（岩土工程专业论文）排水固结法在不同应力路径条件下引起软土地基沉降的初步研究.pdf

摘要 应力路径与土体沉降、强度等有着密切关系，应力路径法计算地基沉降也是 土力学中的经典理论之一。本文主要从应力路径的角度出发，研究排水固结法中 不同应力路径与沉降、强度等的关系。 本文在前人工作的基础上，通过现场试验、室内试验和理论分析主要进行了 以下l 方面的初步研究 ( 1 ) 总结应力路径相关知识，分析应力路径与变形、沉降的关系，并从 应力路径的角度出发，对比了几种沉降计算方法的不同之处。 ( 2 ) 对现场监测数据进行处理，分别绘制出了真空预压、堆载预压以及 真空一堆载联合预压三种加载方式在现场施工时所对应的应力路径，并结合土 力学知识，对这三种不同的应力路径曲线进行对比分析。 ( 3 ) 通过室内试验模拟了这三种地基处理方式，研究了多种因素影响下 应力路径、沉降、强度等的变化情况。 ( 4 ) 与实际工程相结合，用应力路径法计算沉降，并将计算结果与实测 的沉降量进行对比，分析出现误差的原因，并且指出应力路径法计算沉降的不 足之处。 关键词：应力路径现场试验室内试验沉降强度孔隙水压力真空预压 堆载预压真空一堆载联合预压 a bs t r a c t t h e r ea r ec l o s e dr e l a t i o n s h i pa m o n gs t r e s sp a t h ，s e t t l e m e n ta n ds t r e n g t h ；a n d s e t t l e m e n te s t i m a t i n gf r o ms t r e s sp a t hi so n eo f t h ec l a s s i c a lt h e o r i e si ns o i lm e c h a n i c s t h i st h e s i sw i l ls t u d yt h er e l a t i o na m o n gs e t t l e m e n t ，s t r e n g t ha n ds t r e s sp a t h sb y d r a i n a g ec o n s o l i d a t i o nm e t h o d b a s e do nt h ef o r m e r s w o r k ，t h i sp a p e r sm a i nw o r ki ss h o w na s f o l l o w i n g ， w h i c hi sf i n i s h e db yf i e l de x p e r i m e n t ，l a b o r a t o r yt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s f i r s t l y , k n o w l e d g ea b o u ts t r e s sp a t ht h e o r yi ss u m m a r i z e di n t h ep a p e r ，t h e r e l a t i o nb e t w e e nd e f o r m a t i o na n ds t r e s sp a t ha r ed i s c u s s e d ，a n ds o m es e t t l e m e n t e s t i m a t i n gm e t h o d sa r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e rf r o mt h ep r o s p e c t i v eo fs t r e s sp a t h t h e o r y s e c o n d l y , b a s e do nf i e l dt e s t ，t h e s es t r e s sp a t hc u r v e sa r ed r a w n ，w h i c ha r e c o r r e s p o n dt ov a c u u mp r e l o a d i n g ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dv a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n g t h et h r e et y p e so fs t r e s sp a t h sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h e a c ho t h e r , b a s e do ns o i lm e c h a n i c sk n o w l e d g e t h i r d l y , v a c u u mp r e l o a d i n g ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dv a c u u n lc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n ga r es i m u l a t e dt h r o u g hl a b o r a t o r y t h ec h a n g e so fs e t t l e m e n t ， s t r e n g t ha n ds t r e s sp a t h sa r es t u d i e du n d e rs e r i e sa f f e c t a t i o nf a c t o r s f i n a l l y , c o m b i n e d 谢t l lap r o j e c t t h es e t t l e m e n to fs o f ts o i lf o u n d a t i o ni s c a l c u l a t e dw i t hs t r e s sp a t hm e t h o d t h er e s u l ti sc o m p a r e dt ot h er e a ls e t t l e m e n t o b s e r v e di nt h ef i e l d ；a n dt h ee r r o ri sa n a l y z e da n dt h ed e f e c to fs t r e s sp a t ht h e o r yi s d i s c u s s e di r lt h et h e s j s k e yw o r d s ：s t r e s sp a t h ，f i e l de x p e r i m e n t ，l a b o r a t o r yt e s t ，s e t t l e m e n t ，s t r e n g t h ， p o r ew a t e rp r e s s u r e ，v a c u u mp r e l o a d i n g ，s u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，v a c u u mc o m b i n e d w i t hs u r c h a r g ep r e l o a d i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交韵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已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) ：煎! ! 12 0 0 6 年6 月日 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) ：蛰查2 0 0 6 年6 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 进入2 0 世纪8 0 年代以来，为了与我国的社会经济发展相适应，在全国各地 尤其是东南沿海地区涌现出大批的公路、铁路，水利、机场、码头等基础设施。 以高速公路的发展为例：1 9 8 8 年1 0 月，沪嘉高速公路建成通车，实现了中国大陆 高速公路实现零的突破，1 9 9 0 年9 月，大陆里程最长( 3 7 5 k m ) 的沈大高速公路全 线建成通车，它标志着我国公路建设进入了发展高等级公路的新时代。到2 0 0 2 年底，我国高速公路总里程己达2 5 2 万公里，创造了世界高速公路发展的奇迹。 我国东南沿海地区，大部分为淤泥质海岸，多为河相、海相或泻湖相沉积层， 在地质上属第四纪全新纪0 第四纪松软覆盖层。土的类别多为淤泥、淤泥质粘 土、淤泥质亚粘土，在南方少数地区还有淤泥质粉砂层1 2 j 。软土的主要特征表现 为：含水率高，孔隙比大，容重小，天然含水率为4 0 7 0 ，孔隙比大于1 5 ， 天然容重在1 5 1 8 k n m 3 范围内；强度低，标贯击数小于3 ，承载力很低，灵敏 度高；压缩性高，压缩系数大于o 5 m p a l ，因此沉降大，透水性弱，渗透系数一 般在1 0 - 61 0 - 8 c m s ，固结完成时间长【3 j 。由于高速公路投资金额大，社会效益和 经济效益显著，因此，它的修筑质量技术要求较高。而软土地基的高压缩，低渗 透性，固结时间较长，对于地基处理的方法以及地基沉降的计算和预测方法提出 了更高的要求。若对软土特性认识不足，地基处理不当，沉降计算预测方法不得 当，就会在施工期间或者竣工后出现建筑物表面开裂，基础不均匀沉降等问题， 使得所建设施的使用价值大打折扣。我们所熟知的桥头跳车现象就是很好的例 证。因此对于软基沉降量的预估与计算成了工程设计中的主要问题之一，沉降分 析也是土力学的基本课题之一。 到目前为止，在工程界与学术界已经有许多计算沉降的理论与方法，传统的 计算方法常常都会有各种各样的假设或者局限性，只能考虑沉降过程中的几个主 要的方面，预估沉降能力仍然较差，预估的沉降量与实测的沉降量仍然存在不小 的偏差。例如d u n c a n - - c h a n g 模型主要考虑剪切变形；而分层总和法只考虑压缩 变形。并且，已有的本构关系模型对各种应力路径的适应性是不同的，即使常用 d u n c a n - - c h a n g 模型也只对常围压的应力路径表现出很好的适应性。合理的计算 方法应同时考虑这两种变形的作用1 4 j 。 在一般的工程条件下，由于地基加载方式不同，产生不同应力路径，而且土 体中任意单元体的应变、孔隙压力和强度都与应力路径有关，所以应力路径法能 够从土体内部应力变化来推测土的变形和强度，清楚阐明土力学中地基沉降与稳 定两大课题中各种计算公式的内涵，并把这两课题有机地联系起来，应力路径计 河海人学硕l 。论艾 算沉降的方法，既考虑了瞬时沉降，又考虑了主固结沉降，尽可能多地考虑了影 响地基变形的因素。因此，应力路径的变化应在地基沉降问题中加以考虑，而且 应力路径法的思路，对认识沉降机理，认识侧向变形对沉降的影响，分析常规计 算中可能产生的误差趋势都是很有益的。但是在实际的设计与施工期间，由于考 虑到高效简便的要求，大多数的施工及业主单位只关心地基的最终沉降量，对施 工期间的沉降过程及不同应力路径产生的沉降差异却研究很少。因此我们应该就 应力路径对于沉降和强度的影响进行深入研究与探讨 1 2 国内外的研究现状 人类在地基上建造房屋等设施已有很久的历史，而土力学作为一门学科却只 有短短几十年。在太沙基( k t e r z a g h i ) 于1 9 2 5 年出版了著名的土力学一书 的前后，世界上众多学者专家为土工问题作出了巨大贡献1 5 j 。 土的沉降分析作为土力学的重要课题，形成了一些经典理论和方法。目前国 内外的专家学者对现有的沉降计算分类方法大体上取得共识，只是在细节问题上 存在分歧。下面介绍几种主要的沉降计算方法。 1 2 1 弹性理论法 嚣 图1 1 弹性理论法将士体视为弹性材料，将地基看作无限空间弹性体，按照弹性力 学的方法计算土体变形和地基沉降。如图l 一1 所示，对于有限深度的土体，假 设下卧层不可压缩，任取一点由弹性力学知识可推得该点微元变形量 d s = 川：p d z 微元积分，可得沉降总量为 s = s z ，o s ：h = lsz d z 一毫sz dz(1-2) 式中s ：舻s ：；。分别为地表和h 深处的沉降值。 以上假设基础作用于地面上，实际基础具有一定埋深，如图2 - - 2 所示。因此， 福克斯( f o x ) 提出了沉降修正，s = a s ( 1 3 ) 2 第一章绪论 ? l l ! j 上工【：t k 一- 一r 一- l 长度 图2 2 式中，口为修正系数，是等、去与泊松比v 的函数，可以由相关表格查得。 1 9 5 6 年，简布( j a n b u ) 等人提出平均初始沉降概念，计算均布荷载下柔性基 础的沉降 s f 均= 鳓“辈( i - 4 ) 风与基础深度厚d 有关的修正系数 。与土层厚度h 有关的修正系数 以上相关参数均有相应的图表曲线可供查询。 均布荷载作用下的柔性基础，基础底面各点的沉降值不同。对于刚性基础， 传递给地基的荷载往往是非均布的，但是基底各点沉降值却是相同的。1 9 2 6 年， s c h l e i c h e r 通过研究表明，刚性基础的沉降值，比柔性基础平均沉降值小7 。 故可以通过柔性基础沉降修正之后得到刚性基础的沉降量。即禺= o 9 3 s 平均6 1 1 2 2 分层总和法 分层总和法在工程界因为其简便易懂而得到了广泛应用。对于压缩层较厚或 者土质不均匀的分层土，常常将整个土层划分为若干土层，根据弹性理论计算附 加应力，通过试验方法测得各层土的计算参数，分别计算各层土的竖向压缩变形 量，然后求和得到总沉降量。属于分层总和法的有：单向压缩法、规范法、考虑 先期固结压力沉降计算法、黄文熙三维压缩法等6 1 。 1 2 2 1 单向压缩法 单向压缩法是计算在砥条件下的沉降，假定无侧向变形，只考虑竖向作用 力下的竖向压缩变形。根据分层累加原理，计算公式如下： s = s = 毛h 。 ( 卜5 ) 河海人学硕l 论文 代入侧线压缩性指标，得 s ：争鱼二鱼h 智1 + 8 ( 1 6 ) 或 s = m 。印，h ， ( 卜7 ) 仁i 式中p ，为第i 层土体平均自重应力所对应的孔隙比 巴，为第i 层土体平均自重应力与平均附加应力之和所对应的孔隙比， 可由土体室内压缩曲线上求得 m 。为第i 层土的压缩系数，也是通过固结压缩试验求取。 1 2 2 2 规范法 上述单向压缩法只考虑竖向沉降，假设土体不发生侧向变形，显然存在不合 理之处，因此有人建议在单向压缩计算结果之上进行参数修正，以反映变形的三 向性。例如，我国的建筑地基基础设计规范所推荐使用的规范方法。该法应 用弹性理论进行附加应力计算，采用一维侧限压缩试验测定压缩系数，然后用分 层总和法计算总沉降，并且在此基础上乘以某一个系数，进行参数修订。 公式可概括如下： 图1 - - 3 s 。矿s s = p ，窆。p - l ，。( z ，c t - z , a t ) ( 1 8 ) p 基地附加应力 口。，口。分别为第i 层土底面和顶 面的平均附加应力系数。如口即为图中 o a b d 与矩形o a c d 的面积的比值 沉降修正系数，根据经验取值， 一般在0 2 1 4 之间。 1 2 2 3 对数曲线法( 考虑先期固结压力的计算方法) 实际工程中的土，并不都是正常固结土，按照地质历史可以划分为正常固结、 超固结土、欠固结土，不同应力历史的土体，具有不同的压缩特性，因此人们在 上述计算方法的基础上，进行改进。 第一章绪论 对十趟l 直i 结土，目重皿力小十先期崮结压力，即p l p 。一p ，时，土体以从超固结状态，进入到正常固结阶段，分两部分进行计 算 s ：- h ( c 。l g 丝+ c c i g 业) ( 1 1 0 ) i+p】plp 。 对于正常固结土，p 。= p ，则计算式变化为 s ，= 击眺警( 1 - 1 1 ) 1 2 2 4 黄文熙三向压缩法 我国著名学者黄文熙( 1 9 5 7 ) 建议在沉降计算中考虑土体三维变形情况。在三 向应力状态下，应用各向同性弹性体的广义定律，在三维应变情况下，其竖向应 变表达式为 t = 去b ：一( t 7 xd - o y ) 】= 去【( 1 + p ) 仃：一胂】( 1 - - 1 2 ) = o x + 盯，+ 仃： ( 1 1 3 ) 按照弹性理论，引起的体变为 氐：生兰o ：! 塑( 1 - - 1 4 )q 5 彳睢寺i ) e ：( 1 2 ) 盥( 卜1 5 ) 代入( 1 1 2 ) 得 铲南卜，罟一句甏( 1 - - 1 6 ) 肛南( 1 + ) 百o z pl ( 1 - - 1 7 1 ) 一2 l 、 o 。j 【町海人学硕【j 论文 f = 世曼i 二垒 1 + e ( 1 1 8 ) 采用分层总和法计算沉降，则有 踮塾嚣h f “叫” p fh 1 2 3 考虑三向变形效应的单向压缩沉降法( s k e m p t o n b j e r r u m 法) 司开普顿一本杰明在研究沉降计算这个问题时，认为土体在三向应力状态下 的固结过程中，既有竖向压缩，也有侧向膨胀。认为沉降过程即为孔隙水压力消 散过程。由于孔隙水压力由附加应力a o - 与a c y ，所引起，可求得土体内相应的孔 隙水压力为， a u = b a o 3 + a ( a o - i 一玛) 】 ( 1 - - 2 0 ) 厚度为h 的理想饱和粘土，b = i ，孔隙水压力为“，引起的沉降为 & = 胁幽吨= 卜时- h 卅，筹卜 单向压缩过程中压缩量为 s 5 jm ，a o - i d z 比较以匕两式 口= f m ， s c = p s 蛔卜卅等卜 f m ，a o ，d z ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) 若压缩系数与孔隙压力系数为常量，则有 户= a + ( 1 一a ) a ( 1 - - 2 5 ) 其中 a ：育f a c r 3 d z ( 1 - - 2 6 ) ja 仃l d z 饱和粘性土不排水条件下，可取泊松比= 0 5 ，则口仅与基础的形状、压缩土 层厚h 与基础短边b 的比值h b 有关。孑l 隙水系数可由三轴不排水实验测定。 1 2 4 应力路径法 应力路径法依然是按照弹性力学的方法，计算各点的应力大小，取得具有代 表性原状土样，在室内根据所计算的应力路径模拟实际的受力情况，测定压缩量， 第一章绪论 进行分层计算。应力路径法有以下两种计算方法： 1 2 4 1l a m e 应力路径法 这种方法相对较容易理解，比较直观，步骤大体如下： ( 1 ) 根据现场实地的土质和土体分层情况，划分土层，取出较为理想的具有代 表性的土样。根据弹性理论计算出各典型单元的受力状况和应力路径。 ( 2 ) 按照计算所得应力路径进行试验，测定竖向变形。通常是使用常规三轴试 验机，依据现场条件确定排水情况，然后量测轴向变形 ( 3 ) 将试验中测得的轴向应变乘以相应土层高度计算沉降量，再将计算所得的 总沉降值相加，就是总的沉降值。 1 2 4 2 应变等值线法 图1 4 应变等值线法计算沉降 如图4 所示，图中放射状虚线称 作应变等值线，弧状曲线为某一围压 下的有效应力路径。通过三轴固结不 排水试验，在不同围压下得到几组有 效应力路径曲线，这些曲线大致上相 似且平行，将各曲线上轴向应变相等 的点相连接，就可得到上图中放射状 的应变等值线。在同一条有效应力路 径上的点都具有相同的体积，处于同 一条应变等值线上的点，轴向应变均 相同。根据这一特点，我们可以得到以下的计算方法： 饱和粘性土受力后变形可人为的划分为形变与体变两部分，原始土体处于 丘。固结状态( a 点) ，加载初期由于孔隙水来不及排出，体积不发生改变，有效 应力路径为图中a b 曲线段。随着时间的增长，孔隙水逐渐消散，有效应力增加， 而且由于孔隙水不承受剪应力，有效应力呈现水平相发展，即为b c 段。 a b 段体积不发生改变，该段的竖向应变可直接由这两点的竖向应变量求得， 假设土层厚h ，则 s 1 = a s z h = ( e 口一s “) h ( 1 - - 2 7 ) b c 段体积变化，引起沉降。但是，a 、b 两点位于同一条等体积线上， c 、 d 在同一条等体积线上，因此b c 线的体积应变就等于a d 线的体积应变，而a 、 d 又都处于麟固结线上，属于无侧向变形，所以， s 。，：l l g 旦 ( 1 - - 2 8 ) 1 + e o 。p o 河海人学硕1 论文 对于水平向应力路径，竖向变形 因此 i s ：= j s r s ：毒冬l g 旦 3 ( 1 + e 0 ) 。p o ( 1 2 9 ) ( 1 3 0 ) 总的沉降之和s = s + s ，若为分层土，则分别计算每层沉降再进行累加。 1 2 5 有限单元法 随着计算机技术的迅速发展，使地基沉降固结等问题的电算法得到了蓬勃发 展，采用有限单元法计算地基沉降的工程也越来越多。有限单元法，可以结合地 基土体的变形特性，采用不同的本构模型，可以计算不规则形状的地基，可以计 算复杂的边界条件、复杂的荷载和施工工序，优点很多。 利用有限元法计算沉降量的步骤大致如下口】： ( 1 ) 将地基离散化为有限个单元； ( 2 ) 利用土的本构关系，建立模型，对每个单元建立刚度矩阵； ( 3 ) 将各单元的刚度矩阵结合为整个土体的总刚度矩阵l k l ，得到总荷载矢量 伍 与节点位移矢量p 之间的关系k 弦 = 识 ( 4 )由上式求解节点位移p ； ( 5 ) 根据节点位移，计算单元的应力与应变。 1 2 6 现场原位试验6 】 7 1 【8 】 沉降量也可通过原位试验来估计，尤其是以粗颗粒为主的砂粒料地基，竣 工后的沉降可以略去不计，工程中往往不需要计算砂层中的压缩量。但是有些工 程对沉降计算的精度要求较高，而地基又以砂性土为主，由于难以取样进行室内 试验测定相关参数，而且弹性理论对于此类地基的适用性需要进一步研究，因此 需要采用半经验的方式通过多种原位测试方法，进行多方面的综合统计与评价， 估算土体的相关指标，再运用弹性理论进行沉降计算。下面简要介绍几种常用的 原位测试方法。 1 2 6 1 标准贯入试验法一s c h m e r t m a n n 半经验法【7 1 采用标准贯入试验法预估地基沉降是将锤击数同土的压缩模量联系起来。根 据弹性理论，矩形或圆形均布荷载作用下，基础中心线上的竖向应变沿深度变化 大体可表示为 s ：= p e l z ( 1 - - 3 1 ) 式中，p 基底净压力； e 土的变形模量： i z 为应变影响系数，它与计算点所处的深度以及该处土的泊松 丝二里壁堡 比有关。 根据试验量测结果以及有限元计算结果，i z 沿深度方向，应变影响系数的变 化可简化为图1 5 ，用两条直线来表示。即最大应变出现在0 5 b 处的深度处， 1 3 为基础的实际宽度或直径，该处i z = 06 ，而在z = 2 b 处，应变等于零。在具体 计算时，将2 b 深度以内的土分为若干层，再考虑某些修正，计算公式如下： 0 02 5 o5 o 7 5 1 目 l2 5 l 5 l7 5 2 ? 叁 i j - 一 考 ：7 图1 5 应变影响系数 s c ：露i i z z ) ，( 1 - - 3 2 ) c ：1 0 5 ( p o ) ( 1 3 3 ) p c 2 ：1 十u 02 1 9 喑) ( 1 - - 3 4 ) 式中，c l 考虑基础埋置深度的修正系数； c 2 一一考虑流变作用和时间效应的修 正系数： 只基地面深度处的自重应力； t 一时间值 1 2 6 2 静力触探法 虽然静力触探法是一种量测土体强度的方法，不是量测变形的方法。然而根 据大量的资料分析已提出很多静力触探贯入阻力和土的压缩性指标之间的关系。 例如，我们在上面小节，标准贯入试验法中所涉及到的土体的变形模量就可以用 静力触探法求得，因为静力触探贯入阻力与土的变形模量存在如下关系： e = 物。 ( 1 3 5 ) 式中 q 。某层土的平均贯入阻力； 足与土性质有关的比例系数 对于比例系数的选择，有不少学者都提出自己的建议，这里给出一个粗略的 值 土质 粉砂、粘质粉砂 中砂、细砂 粗砂、砾质砂砾石 k 值 2 3 5 5 6 静力触探是较普遍的现场测试手段，由此确定变形模量，用s c h m e r t m a n n 法 计算砂土地基沉降，且考虑基础深度与时间修正，是一种较好的方法。 i l i 海_ 人学硕l 论史 1 2 6 3 平扳荷载试验法【6 】 在平板载荷试验过程中，对一定面积逐级施加荷载增量，并测量各级荷载增 量引起的沉降，可得到荷载与沉降的关系曲线，可以计算土的变形模量，估算土 的不排水抗剪强度及极限填土高度。 太沙基( t e r z a g h i ) 和派克f p e c k ) 曾提出如下经验公式 s ：( 羔) 2 s o 3 ( 卜3 6 ) 、b + 0 3 。 s ，板的边长为o 3 m 的荷载板试验所得沉降与荷载关系曲线上，对应建 筑物基地净压力的沉降值； b 基础实际宽度 若荷载板边长为e ，相应沉降为s 。，则基础沉降 耻i b ( b b i + 0 + 0 3 3 ) ) i si(1-37) i 墨( b + o 3 ) j 勒迈沙密( r a m a s a m y ) 进行了埋置深度的修正，修正系数为 口= ( 面i + 2 d j b ) ”( 1 - - 3 8 ) s 7 ：o r s ( 1 - - 3 4 ) 式中d 1 荷载板的埋置深度； d 实际基础的埋置深度 在采用平板载荷试验法预估地基沉降时有二点需要重视： ( 1 ) 载荷板应放置在未扰动土上，其土层需要有代表性 ( 2 ) 压缩层厚度内土质必须比较均匀，否则采用上述尺寸效应修正式会产生较 大误差。 1 2 6 4 旁压试验法 旁压试验是将圆形旁压器放入土中，向旁压器内充水或充气，并施加压力， 利用旁压器的扩张，对周围土施加均匀压力，测量压力与径向变形的关系，即可 得到地基土在水平方向的应力应变关系。如图所示的旁压曲线关系，由此可以求 ，_ ，m e ( 按照旁压衄线直线段的斜率叫a p 求取) 、屈服压力p l ( 直线 段终端压力) 和极限压力p 。 第一章绪论 姜 娶 ：硷 压力p k p a 图1 6 旁压试验p v 曲线 7 】 1 3 本文主要研究内容及工作 以上是对已有的经典沉降计算方法的分类总结，本文主要围绕不同加载方 式下不同应力路径引起的土体沉降以及强度等的差异进行分析与讨论，本文的 主要工作有： l 总结应力路径相关知识，分析应力路径与沉降、变形的关系，并从应力 路径的角度出发，对比了几种沉降计算方法的不同之处。 2 简要阐述真空预压、堆载预压、真空一堆载联合预压三种加载方式的机 理，对现场监测数据进行处理，分别绘制出了三种加载方式在现场施工时所对 应的应力路径，并结合土力学知识，对这三种不同的应力路径曲线进行对比分 析。 3 利用电子万能试验机进行堆载预压的室内模拟，分别在不同围压、不同 加载速率、不同荷载增量、不同加载顺序等多种条件下进行了堆载预压的室内 模拟，研究了多种因素影响下堆载预压时孔隙水压力和应力路径的变化情况， 以及这些因素对于土体强度和沉降的影响。 4 利用河海大学岩土工程研究所自行研制的大型应力控制式流变仪，进行 真空预压与联合预压的室内模拟，真空荷载与堆载压力以不同的比例进行组 合，研究了不同的荷载组合方式下孔隙水压力与应力路径的变化情况，同时将 试样的强度以及沉降量进行了对比分析。 5 与实际工程相结合，通过室内常规三轴试验和固结试验，应用应变等值 线法进行了沉降计算，并将计算结果与实测的沉降量进行对比，分析出现误差 的原因，并且指出应力路径法计算沉降的不足之处。此外，根据笔者个人的试 验心得，就三轴试验中应注意的具体操作方法，提出了自己的见解。 河海人学硕一l ：论文 第二章应力路径基本理论简介 在卜i 一章中，本文就地基沉降的几种方法进行了简要介绍，在第二章中我们 将进一步就阐述有关应力路径的基本概念与理论，并且从应力路径的角度对几种 常见沉降计算方法进行对比与总结。 2 1 应力路径的基本概念 2 1 1 应力路径基本概念及表示方法 土体在外荷作用下，应力应变关系呈现非线性。除了土体自身因素外( 如 密度、含水量、颗粒排列等) 还与外部的加载条件有着密切联系，为了使所研 究的问题更加符合实际，应尽量考虑现场土体的实际受力情况。 土体受到荷载作用时，其中任意点的应力状态是不断化的，这一变化过 程实际上是一条应力变化曲线，可以用应力空间中移动轨迹来表示，称为应力 路径。 一点的应力状态可以用应力圆表示，那么在外荷载作用下，该点应力状态 可以用一系列变化的应力圆表示。但是用一组应力圆表示过于繁琐，为了让画 面清晰，通常用某个特定平面上的轨迹线来表示。正如破坏线用莫尔一库伦圆 的公切线表示一样，应力路径线一般连接的是应力圆的顶点，也就是采用与主 应力面夹角成4 5 度面上的应力变化轨迹线来表示土体单元的受力过程最为方 便。以常规三轴为例( 图2 1 ) ，保持周围压力吒不变，增加竖向轴压q ， 这一过程可以用一系列的应力圆来表示，为了使图像简明，用每个应力圆的顶 点来表示这一变化过程，并用平滑曲线相连，即为常规三轴试验的应力路径。 e 一、 一一d 、 、 一、 j 7 ? c j i t 垒f! l ! ! j 图2 1 常规三轴试验应力路径 图2 2 总应力路径与有效应力路径 不同之处在于，一般的应力状态圆习惯于用盯和f 作为横坐标与纵坐标， 而在应力路径曲线中，考_ 虑至【j 应力圆顶点横、纵坐标均为半与半， 因此为了统一，分别以p = 旦垒，q = 旦亏垒作为应力路径曲线图的横、纵 坐标。 2 “f引!iil 第一二幸应力路径基率理论简介 根据有效应力原理，有总应力与有效应力之分，同样应力路径也有总应力 路径与有效应力路径之分，这主要是由于排水条件引起的。总应力圆的顶点连 线称为总应力路径，而有效应力圆的项点连线则称为有效应力路径。分别用 t s p f t 0 t a ls t r e s sp a t h ) 和e s p ( e 虢c t i v es t r e s sp a t h ) 表示，如图2 2 所示，有 效应力路径与总应力路径之间的距离大小即为孔隙水应力值。对于正常固结 土，剪切时产生正的孔隙水压力，有效应力路径在总应力路径左边：超固结土 剪切时会产生负的孔压，所以有效应力路径相对于总应力路径有从左边向右边 发展的趋势。需要说明的是有效应力路径一般都呈曲线发展，图22 只是为 了阐明问题而进行了简化。 2 1 2 足。、k ，、k ：、r ，线之间的联系与区别 知道了应力路径的基本概念之后，我们有必要就应力路径曲线图中常用的 几种线条加以分析与区别，在路径曲线图中它们常常是我们估计土体强度，判 断破坏与否的简便可行的依据。 2 1 2 1 心线的概念与意义 g k 。线 【p 。一：一、 ，| 、 夕彳、。 ，一、j j ? j! l 吒= k qq 图2 3 线图 在分层总和法计算沉降时 我们一般假设土体处于以固 结状态，无侧向变形；在室内测 定土体压缩系数与固结系数时 也是限制其侧向变形，进行单 向固结实验。在这一特定条件 、 下，土地受外荷作用产生一系 1 列的应力圆，称为配圆，他们 大主应力与小主应力都满足 歹3 = k 的条件。所以p = 旦专垒= 旦争堕 ( 2 一1 ) 盯：! ! 二1 2 ：坚二丝q ! ! !( 2 2 ) 1 11 而线率唧2 吾= 卷= 篙 ( 2 1 ) 姐1 ( 蕞) ( 2 叫 疋线的意义在于：如果应力变化沿着疋线发展，意味着土体只发生竖向变 河海大学硕i j 论文 形析无侧向挤出变形，那么土体也不会发生强度破坏。线上各点都是圆的 顶点，所以线代表静止土压力状态，线也就是土体的天然应力状态”。 2 1 2 2 k ，、k ；线与f ，线的关系 f 码线 、 ，7 ，夕_ 二、卜 一。 i q 一巧 ， d c c t g 母( q + 吒) ，2 图2 4 线与f ，线的关系 盯 如上图所示，根据莫尔库伦理论，同一单元土体在不同围压下得到不同的 极限应力圆，这一系列极限应力圆的公切线可近似认为是一直线，即我们所说的 强度包络线，也就是r ，破坏线。该直线的截距c 称为粘聚力，直线倾斜角度妒称 为内摩擦角。 从应力路径的角度出发，若将这些极限应力圆的顶点相连即为世，线，该直 线的截距为d ，倾角为甜，如图2 4 所示。根据几何知识我们可以推导出世，线 与r ，线具有以下关系。 t a l l 口： 垫二垒! 丝 ：s i n 口 ( 2 5 ) c c t a n 矿+ ( q + 吒) ，2 并且 将上式带入该式可得 d c t 锄d = c c t a i l ( 2 6 ) d = c c o s 4 ( 2 7 ) 第二幸鹰，路径堆本理论简介 因此，只要我们通过试验求得土体的足，线的倾角a 和截距d ，就可以通过 ? ， “， e s p t s p 口 一一一4 a 图2 5 巧与世；线关系 上面的关系反算土的抗剪强 度指标c 、妒。 土的强度指标可以分为 总应力强度指标和有效应力 强度指标，应力圆也分为总应 力圆和有应力圆，若将极限状 态有效应力圆的顶点相连即 可得到k ：线。其坡角与截距 分别为口和d 。而且如果在 上图( 图2 4 ) 中改用有效极限应力圆时，口和同样和土的有效强度指标具 有以下关系： 吒= 世。仃i oq o 图2 6 民，臣，f ，线关系 t a i l 口= s i n 口 d = c c o s 口7 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 综上所述，我们采用总 应力形式，将蚝、足，、r ，线 同时绘于r 一仃平面内，如图 2 6 所示 9 1 。从应力路径的 角度出发，凰处于原始应力 状态，无侧向变形。世，代表 土体临界破坏状态，一切应 力条件都不可能超过足，线， 受外荷作用时，单元土体的应力状态只能在线与巧线之间变化。 2 2 应力路径与变形的初步认识 力的施加方式、方法以及施加的先后次序不同，对于同一土体往往会产生 不同的沉降量与变形量，下面我们将就应力路径与变形之间的关系进行简要介 绍。 2 2 1 应力路径对变形的影响 洲海大学硕j i j 论文 如图2 7 所示，当我们做三轴试验室时 十q a b q 图2 7 应力路径与变形 以排水剪为例，并且不考虑土 体的各响异性，若进 行各向等压固结， 口l = c r 3 ，口i = 吒， 那么土体将产生各向 等量压缩变形，应力 路径呈水平向沿p 轴 f 向发展，如图中e f 线所示，卸 o ， 幻= 0 土体等向