（岩土工程专业论文）高速公路软土路基变形规律研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 高速公路软土路基变形规律研究 岩土工程 李明飞( 签名) 任建喜( 签名) 摘要 域一 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重要课题。本文采用理论分析、现场试验和数值模拟相结合 的方法，对高速公路软土路基的变形规律进行了研究，主要工作有： ( 1 ) 采用理论研究与试验分析相结合的方法对软土的蠕变固结变形规律进行了初 步研究，分析了软土渗流蠕变变形特性，探讨了非饱和状态对软土固结过程的影响。 ( 2 ) 以杭州绕城高速公路k 2 9 + 0 0 0 砂井处理试验段为依托，对砂井处理软土路基 的工程效果进行了初步研究。结果表明，砂井可以加快路基排水、加速路基固结，使路 基土的变形模量得到提高，加固效果较好，是一种适合深厚软土路基处理的方法。 ( 3 ) 应用f l a c 一3 d 软件完成了软土路基蠕变变形规律有限差分数值分析及考虑渗 流的软土路基蠕变变形规律有限差分数值分析对比研究。结果表明，软土路基竖向及侧 向位移的f l a c 一3 d 蠕变计算值都比实测值小，而侧向位移的误差比竖向位移的误差大， 但竖向及侧向位移的f l a c 一3 d 蠕变计算结果总体上能反映实测的路基变形发展趋势。 考虑渗流时的软土路基f l a c 3 d 蠕变计算得到的竖向位移小于实测值，侧向位移大于 实测值，考虑渗流的软土路基f l a c 一3 d 蠕变变形计算结果与实测结果吻合较好，位移 计算曲线与实测曲线拟合性好。建议软土路基变形f l a c 3 d 蠕变计算时考虑渗流的作 用。 关键词：软土路基；固结；变形；规律；渗流；蠕变；数值模拟 研究类型：应用基础研究 s u b j e e t：s t u d yo nt h ed e f o r m a t i o nl a w so f s 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 c a le n g i n e e r i n g n a m e：l im i n g f e i i n s t u c t o r ：p r o f e s s o rr e nj i a n x i ( s i g n a t u ，e ) 苎盖! 翌 ( s i g n a t u r e ) 坳弘盐l a b s t r a c t t h es 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 lr o a d b e di sa l li m p o r t a n ts u b j e c td u r i n g t h ec o n s t r u c t i o no f h i g h w a yb e c a u s eo fc 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 t h ed e f o r m a t i o nl a w so f s o f ts o i lr o a d b e do f h i g h w a ya r em a i n l ys t u d i e db y m e a n 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 et e s t i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec r e e pc 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 la r ep r e l i m i n a r ys t u d i e dw i t ht h e m e t h o do ft h e o r e t i c a ls t u d yc o m b i n i n gw i t he x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，a n dt h ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f t h es o i l ss e e p c r e e pa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f u n s a t u r a t e ds t a t ed u r i n gt h e c o n s o l i d a t i o no fs o f ts o i la r ea n a l y z ea n dd i s c u s s 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 t s o i lr o a d b e dw i 1t h et r e a t m e n to f s a n dd r a i nb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls e c t i o nk 2 9 + 0 0 0o fh i g h w a ya r o u n dh a n g 吐o ui s a c c o m p l i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t s a n dd r a i nc a ns p e e du pr o a d b e dd r a i n a g ea n d c o n s o l i d a t i o na n di n c r e a s es o f ts o i l sd e f o m l a t i o nm o d u l u s t h et r e a t m e n to fs a n dd r a i ni s s u i t a b l ef o rd e e pa n dt h i c ks o f ts o i lr o a d b e d ( 3 ) t h ef i n i t ed i f f e r e n c en u m e r i c a la n a l y s i st ot h 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 du n d e rt h et w oc o n d i t i o n so fc o n s i d e r i n gs e e p a g ee f f e c ta n dr e g a r d l e s so fs e e p a g e e f f e c tw i t hf l a c 一3 d a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no ft h et w om e n t i o n e dc o n d i t i o n s ，t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r er e a c h e d t h ec a l c u l a t e dv a l u e so f v 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 t w i t hf l a c - 3 dr e g a r d l e s so fs e e p a g ee f f e c ta r es m a l l e rt h a nt h et e s t i n gv a l u e s ，h o w e v e r , t h e e r r o ro f l a t e r a ld i s p l a c e m e n ti sl a r g e rt h a nt h a to f v e r t i c a lo n e s t h ec a l c u l a t e dc r e e pr e s u l t so f v 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 c 一3 da r eg e n e r a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h eo n - s i t e d e f o r m a t i o nt r e n d s t h ev a l u e so fv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti ss m a l l e rt h a nt h eo n - s i t et e s t i n g v a l u e s ，m a dt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n tc o n s i d e r i n gs e e p a g ee f f e c td u r i n gc r e e pc a l c u l a t i o nw i t h f l a c 一3 di sl a r g e rt h m qt h eo n s i t et e s t i n gv a l u e s t h ec r e e pd e f o r m a t i o nr e s u l t sc o n s i d e r i n g s e e p a g ee f f e c tw i t hf l a c 3 da r es i m i l a rt oo n s i t et e s t i n gr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，t h et r e n d so f t h ec a l c u l a t e dd i s p l a c e m e n tc u r v e sa r ef i tt ot h o s eo ft h eo n - s i t et e s t e dc u r v e s t h es e e p a g e e f f e c ts h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nt h el a w so fc r e e pd e f o r m a t i o no fs o f t s o i lr o a d b e da r e s t u d i e d k e y w o r d s ：s o f ts o i lr o a d b e dc o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o nl a w s s e e p a g ec r e e p n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a ls t u d y l 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 地基沉降分析是岩土工程中的重要研究课题之一。地基沉降是影响建( 构) 筑物设计、 施工和正常使用的主要因素。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 论研究取得了长足的发展，此后又有很多人为该方法的改进和完善作出了重要贡献，并 在工程建设中发挥了巨大的指导作用。随着计算机技术的发展，采用有限元、有限差分 等数值方法计算沉降己成为一个重要的路基沉降分析手段 t - 9 1 。 软土地基多为河相、海相或湖泊相沉积层，在地质上属第四纪0 4 上层，通常为饱 和压密粘土，土的类别多为淤泥、淤泥质亚粘土，在南方少数地区还有淤泥混砂层。软 土的物理力学性能差，天然含水量大，强度低，压缩性高，结构性强，易受扰动影响， 土性参数取值困难。这些都使得软土地区高速公路的变形与稳定性控制成为高速公路路 基工程中遇到的主要技术难题【l u j 。 软土的固结变形及沉降计算问题是岩土界的一个古老课题，其所涉及的问题各种各 样千变万化，十分复杂，具有极大的研究空i 自j t “】。首先，新的理论和技术尚不成熟，且 对工程技术人员的素质和工程测试手段提出很高要求；其次，地基沉降的分析需要理论 与实践密切配合，而工程技术人员要求地基沉降的计算方法能够尽可能的简便直观，所 需试验参数少而且容易确定，对各种工程情况均有良好适应性，这就难免使地基沉降分 析中需要加入一定的经验成分；最后，地基沉降分析中涉及到地面外荷载的计算、土中 应力的计算、土体固结度的计算、土体的变形计算以及土体试验参数的选用等许多环节， 各环节之间又相互影响，其相互关系也随时间发生变化【l “。从而增加了软土的固结变形 规律研究及沉降计算的难度。 二十世纪八十年代以来，我国的公路建设进入了快速发展时期，我国已建成的软土 地基高速公路均出现不同程度的病害，尤其桥头跳车现象严重，影响高速公路使用功能 1 1 3 - 1 4 。有的线路由于桥头与路堤沉降差异太大，造成行车事故，不得不反复根治，不仅 耗费资金，还造成严重的社会影响。 上海和广东等东南沿海地区是软土广泛分布的地区，也是我国公路建设的重点地 区。虽然这些地区的高速公路建设水平居国内前列，但是软土路基公路病害也时有发生。 例如，全长1 3 1 8 k m 的沪杭高速杭州彭埠至余杭翁梅段工程于1 9 9 6 年1 0 月建成通车， 通车仅几个月时间，路面即开始出现裂缝、坑洞、翻浆等早期病害，严重影响了行车的 舒适性与安全性【i5 1 。广东新会虎坑大桥1 9 9 0 年建成通车，由于大桥位于软土地基变形 较严重的地方，运营过程中，相继发现墩台倾斜、桥面横移等病害【l6 】；广东坪乳公路， 西安科技大学硕士学位论文 由于养护不到位、车流量大、严重超载及京珠高速公路粤境北段的施工及水毁和地质构 造等原因，使路面破损严重，路面凸凹不平，安全性能差，与沿线经济发展情况很不适 应【1 7 】。江苏、福建、浙江等东南沿海地区的大部分省区也分布着大量的软土，因此在这 些地区公路建设过程中做好软土地基的处理及变形控制是保证工程质量的关键。 国外高速公路少有这类病害，一个原因是路基高度较低，处理容易，路基工后沉降 较少；另一个关健原因是重视软基处理，特别是软土较厚时，甚至不惜成本进行处理。 西欧、北欧的许多国家，如英国、芬兰等在桥头相当长的路段内，用桩承路堤法处理软 基，使桥与路平稳过度；在日本，认为处理软基最有效、最经济的方法是提前施工，在 地表上逐级填筑路堤，自然沉降至路堤稳定，有很多高速公路的软基处理都是提前几年 开工。此种施工理念值得我们学习和研究。 可见，软土路基变形控制是影响高速公路建设的技术难题之一，虽然软土变形规律 研究己取得许多成果【1 “，但是，由于软土变形机理的复杂性，仍有许多问题需进一步 的研究。 因此，本文拟以杭州绕城高速公路k 2 9 + 0 0 0 试验段为工程背景，对高速公路软土路 基变形规律进行试验及数值模拟研究，现场监测试验由中国科学院武汉岩土力学研究所 完成，作者引用了其砂井处理的软土路基沉降控制试验研究数据。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。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 软土路基固结理论研究现状 高速公路软土路基的稳定与沉降控制是目前国内外学者十分关注的一个重要研究 课题。自从t e r z a g h i 的一维固结理论问世以来，路基固结理论已取得长足的进展，并在 工程建设中发挥了巨大的作用。t e r z a g h i 建立的一维固结理论包含一定的假设，这些假设 包括：土体为均匀连续各向同性的线弹性体；土体是完全饱和的；土颗粒和土中水是不 可压缩的；土体的压缩和孔隙水的挤出只发生于同一方向；土中水的渗流服从d a r c y 定 律；在固结过程中，渗透系数和压缩系数都是常数。t e r z a g h i 一维固结理论的提出极大 地促进了土力学理论的发展，有效地指导了土工建筑物的设计与施工。此后，r e n d u l i c 又将t e r z a g h i 的一维固结理论推广n - 维和三维的情况，得到t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理 论。这些理论除了保留t e r z a g h i 固结理论所包含的假设外，还假定在排水固结过程中， 土中一点的总应力之和保持不变，即未考虑应力一应变需要满足的相容条件。 关于t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论，至今尚没有可用于一般情况的解析解，只能采用 有限差分解和有限元解。b l o t 直接从弹性理论出发导出了三维固结理论方程j 。b i o t 固结理论也采用了t e r z a g h i 一维固结理论的假设条件，但确保了土中应力一应变所满足 的相容条件，所以，被称之为真三维固结理论。这个理论可以同时求出土体在任意时刻 的应力和变形。 由于t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论比b l o t 固结理论简单，所以，在工程中应用也较多。 这种理论将同一现象的两个方面，即一维固结过程中的孔隙水压力消散和变形的发展人 为地分割开来，在某些情况下将会导致很大的误差。c r y e r 在m a n d e l 的研究基础之上， 曾用两种理论对承受均匀压力并在表面排水的球状试样的固结问题进行求解，然后将其 结果进行比较，结果证明，按照b i o t 固结理论，在固结初期，球心附近的超静水压力不 但没有下降，反而持续上升到其初始值以上，这种现象称之为m a n d e l c r y e r 效应。 以上几种固结理论是建立在土体为线弹性体的假设基础之上的，而实际上土体为非 线性体。m i k a s a 经过研究软粘土固结过程后发现，软粘土的固结特征与t e r z a g h i 固结理 论不太符合。他认为，当土层很厚时，土层自重应力水平对固结过程的影响很大 2 2 】。 g i b s o n 提出了一维有限非线性固结理论，他考虑了土体压缩性和渗透性随孔隙比的非线 性变化以及土体白重应力等方面的因素 2 3 1 。g i b s o n 和s c h i f f m a n 用有限非线性应变固结 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 固结理论要快 2 4 】，蔡正银针对g i b s o n 提出的一维有限非线性固结 理论给出了简化条件下的解析解，并通过离心试验进行分析验证 2 ”，离心试验与常规 试验相比，两者压缩性一致，而考虑土体自重应力的离心固结试验比常规固结试验的历 时短，所得的固结系数大，离心试验所得到的土体固结速率比t e r z a g h i 固结理论要快， 而与有限非线性应变固结理论分析结果一致。 谢新宇等【2 ”、魏汝龙【2 8 1 基于一维应力一应变关系，提出了应变定义的固结度与应力 定义的固结度之间的换算关系。 固结沉降的研究主要考虑地基的应力历史、土的应力状态和土的变形特征对沉降的 影响。国内外现有沉降计算方法主要有：根据广义虎克定律得出的公式法；应力路径法； 用三轴不排水条件下得出的三维孔隙水压力计算最终沉降量的方法等【2 9 “】。计算方法不 同，所采用的计算参数也不同，取得合理的参数是完成固结沉降计算的重要前提。 研究表明，描述软土路基的变形和稳定性的应力应变关系除了具备经典弹塑性力 学所描述的基本特征外，还有非常明显的随时间变化的规律，变形过程中土体的蠕变与 固结同时发挥作用，其耦合效应决定着构筑物的沉降和长期稳定性口。 对于软土体固结过程中的蠕变和渗流问题，国内外也有大量的研究成果。胡华 ( 2 0 0 5 ) 口6 j 通过室内对比试验，研究了软土的含水率对其初始剪应力、塑性粘度的影响特 性，并采用显微分析技术手段揭示了含水率对流变参数的影响作用机理；胡其志等 ( 2 0 0 3 ) p 考虑基坑开挖土体卸载的应力特点，在室内利用三轴仪模拟这一应力路径， 对基坑中软土的蠕变特性进行了试验研究，推导了蠕变方程，总结出了此种情况下土的 蠕变特点：谭红霞等( 2 0 0 5 ) j 结合软土流变的室内试验，提出了一种采用经验公式同 西安科技大学硕士学位论文 时考虑流变的土坡稳定性分析法；张军辉等( 2 0 0 5 ) p 9 】进行了三轴流变试验，把连云港 海相软土做为弹粘塑性体来研究，将广义b i n g h a m 模型和椭圆一抛物线双屈服面模型相 结合，建立新的流变模型来描述其流变特性，给出了计算参数，验证了该模型的适用性； 张敏江等( 2 0 0 3 ) 40 根据辽宁营口地区三层典型软土室内直接剪切流变试验结果，建立 了该地区三层典型的海积软土层的流变本构关系，试验结果和模型分析表明：同五元件的 西原模型相比，七元件的西原模型更能准确地描述该层软土的流变规律；冯紫良等 ( 2 0 0 3 ) l 讨论了在进行软土工程数值模拟时选取软土流变本构模型的原则，根椐试验 室的试验数椐提出了一种层叠式的流变模型；许宏发等( 2 0 0 3 ) f 4 2 1 确定了软土流变模型 参数的回归反演法；梁志松等( 2 0 0 4 ) 【4 3 】根据地基应力解除法纠偏原理和软土的变形 机理，建立了土体流变本构模型，并将其成功运用于软粘土地基应力解除法纠偏工程实 践；俞晓等( 2 0 0 4 ) 提出了应用有限元仿真技术作为软土流变室内试验辅助分析的 设想；胡华( 2 0 0 5 ) 4 5 】采用理论分析和显微技术手段，分析揭示了粘粒含量对流变参数 的影响机理；张丽萍等( 2 0 0 4 ) 【4 6j 基于营口地区淤泥质粉质粘土的粘弹性及粘塑性流 变特性，指出二者随时间和应力水平的变化表现出不同的流变特征；张敏江等( 2 0 0 4 ) h 7 j 根椐室内三轴剪切流变试验的结果，研究了营口地区淤泥质软土的流变特性。 许烨霜等( 2 0 0 5 ) 【4 8 j 针对地下水抽取引起的大面积地面沉降的问题，提出了一种地 面沉降计算方法；陈仁朋等( 2 0 0 2 ) 4 9 j 基于b i o t 固结理论，分析了基底不透水，侧壁 为半透水介质的基础沉降随时间变化规律；张冬梅等( 2 0 0 5 ) 【50 】在综合考虑隧道的局部 渗透性以及土体时效特性的条件下，采用数值模拟的方法对隧道长期性态发展过程中衬 砌局部渗流对地表沉降、沉降槽及地层损失的影响进行了分析；文海家等( 2 0 0 0 ) 5 1 1 用物质组成及结构特点决定渗透固结性质的观点，对超软土渗透固结的控制性因素及其 作用机理进行了深入分析；刘继国等( 2 0 0 0 ) 【5 2 l 运用f l a c 一3 d 软件对武汉长江过江隧 道江南明挖段深基坑进行了开挖与支护模拟，通过计算得出不同开挖阶段的地表沉降、 基底隆起和墙后土体水平位移；董伟斌( 2 0 0 4 ) 【5 3 l 结合某水库软土坝基工程，对加固 前后的坝体稳定性进行对比分析；王恩志等( 2 0 0 0 ) f 5 4 1 针对尼泊尔波迪科西水电工程 首部枢纽布置和软土坝基的岩性条件和渗透特征，对混凝土防渗墙深度、灌浆帷幕长度、 混凝土渗透性和地基渗透性的敏感性进行分析；蒋鑫等( 2 0 0 5 ) 【5 5 用有限元法研究了软 土路基沉降、侧移及孔隙压力分布规律，结果表明，袋装砂井能有效加速软基的排水固 结；王旭升等( 2 0 0 4 ) 5 6 1 在对称性原理和b i o t 固结理论基础上，给出了砂井地基经济 合理的有限元三维剖分方案；郭耀明等( 2 0 0 3 ) 【57 j 研究了典型剖面的渗流分布和渗透稳 定性渗流分析，结果表明，小粘性土堤体和砂壤土渗流量较大。 1 2 1 2 软土路基沉降计算研究现状 路基沉降的计算预测方法有很多种 5 8 1 1 5 9 6 0 1 。数值分析方法已经广泛用于路基沉降 计算中，主要是有限单元法和有限差分方法。由于f l a c 一3 d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i sf o r c o n t i n u u m ) 软件是专为岩土工程问题开发的，对于一般性的岩土问题具有普遍的适用性。 王旭( 2 0 0 5 ) 1 6 l j 用f l a c 一3 d 分析了c f g 桩地基处理技术在工程中的应用，论证了 f l a c 3 d 用于模拟c f g 桩表面沉降分析的可行性；李仲奎等( 2 0 0 2 ) 【6 2 】利用f l a c 3 d 通过对初始地应力场生成方法的改进，对拟建的世界规模最大的溪洛渡水电站地下厂房 洞室群进行了围岩稳定性分析。许月等( 2 0 0 4 ) 【6 ”、刘波等( 2 0 0 2 ) 6 引、黄俊等( 2 0 0 5 ) 旧”、杨新安等( 1 9 9 6 ) 6 6 1 、杨昌斌等( 2 0 0 4 ) 1 67 j 应用f l a c 一3 d 对隧道开挖方式、支护 方法及底臌现象的处理等做了大量的研究。 刘卫国等1 6 8 j 运用f l a c 一3 d 分析了岩质路堑边坡破坏机理。谢斌等( 2 0 0 5 ) 1 6 9 1 、 高华东等( 2 0 0 5 ) ，陈占军等( 2 0 0 5 ) 口l 】研究了f l a c 3 d 在边坡稳定性分析、深基 坑开挖、爆破荷载作用下岩石边坡动态响应等方面的应用。 f l a c 3 d 具有强大的后处理功能，可以利用其内置f i s h 语言进行二次开发，徐平 等( 2 0 0 4 ) 1 7 2 对f l a c 3 d 的粘弹性模拟功能进行了开发，导出了广义k e l v i n 模型的中 心差分格式，采用f l a c 一3 d 内嵌功能较强的f i s h 语言和f l a c 一3 d 的相关命令研制了 广义k e l v i n 模型的接口程序，通过检验算例说明了开发思路和接口程序的正确性。 f l a c 一3 d 在软土路基沉降数值模拟方面也有许多应用。陈阵等( 2 0 0 5 ) 7 3 】应用 f l a c 3 d 对软土路基差异沉降问题进行了研究；李秀珍等( 2 0 0 5 ) 口4 】运用f l a c 一3 d 模 拟施工过程，对高填方路基的沉降进行了定量分析和评价；王生俊等( 2 0 0 5 ) 【7 5 用 f l a c 一3 d 对高速公路下伏采空区剩余沉降量进行计算，并与当前几种采空区剩余沉降 计算方法相比较，阐述了其优越性。郭丰永等( 2 0 0 5 ) 1 7 6 】根据京津塘高速公路工程地质 条件和处理方法建立计算模型，运用现场试验所获得的参数对软土路基的变形进行了 f l a c 一3 d 数值模拟；姜燕玲等( 2 0 0 4 ) 1 77 j 以山东省淄博一滨州高速公路试验段为例，用 f l a c 一3 d 计算了高填土路堤下粉喷桩复合地基的沉降值，并与没有加固的情况作了对 比。考虑渗流的软土路基蠕变变形f l a c 3 d 分析的成果还不多见。 由于软土路基变形计算问题的复杂性，软土路基变形计算理论需作进一步的研究。 1 3 本文研究的目的、思路和内容 1 3 1 研究目的及意义 软土路基的合理处理是保证高速公路工程质量的关键，路基处理方法有很多种，根 据软土路基实际的地质条件来选择合适的处理方法就显得尤为重要。本文拟结合杭州绕 城高速公路k 2 9 + 0 0 0 试验段的实测资料，用理论与试验分析相结合的方法对砂井处理软 土路基的工程效果及软土路基的变形规律进行初步研究，应用f l a c 3 d 有限差分软件， 分别对软土路基蠕变变形过程及考虑渗流的蠕变变形过程进行对比分析。为软土路基变 西安科技大学硕士学位论文 形计算方法和路基处理方案的合理选择提供参考。本文的研究对于选择合理的软土路基 变形计算方法，控制路基变形具有重要的理论意义和潜在的工程应用价值。 1 3 2 研究思路 通过对软土路基的固结变形规律的分析，以杭州绕城高速公路北线工程k 2 9 + 0 0 0 断面为依托，对该断面现场试验监测结果及变形规律进行分析，研究软土路基的砂井地 基处理方式对变形规律的影响；对比分析f l a c 3 d 蠕变路基变形计算值及考虑渗流的 f l a c 一3 d 蠕变路基变形计算值与实测值的关系，建议出合理的软土路基变形计算方法， 为工程实践服务。 1 3 3 研究的主要内容 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，对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，分析软土固结变形过程考虑渗流及非饱和因素的 理论依据和可行性。 ( 2 ) 分析杭州绕城高速路北线工程k 2 9 + 0 0 0 断面砂井处理软土路基变形规律现场 试验监测结果，研究砂井对软土路基的排水加固作用。 ( 3 ) 采用w i p p 模型与d p 准则相结合的粘塑性蠕变模型，应用f l a c 一3 d 有限差 分软件，对软土的固结变形规律进行数值分析对比研究，f l a c 一3 d 计算分为蠕变分析 和考虑渗流的蠕变分析两种方法，研究两种计算方法得到的理论值与实测值的差异， 探寻合理的软土路基变形计算方法。 2 软土路基固结变形特性研究 2 软土路基固结变形特性研究 软土在固结过程中具有一定的时效特征，软土的固结过程包括瞬时固结、主固结和 次固结，一般认为次固结过程就是蠕变发生的过程。而实际上在软土固结的各个阶段都 伴随着蠕变现象的发生，只是在次固结阶段表现的更为明显。同时，软土在固结的整个 过程中都伴随着地下水的排出。研究软土的变形机理必须把固结与渗流有效的结合起 来，才能准确地描述软土的固结变形过程。另外在固结过程中，含水率逐渐降低，饱和 度也随之降低，土体中会出现少量气泡，从而在固结后期部分土体出现非饱和状态。显 然，软土路基的固结变形特性是复杂的，需要深入研究。本章结合杭州市绕城高速公路 北线工程对软土固结变形机理进行分析，从理论和实践两个方面对比分析了饱和软土与 非饱和软土在固结过程中变形机理的异同。 2 1 软土路基的固结沉降机理 软土天然含水量高，一般在3 4 一7 2 之间，其值一般大于液限，属于流动状态， 天然孔隙比在1 0 - 1 9 之间；压缩性大，压缩系数一般在o 0 0 5 0 0 2 c m 2 n 之间，属于高 压缩性土，其压缩性往往随液限的增大而增大；渗透性小，渗透系数大部分界于 1 0 一一1 0 一c n d s 之间，所以在荷载作用下固结很慢，强度不易提高；同时软土的抗剪强度 低，一般在快剪下，粘聚力在1 0 k p a 左右，内摩擦角在o 一5 0 之间。 由于软土具有上述特征，其沉降机理也与普通路基土有所不同。在压缩荷载作用下， 土中孔隙水排出，土粒调整位置重新排列，土孔隙体积减小，土体发生固结 。软土路 基总沉降由三部分组成，即瞬时沉降，排水固结沉降和次固结沉降。 瞬时沉降由于土体没有任何体积变化的畸变结果，它的发生非常迅速，这是一个理 想的概念，可忽略水从土体流出，其体积基本保持常数。严格的一维变形情况下，当土 体完全饱和时由于土中水及土颗粒本身的变形可以忽略不记，故瞬时沉降接近于零；而 对于土体的多维变形情况，则瞬时沉降在地基总沉降中将占有很大的比例。 固结沉降是排水固结过程中由于体积压缩而产生的。孔隙水从土体中流出，引起体 积随时问而减少，因而地基逐渐发生沉降。水流的速率受到土的孔隙压力、渗透性和压 缩性的影响，该部分沉降称为主固结沉降。随着孔隙压力的消散，水流的速率将降低， 最后孔隙压力消散基本完成，达到不变的有效应力状态。 在主固结后，土体出现进一步的沉降，该沉降与时间相关，这就是次固结沉降，次 固结沉降主要表现为软土的蠕变变形。蠕变变形的大小变化极大，一般认为软b b 有机质 粘土的沉降有很大的蠕变，而坚硬的粘土则是主固结引起的沉降起主要作用。 西安科技大学硕士学位论文 2 2 考虑渗流的软土蠕变固结特性 2 2 1 软土蠕变变形特性 ( 1 ) 软土的蠕变特性及其影响因素 任何土体都具有蠕变特性，而软土的蠕变特性最明显。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，蠕变变形和应力松驰也越显著。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，现有固结应力持续的时间及历史上应力变 化过程对未来士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k 。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。 上述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。 ( 2 ) 软土工程的时效特征 时效特征( t i m 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 沦更为广泛的内容，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 2 软土路基固结变形特性研究 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及固结作 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。 ( 3 ) 路基工程中的蠕变问题 高速公路软基或堤坝软基的蠕变变形将直接影响工程的施工进度和工程的安全性， 需要采用正确的本构模型和选取合理的计算方法。现行的弹塑性方法的计算结果与实测 结果相差甚远，而粘弹粘塑性计算结果与实测结果吻合较好，表明地基土的蠕变变形 比较显著，不能被忽略。 研究表明，软土的时效特征与其它粘滞材料的时效特征的内在机理有明显不同：软 土蠕变的过程也是排水固结的过程，蠕变特性可以影响孔隙水压力的消散，减小固结效 应；而固结作用又可弱化蠕变现象，使土体的粘滞性降低。因此，对于软土来说，土体 的变形过程实际是排水固结和蠕变同时发生作用的过程，任一时刻两种变形在总变形中 所占比例取决于应力水平的高低和其它有关因素 7 9 - 8 3 。 2 2 _ 2 软土蠕变本构模型 软土的蠕变模型的建立在土的蠕变理论研究中是至关重要的，只有建立起正确的土 体蠕变模型，即应力应变时间的关系，才能充分、准确地描述软土的蠕变特性。但是 由于各种软土的蠕变特性也不尽相同，所以目前还没有哪种理论模型可以统一描述各种 土的蠕变性质。 现有的蠕变固结模型可按下面的方法进行分类。 ( 1 ) 根据应力应变之间的关系进行分类 根据应力一应变之间的关系进行划分，软土的蠕变模型可分为线性蠕变模型和非线 9 西安科技大学硕士学位论文 性蠕变模型两大类。 线性蠕变模型 m a x w e l l 模型、k e l v i n 模型、m e r c h a n t 模型、s e h i f t m a n 模型、广义m a x w e l l 模型 和广义k e l v i n 模型都属于线性蠕变模型。对于这些组合模型，模型中元件越多，适用范 围也越广，但是理论求解以及参数的确定也会更复杂。 非线性蠕变模型 非线性蠕变模型的应力应变呈非线性关系，反应在应力应变关系图上，其应力 应变等时曲线不再是直线或者折线，而是一族曲线。 ( 2 ) 按应力一应变时问三者之划的关系分类 按应力应变一时问三者之间的关系分类，土的蠕变模型大致可分为四大类( l e r o u e i l ， k a b b a j ，t a v e n a s 和b o u c h a r d ，1 9 8 5 ) ，分别表示为， r ( 盯：，e ) = 0 ( 2 一1 ) r p ：，e ，t ) = 0 ( 2 - 2 ) r b ：，e ，j ) = 0 ( 2 3 ) r ( 盯：，e ，6 ) = 0 ( 2 4 ) 式中，e 孔隙比； 盯! 竖向有效应力： t _ 一时间； j2 ： o 一- v = d 。 在第一类模型中( 式( 2 1 ) ) ，土的盯：一e 关系是唯一确定的，不依赖于时间和应变速 率。例如经典的太沙基固结理论中土骨架的本构模型就属于这一类，其中盯! 一e 关系是 线性的。另外d a v i s 与r a y m o n d ( 1 9 6 5 ) 提出的模型也属于这一类，在他们的模型中采 用了线性的e l o g t y ：关系。虽然第一类模型在实际应用中简单好用，而且确实也得到了 广泛地应用，但是，即使在有效应力不变的情况下，土中的孔隙比也是变化的，所以， 第一类模型不足以很好的描述软土的蠕变特性。 在第二类模型( 式( 2 2 ) ) 中考虑了时间对孔隙比的影响，即孔隙比不仅是应力的函数， 而且还是时间的函数。k o p p e j a n ( 1 9 4 8 ) ，b j e l t u m ( 1 9 6 7 ) 和h a n s e n ( 1 9 6 9 ) 提出的蠕变模型都 属于这一类。第二类模型应用上的难点是如何确定时间的起始点，特别是当荷载随时间 变化时如何确定时间的起始点。 在第三类( 式( 2 3 ) ) 和第四类( 式( 2 4 ) ) 模型中由于孔隙比e 只与o - ：、e 和毋： ( 或者盯! 和e ) 有关，而非时间t 的函数。即土的应变只依赖于土体当前的状态，而不 2 软土路基固结变形特性研究 依赖于前期历史过程。这就使第三类和第四类模型克服了第二类模型的缺陷，更便于应 用。t a y l o r 和m e r c h a n t ( 1 9 4 0 ) 的模型是最早提出的第三类模型模型中孔隙比的变化 率a 只是有效应力盯：、孔隙比e 和有效应力变化率疗：的函数，此后一些学者( w u ， r e s e n d i z 和n e u k i r c h n e r ，1 9 6 6 ：p o s k i t t 和b i r d s a l l ，1 9 7 1 ：s e k i g u c h i 和t o r i i h a r a ，1 9 7 6 ； y i n 和g r a h a m ，1 9 8 9 ，1 9 9 4 ，1 9 9 9 ) 提出的蠕变本构模型属于第三类模型。而b a r d e n ( 1 9 6 5 ) 提出的模型则属于第四类。 2 2 3 软土粘塑性蠕变模型 本文第四、五章计算中采用的粘塑性蠕变模型，同时呈现粘滞性、弹性和塑性特征 适合于软土的变形特性，现介绍该模型。 ( 1 ) w i p p 粘弹性蠕变模型 w 1 p p 模型通常把偏应力张量叠；划分为弹性部分和粘性部分( 叠严和叠尹) ， 叠；= 叠乒+ 叠 ( 2 - 5 ) 式中，偏匝力张量写成， i ；：气一半 ( 2 _ 6 ) 弹性部分与偏应力相联系， 弘纂 亿， 式中，g 是弹性剪切模量，且 疗；= 嘞一竿 ( 2 _ 8 ) 偏应力张量的粘性部分与偏应力张量共轴( 用式( 2 1 3 ) 进行标准化定义彳) ，并 以式( 2 9 ) 给出， ( 2 9 ) 式中，应变率标量i 由两部分组成，叠。和i ，分别代表初级和次级蠕变率， i = i 。+ 亡， ( 2 1 0 ) 根据次级蠕变率的大小，初级蠕变率可以写成， 。，= 1 a 一( b a 。- i 二b ，e i p ，) ，i 。, ，, 扣，：! ；i c z 一， 8 2 1 臼一b ( i 二毫) 扣： 盯，更进一步地说，如果剪应力非零，那么用式( 2 - 4 1 ) 来判断受拉或受剪屈服是否发生， = r r ，一口，( o - 。一盯) ( 2 4 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 式中， r p2