（固体力学专业论文）高速公路软基沉降的反分析理论研究及工程应用.pdf

摘要 本文主要讨论了高速公路毯基通隆的计算方法问题。对前人地基沉降计算 方法进行了总结，并针对目前工程中新采用的真空一堆载联合预压加固软基法 提出了一种简便的查表沉降计算方法。建立了砂井地基与砂墙地基的等效变化 关系，提出了一种粘弹塑性一损伤模型，并将之应用于地基沉降的有限元计算 中。之后，本文提出了以比奥固结有限元法为基础、运用土工反分析理论进行 地基沉降预测的方法。预测分析中采用广义伏奥特模型( 舻2 ) 作为地基沉降总 模型，充分考虑了软粘土的粘性特征及其所引起的次固结沉降的影响，采用单 纯形法求取未知弹性参数优化值，预测的外延曲线采用指数函数形式来模拟。 最后，通过一个工程实例对该反分析方法进行验证，证明了本文所采用的预测 方法是比较先进合理的，可以在工程中推广应用。 ，、 关键词：高速公路软辇沉降预测反分析方法比奥固结有限元法 真空预压 i i i a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ad e e pr e s e a r c ho ns o f tf o u n d a t i o ns e t t l e m e n ti ne x p r e s s w a yi s c o n d u c t e dt h e f o r m e r f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d s a r es u mu p ，a n d 口s i m p l ea n d c o n v e n i e n tm e t h o da b o u t f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no f v a c u u m h e a p e dl o a dc o m b i n i n gp r e c o m p r e s s i o nb yg r a p h o l o g y i sa l s op u t f o r w a r d t h e e q u i v a l e n tt r a n s f o r mr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns a n d - d r a i nf o u n d a t i o na n ds a n d - w a l l f o u n d a t i o ni sc o n t r a c t e da n dp u ti n t ou s ei nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s am e t h o dt o p r e d i c tf o u n d a t i o ns e t t l e m e n tu s i n gb a c k a n a l y s i st h e o r yb a s e do nf e mo fb l o t c o n s o l i d a t i o nt h e o r yi sp u t f o r w a r d i nt h & m e t h o d , t h ea u t h o ru s e g e n e r a l f z e dv o i g t m o d e la st h ew h o l em o d e lo f f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tw i t hav i e wt oc o n s i d e rt h e v i s c o s i t yo f d a y a n dt h ee f f e c to f h y p o c o n s o l i d a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h es i m p l e x m e t h o di su s e dt oe v a l u a t et h eu n k n o w no p t i m i z e dp l a s t i cp a r a m e t e r s a n dt h e p r e d i c t e d c u r v ei s r e p l a c e db yt h ee x p o n e n t i a le x p r e s s i o n f i n a l l y , t h er e s u l to f a n e n g i n e e r i n gp r o j e c tt e s t 孵e dt h em e t h o d w eu s e di sr e a s o n a b l ea n d a d v a n c e d , a n d i t c a nb ea p p l i e dt oa c t u a le n g i n e e r i n g p r o b l e m s k e y w o r d s ：e x p r e s s w a y s o f t f o u n d a t i o n s e t t l e m e n t p r e d i c t i o n b a c k a n a l y s i sm e t h o df e m b a s e d o n b i o tc o n s o l i d a t i o n t h e o r y v a c u u m h e a p e d l o a d c o m b i n i n gp r e c o m p r e s s i o n i v 堕堕坌堕鏊茎塑堕盟垦坌堑翌丝堕塑墨三堡堡旦 1 1 问题提出及意义 第章绪论 在强度低、透水性差、压缩眭高、易受扰动影响且士性参数试验取值困难的断软 土地基上修建高速公路，将导致地基的下沉，这使得软土地区高速公路路基的设计与施 工成为工程中遇到的主要技术难题“。一旦路基沉降过多导致路面断裂破坏，就将造 成重大的经济损失，且修复困难。高速公路路线较长，沿线地质条件变化较大，地形条 件复杂，因此，也不能象工业与民用建筑那样进行十分详细的地质勘查，再加上施工车 辆及机械通行频繁，施工加载的方式及顺序变化较大，都使得地基的基本特点以及先期 受压和被扰动的状态不宜准确掌握。因此，对地基变形及稳定性的要求十分严格。目前， 工程中解决软土地基变形与稳定性的主要措施有以下几个方面： 1 增大施工预压期，使地基沉降尽可能地在施工期间发生； 2 增大地基土的排水固结速率，即采取打设袋装砂井、排水板等措施使在给定的 施工期内由于排水固结产生的沉降大，土体的强度增长快； 3 减少地基的总沉降，即采用打设粉喷桩等复合地基处理方法使得地基在给定的 外荷载下所产生的总沉降减小，并鼹高地基的承载力，减少工后沉降“； 4 采用l 临时过渡地面，待沉降稳定后，再修筑正式路面； 5 采用提高路堤设计标高的方法，预留沉降量。 随着我国沿海地区高速公路建设的飞速发展，对高速公路的软基处理提出了更高的 要求。除对常用的软基处理方法进行改进和完善外，一些新的软基处理方法如真空一堆 载联合预压加固软基方法也被引入到高速公路的软基处理中，但是围绕衡量高速公路质 量的重要标准一工后沉降问题还有以下四个方面有待解决： 1 软基处理方法的设计问题【1 目： 2 预压期问题； 3 卸载标准问题m ； 4 软基处理效果的评估问题 1 目。 显然，无论采用哪种处理方案，都需要事先预撇的沉降量及其随时间的变化 情况，以便给施工组织决策、结构物反开挖、预压期制定、卸载等提供参考依据。但是 由于岩士工程材料的特殊性及复杂陛，要为其建立个比较精确的沉降计算模型很不容 易，而更不容易的是要确定其中的参数。因此岩土工程材料性态参数和初始地应力场参 数的确定问题一直是人们定量认识这一工程领域中的各种行为及现象的主要障碍。而且 岩土数值计算中最大的误差来源于计算参数的误差。在确定计算参数的试验中，不 可避免地存在着试样扰动，而且室内小试样试验也只能表明整个工程中土的局部性质， 南京理工大学硕士学位论文第1 页共6 4 页 笙二主堕堡 一 即使现场试验也只能是局部的、有限的，这就导致了土体参数的随意性。以上种种原因 者时吏已经发展起来的反分析方法成为解决这一问题的有效手段。目前，有关反分析问题 的研究已经涉及水电地下工程和隧道工程施工、大坝安全陛监控、基坑工 呈施工预报、 高速公路软基沉降预测等各个岩土工程领域m 1 。并且通过反分析得出的参数可以代表 整个工程中土的宏观上的性质，可对施工过程进行实时反馈，修正原设计和施工方案中 由于多种因素而导致的不足。因此本研究不仅具有很高的理论研究价值，而且具有广泛 的工程应用意义。 自从1 9 7 1 年k a v a r 啦研究了用有限元法反分析弹性参数以来，反分析越来越受 到人们的重视。反分析即反演分析问题a c k a n a 蛳s p b 又称同定n 题( i d e l l f i f i c a t i o n p r o b l e m ) 或特性化问题( 曲硪i c t ( 施丑廿o np r o b l e m ) ，是利用现场量测的信息( 包括位移、应 力或地层压力等) ，依据给定的工程材料模型，来反演材料的性态参数和初始荷载。反 演分析法有正反分析法和逆反分析法之分“】，其解析茼去已有若干研究成果，一搬可分 为直接定式 g f 溉c tf o r m u l a t i o nm e t h o d ) 和逆定式化法( i n v e m ef o r m u l a t i o nm e t h o d ) 二类。反演分析过程中，可以利用的数值方法主要有有限元法“卜“ 、边界元法”卜、有 限元一无界元耦合法“与有限元一边界元耦合法 1 。1 9 7 4 年s a k u r a i 提出用解析解求山 体初始应力及粘弹性系数的方法，即通过对粘弹性山体中隧道周边蠕变位移的变化情况 进行量测，然后利用量测数据逆推初始应力及粘弹性系数”j 。由于该方法用隧道施工 坝场的实测值作为输入量，这在反分析技术实用化方面迈出了可喜的一步。其后，k i r s t e n 提出将有限元法求得的影响系数代入理论解中，同时考虑实测位移，逆推地基的弹陛系 数的方法，并将其研究成果应用于坡面开挖工程。g i o d a 等通过现场实测位移对作用于 土锚杆的土压力进行了反分析并对有限元作了逆定式化僻1 。j u r i n a 及c i v i d i n i 以地基工 程为研究对象，对k a v a r l a 西的方法加以修正，使其应用于非均质地基。但是，上述基 于逆定式化法的各种方法均限于应力应变线性材料。 在直接定式化的研究方面，i d i n g ( 1 9 7 4 ) 用直接搜索法对非线性弹眭体材料的物 性参数进行了解析。c i v i d i n i ( 1 9 8 1 ) 用同样的方法，针对地基中软弱夹层求得其材 料物性参数，并确定出软弱层位置b 0 。中科院地质所杨志法等提出了一种易于操作的 “位移联图反分析法 【5 。杨林德、王建宇提出用边界元法反演围岩初始h 垃力和物性 参数的方法。边界元法同有限元法相比，其输入信息量小，对计算机容量的要求低，实 用性强，在反演计算手法上更添新路。文献 6 、 7 中分别提出了二维、三维弹性问题 中的弹性模量f 和初始地应力场参数的位移反分析法，文献 i l 给出了初始地应力和弹 性参数厶r 的二维位移反分析法，文献 8 、 9 又给出了二维、三维空间中粘弹性参 数及初始地应力场参数的反分析法，并讨论了初始地应力场线陛分布情况的反演计算。 南京理工大学硕士学位论文第2 页共6 4 页 堕望坌堕竺茎望堕塑垦坌堑望堡堕塑垦三堡堡盟一 同济大学孙钧等( 1 9 9 2 ) 发表了“岩石力学参数弹塑性反演问题的优化方法”的 研究成果，提出局部最优解和全局最优解的概念n 3 1 。该研究中用最优化方法算出的目 标函数为 n ，、 巾( x ) = ：( x ) 一 ，) 】2 式中 工= ( 盯，盯，r 掣，e ，d ，c ，妒) ( 1 1 ) 坩i 其中x 的极小值可以有无穷多组解，但只有组才为正确解。而正确解是全局最优解， 非正确解只是局部最优解。其主要研究方法为：以一，一。，r 。作为口讹计算的第一 层次，采用三参数同次优化的方法来求得目标函数的极小值；而以仍c 、d 、e 分别 为第二至第五层次，用一维搜索法求取其目标函数的极小值。即对初始地应力值一， 一，r 。，的优| 化是以围岩物性参数弘c 、d 、e 的某一组i 丘f 阱值为常量作同时优化， 其目标函数可写为 中( 盯。，盯，_ 叫) = ，。( 盯。，盯，f 叫) 一 2 ( 1 2 ) l = l 对此采用迭代求解线性方程组的方法进行计算。 当对值进行全局优化计算时，其目标函数可为 m 7 ( 盯。，盯y ，f 纠) = i f , 。( 妒盯。，盯y ，f 叫) 一“， 2 ( 1 3 ) l ；l 其它如c 、u 、e 各值的优化计算，采取同样的方法逐个进行一维优化计算，最终 可获得目标函数的全局解。该方法中求取某量优化解时，其它量值均保持为某一常量， 在此条件下进行优化计算。因此，该研究成果在同时反演参数并保证唯值从而得到全 局优化解方面，显然取得了突破性进展。 另外，用直接定式化法进行反分析的成功与否，在很大程度e 依赖于选取的目标函 数和优化方法。目前大都果用最小二乘法建立目标函数。 t a k a h a s h i ( 1 9 8 6 ) 在某隧道工程采用的二步台阶反分析中”“，采用的目标函数为： ，= 4 ( “，一) 2 一1 ) ( “，。j 月) 厂 ( 1 4 ) 式中珥为理论位移，为预测的总位移，月为输入的实钡啦移总数目。并根据上台阶 实测值扳分析预测下台阶舡情况。 a d a c h i & k o l l m a ( i 9 8 6 ) 在研究节理单元非线性本构参数反分析中，采用的优化方 法为共轭梯度法，目标函数为： j = n r d ( “? ( 1 5 ) 南京理工大学硕士学位论文第3 页共6 4 页 第一章绪论 式中为量测时间步长数目； m 为位移实j 贝 l 值数目； “? 为节点i 第”步的计算位移； “r 为对应于的实测位移。 为加速直接定式化法反分析的收敛，c i v i d i n i ( 1 9 8 1 ) 定义了下面的目标函数： rh、1 2 ，： y h ( p ) 一“，+ 2 ( 1 6 ) 【冒j 式中p + = p a ，嘶) 为理论计算值，m 为量测位移值。在每次迭代中，上述定义的参数 向量p 除以比例系数a ，口可由定义的目标函数j ( a ) 最z l 、化来计算a 为保证反分析结果的准确性，在目标函数建立时可选取两个或更多基础信息。a r a i 等( 1 9 8 4 ) 在研究基于土体移动监测进彳亍土性参数反分忻时劳t 采用了位移和孔隙水压力 两个信息变量来建立目标函数叫。 建立目标函数后如何精确而且快速地反算出材料参数，还在于选取怎样的优化方 法，于是许多作者采用各种优化技术来进行反演分析。c a o d a ( 1 9 8 5 ) 总结了适于岩体工 程反分析的四种优化方法即单纯形法、r o s e n b r o k 法、拟梯度法和p o w d l 法。w u k a i h u a ( 1 9 8 8 ) 提出了用罚函数法将约束问题化为非约束问题，采用边界元法确定岩石力 学参数。f e n g & l 删出( 1 9 8 7 ) 采用变容誊去优化了由实澳啦移反分析初始地应力。孙建 华( 1 9 8 9 ) 也讨论了优化方法中的可变容差法和罚函数法同弹塑性有限元分析的耦合来实 现直接反演计算的思想。h u a n gh o n g w e i ( 1 9 9 3 ) 在用b a y e s i a n 建立目标函数时也采用了 可变容差优化技术。 上面论述的都属于确定性反分析的内容，但在实际工程中，用确定性反分析得出的 结果与实测的结果往往会有较大的出入。这除了计算模型及计算误差等因素之外，岩土 工程中具有的不确定性也是很重要的原因。近年来，国内外学者针对岩土工程中的不确 定性，提出了许多新分析方法：如模糊数学手法、灰色理论解析手法1 、时间序列分 析手法、离散元法、概率有限元法等。在概率分析法中，又有m a d ，o 、，p r o c e s s 分析手法、 b a y e s 分析手法，极大似然法等。最近，又有作者将最优控制理论的卡尔曼滤波法 ( k a l m a n f i l g e r ) 用来分析岩土问题，将岩土工程非确定性问题研究推向深层。 下面讨论固结反分析方面的研究成果： 1 9 7 8 年1 2 月，a s a o k a 提出了用己量测的沉降资料来预测未来的沉降，并导出了用 于沉降预测的自回归方程： pj = 8 、范8 s p 。 式中p ，表示at 时刻的沉降，芦”，表示待估未知参数。 ( 1 7 ) 南京理工大学硕士学位论文第4 页共6 4 页 高速公路软基沉降的反分析理论研究及工程应用 之后，a s a o k a ( 1 9 7 4 ) 在第三届国际岩土力学数值分析会议论文“b a y e s i a n a p p r o a c h t o i n v e r s e p r o b l e m i n c o n s o l i d a t i o n a n d i t s a p p l i c a t i o n t os e t t l e m e n t p r e d i c t i o n ”中”“，将贝叶斯 方法用于一维固结反分析，论述了用贝叶斯方法分析、最小二乘法估计自回归方程中未 知参数的方法。1 9 8 0 年又将这一成果用于成层地基、逐渐加荷系统的分析，并取得 了较好的结果。 a r a i 等将1 9 6 4 年由f l e c h e r 和r e e v e s 提出的共轭梯度法用于目标函数的优化分析。 目标函数采用孔隙水压力和应力n 4 f 言息变量来构造： n d、d ，= ( “? 一“，) 2 + ( 盯o t ) 2 ( 限制条件：e 0 ，0 u 0 5 ) ( 1 8 ) l = l= i 式中珥+ ，叮+ 表示各结点的实测位移，应力； m ，q 表示各结点的有限元计算而得的位移、应力。 1 9 8 4 年，a s a o k a 等开始使用b i o t 固结方程进行固结反分析 ，结果表明，b i o t 固 结反分析比一维t e r z a g h i 固结反分析的精度要高，但他仍然采用线性本构关系。m i l d o s h o j i 等将拟牛顿法应用于线弹性固结问题的反分析，使收敛速度更陕。但拟牛顿法 与共轭梯度法一样，对初始值要求较高，而目在迭代过程中需进行求导运算。 上面简要地回顾了一下反分析理论发展的历程。a s a o k a 、a r a i 等在固结反分析方面 做了大量的工作，但同时尚有待完善的问题： 1 未能真正将非线性本构模型引入固结反分析中，用线陛本构模型很难准确描述土 这种复杂的岩土材料。 2 未能对固结过程中渗透系数的变化情况作一系统的研究。 根据以上的不足，本文拟完成以下工作： 1 深入毓寸软土地基沉降中瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降的机理，总结介绍 历来软土地基沉降预估方法，并指出各种估算方法的不足，对目前存在的一些问题提出 自己的观点。推导真空一堆栽联合预压加固高速公路软基的地基总沉降实用计算公式， 进一步完善这一新一代高速公路软基加固方法。 2 将殷宗泽的椭圆一抛物双屈服面模型和修正的考马拉一黄犊型结合起来得到种 可以考虑土体的剪胀、剪缩的粘弹一粘塑性流变模型，运用比奥固结理论，并考虑土体 损伤的影响，对工程实例真空预压处理区典型断面进行有限元计算。计算真空预压时， 认为水头边界在地面，让真空预压区表面各点的孔隙水压力按线 生从o 减少至一8 0 k p a ， 然后维持不变；在真空预压区以外，地表面各点的孔隙水压力令其始终为零。堆载预 j e 时，则将填土折算成等效结点荷载按线性规律施加上去。在考虑砂井阻力时，将砂井 南京理j ：人学硕士学位论文 第5 页其6 4 页 一 第一章绪论 剖分成砂井( 平面问题中为砂墙) 单元参加计算，既简化了计算，又可更真实地模拟地 基固结变形的真实情况。 3 ，软基总沉降力学模型采用广义伏奥特模型( 硝，以室内试验参数为参考指标， 通过实测资料分加载时段反演土体的平均固结参数和压缩参数。根据深厚软土地基沉降 特点和大量实例对比分析，预测外延曲线采用指数曲线法。预测结果表明，只要时间段 出足够小，就有足够的精度。 4 对广珠高速公路典型断面进行反演计算，并将预测结果与实测结果进行对比分 析，证明该预测方法的合理性和先进性。根据预测出的工后沉降指导该路段通车后的维 护施工。 本论文中遵循以下基本假设： 1 ) 假定地基土为均质、各向同性的饱和软粘土； 2 ) 土粒与水不可压缩，土体变形仅由孔隙水排出及超孔隙水消散所致： 3 ) 土中渗流符合达西定律，渗流系数为常量； 4 ) 一维隋况下，土体是理想弹 生材料，应力一应变芙系为线弹陛，且土体 中只产生竖直方向的渗流与压缩。 另外，在论文中还将针对具体问题有一些假定条件。 南京理工大学硕士学位论文 第6 页共6 4 页 童垄竺堕墼茎塑堕塑垦坌塑堡堡塑壅墨三堡壁塑 参考文献 1 杨林德等，岩土工程问题的反演理论与工程实践，北京：科学出版社，1 9 9 6 2 刘永燮等，监测信息反馈设计在引大盘道岭隧道中的初步应用，地下工程拣1 9 9 2 3 朱合华，附青军，日本基坑工程设带胀与发民软土工程蓟髟控制设计理论与j 娴会议论文集， 同济大学出版社，1 9 4 杨林德等，初始地应力位移反分析计算的有限单元法同济大学学报，1 9 8 5 ，( 4 ) 5 杨志法，地下工程平面问题弹性有限元图谱，北京：科学出版社，1 9 8 9 6 s a k u r a i ，s & t a k e u c h i ，kb a c k - a n a l y s i sb ym e a s u r e dd i s p l a c e m e n t so ft u n n e l ，r o c km e c h a n dr o c ke n g i n e e r i n g ，1 9 8 3 ，1 6 ( 4 ) 7 s h i m i g u ，m g s a k u r a i ，s a p p l i c a t i o no fb 删f o rb a c ka n a l y s i sa s s o c i a t e dw i t ht u n n e l l i n g p r o b l e m s p r o c o ft h e5 t hi n t c o n f r o nb n ，ac o m p u t m e t h c e n t r ep u b l i c a t i o n ， s p r i n g e r - v e r l a g ，1 9 8 3 8 杨林德等，天荒坪抽水蓄能电站试验洞的位移反分析研究岩土工程学报，1 9 9 2 ( 2 ) 9 杨林感朱合华，地层三维弹陛、粘弹眭反演分析，岩土工程等封r ，1 9 9 1 ( 6 ) 1 0 严克强黎深呢杨涛位移反分析的有限元一无界元耦合法及其在工程中的应用，第一届计算岩 土力学研时会论文第成都：西南交通大学出版社，1 9 8 7 i i 汤姆索，bc 等，地应力测量与研究北京：电震出版社，1 9 8 2 1 2 国家地震局地应力研究文第北京：地震出版丰土，1 9 8 7 1 3 孙钧，鞘捌屏，袁勇，岩土力学反演问题的随机理论与方法，汕头大学出胚* 土 1 4 b 戋家咧，殷宗泽主编土工原理与计第中国水利水电出版社 1 5 岳红宇，王良国，真空一堆栽联合预压加固高速公路软基效果分析，公路交i 目科技2 0 0 1 ，( 1 ) 1 6 洪宝宁等，一种高速公路软基处理的实用设计方法南京理工大学学报，2 0 0 0 ，“) 1 7 洪宝宁，真空一堆栽联合预压加固高速公路软基卸真空标准的试验研究，河海大学学抿1 9 9 9 ，( 1 0 ) 1 8 岳红宇，杨慧，广珠东线高速公路软基稳定陛分析及处理，江苏交j 蓖科技，2 0 0 0 ( 6 ) 1 9 岳红宇，王良国，关于软粘土不排水强度试验的几点注解，江苏药宙科技，2 0 0 0 ，( 5 ) 2 0 k k i r aa s a o k a o b s e r v a t i o n a lp r o c e d u r eo fs e t t l e m e n tp r e d i c t i o n s o il sa n df o u n d a t i o n s v 0 1 1 8 ，4 ，d e c ，1 9 7 8 2 1 a k i r aa s a o k e m i n o mm a t s u o ，b a y e s i a na p p r o a c ht oi n v e r s ep r o b l e mi nc o n s o li d a t i o na n d i t sa p p l i c a t i o nt os e t t l e m e n tp r e d i c t i o n t h i r di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nn u m e r i c a l m e t h o d si ng e o m e c h a n i c s a a c h e n 2 - 6a p r i l1 9 7 9 2 2 a k i r aa s a n k a , a ni n v e r s ep r o b l e ma p p r o a c ht os e t t l e m e n tp r e d i c t i o n s o i l sa n df o u n d a t i o n s ，v 0 1 2 0 ，n o 4 ，d e c1 9 8 0 2 3 a k i r aa s a o k aa n dm i n o r u t s u o ，a ni n v e r s ep r o b l e ma p p r o a c ht ot h ep r e d i c t i o no f m u l t i _ d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o n b e h a v i o r ，s o i l sa n df o u n d a t i o n s ，v 0 1 2 4 n o 1 p4 9 - 6 2 南京理工大学硕士学位论文第7 页共6 4 页 笙二兰笪堡 f 2 4 k a t s u h i k oa r a i h i d e k i o h t aa n dk e i s u k ek o j i m a ，e s t i m a t i o no fs o i lp a r a m e t e r sb a s e do n m o n i t o r e dm o v e m e n to fs u b s o i lu n d e rc o n s o l i d a t i o n ，s o i l sa n df o u n d a t i o n s ，v 0 1 2 4 ，n o - 4 ， p9 5 1 0 8 d e c 1 9 8 4 2 5 k a l s u h i k oa r a i ，h i d e k io h t a , k e i s u k ek o j i f l l a , e s t i m a t i o no fn o n l i n e a rc o n s t i t u t i v e d a r a 1 e t e r sb a s e do nm o n i t o r e dm o v e m e n to fs u b s o i 1u n d e rc o n s o li d a t i o n s o ll sa n d f o u n d a t i o n s v 0 1 2 7 ，n o 1 ，p 3 9 ，妇r1 9 8 7 2 8 a k i r aa s a o k aa n dk o j im i s u m i ，a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o no f c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n to f n o r m a l l yc o n s 0 1 i d a t e de m b a n k m e n tl o a d i n g ，s o i l sa n df o u n d a t i o n s ，v 0 1 2 8 ，n o 3 ，p 3 5 5 0 ， s e p1 9 8 8 f 2 7 l ( a t s u h i k om a i h i d e k io h t a , k e i s u k ek o j i m a , a n dm a s a f m f iw a k a s u g i ，a p p l i c a t i a no f b a c k a n a l y s i st os e v e r a lt e s te m b a r 蛔e n t so ns o f tc l a yd e p o s i t s ，s o i l sa n d f o u n d a t i o n s ， v o l2 6 2 p 6 0 0 2 ，j a n e 1 9 8 6 2 8 袁虱围岩弹塑性参数反算的极大1 必然戳工 呈勘察，1 9 9 1 ，( 5 ) 2 9 杨林德等，凤寅分析中量钡十误差撇与仪溯的研究土木工程学抿2 0 0 0 ，( 2 ) 3 0 - c i v i d i n i ，g g a i e r ，a n a p p i ，p m a i 【l e t e re s t i m a t i o n o fas t a t i cg e o t e c h n i c a lm o d e lu s i n g a b d y e s i o n a p p r o a c h ，i n tj r o c k m e c h s e i g e o m e c h a b s t r ，v 0 1 2 0 ，n o 5 ，p2 1 5 - - 2 2 6 ，1 9 8 3 f 3 1 m i k i os h o h i ，h i d e k io h t a ，k a t s u h i k oa r m ，t a k a s h im a t s u m o t o ，t o s h i h i k ot a k a h a s h i ， t w o d i m e n s i n s t a lc o n s o l i d a t i o nb a c k - a n a l y s i s ，s o l i sa n df o u n d a t i o n s v 0 1 3 0 ，2 ， p6 0 w 8 ，j a n e ，1 9 9 0 f 3 2 g i a n c a r l og i o d aa n ds h u s u ks a k u r a i ，b a c ka n a l y s i sp r o c e d u r e sf o rt h ei n t e r p r e t a t i o no f f i e l dm e a s l i r e m e n t si ng e a n e c h a n i c s ，i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lf o rn u m e r i c a la n da n a l y t i c a l m e t h o d si ng e o m e c h a n i c s ，v 0 1 i i ，p5 5 融6 8 3 ，1 9 8 8 3 3 潘国策王穗豫深基坑事故隐患的灰色预澳9 ，同济大学学报，1 9 9 9 ，( 6 ) 南京理工大学硕士学位论文第8 页共6 4 页 高速公路软基沉降的反分析理论研究及工程应用 2 1 概述 地基沉降问题是土力学中的重要研究课题之一。t e r z a g h i ( 1 9 2 3 ) 一维固结理论的推 出，极大地促进了土力学理论的发展，在工程建设中起到了巨大的指导作用“j 。此后， r e n d u l i c ( 1 9 3 6 ) 又将t e r z a g h i 的一维固结理论推广n - 维和三维情况，得出t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论，但该理论至今都没有实用于般清况的解析解，只能i 用有限差分 解和有限元解。对于许多实际问题，例如当底宽与地基压缩层厚度之比大于0 5 时的路 堤荷载，t e r z a g h i - r e n d u l i c 固结理论的计算结果已经足够精确了o 】。b l o t ( 1 9 4 1 ) 直接从弹 性理论出发推导出三维固结理论方程o 。这个理论可以求解土体在任意时刻的应力和变 形，但只能对少数简单的边值问题求出解析解和半解析解，直至6 0 年代末有限元法的 应用和计算机技术的发展，它才被工程界所逐渐采纳。之后，有许多学者采用非线性弹 性、弹塑性、粘弹性及粘弹塑l 生并考虑损伤土体蔽损伤本构模型来描述土体的应力应 变关系进行沉降计算，但都因为计算参数多且确定困难而没有得到广泛应用。目前工程 中仍普遍采用维固结沉降公式计算地基的最终固结沉降。但是对于这种计算方法，当 压缩层很厚时引起很大的误差。另外，土体自重应力、应力历史、加载方式及加载速率、 基底附加压力随沉降变化等方面的问题都在不同程度匕影响基础沉降计算结果的精度。 就目前工程建设要求来看，预估软基沉降和时间关系的水平仍然很差，高速公路建设中 由于路基下沉过大而导致路面开裂和桥头跳车问题至今也没有得到很好的解决。因此， 地基沉降的分析也是项复杂的系统工程，虽然前人已经做了不少的工作，但是围绕地 基沉降计算笔者认为还有以下几个方面工作需要完善： 1 简化现有线性、非线性沉降计算理论，使之能方便的应用于实际工程中。 2 有限元法计算时边界条件及初始条件的简化，计算参数的确定。 3 真空荷载的简化及真空预压软基处理区地基沉降的实用计算方法。 就以e 三个问题，本章及下一章将作具体阐述。 建瓣勿基础的沉降是由亍地基土的变形引起的。珊况下，饱俄骷土地基总沉 降依发生的原因及次序来说可分为三部分，即初始沉降、主固结沉降、次固结沉降。即 s ( f ) = s ，( f ) + s d + s 。o )( 2 1 ) 式中s 表示地基在时间f 的总沉降；品表示地基的初始沉降；s x t ) 表示地基在时间t 的固结沉降；l s ：聊表示地基在时间f 的次固结沉降。 南京理工大学硕士学位论文 第9 页共6 4 页 第二章软基沉降预估的实用计算方法 初始沉降也叫瞬时沉降，是指基础荷载一旦加上后，立即发生的那部分沉降。对 于咆和土地基，在加载的瞬间土中水来不及排出，在不排水和匣体积条件下，剪应变引 起土体的侧向膨胀而造成瞬时沉降；而对于非饱和土地基，这部分沉降的产生除了土体 的侧向膨胀之外，还由于土粒间孔隙气的压缩和排出。见图2 1 ( a ) 。 饱和土地基在基础荷载下将引起超静孔隙水压力。地基内各点的超静孔隙水压力值 不同，其压力梯度促使孔隙水逐渐从土粒间隙中向外渗出，于是引起地基土缓慢压缩而 产生固结沉降。对一般粘性土来讲，固结沉降是基础沉降的主要部分。 次固结沉降是土体蠕变的过程。目前工程界有两种观点：种观点认为土体主固结 先发生，次固结后发生；另一种观点认为 主次固结同时发生。两种观点推出的沉降 时程曲线有很大的差别嘲。现有计算方 法都是从第种观点出发的，认为在土体 固结后期，超孔隙水压力虽然已经消散为 零，但土粒表面上的吸着水受压变形，离 土粒表面较远的吸着水逐渐转变为自由 水，这样引起地基土的压缩产 & _ - t 2 t t 的次 固结沉降，其持续时间极长。 目前工程中普遍采用分层总和法，在 初始沉降( b ) 固结沉降 图z 1 土件交兜历期 每层中分别考虑初始沉降、主固结沉降、次固结沉降来计算地基总沉降。下面分别介 绍初始沉降、主固结沉降和次固结沉降的实用计算方法。 、初始沉降计算 初始沉降的概念最早是由s k e m p t o n ( 1 9 5 7 ) 提出来的，他同时提出了按弹性力学计 算初始沉降的公式o 】。1 9 7 1 年d 锥。l o n i a 等人根据有限元法参数的分析结果，就剪应 变引起的变形对该计算方法进行了修正“ 。之后，l a 慨( 1 9 6 7 ) 提出按应力路径求解初 始沉降的计算方法6 。该方法可以考虑加载方式、加载速率的影响。徐少曼( j 9 8 3 ) 提出 了一种根据三轴不排水试验的归一化曲线计算初始沉降的方法 1 目。上述这些方法都有 各自的优缺点，目前工程中普遍采用弹性理论公式来估算地基初始沉降。 当粘陛土地基的厚度很深，作用于地基表面e 矩形和圆形面积上的压力为均布荷载 时，初始沉降可按下式计算： 西：掣( 1 - v2 ) ( 2 2 ) 己” 式中岛为基底附加压力； b 为荷载面积的直径或宽度； 为考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的沉降系数，可查表2 1 南京理工大学硕士学位论文第l o 页共6 4 页 壹垄坌堕鏊茎塑堕塑垦坌塑里堡竺塑墨兰堡鏖里一 e ，和v 分别为土体的不排水变移b l 量和泊松比。 软粘土是非线l 生体，其变形模量e 和泊松比v 不是常数，随应力大小而变。饱和 软粘土在瞬时加载时，有剪胀而无体积形变，可取v = 0 5 。对于变形模量色的确定， 可按如下方法进行：取原状土样，进i 亍三轴不排水固结试验，逐渐增加轴向压力使其达 到现场荷载条件下的压力，然后减小到零。这样重复加荷、卸荷若干次，确定每一循环 在最大轴线压力一半时的切线模量，这种切线模量随着循环次数的增多而增大，最后趋 近一渐近线，此渐近线值为再加荷模量耳，用此值代替公式( 2 2 ) 中的不排水变形模量 e ，计算得到的初始沉降与实际比跤一致”“。 受荷面形状u b 中心点角点或边点 短边中点长边中点平均值 码性基础 圆形 1 0 00 6 4 0 6 40 “n 8 50 7 9 方形 1 o l _ 1 2o 5 6 0 7 60 7 60 9 50 8 8 矩形1 51 3 6o j 5 8 0 8 90 9 71 1 5 1 0 8 2 o 1 5 2o 7 6o 9 8】2 1 3 0 1 2 2 3 01 7 8 0 8 91 1 11 3 5 15 2 1 4 4 4 01 9 6o 9 8 11 91 0 21 7 0 1 6 l 5 0 2 1 01 0 51 2 71 6 8 1 8 3 1 7 8 1 0 02 5 3 i _ 2 71 4 92 1 22 2 5 2 1 2 3 0 03 2 31 6 2 16 52 4 52 8 8 5 0 o3 5 41 7 7 1 8 12 7 83 - 2 2 1 1 0 0 04 0 0 2 o o2 2 03 6 03 7 0 注：平均值指紊性勤m 范围内各点瞬时沉降系数的平均值。 当粘性土地基为有限厚度( 厚度为功，下卧层为刚性底层时，初始沉降仍按式( 2 2 ) 计算，但改用，来反映刚性下卧层的影响。的数值可查表2 2 。 表22 下野层为刚眭鹭拍略利锎开琦审随觏和曲鼬蝣辞系数甜值 圆形 矩形条形 h | b 生：l旦：1 5兰：2三：3三：5兰：1 0 三 = o o 直径书 bbbbbbb 0 0o o o0 0 0o 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0o 0 0 0 】0 0 90 0 90 0 9o 0 90 0 9 0 0 90 0 90 0 9 0 2 50 2 4 0 2 4 0 2 3o 2 30 2 3o 2 30 2 30 2 3 o 5o 4 8o 4 8o 4 7o 卵o 4 7o 1o 4 7o 4 7 1 00 7 00 7 50 8 10 8 30 8 3 o 8 3o 8 3o 8 3 l _ 50 8 0o 8 6o 9 71 0 31 0 7 1 0 81 0 81 0 8 2 5n 8 8o 9 71 1 21 2 2i 3 3i 3 9i 4 01 4 0 3 50 9 11 0 11 1 91 3 11 4 5 1 5 61 5 91 6 0 5 o0 9 41 0 51 2 41 3 81 5 517 2 1 8 21 8 3 1o o1 1 21 3 61 5 2 1 7 82 1 02 5 3 南京理工大学硕士学位论文第1 1 页共6 4 页