（岩土工程专业论文）含竖向排水体地基固结的理论分析.pdf

摘要 随着排水预压法的广泛应用，含竖向排水体地基的固结问题一直是当今研究的 热点，迄今为止，很多学者针对含竖向排水体地基提出了一些相应的理论和方法， 本文在前人理论和方法的基础上对含竖向排水体固结的若干问题进行深入的研究。 首先，本文借助现有的固结沉降理论，考虑受均布荷载的含竖向排水体的条形 地基，分析其固结沉降的不均匀分布规律。 其次，本文采用单向压缩理论，结合当前的固结理论，找出加固土体深层沉降 与地基附加应力之间的关系；并根据这一规律提出了计算含竖向排水体地基固结沉 降的深层沉降拟合法，该方法舍弃了繁琐的求解地基附加应力的过程，将已加固完 成的、土层性质相类似的地基的深层沉降分布规律代替地基附加应力的分布规律， 代入一般的含竖向排水体地基的固结方程，就可以求出加固地基固结沉降规律，指 导工程的进行。 然后，本文推导了针对真空预压的径竖向耦合固结解析解，并将解答运用到实 际工程中，与现场监测资料对比分析，取得了比较满意的结果；同时分析了解析解 中各计算参数对真空预压固结解答的不同影响，解释了真空预压过程中的固结规 律。 最后，在真空预压径竖向耦合固结解析解的基础上，推导了真空联合堆载预压 径竖向耦合一般固结解析解，并在一般解的基础上具体分析了真空联合瞬时堆载预 压及真空联合线性堆载预压两种特殊的工况，结合工程算例，分析了各个参数对求 解结果的不同影响，得到了许多有价值的结论。 关键词：竖向排水体；堆载预压；真空预压；真空联合堆载预压；固结；沉降 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fd r a j n a g ep r e l o a d i n gm e t h o d ，r e s e a r c h e so nc 鲫s o l i d a t i o nb y v e r t i c a ld 豫i n sl l 签b e e nb e c o m en o w d a y sh o t s p o t s u pt 0t 1 1 ep r e s e m ，a1 0 to fs c h o l a r sh a v ea l r e a d y p u tf o n a r ds o m eh o m o l o g o u st l l e 耐e s e s 柚dm e t l l o d s0 n 鲁- o u n dw i t l lv e f t i c a l 蚓n s ，t h i sp a p e rw i l l c a r 叮o u tt h o r o u 曲r e s e a r c ho nc o n s o l i d a t i o nb yv e n i c a ld r a j n sb a s e do nt h et 1 1 e 嘶e s 孤dm e t h o d s f 0 惦 f i r 巩w i t ht l l eb 硒e so fe x i s t i n gc o n s o l i d a t i o na n ds e n l e m e n tt h e o 巧，t h i sp a p c ra n a l y s e st h e u i l i f o mc o n s o l i d a t i o n 卸ds e t t l e m e n to fs t r i pf o u n da = t i o nc o i l s i d e r i n gv e n i c a lu n i f o n nl o a d s e c o n d ，w i t ht h ef o u n d a t i o no fe x i s t i n gc o n s o l i d a t i o na i l ds e t t l e m e n tt h e o 叮，t h i sp 印e rf i n d so u t t l ec o 加e c t i o nb e 觚e e nd e 印s o 订s e t t l e m e n t 锄da d d i t i o n a ls 仃e s s ，p u t sf b r v v a r dan e wm e t h o dc a l l e d d e e ps o i ls e 钍i e m e n tm a t c h i n gf o rc o m p u t j n gc o n s o 瑚a t i 伽a n ds e t t l e m e n t 。1 1 1 i sm e l h o da b 卸d o n s t e d i o u s l yp r o c e s so fs o l v i n gf b 哪d a t i o na d d i t i o n a ls 仃e s s ，t a l ( i n gt h ed e e ps o i ls e t t l e m e mo ff i n i s h i n g r e i n f o r c i n ga n ds i m i l a rs o i l l a y e r sf o u n d a t i o nt 0r e p l a c ea d d i t i o n a ls t i e s s ，a i l d 耐sr e g u l a t i o n0 f f o u n d a t i o nc o n s o l i d a t i o n 锄ds e t t l e m e n t0 nt h ef o u n d a t i o no fe x i s t i n gc o n s o l i d a t i o nt h e o 巧，a n d g u i d e se n g i n e e r i n gc a 丌yo n r h i r d ，t h i sp 印e rd e d u c e st h es o l u t i o n so fr a d i c a l 锄dv e n i c a lc o u p l e dc o n s o l i d a t i o nf o rv a c u 啪 p r e l o a d i n g ，醐dm a l ( e su s eo ft h es o l u t i o ni n t ot h ea c t u a le n g i n e e r i n g ，o b t a j n sam o r es a t i s f i e dr e s u l t b yc o n 仃a s ta 1 1 da n a l y s i sw i t ht h es t u f i nt h em e a n t i m e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed i f f e r e n ti n a u e n c e so f c o m p u t i o np a r a n l e t e r si nv a c u u mp r e l o a d i n gs o l u t i o n ，e x p a i n st h er e g u l a t i o no fv a c u u mp r e l o a 例n g l 器t t h es o l u t i o n so fr a d i c a la n dv e f t i c a lc o u p l e dc o n s o l i d a 【t i o nf o rv a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h a 玛ep r e l o a d i n ga r ed e d u c e db a s e do nt h es o l u t i o n so fr a d i c a la n dv e r t i c a lc o u p l e dc o n s o l i d a t i o n f o rv a c u u mp r e l o a d i n g t h e n ，t h i sp 印e rc o n c r e t e l ya n a l y z e st 、) l ，o s p e c i a l w o r kc o n d i t i o n s ：v a c u u m c o m b i n e dw i t hs t e ps 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 hr a m ps u r c h 鹕ep r e l o a d i n g c o m b i n ew i t ha i le n g i n e e r i n ge x a n l p l e ，t h ed i f f - e r e n ti n n u e n c e so fc o m p u t i o np a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d a n dm a l l yw o n h yc o n c l u s i o n sa r eg o t k e ) 啊o r d ：v e r t i c a jd r a i n s ；s u r c h a n g ep r e l o a d i n g ； v a c u u mp r e l o a d i n g ；v a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h 孤g ep r e l o a d i n g ；c o n s o l i d a t i o n ；s e t t l e m e n t 学位论文独创性声明： 本人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 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。 敝作者( ：o 芦马一b 睁厂月如旧 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。 敝储( 签孙孕丝仁咯年厂月。日 第一章绪论 1 1 榻述 在我国沿海地区大量分布着沉积性软粘土，这种土具有含水量高，压缩性大， 强度低，透水性差等特点。随着沿海地区经济建设的快速发展，需要在这种软土地 基上新建大量建筑物，因此必须对这种软土地基进行处理，使其能达到建筑物基础 的要求。针对这种沉积性软粘土的地基处理，排水预压法是一种比较经济有效的方 法之一。排水预压法就是先在地基中打设竖向排水体( 袋装砂井、塑料排水板或塑 料排水软管) ，然后对其施加荷载，或者利用建筑物本身的自重进行加载，使土体 中的孔隙体积不断减少，孔隙水被慢慢排出，有效应力逐渐增长，地基发生固结沉 降，同时土体抗剪强度逐步提高，真空预压法以及真空联合堆载预压法是排水预压 法中较为常见的两种方法，应用也比较广泛。 真空预压法凭借其较大的经济优势及环境效益，已广泛的运用于软基处理工程 中，如机场、港口建设等。真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层， 然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中， 通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的 有效应力。当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土 体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由 排水通道排出，从而使土体固结，如图1 1 。真空预压法在实践运用中己日益成熟， 但是其理论机理还停留在排水预压法砂井地基理论阶段，尚缺乏专门针对真空预压 的理论研究，并且现有的设计和施工方法主要还是根据以往的工程经验进行的，无 法真实的把握真空过程中土体各项参数的变化，给设计和施工带来了诸多的问题。 因此，有必要专门针对真空预压法加固过程中孔隙水压力的变化规律、土体强度的 变化规律及沉降计算进行深入的研究。 真空膜 图真空预压加固地基示意图 对于荷载较大，承载力和沉降要求较高的建筑物地基仅仅采用真空预压法是达 不到设计要求的，需要与其它工法联合使用，而堆载预压法由于施工方便，经济可 河滓犬学砑士学忿论文 靠往往与真空预压法联合使用，如图1 2 。通过抽真空形成负压，当真空度达8 0 k p 。 以上，相对于一次性施加4 米5 米的填土荷载。由于抽真空产生负压，使土体产 生向内的收缩变形，可以抵消因堆载产生的向内的侧向挤出变形，地基不会因填土 速率过快而出现稳定性的问题，同时该方法可以将填筑的路堤作为堆载加以利用， 不仅具有很好的加固效果，而且经济效益明显。真空联合堆载预压法可以认为是真 空预压和堆载预压的叠加，但这只是在室内、外试验提出的假设u j l 2 j ，尚需要理论 的证明。另外虽然真空联合堆载预压法可以认为是真空预压和堆载预压的叠加，但 是有些因素对真空预压和堆载预压会产生不利的影响，如何综合考虑这些影响因素 也是目前研究的重点。 图1 2 真空联合堆载预压加固地基示意图 1 2 含竖向排水体地基研究现状 美国工程师m o r 觚在1 9 2 5 年首先提出了竖向排水体的概念，1 9 3 4 年，第一个 竖向排水体系统在美国加州施工，上世纪5 0 年代，含竖向排水体地基的排水预压 法在我国开始兴起，1 9 7 1 年，w a g e r 发明了将塑料排水板作为排水体，大大促进了 含竖向排水体预压法的普及。1 3 含竖向排水体预压法加固软土地基具有施工工期短、造价低廉、加固效果明显 等优点，国内外很多学者针对这种含竖向排水体地基展开了深入的研究，也进行了 许多相关的模型试验及实地试验，取得了丰硕的成果。对含竖向排水体地基固结沉 降的计算主要分为解析解法和数值解法两大类。 1 2 1 解析解法 含竖向排水体地基的理论研究最早始于c a r r i l l o 【4 1 ，19 4 2 年他提出瞬时加载条 件下，含竖向排水体地基的组合渗流平均固结度和径向平均固结度及竖向平均固结 度之间存在如下关系：萨甜口( 甜，甜力( “口) 。 b a 盯o n 【3 】基于t e r z a 曲i 固结理论展开了含竖向排水体地基在等应变和自由应变 两种假设情况下的轴对称固结解析研究，如图1 3 ，为未扰动区半径，为涂抹区 半径，厂w 为竖向排水体半径，办为竖向排水体打设深度。所谓等应变假设是指地基 内同一水平面上各点变形相同，不产生差异沉降，地面荷载可能不是均匀分布。自 由应变假设是指地基内各点变形完全自由，地面均布荷载不因地面出现差异沉降而 重新分布。经过比较后，他指出两种假定情况下所得到的地基平均固结度几乎相等。 b 跚o n 解仅考虑了径向渗流，对于理想井给出了等应变和自由应变两种解答；对于 非理想井则给出了同时考虑井阻和涂抹作用的等应变解答，推导中假定涂抹区不可 压缩。 z 图1 3 轴对称竖向排水体影响区内地基固结问题示意酬强1 h a n s b o 【5 】简化了含竖向排水体地基轴对称固结问题，在等应变假定的基础上考 虑了竖向渗流，提出了可以同时考虑井阻和涂抹作用的近似解析解，由于其表达式 简单，所用参数少，因此在工程中得到了广泛的运用。但他在分析过程中假定竖向 应变与深度无关，却在最终表达式中得到了竖向应变仍是深度的函数这一自相矛盾 的结果。 谢康和【6 】克服了b a 盯o n 与h a n s b o 理论研究中存在的缺陷，建立了较为完善的 打穿软粘土层的含竖向排水体地基固结解析理论。同时指出：对于有井阻固结， b a r 】r o n 理论解仅在固结时间户0 时满足方程。另外，谢康和还完善了双层理想井固 结理论，给出了柱坐标下的解答。 赵维炳【7 1 【8 1 完善了b a 仃o n 的等应变固结解析解理论，考虑了径竖向渗流和地基 的侧向变形，给出了含竖向排水体地基径竖向耦合轴对称固结的解析解表达式。 谢康和【9 1 ，r a o ，甜订一10 1 ，z a i l g ，甜口1 1 ，l e l ( 1 l a ，p ，口2 】，t 觚g ，甜口一1 3 】相继提 出了变荷载作用下不考虑井阻作用的含竖向排水体地基固结解析解，证明了c a 而l l o 定理不再适用于变荷载作用下含竖向排水体地基的固结问题，另外t 锄g ，p r 讲还利 用脉冲函数法提出了变荷载作用下考虑井阻作用的径、竖向组合渗流理论解。 朱俊高等【1 4 】推导了不计侧向应变、考虑径竖向渗流和涂抹作用的自由应变解析 解，不但可以考虑总应力随时间变化，而且可用于荷载线性施加的情况，但是其解 表达式复杂，不利于工程实际的应用。 河游久学砑士学越论文 刘加才【15 】针对现有简单未打穿砂井地基的固结理论进行了探讨，并对其渗透面 上的连续条件进行了改进，使之能够反映孔压沿径向分布，在竖直方向上的孔压分 布也更为合理。同时将现有砂井地基固结理论由双层砂井地基、简单未打穿砂井地 基推广到成层砂井地基，可以考虑砂井打设区和下卧层均为多层的情况，具有更广 泛的应用性。另外，刘加才还利用叠加原理，推导了变荷载作用下成层砂井地基的 固结解答。该解答可以考虑加载对时间导数不连续的情况，如荷载突变，或对时间 导数左右不相等。刘加才将其解答推广到工程实践后，得出以下结论：土层固结越 快，加载历时对其平均固结度的影响越大；加载时间相对较短时，加载情况对加载 期内平均固结度影响较大，对后期几乎没有影响。在一般设计中可将多级加载转换 为简单的线性加载进行后期固结度的计算。 l e o l l 6 】采用f o u r i e r 正弦级数变换和分离变量法提出了径竖向耦合固结的等应变 显式严密解答，该解形式简单，且可以考虑瞬时加载以及c a r r i l l o 定律不适用的线 性加载情况。但是由于f o 谢e r 正弦级数变换的局限性，该方法只能考虑单面排水 的情况。另外，l e o 虽然求出了单个砂井单元体固结度沿深度的变化规律，却没有 将这种规律转化为更具工程意义的深层沉降变化规律。本文第三章将弥补这方面的 不足，分析单个砂井单元体附加应力、固结度、深层沉降沿深度的变化规律以及这 三者之间的联系。 雷国辉、蒋春霞等【l7 】提出了可考虑地基附加应力沿深度任意分布的含竖向排水 体地基径竖向耦合固结等应变严密解答，计算结果表明：均匀分布的附加应力条件 下的解答低估了地基的固结速率，而瞬时加载条件下的解答则高估了地基的固结速 率。另外，蒋春霞【l8 j 对不同含竖向排水体地基轴对称固结理论，进行了参数敏感性 分析( 包括井距、打设深度、涂抹比、未扰动土与涂抹区渗透系数比和未扰动土与竖 向排水体渗透系数比等) ，进而得出影响参数的一般性影响规律。 雷国辉、蒋春霞在求解过程同样采用了f o u r i e r 正弦级数变换，因此与l e o 的 解答一样，只能考虑单面排水的情况。另外，雷国辉、蒋春霞在求解过程中只考虑 了地基附加应力沿深度的任意分布，而实际工程中，地基附加应力还与上部荷载的 大小，计算位置的横、纵坐标都有关系，因此，雷国辉、蒋春霞的解答尚不完整。 本文第二章将分析由地基附加应力沿横坐标的不均匀分布导致的固结沉降的不均 匀分布。 1 2 2 数值解法 目前，已经有许多学者和专家应用各种数值分析方法来解决含竖向排水体地基 的固结问题，其中对差分法和有限元方法的研究最为集中。 差分法具有建立基本方程简单，物理意义明确，且计算程序易于编制的优点， 是在有限元法应用于含竖向排水体地基之前的一种主要的数值方法。r i c h a n 【1 w 首先 4 对差分法在含竖向排水体地基中的应用作了详细介绍。随后，钱家欢【2 0 】，赵维炳【2 ， t 觚1 2 2 】，o n o u e 【2 3 】，n a s h l 2 4 】，1 锄a l ( a 【2 5 】，h a w l a d e r 【2 6 】等用差分法对含竖向排水体地 基的固结及影响含竖向排水体地基固结的因素展开了研究。 目前，在含竖向排水体的固结计算中，有限单元法是研究较为成熟，应用广泛 的一种数值方法，可以反映土体较为复杂的本构关系。而在含竖向排水体的固结有 限元计算中，b i o t l 2 7 】固结理论又是比较常见的方法，b i o t 固结理论是从比较严格的 固结机理推导出来的，能够准确反映孔隙压力消散与土骨架变形之间的耦合关系。 竖向排水体一般都是细而长，而且用量很大，要精确的模拟含竖向排水体地基进行 三维有限元计算，其工作量是相当巨大的，甚至根本无法做到。因此很多学者考虑 将含竖向排水体地基三维固结问题转换为二维平面情况下计算，在保证计算精度的 前提下，可以大大节省工作量，提高计算效率。 s k n s h a 【2 8 j 最早提出将砂井地基等效为砂墙的思路，在此基础上进行平面应变有 限元分析，如图1 4 。s h i n s h a 根据竖墙和砂井地基两者固结度达到5 0 时所需要的 时间相等这一条样 坝鄙透水形 夕 、 ， l 一 工 未 涂竖 扰 抹向 动 区排 土 水 区 休 ， ， ， ， 一 曰 一i 底部不透水 一抚一l 一挑 起来不方便。 l iz 图1 4 平面应变条件下竖向排水体影响区内地基固结问题示意图【1 8 】 朱俊高3 5 1 根据b a m n 等应变固结理论和竖墙固结理论，仅考虑砂井地基和竖 墙地基在整个深度的平均固结度近似相等，提出了一种近似的等效方法。该方法不 能保证两地基沿任一深度平均固结度近似相等，在平均固结度大于4 0 时精度尚 可。 赵维炳【3 6 】推导了砂墙地基双向渗流等应变固结理论解，与b a 盯o n 轴对称固结 ；可洚大学砑士学地沦艾 理论解相比较，得到砂井地基平面应变情况和轴对称情况之间的等效公式，但没有 考虑砂井地基的井阻影响。 谢康和【3 7 】只研究砂井地基的一部分，提出了砂井平面变形，空间渗流的有限元 分析法。 刘加才【3 8 】考虑了井阻作用和竖向渗流，忽略涂抹作用，给出了含砂墙地基平面 应变固结解析解，然后与谢康和的单井固结理论进行等效。 陈立宏【3 9 】考虑了地基的侧向变形，同时考虑了竖向渗流和井阻作用，得到含砂 墙地基平面应变固结解析解后，将其与b a 玎0 n 的单井地基轴对称固结解析解进行等 效。 蒋春霞【l8 】针对瞬时加载和线性加载情况分别提出了地基附加应力为任意分布 条件下含竖向排水体地基平面应变双向耦合固结的等应变严密解答，并对现有的含 竖向排水体地基等效平面应变固结分析方法进行了适用性分析，然后对它们进行比 较。 另外，还有许多方法和理论被用于含竖向排水体地基的固结计算。 b i n d r a r a t n a 等【4 0 l 忽略了固结中不稳定的体积压缩系数( ) 及水平向渗透系数 ( 如) ，提出g 忆、g 候及预载增量率( 4 口，) 的概念，主要用于计算大变形固 结。其中c 、g 分别为竖向及水平向固结系数，由p 培口曲线的斜率决定，q 由p 桷 曲线的斜率决定。 i s a t h a n a n t h a n 等【4 1 】忽略了井阻及达西定律提出了横向平面应变解析解，并与 h a n s b o 轴对称固结解析解做了等效，两种解析解等效时，不但平均固结度相匹配， 而且横向超静孔隙水压力也一致。 李小勇等【4 2 】【4 4 】利用蒙特卡罗模拟方法计算了砂井地基固结度概率特征值，并通 过正交试验研究不确定性参数变异性对砂井地基固结概率特性的影响。研究表明， 砂井地基固结度的概率特性对水平固结系数的不确定性最为敏感。李小勇等还提出 了砂井地基固结概率设计的设计系数法，为工程提供了设计系数图表，并用算例说 明了该法在实际工程中的应用。 丁利等【4 3 】首次将组合单元法引入到砂井地基的分析中，提出砂墙组合单元。该 单元对常规等参元进行改进，在单元内部同时考虑砂井的涂抹作用和井阻作用，从 而克服了常规有限元法在计算砂井地基时单元数和节点数过多的缺点。 周开茂1 4 5 】通过在竖向排水井底面以下土层中设置虚拟砂井，得到了双面排水条 件下考虑土层三维渗流从而更符合实际情况的解析解。他还根据所得解编制了计算 程序，分析了在双面排水情况下未打穿竖向排水井地基的固结性状，并与单面排水 情况进行了比较，比较显示双面排水使未打穿砂井地基固结速率大为提高。同时， 以此解为基准，对现有未打穿竖向排水井地基平均固结度近似计算公式和方法进行 6 了较为详细的比较，得出了现有近似计算公式及方法适用的范围。 1 3 真空预压影响因素研究现状 真空预压法虽然是用竖向排水体加固地基的一种，但是由于其加固机理的不 同，因此相对于与其它用竖向排水体加固地基的方法，真空预压法又具有其特殊性， 从瑞典皇家地质学院w k j e l l m a n 【4 6 j 提出了真空预压加固软土地基一维问题开始，很 多研究人员和工程师们针对真空预压进行了深入的研究，逐渐建立了各自的理论体 系。如美国怀尼米海军实验室的p j v e l e n t 【4 7 1 采用流网求解二维问题，日本的小林正 树1 4 s j 用有限元方法求解三维问题等。2 0 世纪8 0 年代以来，交通部第一航务工程局、 天津大学、南京水利科学院土工所等单位对真空预压加固软土地基机理进行了一系 列的研究。陈环、鲍秀清【4 9 1 ，高志义【5 0 1 ，陈环【4 7 1 ，杨国强【5 l 】，钱家欢、赵维炳【5 2 】 研究了真空预压下的固结问题，确立了负压下固结理论，认为真空预压加固软土地 基时，地基土的固结是在负压条件下进行的，它和在正压条件下即堆载预压固结问 题基本相同，只是边界条件有差别，因此负压下的固结可以沿用原有固结理论的所 有方程。另外在实际工程中，真空预压法的影响因素相对于其他排水预压法又有所 不同，为此很多科研人员结合工程实例，专门针对某些影响因素，展开了深入的研 究。 1 3 1 真空度与孔隙水压力 真空度是用于反映气体状态，而孔隙水压力是反映液体状态的一个概念，岑仰 润【5 3 j 认为真空度是用来描述真空状态的，不应用于描述地下水位以下某处孔隙水压 力的大小。当真空度测点布置在表面砂垫层或地下水位线以上竖向排水体内时，真 空表读数即为该处的真空度；当真空度测点布置在地下水位线以上淤泥中时，真空 表读数只能间接反映测点处孔隙水压力的大小。朱建才【5 4 l 认为不同介质阻力对真空 度分布有较大的影响，一般在地基相同的深度处：膜下真空度 塑料排水板真空度 砂井真空度 淤泥真空度。随着抽气时间的增加，膜下真空度与塑料排水板中的真 空度基本保持相对稳定，砂井中真空度逐渐上升，淤泥中的真空度因土层固结逐渐 下降于一个相对稳定的低真空度。真空度和孔隙水压力虽然是两个不同的概念，但 两者在数值上存在内在的联系。张功新【5 5 】认为当真空度测点埋设在地下水位以上 时，孔压计和真空表的测试结果基本一致；当真空度测点埋设在地下水位以下时， 真空表反映的真空度比孔压计测试的孔隙水压力差小。地下水位的改变对真空预压 的过程也有一定的影响，朱建才【5 4 j 指出地下水位线对真空度的传递起阻挡作用，真 空度的分布深度随着水位线的变化而变化；地下水位线以下测到的真空度是由于测 试软管中水位下降或部分封存气体从软管末端逃逸引起的，与地下水位线以上的真 空度由抽气直接形成在成因上存在不同。 河洚大学砑士学垃沦艾 综上所述，地下水位以下的土体所受的荷载即负压不能用实测的真空度来代 替，那如何得到地下水位下土体所受的负压呢? 岑仰润【5 7 】提出将孔压实测资料推算 得到的最终孔压消散值减去地下水位下降引起的孔压消散值，即可得到由于负压渗 流场引起的孔压消散值，以及真空排水预压工程中负压渗流场的分布情况。结合多 个工程实例，岑仰润认为：当塑料排水板打设深度在2 0 米以内时，负压渗流场引 起的孔压消散分布沿深度基本一致，其值一般在膜下真空度的5 0 以上，最大可接 近膜下真空度值。 本文在进行理论推导时，为简化计算模型，加固土体的真空荷载即负压荷载都 是借用“真空度”来表示。 1 3 2 真空预压的加固深度 关于真空预压的加固深度，国内外很多学者作了深入的研究。过去对真空预压 一直有这样的认识：其有效加固深度与真空提水的极限深度相同，一般为1 0 米， 而且，由于砂井阻力的影响，真空预压深度最多达到1 0 米，而监测资料表明，打 设2 0 米长的砂井范围内均有加固效果。胡云龙【6 6 j 认为抽水的提水极限高度是指提 水压差不能超过1 0 米，但这并不意味着超过1 0 米的水提不上来。真空预压是降低 边界的孔隙水压力，在砂井顶端抽真空，真空度达8 0 k p 。9 0k p a ，则顶端实际孔压 只有1 0 l ( p 。2 0l ( p 。，只要砂井阻力不是很大，抽真空后，砂井中部和底部仍然存在 压力差，形成土与砂井的水头差而发生渗流。因此，即使井深很大，只要压差仍然 存在，渗流固结将不断发生。所以井阻大小是真空预压有效深度的关键因素1 5 引。闫 澍旺【5 6 】设计了一套真空预压模型，直观的演示了真空预压过程中孔隙水与地基土有 效应力的转化和传递过程。模型表明，真空预压的有效加固深度只与真空度的传递 有关，与真空压力的大小无关，证实了真空预压的有效加固深度可超过1 0 米。 1 3 3 地下水位的变化 真空预压过程中地下水位是一个复杂的问题，存在着较大的争议，目前主要有 两种观点，一种观点认为，根据现场观测和离心模型试验的某些结果，抽真空过程 也是地下水位不断降低的过程，形成降落漏斗；另一种观点认为地下水位是不变的， 土体中的孔隙水压力包括大气压力匕和静水压力r 。厅，即甜= 尸口+ y 。办，真空预压时， 孔隙水压力降低的是p 口，而r 。厅并没有改变，因而地下水位是没有变化的。另外 支持前一种观点的也存在分歧，有的文献【6 0 】【6 l 】【6 2 】提出地下水位最大降幅可以达到 4 4 5 米，有的则认为地下水位下降不会超过1 8 米1 6 3 l 。 龚晓南【5 9 】认为真空预压加固软土地基由两个方面的作用组成，一是真空渗流场 引起的真空预压作用，二是地下水位下降引起的排水固结作用。其中，前者的作用 范围仅限于降低后的地下水位线以上部分地基土。他认为真空预压过程中持续的抽 气抽水作用将使地基中的地下水位下降，直到预压地基周围的补充水和排出的水达 第一章绪论 到一个动态的平衡为止。地下水位的下降将使相应土层的上覆土重增加，并产生排 水固结现象。同时，地下水位的存在将产生“水封”作用，使得地基土上部的真空 渗流场无法向地基深处扩散，使得真空渗流场局限于降低后地下水位线以上。因此， 地下水位的下降程度对真空预压加固软土地基的效果有很大的影响，地下水位下降 与抽真空作用强度、地基土的渗透性质、周围水源补充情况等因素有关。 明经平【5 8 j 认为地下水位是相对静水压力为0 的线( 面) ，真空预压中地下水位 不会下降，真空预压的效果只是真空度转化为有效应力的加固效果，不存在真空和 降水双重效果的作用。张功新等【6 5 】对真空预压法中地下水位的变化以及监测技术作 了改进，他们认为在大气压力状态下，零压线是地下水位，但是在真空状态下，零 压线不是地下水位，因此用传统地下水位管进行敞口测试水位时，所测得水位高度 实际上就是零压线高度，并非真实的地下水位高度。 陈军红【6 8 】认为在加固过程中，地下水位是不断下降且不是齐平的，存在地下水 位的最高线点和最低点。依据最高点和最低点，陈军红将将加固土体分为由上而下 的三个区域：地下水位最高点深度线以上土体( 区域i ) 、地下水位最高点深度线与 地下水位最低点深度线之间土体( 区域i i ) 、地下水位最低点深度线以下土体( 区域 i ) 。区域i 在地下水位以上，土体为非饱和的真空负压状态，其增加的有效应力即 真空度或孔隙水压力的下降值。区域i i i 土体仍然为饱和的，土体的加固机理符合降 水预压的加固机理，土体有效应力的增加实际上是由于加固区水位下降土体浮重度 与湿重度的转化所增加的自重引起的，因此其加固深度可以达到塑料排水板以下较 深土层。区域i i 可以看成以上两种机理的过渡带，由于该区域内土体既有饱和土体， 也有靠近排水板的非饱和土体，因此既有真空预压的加固机理，也有降水预压的加 固机理。 1 3 4 真空预压对周围环境的影响 当采用真空预压法加固软基时，由于加固区外土体靠近加固区一侧的荷载降 低，因此区外土体处于侧向卸载状态，如图1 5 。 l ( oo a 、k o 状态 k 1 k io b 、k l 卸载状态 图1 5 土体侧向卸载示意图【7 l 】 9 河游大学砑士掌垃论艾 当区外土体所受的剪应力超过其强度极限时，土体将会产生裂缝。若真空预压 区周围有房屋、地下管线、道路等建筑物，由于真空预压侧向收缩变形的作用，会 使结构物的地基土体产生侧向变形。若变形过大，则会危及上部结构物的安全，甚 至会出现管道断裂、围墙倒塌、路堤被毁等严重工程事故，因此有必要开展真空预 压对周围环境的影响程度的研究。 于志强【6 9 】认为真空预压法加固软土地基对加固区外一定范围土体变形影响是 显著的，加固区外2 0 m 以内一般最大水平位移与预压区理论计算最大沉降量s 。的 比值在1 0 2 5 之间，而且加固后区外土质条件会得到一定改善，于志强建议主 要构筑物与预压区的安全距离为1 8 m 左右，不宜小于1 5 m 。王劲f 7 l 】结合实际工程 现场监测数据，认为主要构筑物与预压区的安全距离应不小于2 5 m 。 余湘娟等【7 0 】分析了真空预压的加固机理，采用有限元分析方法，结合现场试验 研究对搅拌桩的防护作用进行了研究，她认为搅拌桩可以起到支档和防渗墙的作用， 使边界土体的附加沉降变形和水平位移大大减小。 艾英钵【_ 7 2 】认为加固区外土体的土质条件是影响抽真空对区外土体影响距离的 主要因素，他通过真空预压对周围环境影响的现场试验研究，结合有限元计算分析， 得到以下结论：a 、加固区边界附近土体的水平位移在开始抽真空的第一个月，以 后逐渐减小；水平位移沿竖直向变化较大，影响深度主要在1 7 米以内，在这一深 度范围内，对于区外未加固土体的水平位移均大于2 0 m m ，表面的水平位移最大， 而1 7 m 以下土体的水平位移很小；b 、真空预压加固区周围土体开裂由两方面原因 引起，方面，加固区内沉降大，而加固区外侧沉降较小，土体产生倾向于加固区 的不均匀沉降，造成上部结构的开裂；另一方面，真空预压边界附近水平位移很大， 远离真空预压区的水平位移较小，加固区周围土体水平位移量的差异，产生对其上 部结构的张拉应力，从而引起周围土体及结构物的开裂；c 、打设旋喷桩或者水泥 土防护墙，对真空预压区周围土体的沉降起很好的调节作用。一方面，使真空预压 区周围土体的沉降集中在防护墙内侧，大大减小防护墙外侧土体的沉降( 最大可减小 4 0 ) ；另一方面，显著调节真空预压区周围土体的不均匀沉降，使周围土体的差异 沉降明显变小。 1 4 真空联合堆载预压研究现状 真空预压法虽然具有经济和环境优势，但是其最大加载压力不能超过一个大气 压力，实际工程中一般不超过8 5 k p 。，因此对于一些加载压力较高的工程，真空预 压往往与堆载预压联合使用。至今已经有很多真空联合堆载预压法加固软土地基的 成功实例，科学研究方面也取得了很多成果。 t a n g ，y ，g a 0 ，z 1 77 j 描述了近几年来在中国沿海地区大规模的真空预压实践效 果，并对真空联合堆载预压方法进行了研究，证实了当真空预压与堆载预压相结合， l o 第一章绪论 固结效果能得到叠加。c o g n o n ，j m ，j u 瑚，1 ，t h e v a n a y a g a m ，s 【7 8 】通过现场试验，高志义 1 1 】进行了真空预压的离心模型试验，都得出将真空预压与堆载预压相结合可以提高 加固效果的结论。m o h a l n e d e l h a s s 册，e ，s h 锄g ，j q 1 7 9 1 发展了真空联合堆载预压的一维模 型，研究结果表明，土的固结特性与固结压力的性质无关，即不管是由真空预压单 独引起的固结，堆载预压单独引起的固结，还是真空联合堆载预压引起的固结，固 结的特性没有差别。 陈析，周卫，洪宝宁【7 3 】以三维比奥固结理论为基础，较系统地介绍了利用有限 元处理真空联合堆载预压加固高速公路软基的数值计算方法，对某加固高速公路软 基的工程实例中路堤地基的应力应变、位移、孔压等的变化过程进行了数值分析和 计算，计算结果表明，提出的处理方法具有较好的精度。刘汉龙，彭劫，陈永辉1 7 4 j 等根据高速公路路基的变形特点，提出了真空联合堆载预压法处理软基的三维固结 有限元计算模型，将砂井按照实际尺寸划分单元，避免了平面计算方法中的砂井处 理的问题，较以往的平面数值方法更接近实际情况，结合修正剑桥模型，对某真空 一堆载联合预压试验段进行了计算、分析，取得了令人满意的结果。 黄腾，张迎春，杨春林【8 0 】等从应力状态入手分析真空联合堆载加固软基的特点 和机理，在此基础上建立在真空联合堆载条件下计算地基稳定性的数学模型，提出 抽真空作用下真空度衰减公式和土体抗剪强度增量的计算公式，并应用于某真空联 合堆载试验段的稳定分析中。 1 5 本文的主要工作 ，本文基于实际工程，结合当前含竖向排水体地基固结沉降理论，主要研究以下 几个方面： 1 、借助当前固结沉降理论，将条形基础地基附加应力的空间分布转换为二维 分布，忽略相邻砂井单元体之间的相互影响，用二次函数曲线拟合地基附加应力沿 深度的分布规律，计算各个水平位置砂井单元体的固结沉降，就可以得到含竖向排 水体地基固结沉降在空间位置的不均匀分布规律； 2 、采用单向压缩理论，结合当前的固结沉降理论，研究加固土体深层沉降分 布与地基附加应力分布之间的关系；结合工程实例，舍弃繁琐的求解地基附加应力 的过程，将土体深层沉降分布规律代替地基附加应力的分布规律，运用到求解含竖 向排水体地基的固结沉降中，并将整个求解过程称之为深层沉降拟合法，简称为拟 合法； 3 、在前人含竖向排水体地基固结理论的研究基础上，推导针对真空预压的径 竖向耦合固结解析解，并将解答运用到实际工程中，与现场监测资料对比分析，取 得了比较满意的结果；同时分析了解析解中各计算参数对真空预压固结解答的不同 河洚大学砑士学垃沦丈 影响； 4 、在真空预压径竖向耦合固结解析解的基础上，同时考虑堆载预压，推导真 空联合堆载预压径竖向耦合一般固结解析解：在一般解的基础上分析了真空联合瞬 时堆载预压及真空联合线性堆载预压两种特殊的工况，并结合工程算例，分析了各 个参数对求解结果的不同影响。 1 2 第二章含竖向排水体地基彳- j 鲁匀固结沉降分析 第二章含竖向捧水体地基不均匀固结沉降分析 2 1 概述 现有的含竖向排水体地基固结理论大都是基于单个排水体的【6 】【9 】【1 5 】【16 】【3 5 】【4 5 1 ，而 实际工程中，堆载排水预压或者真空预压乃至真空联合堆载预压都会打设很多竖向 排水体，由于所处位置不同，即便是在均布荷载的作用下，每个排水体所受的地基 附加应力分布也是不同的，因此在同一个加固区，会出现不均匀的固结沉降。本章 将主要研究均布荷载作用下含竖向排水体地基不均匀固结沉降的分布情况。 本章假设含竖向排水体地基是由一个个竖向排水体及其影响区组成的，每一个 竖向排水体及其影响区构成了一个砂井单元体，忽略砂井单元体之间的相互影响。 当竖向排水体按正方形布置时，其有效影响半径匕= 0 5 6 钙；当竖向排水体按等边三 角形布置时，= 0 5 2 5 s ，其中s 代表井距。【1 8 】砂井单元体相对于整个加固区足够小， 因此加固区表面某一点的固结沉降就是该点砂井单元体的固结沉降。单个砂井单元 体的基本假定同l e o 【1 6 】相类似，具体如下： a 、竖向排水体的影响区域为圆柱体，在该影响区域的小范围内，地基附加应 力沿径向均匀分布； b 、上部荷载在施加的瞬时都由超静孔压承担； c 、孔隙水的渗流遵从d a r c y 定律； d 、同一深度处各点竖向应变均相等，即等竖向应变假设： e 、由于涂抹区厚度很薄，孔隙水消散很快，不考虑涂抹区的固结，只考虑未 扰动区固结；竖向排水体本身半径很小，忽略水平向排水，只考虑竖向排水； 考虑受均布荷载的含竖向排水体的条形地基，如图2 1 ： 图2 1 含竖向排水体条形地基计算简图 b 为加固区的宽度，g d ( ，) 为上部荷载的大小，办为竖向排水体打设深度，横坐 标x 为水平位置，纵坐标z 为深度。分别求出不同水平位置即不同横坐标的计算砂 ；可滓大学砑士学垃沦艾 井的附加应力分布，代入到现有的含竖向排水体地基固结沉降理论，就可以得到加 固地基不同水平位置的固结沉降规律。 2 2 瞬时加载不均匀固结沉降分析 2 2 1 基本固结理论 文献【1 8 】给出了均布荷载瞬时加载下单个计算砂井某一深度处未扰动土体的平 均超静孔隙水压力表达式为： 心( z ，乃) = q p 。8 瓦7 s i n z ( 2 1 ) = i 单个砂井未扰动区的整体平均超静孔隙水压力为： 确2 薹去玑) ( 2 2 ) 其中：毛为时间固结因子，巧= 等；z 为计算深度；岛为径向固结系数； 婊= 丢r 心) s i n 钱砘 ( 2 3 ) g ( z ) 为z 深度处的地基附加应力；办为竖向排水体打设深度。 黝：= 学；正= 等；= 嘉昕 z 疗庀。“二e 岛为未扰动区的竖向渗透系数，锄为未扰动区的径向渗透系数； q ：型丝丛! 丝兰! 二型! 丝三! 车三垒竺【冬竺堕竺型二丝堡垒! 丝丛+ 1 一弋磊