆地区例。 软土是一种特殊性土，其物理力学性质差，具有高含水量、大孔隙、低密度、低强 度、高压缩性、低透水性、触变性、流变性等特征【4 】。在外荷载作用下，地基承载力低， 地基变形大，不均匀变形也大，且变形稳定历时较长，在较深厚的软土层上，建筑物基 础的沉降往往持续数年乃至数十年之久。 由于软土恶劣的工程性质，常破坏或降低道路质量，引起下列问题同：( 1 ) 路堤整体 滑动，桥台破坏；( 2 ) 构造物与路堤衔接处差异沉降，引起桥头跳车及路面破坏；( 3 ) 涵身、 通道凹陷，沉降缝拉宽而漏水；( 4 ) 路面横坡变缓，造成积水等。如日本常磐高速公路神 田桥从1 9 8 6 年9 月2 0 日通车后，1 9 个月中平均每月修补一次错台，严重影响了路面质 量和通行能力：我国沪嘉高速公路通车4 5 月后桥头错台大者达7 8 0 n ，使行车速度 大为下降；江苏宁连一级路，由于软土沉降等问题，使路面开裂，桥头错台，通车几年 来一直小修不断。显然对于交通量大，养护时问难得的高速公路，软路基工后沉降常 常是设计控制指标。其中有些公路经过多次返修也未能彻底整治病害，在人力和物力上 造成很大浪费。因此，软土路基变形规律的研究与变形控制具有现实意义。由于软土路 基之上的路堤高度差异和地基不均匀等原因，软土路基各部分的沉降或多或少总是不均 匀，使得路面相应产生不均匀变形。路基不均匀沉降超过了一定的限度，将导致路基的 功能性、结构性破坏，使得公路不能满足设计要求。因此，研究软土路基的变形，对于 保证公路的正常使用和经济，都具有重大意义。 地基沉降分析是土力学的重要研究课题之一。自从t e t z a g h i 的一维固结理论【6 j 问世 以来，土体固结沉降理论研究取得了长足的发展，并在工程建设中发挥了巨大的指导作 用。且随着计算机技术的进步，采用有限元等数值计算分析沉降已成为现实，但软土地 西安科技大学硕士学住论文 基沉降的课题仍然困扰着许多岩土工程技术人员口h 1 0 1 。 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，对沉降计算的要求也在不断提高，改进或提高软基沉降预测和计算方法具有重大的 学术价值和社会效益1 1 h 埘。 软土路基沉降特性及其预测预报方法的研究已取得重要成果【7 h 堋，但由于这一问题 的复杂性，软土路基变形机理仍需进一步研究。因此，本论文拟以杭州绕城高速公路为 依托，进行软土路基的变形机理和沉降预测方法研究，开展高速公路软土路基沉降规律 现场监测及数值模拟研究具有重要的工程价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 软土变形理论国内外的研究动态及发展趋势 从已建软土地基上高等级公路的运行情况看，工后沉降大，特别是存在“桥头跳车” 现象，轻则影响车辆行车速度，严重的将导致交通事故。因此，软土路堤的设计重点由 稳定控制转向变形控制成为了必然的趋势。 软土变形理论包括周结理论和沉降计算两个部分。 ( 1 ) 土体的固结理论 所谓固结，就是在荷载作用下，水从土孔隙中被挤出，土体收缩的过程。固结过程 也就是孔隙压力消散的过程。早在1 9 2 5 年，土力学的奠基人t e r z a g h i 建立了一维固结 理论 6 1 ，但同时也引入了许多假定。尤其是假定荷载一次瞬时施加并维持不变，土体承 受的总应力不随时间变化。而实际施工过程中，外荷载是逐渐变化的；假设土的渗透系 数为常量，应力一应变关系呈线性，固结系数不随时间和深度变化，因此它只是适用于 饱和土体小变形固结情况，不宜直接应用于软土。 t e r z a g h i 和r e n d u l i c ( 1 9 3 6 年) 提出了t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论( 或称为扩散理论) ， 将一维固结理论推向了二维、三维，但其推导中假定总应力之和不随时间变化，与实际 不完全相符，故常称这种固结理论为“拟二维或拟三维固结理论” 1 9 l 。 1 9 4 1 年，b i o t 从较严格的固结机理出发，推导了准确反应孔隙压力消散与土骨架变 形相互关系的三维固结方程，一般称为“真三维固结理论瑚。b l o t 固结理论建立考虑 体力情况下的平衡方程，并建立土体的本构方程，反映了土体在固结过程中，孔隙水压 力的变化和位移之间的关系。 但以上的固结理论都是建立在线弹性变形的假定条件下的，而实际土体通常是非线 性变形体。g i b s o n 1 9 l ( 1 9 6 7 年) 等人提出了一维有限非线性应变固结理论，它考虑了土 体的压缩性和渗透性与孔隙比的非线性变化，以及土体自重应力等方面的因素，此外， 有些基本假设与t e r z a g h i 理论基本相同。g i b s o n 和s c h i 】如觚等 2 0 l ( 1 9 8 1 年) 用有限非 2 1 绪论 线性应变固结理论分析厚层粘土的固结过程时发现，如果考虑土体的非线性，则求得的 同一层土的固结速率比用t e r z a g h i 理论推求得快。窦宜【2 l j 、蔡正银 2 2 1 等人( 1 9 9 2 年) 得出了g i b s o n 的理论在简化条件下的解析解，并通过离心试验进行了分析验证。然而， 对于线弹性固结理论的任何有意义的改进，都将使计算工作量大大增加，并且还会增加 一些常规试验难以取得的计算参数，从而影响它们的使用性。 ( 2 ) 土体的沉降计算 软土地基在受到荷载作用后的变形过程是一个复杂的过程，按沉降产生的机理不 同，可分为三个组成部分，即瞬时沉降、固结沉降、次圃结沉降网。其中瞬时沉降来源 于外荷载使土体产生剪切作用而引起的侧向变形；固结沉降是由于土体在外荷下，孔隙 水压力消散导致土体积压缩变形所致；次固结沉降发生在主固结完成后，是由土骨架在 持续荷载下的蠕变所引起的。一般认为，次固结沉降通常很小、历时久，在总沉降中一 般都小于1 0 0 4 。若工后沉降主要由主固结沉降组成，可以采用加长预压时间或超载预压 的方式进行解决；对于工后沉降主要由次固结沉降组成的，目前还无法采用主动措施闭。 现有的软基沉降计算方法可划分为数值分析法和理论公式法两大类。其中，数值分 析法可以较全面地考虑土体变形特性及其边界条件，理论上较严密。但这种方法复杂， 工作量大，计算参数的选取困难，目前主要应用于理论研究和重大工程，且有待完善。 工程中通常采用理论公式法。这类方法具有简便、直观，计算参数少且易取得等优点。 国内外关于软基路堤沉降的计算方法很多【2 5 卜删】，常见的几种求路堤固结总沉降的 方法有分层总和法、应力路径法、有限单元法、差分法、无单元法。 分层总和法未能考虑地基的侧向变形，从而导致软土地基的沉降计算结果偏小。现 有地基规范上提供的修正系数几乎均不能有针对性地考虑软基中侧向位移对沉降的影 响，取值不仅范围大，且无具体取值参考表，给工程技术人员带来一定困难。 应力路径法过程虽繁琐，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。 有限元法可以采用非线弹性、弹塑性、粘弹塑性等多种描述土体应力一应变关系的 模型，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塑性模型 3 2 3 3 1 ， 考虑损伤效应的弹塑性损伤模型等0 4 1 d 卯。求得的沉降可同时包含瞬时沉降、固结沉降和 次圃结沉降三部分。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、水与骨架上应力的耦合效应，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盹h 3 射。可见有限元确实是一种较为完 善的方法，但由于其采用的模型中所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 要地段的路堤沉降计算，且目前有限元还很难考虑大变形固结问题即几何非线性问题， 3 西安科技大学硕士擘位论文 往往使计算结果偏离较大 3 9 1 。 差分法是将研究课题包含的区域用差分网格加以离散，用差分公式近似代替所研究 课题微分方程中导数，从而得到差分方程。从2 0 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【帅】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时程曲线【4 l 】。 无单元法摆脱了单元的限制，无需网格和高阶连续解，与传统有限元法相比，其优 点主要体现在 4 2 4 3 1 ：前处理简单；计算精度高；对应力集中和裂纹扩展问题具有 独特的优势。既然无单元法具有很多有限元法不具备的优点，那么用无单元法来解比奥 固结问题也是一个新的思路和尝试。目前，己有不少学者对此作过研究，并取得满意的 结果1 4 4 1 1 4 5 。当然，该法也为软基路堤的沉降计算提供了新方法。可以断言，无单元法的 突出优点决定了它将有更广阔的发展空问和应用前景f 4 3 。 此外，边界元法闱、有限层理论法【4 玎等在路堤沉降计算中也有一定的应用。 1 2 2 粉喷桩发展历史及现状 处理软土路基的方法很多，本文主要对粉喷桩的处理效果进行现场监测评价及数值 模拟分析，因此，重点介绍粉喷桩的发展过程。 粉喷法【档l 最早于1 9 6 7 年由瑞典的蜀e l d p a u s 提出，1 9 7 1 年首次采用粉喷法制成石 灰粉喷桩试桩，1 9 7 4 年应用于稳定路堤和深基坑并取得专利，此后在欧美广泛应用。国 内1 9 7 7 年由冶金部建筑总院和交通部水运规划设计院进行了室内试验和机械研制工作。 1 9 8 0 年在软土地基加固工程中首次获得成功应用，此后在全国软土地基加固工程中，特 别是在道路工程中推广开来。目前国内工程中使用的粉喷桩深度多为1 0 m 1 5 m ，最大 桩长己达2 7 m 。但从粉喷法问世起，工程应用一直相对超前于理论研究。 陆贻杰、周国均利用三维有限元，对荷载作用下水泥搅拌桩复合地基的应力传递、 变形分布及荷载变化对其性状的影响作出了定量分析1 4 9 。1 9 9 1 年林琼通过室内模型试 验，研究了水泥搅拌桩复合地基的承载力。当水泥掺入量小于等于1 0 时，复合地基承 载力与桩长无关，呈现柔性桩的特性；当水泥的掺入量大于等于2 0 后，复合地基的承 载力随桩长的增加而增加；当水泥的掺入量为1 0 - - 3 0 时，对复合地基的承载力影响 很大，其特性类似于刚性桩1 5 0 。1 9 9 3 年陈竹昌、王建华对水泥搅拌桩的沉降及组成、 桩侧摩阻力的发挥程度进行了分析，并提出了刚性桩与柔性桩的判别标准。刚性桩的承 载力及沉降主要取决于桩周土和桩端土的性能，而受桩身压缩变形的影响较小：柔性桩 的承载力及沉降不仅与桩周土、桩端土的性能有关，而且受桩身压缩变形的影响很大。 4 1 绪论 即使强度很大的混凝土桩，其刚性的大小也与长细比有关，当桩较短即长细比小于3 0 时，属于刚性桩；当桩很长即长细比大于7 0 时，表现为柔性桩【”】。1 9 9 4 年段继伟通过 现场足尺试验，研究了水泥搅拌桩的荷载传递规律，认为桩体的变形、轴力、侧摩阻力 主要集中在临界深度这部分桩体上，超过临界深度以后，桩体的变形、轴力、侧摩阻力 发挥较小1 5 2 】。1 9 9 8 年梁伟平等针对粉喷桩复合地基事故很大一部分是由于桩身强度不 够引起的这种情况，以上海宝山钢铁总厂粒化高炉矿渣及水泥的混合物作为固化剂，对 加固土的强度影响因素进行了试验并作出分析p 肌。1 9 9 9 年刘和元应用有限元并结合原 位测试成果对超长水泥上搅拌桩复合地基的固结变形、孔隙水压力的分布以及桩身荷载 的传递规律等基木性状进行了研究酬2 0 0 4 年刘松玉等自行研制出双向水泥土搅拌桩 及其施工工艺和施工机械，并通过工程实例和试验数据分析双向水泥土搅拌桩的工程特 性嗍。 1 2 3 软土路基沉降计算方面存在的问题及解决方法 通过以上分析可以看出，现有的软基路堤沉降计算方法还存在以下问题： ( 1 ) 现有的预测沉降的经验公式模型，大多只适用于一级荷载下沉降预测，因为此时 沉降一时间曲线呈渐变、光滑地发展，无明显的“台阶现象”，对于多级荷载下的路堤 沉降未必适合； ( 2 ) 耦合软土流变项的经验公式模型目前尚是空白，现有经验公式都不能清楚给出不 同时刻的软土次压缩量来； 。， ( 3 ) 有限单元法计算中土体模型参数多且不易确定，使得该法在道路工程中未得到广 泛地普及、应用； ( 4 ) 如何使路堤沉降的单向分层总和法计算结果中计入土体应力历史与土体侧向变 形，这是岩土工程领域一个重要课题。目前规范上所提供的沉降修正系数均比较笼统、 粗略，不能有针对地考虑这两个方面； ( 5 ) 软基路堤沉降的数值计算方法比较单一，基本上都是分层总和法、有限元法，而 新型数值方法，如无单元法( m e s h - l 髑m e t h o d ) 、数值流形法( n u m e r i c a lm a n i f o l d m e t h o d ) 等等在这方面具体应用的研究还较少。 因此，我们可从以下几方面对地基沉降计算予以改进： ( 1 ) 考虑土的变形机理，将沉降分为三个部分来分别计算； ( 2 ) 考虑土体的实际应力状态来改进沉降计算； ( 3 ) 考虑地基土体的地质历史影晌。因为土体在欠固结、超固结及正常固结状态下变 形特性是不同的，因此要根据实际应力水平选用不同的计算参数； “) 采用经验校正系数调整计算结果。经验校正系数必须是根据大量沉降观测资料统 计分析确定的，它是用来消除土体侧向变形、土体的次固结变形、计算参数的测试方法 5 西安科技大学硕士学位论文 以及地基土的非线性特性等因素对沉降的影响； ( 5 ) 采用可以考虑复杂边界条件和较复杂的土体本构模型的数值计算方法等。 1 3 本文研究的目的、思路和内容 1 3 1 研究目的及意义 目前，地基的固结沉降已有多种计算方法，但由于软土的形成条件不同，软土的性 质有较大的差异，这些方法都有各自的适用条件和局限性，而且无论何种计算方法，由 于受地基土的性质、厚度、排水条件、荷载大小和施工方法等众多因素的影响，路基沉 降无法准确估算，实际沉降与设计沉降一般都存在较大的差别，影响工程的使用。因此， 软土路基沉降机理、沉降计算和控制方法的研究己成为迫切需要解决的问题。目前f l a c 虽然已在岩土工程许多方面得到大量的应用，然而在运用有限差分软件进行软土地基沉 降分析方面还需要对它的适用性进行实践和探索。 因此，本论文结合杭州市绕城高速公路北线工程软土路基处理的试验研究，在总结 现有的考虑软土蠕变特性的固结理论基础上，运用f l a c 软件进行数值模拟分析，开展 考虑软土蠕交特性的沉降计算理论与不均匀沉降控制的研究。对于发展地区路基土工设 计理论，提高高速公路路基路面设计水平，具有重要的理论意义和工程应用前景。 1 3 2 研究方法及主要研究内容 软土路基的处理和变形控制是非常复杂的问题，开展软土路基蠕变变形规律的现场 试验及数值模拟研究具有重要的理论意义和潜在的工程应用价值。本文以杭州绕城高速 公路北段为依托，采用理论分析、现场监测及f l a c 数值模拟相结合的手段对高速公路 软土路基变形规律进行研究，主要研究内容有： ( 1 ) 研究软土路基蠕变变形规律，分析各种软土蠕变固结模型的特点及使用范围， 得出软土路基的沉降变形规律。 ( 2 ) 研究粉喷水泥搅拌桩的力学特性及其对软土地基的加固机理。 ( 3 ) 根据杭州绕城高速路北线工程k 2 8 + 8 3 0 粉喷水泥搅拌桩处理断面软土路基变形 规律的现场试验监测结果，分析软土路基的变形规律，研究粉喷水泥搅拌桩处理软土路 基的适用性及粉喷水泥搅拌桩对软土路基的加固效果。 ( 4 ) 采用w i p p 模型与d - p 准则相结合的粘塑性蠕变模型，以f l a c 中的二维单元一 一桩单元来模拟粉喷水泥搅拌桩，应用f l a c 5 0 有限差分软件，建立软土路基的二维 f i ，a c 模型，进行软土路基数值模拟计算，研究软土路基的竖向和水平向变形规律，并 与现场实测数据进行对比分析，探讨蠕变模型的适用性。 6 2 软土路基的蠕变固结特性分析 2 软土路基的蠕变一固结特性分析 软土的流交特性特别是蠕变特性是软土的一种最重要的工程性质，在软土路基的固 结分析中必须予以考虑。虽然，目前在软土的固结或蠕变研究方面取得了大量的成果， 但软土蠕变变形规律研究是一个十分复杂的问题，任何工程的软土蠕变分析都需尽量模 拟现场条件。本章通过分析各种软土蠕变固结模型的特点及使用范围，给出了软土路 基沉降变形的一般规律。 2 1 软土的蠕变与固结 2 i i 软土蠕变变形特性 ( 1 ) 软土蠕变的一般特征 软土中出现的流变现象在大多数情况下反映为土体的蠕变，即剪切应变和体积应变 随时间而变的现象，其应变速率取决于应力水平和土体结构的粘滞阻力。 土的蠕变现象也可以用土体的内部微观组构的变化来解释，即土的蠕变过程与土体 的微观结构有关。软土的主要结构为蜂窝状结构和絮状结构，在荷载作用下，土体的变 形趋势将使得土体内部某些颗粒连结更加紧密，产生土体硬化作用；某些颗粒却由于结 构连结受到破坏而使得土体产生软化作用。软土所表现的蠕变过程就是这种硬化和软化 同时进行的过程，当硬化占主导对，蠕变表现为稳定蠕变；反之，当软化占主导时，士 体的蠕变就视为非稳定的。 土体蠕变特征可通过蠕变试验获得。图2 1 ( a ) 为一组剪切蠕变曲线1 6 刀，这些曲线 随作用应力的不同，显示出不同的蠕变过程。当剪应力小于某一值时( 如f ) ，土体将产生非阻尼蠕变 ( a ) 似 翅 京 图2 i 应变与时何的关系 7 西安科技大学硕士学位论文 试验证明，在常应力作用下，软土的蠕变一般呈阻尼蠕变特征。 非阻尼蠕变包括以下几个阶段，如图2 1 ( b ) 所示： o a 为瞬时变形阶段，瞬时变形值一般很小； a b 为非稳定蠕变阶段( 阻尼) ，在这一阶段，变形速率由大逐渐减小，甚至趋于 某一常量，因而也称衰减蠕变，这一阶段的历时通常较短； b c 为稳定蠕变阶段，变形速率为常数，其历时一般较长，这一阶段蠕变通常被 称之为等速蠕变； c d 为渐变阶段，其变形速率逐渐增大，最后导致破坏，称为加速蠕变。当应力 较大时，渐变阶段历时可能很短。 对于含水量较大的软粘土，a b 段所示的非稳定蠕变增长的时间较短，主要是b c 段所示的稳定流动阶段。 。 试验研究表明软土在应力作用下，变形随时问增大，在应力水平较低时，变形与时 间成对数直线关系【6 7 l ，此时土体表现为线性粘弹塑性体，蠕变特征为衰减稳定型的；当 应力水平较高时，土体的应力一应变一时间关系不再呈现线性关系，土体变形表现为不 稳定蠕变。 所以，软土不仅有明显的蠕变特性，而且随着应力水平的增加，逐渐显示出明显的 非线性蠕变特征。 ( 2 ) 软土蠕交特性的影响因烈5 6 l 任何土体都具有蠕变特性，而软土蠕变特性最明显。但在多种因素的影响下，蠕变 显示的状态却不一样，研究表明，影响土体蠕变性质的因素主要有： 软土的物质组成 软土的粘粒含量及其矿物成分对软土的蠕变性质有很显著的影响。片架结构的软粘 土，由于其特殊的微观结构和结合水的作用往往有较明显的蠕变变形，粘粒含量越多， 软土的活动性越大，蠕变变形和应力松弛也越显著。m i t c h d l 通过试验证明，在粘粒相 同时，含蒙脱土土样的蠕变速率最显著，伊利土次之，高岭土最不显著。 含水量的大小和孔隙水性质对软土的蠕变特性也有较明显的影响。含水量越大，软 土的蠕变变形也越大；孔隙水粘性越大，结合水的粘性也越大，软土的蠕变特性也越明 显。 应力历史和应力路径 由于软土的蠕变变形与强度和时间有关，故现有固结应力持续的时间及历史上应力 变化过程对未来土体的变形和强度都会产生影响。试验研究表明，在同样大小的偏应力 作用下，平面应变试验、各向均匀三轴压缩试验和毛三轴试验测得的蠕变曲线及破坏 时间是不同的，反映了应力历史对土体蠕变性质的影响。 除此之外，应力大小对蠕变特性也有显著影响。 8 2 软土路基的蠕变固结特性分析 温度变化 在常规试验中，般都不考虑温度对土的性质的影响。实际上，温度变化时，孔隙 水的粘滞性和压力都将发生变化，从而影响土的蠕变性质。一般情况下，温度越高，蠕 变速率越大。温度改变很大时，甚至可能使土的蠕变曲线从阻尼型变为非阻尼型。 上述诸因素可以单独影响土的蠕变特性，也可以通过综合作用改变软土的蠕变特 性。 ( 3 ) 软土工程的时效特征【5 刀 时效特征( t u n e - d e p e n d e n tb e h a v i o u r ) 是软土工程的固有力学属性，含有较蠕变理 论更为广泛的内容，不仅包括土体材料自身的一些蠕变性态，还包括各性态的相互作用 及与结构物的共同作用，因而是用以解释和分析软土工程长期稳定性的重要依据。 影响软土工程时效特征的主要因素有： 软土材料本身所具有的粘性性质 这些性质包括蠕变、松弛、弹性后效和滞后效应等。 软土所受到的应力水平和加载方式 在软土工程的开挖、堆载等过程中，在不同的空间位置上和时间间隔内，软土各点 所受到的应力水平和加载速率都不相同，所表现的蠕变规律也不相同，应力水平较低时， 表现为衰减蠕变；应力水平达到或超过某一限值时，应变维持在某一常值或持续增大， 并可能导致破坏。 软土的赋存环境 软土的赋存环境包括温度、湿度和结构物等，一般情况下，温度的增高和饱和度的 增加都将导致蠕变量的提高，与结构物的共同作用可能改变蠕变量的发展趋势或产生应 力松驰。 软土工程时效特征的主要表现有： 稳定蠕变和非稳定蠕变 软土的蠕变形式分为稳定蠕变和非稳定蠕变两种，前者除了影响变形值的大小外， 一般对工程稳定不会造成直接威胁，后者却往往导致工程局部或整体失稳。 长期强度 为了避免非稳定蠕变的发生，必须建立判断材料稳定蠕变或非稳定蠕变的准则，以 及对应于各土层的强度指标。显然，考虑土体时效特征以后的强度指标在不计固结作用 时将低于瞬时强度指标，考虑固结作用以后结论可能相反，软土蠕变力学的重要工作之 一就是要揭示其间的规律，为工程设计提供必要的依据和对策。 蠕变变形与应力松弛 软土的时效特征包括软土材料与时间有关的所有形态，其中蠕变和松弛是主要的内 容。与室内试验中应力保持为常量或应变保持为常量的理想状态不同，工程实际中的蠕 变性态更为复杂，往往在同一结构体中出现蠕变和松弛并存且相互影响的现象。 9 西安科技大学硕士学住论文 2 1 2 土的固结理论 ( 1 ) t e t z a g h i 固结方程 9 1 土的固结理论是描述土体材料区别于任何人工材料和岩石材料的重要理论。 t e r z a g h i 于1 9 2 5 年建立了饱和土体固结模型。理论假定在加荷瞬间外荷完全由孔隙水压 力承担，然后随着时间的推移和孔隙水的排出，外荷逐渐向土粒骨架转移，直到超孔隙 水压力完全消散，这时土体的固结变形亦结束。其一维固结微分方程为： 。c , , 万o z u = 百0 u ( 2 1 ) 式中，c 为固结系数，与土的物理力学性质有关：c ：竖业，p 、七、q 分别为土的 q h 孔隙比、渗透系数、压缩系数；为孔隙水压力。给定方程的初始条件和边界条件，可 求得解析解。 t e r z a g h i 一维固结理论由于其明确的原理和相对简单的求解方法而在工程界一直沿 用至今。后针对单向固结在实际应用中的局限而将其推广到三维空间，建立了太沙基一 伦杜立克理论( 扩散方程) 。 ( 2 ) b i o t 固结方程 1 9 4 1 年，b i o t 基于固结机理推导了准确反映孔隙水压力消散与土骨架变形相互关系 的三维固结方程。 对一各向同性的饱和土体单元d x d y 出，在外力作用下必须满足下述平衡方程： ( 2 2 ) 式中，盯、f 分别为单元土体各个面上的正应力和剪应力：x 、y 、：分别为垂直于单 元体各相应面的坐标轴；六、正分别为单元体在各方向所受的体积力 将上式用有效应力仃和孔隙水压力甜表示，且只考虑重力时，以土骨架为脱离体建 立平衡方程： ( 2 3 ) 正 正 = = = 吒i 笠勿魄i 一钞啤一钞一砂 饥百蔓缸眈i 却一t毽锄一钞劫一出 + + + 丝出笠勿堕良 坩 一钞峨一砂一勿 盟t毽i奄丝知 2 软土路基的蠕变固结特性分析 式中，为单位土体的重度( 2 坐标向下为正) ；为超静孔隙水压力；罢、罢、罢表 何 哕 庀 明各方向的单位渗透力。 b l o t 假定土骨架是线性弹性体，服从广义虎克定律，则物理方程 矿 = 【叫 占 中的 f d l 为弹性矩阵，可写为： t = 2 g 击q + 巳) t = 2 g 击q + 巳) t = 2 g 去+ 乞) f 垮= g 7 掣，f 口= g 7 口，f 摩= g 7 。 式中，g 为土骨架的剪切模量：g = ( e 2 ) ( i + v ) ，e 为弹性模量；，为泊松比。 根据应变与位移的几何关系，可将式( 2 4 ) 中的应交表示成位移的形式： 毛= 一警；如 伽。 勺一方；坛 却 乞一苫；岛 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，叱，吩，屹为x ，j ，z 方向的位移；毛，巳，乞为x ，j ，：方向的应变， 取压缩为正；岛，坛为砂，弦，荔平面内的剪应变。 所以，将式( 2 5 ) 代入式( 2 4 ) ，再代入式( 2 3 ) ，即可得出以位移和孔隙水压力 表示的弹性土体中的平衡微分方程： 稍2 雌+ 南去尝+ 等+ 争+ 罢= 。 稍2 哆+ 西g 万8t 百a w , + 等+ 参+ 万d u = 。 抑2 屹+ 函g 琵a 百a w , + 等+ 移+ 鲁= ， 式中，v 2 = ( 导+ 等+ 等 为拉普拉斯算子。 ( 2 6 ) 如果将物理方程 口 = 【d 】 s 中的【d 】表示为弹塑性矩阵，即可将式( 2 6 ) 推广到 弹塑性体。 盟昆札卜毽堕t毽 堕砂盟昆盟钞 西安科技大学硕士学位论文 式( 2 6 ) 包括m 三个位移分量及孔隙水压力共四个未知函数，因此必须补充建立 一个方程，即连续性方程。 根据土体的压缩性原理，在土颗粒和水都不可压缩的前提下，饱和土体微分单元内 水量的变化率在数值上等于微分体积的压缩率，故由达西定律可得： 一殂1 ( l 铲萨u + 雾+ 乞雾 _ 鲁 c 2 式中，为体积应变：= + 占，+ 乞；t 、t 分别为x ，y ，z 方向的渗透系数； 九为水的容重。 假设土的渗透性各向相同：t = 七，= 乞= k ，并将q 用位移表示，式( 2 7 ) 可写为： 土v 2 j 旦f 盟+ 堡+ 竺1 ( 2 8 ) 凡a i 苏 砂出j 上式即为以位移和孔隙水压力表示的连续性方程。联立方程( 2 6 ) 和( 2 8 ) ，即为b i o t 三维固结方程，在一定的初始条件和边界条件下，可以通过求解上述方程得到饱和土体 中任一点的孔隙水压力“和位移毗，叱随时间的变化。 b i o t 固结理论是目前唯一将土体的位移和孔隙水压力的消散结合在一起，并考虑其 随时间变化的理论。与t a z a g h i 固结理论相比，在下述几方面更为合理： 考虑了固结过程中法向总应力和随时间而变； 反映了孔隙水压力与位移的联系； b l o t 固结方程通过引入几何方程将孔隙水压力和位移分量联系起来，可以考虑固结 过程中位移与孔隙水压力的相互影响，所得结果是两者的耦合效应，能更好地反映实际 土体的固结。在求解地基沉降时，其解不仅包括了初始沉降和固结沉降，还包括了土体 的侧向位移。 反映了孔隙水压力随时问的变化； b i o t 曲线受泊松比，影响显著，v 小则固结缓慢，而t c r z a g h i 曲线则与v 无关。采用 b i o t 理论计算时，固结初期孔隙水压力有所上升，超过初始孔隙水压力，这就是著名的 m a n d o l 效应，反映了初期渗透捧水从边界波及到中心所需要的时间和土骨架体积变形 的影响。 b i o t 固结理论在多个方面比t c t z a g h i 理论更合理，但由于按b i m 方程求解固结问题 的精确解相当复杂，迄今只有少数情况能够得到解答，在实际应用中一直是将后者作为 估算土体沉降的主要依据。自有限元解出现后，b i o t 固结方程才得到更好的应用。 2 1 3 蠕变与固结的内在统一 从宏观上描述的软土蠕变现象与其它材料有许多相似之处，不同之处在于蠕变变形 可以影响孔隙水压力的消散，从而影响土体的总的变形。土体的压缩过程实际是蠕变一 1 2 2 软土路基的蠕变一固结特性分析 固结共同作用的过程。 研究表明，土体的蠕变既可在排水条件下产生，也可在不排水条件下产生。排水蠕 变包括剪应变和体积应变两部分，产生于有效应力为常数的条件下；不排水蠕变产生剪 应变和有效应力变化，其变形产生于常体积和恒定总应力的条件之下。 与固结有关的蠕变是排水蠕交，同济大学孙钧课题组曾通过三轴试验对上海淤泥质 粘土进行了孔隙水捧出量随时间变化规律的观测，得出了下述结论 5 8 1 ： ( 1 ) 在预压期间，土体受到三向等值静水压力作用，只有体应变而没有剪应变，孔隙 水排出量较多，且较快稳定于某一数值； ( 2 ) 在偏应力水平较低的情况下，恒定荷载施加以后，土体中孔隙水的排出量随时问 而增长，而且一般是在加荷瞬间孔隙水排出量多，而后则慢慢减少，摔水量逐步趋于稳 定； ( 3 ) 当应力水平达到较高值后，孔隙水的捧出量很少，即使在加荷瞬间土体产生较大 的变形情况下，孔隙水也很少排出，以后随着时间的增长，也不见孔隙水有明显的排出。 上述结论的正确性己被更多的研究和分析证明，所描述的现象反映了土体变形的时 效性和土体变形的来源与组成；应力水平较低时，孔隙水的排出量是土体变形的主要原 因，固结变形是主要的：应力水平较高时，土体变形的来源主要是土体的剪切蠕变变形， 即土颗粒向侧向的挤出，因此，土体的固结和蠕变共同构成了变形的时效性。 在土力学学科中，固结理论和流变学理论是从各自不同的角度反映土体变形的客观 规律，前者主要指外力作用后土体骨架中超孔隙水压力消散的过程，后者指外力作用后 变形随时问增长的现象，尽管出发点不同，但这