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路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算 摘要 软土地基沉降的精确计算一直是困扰广大工程技术人员的关键问题，到目前 为止，还没有一个通用的、被大家接受的可以精确计算软土地基沉降的方法。本 文研究了软土地基在路堤荷载( 即梯形荷载) 作用下经不同加固方法处理的变形 特性，分析了软土地基沉降计算方法，并探讨总沉降中瞬时沉降的贡献。 不同的软土地基加固方法对加固土体的最终沉降、沉降的发展规律、侧向变 形的规律都会产生影n 向。通过离心模型试验，研究了未经处理的地基、排水固结 法、复合地基法中的粉喷桩、砂桩、c f g 桩加固方法处理的地基在路堤荷载作 用下各自的变形特性，从而比较了各种处理方法的优劣。 通过对塑料排水板联合超载预压法处理的地基变形特性的现场试验，观测 到了软土地基在路堤荷载作用下的路基中心点处地表以下分层沉降、路堤坡脚处 地基土断面侧向变形、路基中心地表、线路中心和路肩处地表沉降板沉降、路基 中心处地表以下地基土中孔隙水压力等的随时间与荷载的变化规律。通过对观测 数据的处理、分析，得出了该法处理的软土地基在路堤填土荷载作用下的变形特 性及总沉降随时间的发展曲线。 采用e p 曲线、e s 和e - l g p 曲线等方法计算了试验地基各断面在路堤荷载作 用下的最终主固结沉降，用弹性经验理论公式计算了瞬时沉降和次固结沉降，最 终得到总沉降。用通过对实测沉降曲线的三点法预测，得出了观测断面的最终沉 降值。并对计算结果与预测结果较吻合的方法计算并绘制了主固结沉降随时间 荷载的发展曲线，通过对该计算曲线与实测沉降曲线的对比分析，探讨了在用传 统的分层总和法及经验公式计算路堤荷载作用下的软土地基沉降时应注意的一 些问题。 关键词： 软土地基沉降侧向变形地基加固路堤荷载离心模型试验 s t u d ya b o u td e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no fs u b s o i lf r o me m b a n k m e n tl o a d i n g a b s t r a c t a l la l o n g ，p r e c i s e l yc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n to fs u b s o i li sak e yp r o b l e mf o r e n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n h i t h e r t o ，t h e r ei sn oag e n e r a la n da c c e p t e dm e t h o dt h a t p r e c i s e l yc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to fs u b s o i l t h ep a p e r s t u d yt h ed e f o r m a t i o n b e h a v i o ro fs u b s o i lw i t hd i f f e r e mi m p r o v e m e n tm e t h o d su n d e rt h ea c t i o no fl o a d g e n e r a t e db ye m b a n k m e n tf i l l i n g d i s c u s s i n gt h em e t h o d so fc a l c u l a t i n gs u b s o i l s e t t l e m e n ta n dt h ec o n t r i b u t i o no ft r a n s i e n ts e t t l e m e n ti nt o t a ls e t t l e m e n t d i f f e r e n ti m p r o v e m e n tm e t h o d st os u b s o i lc a nh a v ed if f e r e n te f f e c t so nt h e m a g n i t u d eo fu l t i m a t es e t t l e m e n t ，t h el a wo fs e t t l e m e n td e v e l o p i n ga n dl a t e r a l d e f o r m a t i o n b yc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ，t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rd i f f e r e n t i m p r o v e m e n tm e t h o d so fs u b s o i la r ea c h i e v e dr e s p e c t i v e l yu n d e rt h ea c t i o no f e m b a n k m e n t t h em e t h o d sa r en a t u r a ls u b s o i l ，p l a s t i c sd r a i n a g eb o a r dm e t h o d ， c h u r n i n gp i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o nm e t h o d ，c o m p a c t i o ns a n d sp i l e sm e t h o da n d c f g p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o nm e t h o d s o ，t h ea p p l i c a b i l i t yo fd i f f e r e n tm e t h o d s c a nb ec o m p a r e d at e s te m b a n k m e n tw h o s ef o u n d a t i o ni s i m p r o v e db yp l a s t i cd r a i n a g eb o a r d t o g e t h e rw i t hs u r c h a r g ep r e l o a d i n gi sd o n et os t u d yt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f s u b s o i l t h es u r f a c es e t t l e m e n to fs u b s o i la tt h es u b g r a d ec e n t e r l i n ea n dl e f tl i n e c e n t e r l i n ea n ds h o u l d e ro fe m b a n k m e n t ，t h el a t e r a ld e f o r m a t i o no fs u b s o i lp r o f i l e u n d e rt h et o eo fe m b a n k m e n ts l o p e ，t h ec h a n g eo fp o r ew a t e rp r e s s u r eu n d e rt h e s u b g r a d ec e n t e r l i n ew e r eo b s e r v e d b yd e a l i n ga n da n a l y z i n gt od a t u mm e a s u r e d ，t h e d e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dt h ec u r e so ft o t a ls e t t l e m e n tt ot i m ew e r ea c h i e v e d c a l c u l a t i n gu l t i m a t ep r i m a r yc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n to fg r o u n do ff o u rs e c t i o n s o nt e s te m b a n k m e n ta c c o r d i n gt om o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t ye s 、e pc u r v e s 、e l g p c u r v e s c a l c u l a t i n gt h et r a n s i e n ts e t t l e m e n ta n ds e c o n d a r yc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n tb y e l a s t i ce m p i r i c a lf o r m u l am e t h o d m e r g i n gt h et h r e es e c t i o n s ，t h eu l t i m a t et o t a l s e t t l e m e n ti sg a i n t h eu l t i m a t es e t t l e m e n t so ft e s ts e c t i o n sa r ep r e d i c t e db yt h r e e p o i n t sm e t h o d w ep l o tt h ec u r v e so fp r i m a r yc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n tt ot i m ea n d s t u d xa b o u td e f o r m a t i o nb e h a 、i o ra n t is e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no fs u b s o i lf r o me m b a n k m e n tl o a d i n g l o a dm rt h e 、7 a l u e sc a l c u l a t e da n dm e a s u r e d b yc o m p a r i n gt h et w o ，s o m ep r o b l e m l 。h e nc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n to fs u b s o i lu n d e rt h ea c t i o no fe m b a n k m e n tl o a du s i n g t r a d i t i o n a lm e t h o d sw a sg i v e n k e y w o r d s s u b s o i l ；s e t t l e m e n t ；l a t e r a ld e f o r m a t i o n ；g r o u n di m p r o v e m e n t ；e m b a n k m e n tl o a d ； c e n t r i f u g a lm o d e lt e s t 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行工作所取得的成 果，撰写成硕士学位论文“路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及 沉降计算”。除论文中已经注明引用内容外，对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：旅丝，磊 卿争年2 月2 矿日 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义： 软土在我国的沿海和内陆地区都有相当大的分布范围。由于软土的压缩性 高，强度低，渗透性低，固结变形持续时、日j 长等特点，软基沉降量及其速率预估 就成了工程设计的主要问题，一直困扰着土木工程技术人员( 陇海线徐连段最大 软土路基沉降达到2 5 m ，而这是当前的沉降估算方法所无法得出的结果) 。因此， 软土地基沉降计算方法一直以来都是岩土工程界最重要的研究课题之一。 二十世纪八十年代以来，我国公路、铁路交通建设快速发展，与此同时，各 项工程施工和运营期间对路基沉降的计算遇到了很大困难。随着对软土地基沉降 的逐步认识以及工程结构对沉降控制要求的提高，要求许多方面深化和改变传统 的设计观念。铁路特殊土路基设计规则( t b j 3 5 9 2 ) 第一次对沉降提出了要求， 之后的时速1 6 0 公罩新建铁路线桥隧站设计暂行规定和时速2 0 0 公罩新建 铁路线桥隧站设计暂行规定对软土路基工后沉降及沉降速率提出了明确规定， 京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定更是对路基的沉降提出了严格要求，建 筑地基规范对建筑物的地基沉降提出了明确的要求。以上这些充分体现了我国 工程界对地基沉降问题的重视。 尽管近几十年来，地基沉降的理论研究已经取得了长足的进展。国内外许多 学者提出了多种软土路基沉降分析方法，工程中也结合当地特点给出了不少经验 方法。但所有这些方法都有其优缺点及其适用条件，在理论上和工程实际应用上 存在不少问题。其中有理论分析方法及其计算参数的选定方面的问题，也有理论 方法与软基的地域特性及工程特点相适应的问题，更有对软土结构性认识不足的 问题。为此，折学森教授在软土地基沉降计算( 1 9 9 8 ) 一书中，汇总分析已 有工程经验和试验资料的基础上，对以往理论进行了系统的研究和改进，克服了 这些理论中的主要缺点，提出了软基沉降计算方法。 大量学者的研究结果得出，软土的侧向位移对其沉降有重要影h 虮从理论上 来说，路堤的宽度相对于软土层厚度来说是有限的，这将在地基土中产生剪应力 和剪应变，特别是在路堤边坡范围内的地基中，这一剪应变引起路堤下面的区域 地基土体向外流动，这又会引起新的沉降。剪切引起的沉降在考虑一维压缩情况 的固结分析中没有被考虑。大量国内外工程实测数据结果表明，在软土地基上修 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算 第一章绪论 建路堤时，其沉降曲线往往有一个突变点，此点以后的侧向位移和沉降都大大加 剧。所以可以认为，软土地基的沉降与侧向位移关系密切。而现有的理论计算与 实测数掘的差距原因所在，就是大多数实用计算公式都是仅考虑了维情况和流 变特性，而没有考虑侧向位移等复杂因素的影响，或者是虽然考虑了侧向位移而 对其进行了考虑修j 下，但无法形成方便实用的计算公式，因而无法进行推广。因 此，有必要和可能对在铁路路堤作用下的软土地基的沉降规律进行研究和对沉降 计算公式进行附加侧向位移影响的修正。 铁科院周镜等也通过调研手段研究了侧向变形对软基沉降影响的阅题，并提 出了自己的一套公式，国外许多学者基于侧向变形对最终沉降的重要作用，都对 侧向变形进行了研究，他们主要用经验法、数值方法和弹性理论方法来估算不排 水侧向变形。而现场的侧向变形随深度的观测数掘则用来估算由侧向变形导致的 沉降。 由于软基沉降计算的复杂性及现有沉降计算手段及方法的缺陷，对软土地基 变形特性并在此基础上对沉降计算作进一步的研究和改进是一项泽壁后世的工 程。具有重要的意义。 1 2 地基沉降计算方法综述 地基沉降的计算方法很多，很难对它进行简单的归纳分类，许多方法是相互 渗透有机联系的，从现有的文献来看，大致可分为以下几种： ( 1 ) 常规计算方法 按分层总和法计算最终沉降，计算分层沉降时考虑瞬时沉降、主固结和次固 结沉降。计算固结度时，则采用t e r z a g h i 的一维固结理论。这种方法采用了一 系列的假定，与实际情况不完全符合，但由于简单易用，所需参数可在常规试验 中确定，因而仍是实际工程中国内外最通用的方法，被纳入许多国家的规范。京 沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定和公路规范及地基基础设计规范均 采用此法。计算总沉降量s 时，一般情况下，按瞬时沉降s 。与主固结沉降s 。之 和计算。当地基为泥炭土，富含有机质粘土或高塑性粘土时，应考虑计算次固结 沉降s 。 ( 2 ) 有限元法 理论上，这一方法可适合于任意的边界条件和加载方式，可计入土层的不均 2 路堤荷载作用下软上地基变形特性研究及沉降计算 第一章绪论 匀性和土层性质的非线性特征等。自计算机功能飞跃提高和其应用的普及以来， 许多学者为用有限元法，研究提出了非线性弹性、弹塑性、粘弹塑性等多种描述 土的应力应变关系的数学物理模型。 近三十年来，已经提出了大量的土体本构关系模型理论，归纳起来，有两大 类：一是弹。i _ l - l l ：线性本构模型理论，它以弹性理论为基础，在各微小的荷载量范 围内，把土看成弹性材料，从个荷载增量变化到另一个荷载增量，土体的弹性 常数发生变化以考虑非线性；二是弹塑性本构模型理论，认为土体的变形包括弹 性变形和塑性变形两部分，把弹性理论和塑性理论结合起来建立土的本构关系模 型。 在弹性非线性模型方面，最常用的有e p 和k - g 弹性非线性模型。在软土问 题计算中，d u n c a n c h a n g 的e 一弘模型应用最广。它的主要特点在于模型概念明 确，简单实用，可以利用常规三轴剪切试验测定所需的计算参数。另外，其计算 结果近似地反映工程的实际情况，特别是计算的沉降值与观测值具有较满意的一 致性，但水平位移相对较差。 用弹塑性模型成功地解决些实际的土工问题不是很多。多数集中在应用改 进的剑桥弹塑性模型上。国内沈珠江、黄文熙和殷宗泽各自的弹塑性模型的应用 也取得了较为满意的结果。一般认为，弹塑性模型的计算结果偏小。 对于土体本构关系的研究应注重两个方面。一方面要注意发展能深入揭示土 体特性的较复杂的模型；另一方面本构关系的研究要更加注意实用性和可操作 性，模型参数的确定尤为如此，如不能很好地确定参数，本构关系理论再严密也 无法应用。 ( 3 ) 曲线拟合法 鉴于固结沉降理论在很多情况下尚不能满足设计的要求，因此，用实际的沉 降过程线推算固结度以及最终沉降量等，是预压固结软土地基工程最重要的和最 基本的分析工作。国内外曾采用经验公式来预估沉降和t t , - j f , j 的关系，由此建立起 来的数学模型有：双曲线法、沉降速率法、三点法，除此之外，还有r 本常用的 星野法和浅岗松尾法。这些方法经试用均有优缺点及适用条件，关键是应用时需 要凭一定的经验和技巧。 ( 4 ) 反演分析法 3 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第一章绪论 反演分析法是近十几年来发展起来的一项新技术，它通过已有的沉降观测资 料，反演得到f 分析中的某些输入参数，使正分析得到的结果与实测沉降充分接 近。如可以通过反演分析确定原位固结系数，再根据t e r z a g h i 的维固结理论 推算出最终沉降量及沉降发展过程。黄少杰等用m e r c h a n t 一维粘弹性固结模型 进行了一维反演分析，在不考虑侧向变形的条件下，建立了沉降与沉降速率的计 算式，用实测沉降进行反演分析，求得这些参数，即可计算总沉降量和沉降速率。 由于采用粘弹性模型，次固结的沉降可以得到考虑。 ( 5 ) 人工神经网络法 人工神经网络法自2 0 世纪8 0 年代中后期以来，迅速发展为一个前沿研究领 域，并广泛应用于各个学科。目前，已有人将人工神经网络运用于路基沉降计算。 神经网络具有集体运算和自适应能力，善于联想、综合与推断，能够对路基前期 沉降资料进行分析，记忆存储路基填土的基本性质，通过模拟填土性质、加载与 变形之间的复杂的函数关系，就可以进行路基沉降的预测。在用神经网络分析路 基沉降时。只要取三层网络( 输入层、中间层和输出层) 。考虑到土的非线性， 输出层取为荷载增量下的沉降增量；输入层则为反映路基沉降的主要因素( 如施 工加载方式、施工加载速率、施工间歇期、前期沉降值等) ；中间层为反映土的 力学性质和变形性质( 如土的重度、强度指标、压缩系数、渗透系数、固结系数 等) 。建立起反映路基沉降影响因素与路基沉降量之间的映射关系的神经网络后， 就可以用已有的沉降观测资料对网络进行学习训练，待到网络误差小于预先设定 值时，网络就能够抽取并记忆填土的力学性质和变形性质，再输入要进行预测的 加载情况，就可以通过网络预测出沉降将要发生的沉降变形等情况。神经网络法 预测沉降尤其适合于只有一些沉降观测资料而无土性参数的情况，与实测沉降误 差较小，有一定的发展前景。 从目前的发展趋势来看，对地基沉降的估算向贴近实际的方向发展，即根据 实测数据资料来考虑用理论公式算得的结果的可靠性，并根据实际对理论公式进 行修j 下，尽量采用简单易得的参数。但无论怎样，首先研究软土地基的变形特性 是发展沉降计算方法的自仃提和基础。 1 3 国内外研究现状及存在问题 目自仃软土地基的沉降计算方法，大致可分为两大类：第一类是经验系数修j 下 4 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第一章绪论 法，采用这种方法是出于对地基的复杂性以及理论分析结果不可能有很高的精度 的认识。这种方法h j 地基的固结沉降量乘以沉降系数束计算地基的总沉降量，而 圃结沉降用e p 或e 一】g p 曲线法或压缩模量e ，计算。第二类方法既看到了土的 复杂性，同时也考虑了现代工程对设计质量要求的提高，在设计模式及设计手段 上不断改进，但并非完全摆脱了第一类方法，人们是从不同的角度来研究沉降的， 所以有的成果仅是沉降计算的一个侧面。纵观从4 0 年代丌始至今国内外学者的 研究成果，沉降计算的改进有以下四种途径： ( 1 ) 从土的地质历史来改进沉降计算。这就是根据前期固结压力将土的固 结状态分为正常固结、欠固结和超固结三种情况，借助于土体现场原始压缩曲线 计算主固结沉降的e l g p 曲线法； ( 2 ) 考虑土的应力状念，对沉降计算进行改进。一般沉降计算依据的压缩 试验资料是室内单向压缩试验结果，实际地基土的变形并不是象在固结仪中仅沿 一个方向这样简单，在竖向变形时侧向变形也同时产生。因此人们提出了三向应 力状态下的沉降计算方法。包括对一维固结下的沉降进行修正的方法以及模拟实 际变形情况的应力路径法。这方面的研究工作是从5 0 年代丌始的。 ( 3 ) 从土的变形特征来改进计算通过对地基沉降的全面分析，人们发现沉 降可分为三类：瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降。引起三类沉降的土体的变 形特性不同，所以分三类计算沉降再求其和作为最终沉降量是比较合乎实际的。 ( 4 ) 从计算方法上改进沉降计算。天然土体的结构与变形特性是很复杂的， 采用线性弹性体的解求沉降与位移，必然导致与实际的差异。随着电算技术的发 展，人们有可能对复杂的但比较精确的理论模式进行分析，比如应用差分法或有 限单元法对的本构关系进行研究。但由于本构模型所涉及的计算参数较难测试 提供，复杂的程序使用者一般也要费很多时间才能真讵掌握，使得有限元法在实 际工程中未能得到普遍应用。 1 4 影响地基沉降计算的因素 沉降的精确计算需要理论与实践紧密结合，但是在实际工程应用中，由于 受施工误差、试验手段的局限和理论本身的不完善等多种因素的影响，计算结果 与实际情况总是有一定差距，因此，工程技术人员在面对一个具体工程计算问题 时，如何根据实际工程中的具体情况来正确选取计算参数，在很大程度上受到经 路堤荷载作用下软上地基变形特性研究及沉降计算第一章绪论 验的影响与制约。实际工程中引起计算与实测差异的因素如下： 1 4 1 土体中附加应力因路基沉降引起的变化 加载过程中，原地表土体由于先期填土引起的沉降部分被后期填土所填平， 待填到设计标高时，实际的填土荷载大于计算中使用的设计荷载，这必然引起附 加应力计算的误差。此外，对于地下水位较高的软土层，其情况更为复杂：( 1 ) 由于上部加载导致路基中心原地表土层下沉，下沉的填土受到水的浮力作用；( 2 ) 对于地下水位以下的液性指数， p l 称为超固结土； i i i 风 ( 脓一p 1 ) 的各分层丰固结沉降量为： 瓯= 喜羔引g ( 争吲g ( 警) 】( 5 叫 式中 ，7 一分层计算沉降时，压缩土层中有效应力增量, s p ( p c p - ) 的分层数； 风，一第，层土的先期固结压力。 对于p ( p 。一p 1 ) 的各分层丰固结沉降量s 。为： = 喜去刚g c 警， 式中 m 一分层计算沉降时，压缩土层中具有p 总丰固结沉降量s ，为上述两部分之和，即 s 。= s ，+ s 。， 欠固结土的沉降计算 沉降计算公式为： ( 5 一l o ) ( p 。- - p 1 ) 的分层数。 ( 5 一1 1 ) 耻喜羔呲( 警) ( 5 - ，2 ) 式中 皿，一第i 层土的实际有效压力，小于土的自重压力p l o 5 1 3 次固结沉降量的计算 次固结被认为是有效应力已经基本不变，但土的体积仍随时间增长而发生的压 缩。在次固结过程中，实际上也有微小的超孔隙压力存在，驱使水在土粒之间流动。 仙由于次固结进行的极慢，水的流动速度是很小的，上述超孔隙水压力无法测量， 所以次固结的体积变化速率与孔隙水从土中流出的速率无关，与土层的厚度也无关。 次固结的大小丰要和土的性质有关，泥炭土、有机质土或高塑性粘土，次固结沉降 4 9 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 占一定的比例，而其他土则所占比例不大。 粘土层在现场的次固结速率可以直接从室内土样的试验来估计。许多室内试验 和现场观测的结果都表明，次固结的大小与时间的关系在半对数纸上接近于直线， 发牛于丰固结完成之后。次固结引起的孔隙比变化为： a e = c 。i g 2 ( 5 - 1 3 ) 1 1 式中 c 。一半对数曲线上直线段r t 的斜率，称为次固结系数； ，一相当于丰固结达到1 0 0 的时间； ，2 一需要计算次固结的时间。 因此，在时间，时的次固结沉降计算公式为： 弘喜鲁噜( 5 - 1 4 ， 次固结系数c 。的大小丰要视土的种类而定。在缺乏试验资料时，e 可按天然 含水量来估计。一般c 。取为： co=0018w(5-15) 式中m ，为土的天然含水量，以小数计。 5 2 塑料排水板加固处理下软土地基固结度的计算 5 2 1 塑料排水板加固区平均固结度 一u ，：1 一乓e - 如， ( 5 1 6 ) 式中 肛 肛肛瓦而8 c h 万肛鲁， 川呻，川邮，c 鲁- 1 ) ，州i k h ，h ) 2 ，胛= 万d e ，s = 亳； 一u ，：一加固区平均固结度； 艮一砂井地基固结系数，屏，肛分别为径向和竖向固结系数( 1 天) ： f 一与井径比，有关的函数； ，一涂抹因予，与涂抹比s 和涂抹层渗透性降低有关的函数； 5 0 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 g 一井阻因了： 七一 女、一分别为砂井井料、地基土和涂抹层土的渗透系数； q 。c 。一分别为地幕土竖向、水平向固结系数( c m 2 s ) ： 一土层的竖向排水距离，单面排水时为土层厚度，双面排水时一为土层厚度的 一半。 5 2 2 加固区以下平均固结度 加固区以下至( 4 ) 一l 或( 4 ) 一2 层项范围内，按太沙基单向固结理论，平均 固结度采用下式： 式中 一u ：7 ：卜三p 呐( 5 1 7 ) 万一 ：2 百万- c i , ( 4 ) 一l 矛u ( 4 ) 一2 层固结沉降按瞬时完成考虑。 5 2 3 逐渐加荷条件下的地基固结度修正 按改进的高木俊介法计算： 瓦= 喜南 帆) 一矽。吲( 5 - 1 8 ) 式中 f 。，一r 时刻多级等速加荷修正后的地基平均固结度； ( i ，一第，级荷载的加载速率；y 卸一各级荷载的累加值： t “、t ，分别为第，级荷载加载的起始和终止时间( 从零点算) ，当计算第i 级荷载加载过程中某时间，的固结度时，t i 改为，； 按改进的太沙基法计算： 修正方法的摹本假定是：每级荷载增量所引起的固结过程是单独进行的，和 上一级或下一级荷载增量所引起的固结无关；每级荷载是在加荷起汔时间的中点一 次瞬时加足的：在每级荷载p ”加荷起讫时间t i - 1 和t ，以内任意时间t 时的固结状 态与t 时相应的荷载增量瞬间作用下经过时间( t t ) 1 2 的固结状态相同，时间t 大于t ，时的固结状态与荷载卸，在加荷期间( t - t ) 的中点瞬间施加的情况一样； 5 l 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 某一时间t 时总平均固结度等于该时各级荷载作用下固结度的叠加。 计算公式为： 一u ，= 蓼u ”华，急 睁1 9 ) 9 ，= ，( ，一生_ 二盟) ；= 斗 ( o 1) 式中 万，。一多级等速加载，时刻修正后的平均固结度； 西，一瞬i d ) 3 n 载条件的平均固结度； ，。，。一分别为每级等速加荷的起点和终点时间( 从时间0 点起算) ，当计 算某一级荷载加荷期间，时刻的固结度时，则f ，改为f ： 妒，一第r l 级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻t 的固结度时，则 用该时刻相对应的荷载增量。 尸一最终荷载，超载预压段按路堤和超载总荷载计算。 5 3 利用实测沉降资料推算最终沉降量和后期剩余沉降的方法 前面介绍的无论是采用计算瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降的方法或者采 用丰固结沉降乘以经验系数得到最终沉降量的方法，其结果往往与实际有偏差。因 此，在实际工作中， 丰往需要通过现场的实测沉降资料来推算最终沉降量或后期沉 降。 由实测的成果曲线推算最终沉降量的方法较多，常用的有双曲线、指数法，除 此之外还有沉降速率法、日本常用的星野法、浅岗松尾法。 5 3 1 双曲线法 ( 1 ) 双曲线图解法 双曲线法是假定沉降速度以双曲线形式减少的经验推导法。从填土开始到任意 时间，的沉降量s ，( 见图5 1 ) 可用下式求得： s ，= & + 丽t 式中s f 时的沉降量； s o 一初期沉降量( f = 0 ) ； t 一经过时间； 口、一从实测值求得的系数。 5 2 ( 5 2 0 ) 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 。7i 、炎弘 碹 图5 1 按双曲线法推测沉降模式图 变换上式得： 三一：口+ 厨 ( 5 2 1 ) s ，一s o t ( s , 一s 。) 与，成直线关系，从该直线与纵轴得交点利斜率，可分别求得口、， 将o c 、口代入式( 5 2 0 ) ，即可求得任意时间的沉降量。 当，= o o 时，最终沉降量s 。可用下式求得： s 。= 氐+ 万1 ( 5 - 2 2 ) ( 2 ) 双曲线方程式法 s ，呐+ ( s 。- s 1 ) 揣( 5 - 2 3 ) 计算比值n n2 嚣 求参数o l 口：旦f 1 一叩 求最终沉降 s o ：- - s i + ( s z - s i ) 而l + r ( 5 - 2 4 ) 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 5 3 2 指数法 ( 1 ) 对数曲线法( 二点法) 从实测的沉降一时间曲线上选择荷载停止后任意三个时间f ，、f ：和f ，并使 ，3 一，22 ，2 一，l 。 耻高群( 5 - 2 5 ) s c ，- 坚豢攀 s ，= s 。，+ ( s 。一s d ) ( 1 一。霹一肛) 8 口2 一 万一 ( 5 2 6 ) ( 5 2 7 ) ( 5 2 8 ) ( 2 ) 指数方程式法 s ，= s l + ( s 。一s 1 ) 【1 一a e 一卢( 7 一】( 5 - - 2 9 ) s 。= s ：+ i 夏- = j 编 ( 5 3 0 ) 口2 熊面妥i 五( 5 - - 3 1 ) ( s 2 一s 1 ) ( s 4 一s 3 ) ，s 3 一s ls 4 5 3 、 s 2 一s ls 3 一s 2 。 口：一2 3 l g ( 兰$ i 4 二- 兰$ 1 3 )( 5 3 2 )口= 一二l 二( b 一 5 4 路堤荷载作用下软土地基沉降计算 5 4 1 计算参数 ( 1 )k 0 + 5 3 5 断面 1 塑料排水板+ 真空预压，排水板深度1 0 5 m ，间距1 8 m ，梅花形布置，预压土柱 高1 8 m 2 路基高度5 7 m 顶宽1 4 2 m ，边坡斜率1 ：1 5 。 路堤衙载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷我作用下软土地基沉降计算 表5 1k 0 - 5 3 5 断面地基十的物理力学指标 压同 同绐系数 翮i缩弹前列同 层 含水量密度7 孔| ：j ； 比 次同结 号 十层 厚模量 系数 指指练氐) j l ” 、( 哆o ) ( k n m 。) e c j ( c m z sc h t c m z s e s ( m p a )数数p 。( k p a ) 1 0 。l1 0 。j l cg ( i )粘十3 03 1 91 9 20 8 92 0 91 4 54 6 l0 0 0 6 4o 2 5o 0 32 0 4 3 淤泥赝粉 ( 2 ) 7 44 3 51 7 91 2 2o 8 25 1 62 5 5 0 0 0 8 6o 3 00 0 48 6 5 质： = 占十 ( 3 ) 3 枯十 1 82 4 5 2 0 3 0 6 99 4 6 5 4 7 9 3 90 o o l 90 1 4o 0 62 5 3 7 ( 3 m粉十3 23 5 5 1 8 7o 9 8 1 1 3 81 2 8 61 0 0 1o 2 0o 0 22 9 0 o 粉质粘十火 ( 3 ) - 55 63 6 4 1 8 _ 70 9 9 7 8 29 3 16 0 80 0 0 4 7o 3 3o 0 22 5 3 7 告e 粉眇 ( 4 ) 2粉砂2 8 2 5 ( 2 ) k 0 + 5 7 3 断面 1 ) 塑料排水板+ 超载预压，排水板深度9 5 m ，间距1 8 m ，梅花形布置，预压 土柱高1 8 m 。 2 ) 路基高度5 7 m ，顶宽1 4 2 m ，边坡斜率1 ：1 5 。 3 ) 地基土的物理力学指标见表5 2 。 表5 2k 0 + 5 7 3 断面地基十的物理力学指标 压网 层 层含水 同结系数 压缩缩弹前期同 号 十层 厚 n 密度7孔隙比衫：同 模呈 结系数 指指结压力 觅 ( k n ) e c v ( c m 2 sc h ( c m s f _ s ( m p a )数数p c ( k p a ) m w ( ) xlo _ j 1 1 0 。) c cc s ( 1 )牯十 3 o3 1 91 9 2o 8 92 0 91 4 54 6 l0 0 0 6 4o 2 5o 0 32 0 4 3 淤泥质粉质 ( 2 ) 5 94 3 51 7 91 2 20 8 25 1 62 5 5o 0 0 8 6o 3 00 0 48 6 5 粘土 ( 3 ) - 3车占十 3 04 52 0 30 6 99 舶5 4 79 3 90 0 0 1 90 1 40 d 62 5 3 7 ( 3 h粉十 3 23 5 51 8 70 9 81 1 3 81 2 8 6l o o l0 2 00 0 22 9 0 0 粉质牿刊： ( 3 1 - 5 7 23 6 41 8 70 9 97 8 29 3 l6 0 80 0 0 4 7o 3 30 0 22 5 3 7 f m 渤 ( 4 卜2粉砂 2 8 - 2 5 ( 3 ) k 0 + 6 2 8 6 断面 1 ) 塑料排水板+ 超载预压，排水板深度7 5 m ，间距1 2 m ，梅花形布置，预压土柱 高1 2 m 。 2 ) 路基高度5 ，6 5 m ，顶宽1 4 2 m ，边坡斜率1 ：1 5 。 5 5 路堤荷载作用下软土地基交形特性研究及沉降计算 第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 3 ) 地基土的物理力学指标见表5 3 。 同结系数 压 层 层 含水呈密度y 孑l 隙比压缩模量；久同绵 缩 网弹前期同 号 十层 厚 指 指数结压力 、1 9 6 ) ( k n m - 3 ) e c v ( c m - ? sc h ( 矗| s e s ( m p a )系数 m 数 c s p c ( k p a ) 1 ) x 1 0 ) c c ( i )粘十 3 03 1 91 9 20 8 92 0 9 1 4 54 6 l0 0 0 6 4o 2 5o 0 3 2 0 4 3 淤7 j e 质粉 ( 2 )4 54 3 51 7 91 2 2o 8 25 1 62 5 5o 0 0 8 6o - 3 00 0 48 6 5 质羊占十- ( 3 ) - 3粘十 4 02 4 5 2 0 3 o 6 99 4 6 5 4 79 - 3 90 0 0 1 90 1 40 0 62 5 3 7 ( 3 卜4粉十 3 ，8 3 5 51 8 7o 9 81 1 3 81 2 8 61 0 0 lo 2 0o o 2 9 0 0 粉j 五桔十火 ( 3 ) - 5 8 o3 6 41 8 70 9 97 8 29 3 l6 0 80 0 0 4 7o 3 3o 0 22 5 3 7 渺层粉妙 ( 4 ) - 2 粉砂2 8 2 5 ( 4 )k 0 + 6 8 1 断面 1 塑料排水板+ 超载预压，排水板深度7 0 m ，间距1 2 m ，梅花形布置，预压土柱高 1 2 m 2 路基高度5 6 5 m ，顶宽1 4 2 m ，边坡斜率l ：1 5 。 3 地基土的物理力学指标见表5 4 。 表5 4k 0 ，- 6 8 l 断面地基十的物理力学指标 同结系数 压网 层含水 密度7孔隙比 j 跏 次同结 缩 弹前； l 同 层 十层厚量 模量指指 宝i i i 压力 号 ( k n m 4 l ec j ( c m - c h ( c m 2 系数 m w ( ) s x l o 。) s x l 0 。3 ) e s ( m p a ) 数数 p c ( k p a ) c cc s ( i ) 粘十3 03 1 91 9 2o 8 92 0 91 4 54 6 lo c 1 0 6 40 2 50 0 32 0 4 3 淤轲质粉质 ( 2 ) 4 04 3 51 7 9 1 2 2 0 8 25 1 62 5 5o 0 0 8 6o 3 0 0 0 48 6 5 粘士 ( 3 ) - 3 粘十4 42 4 52 0 30 6 99 4 65 4 79 3 90 0 0 1 90 1 40 0 62 5 3 7 ( 3 ) - 4粉七 4 63 5 51 8 7o 9 81 1 3 81 2 8 61 0 0 10 2 00 0 22 9 0 o 粉质粘十火 ( 3 垮 6 43 6 41 8 70 9 97 8 29 3 i6 0 80 0 0 4 70 3 30 0 22 5 3 7 漕层粉砂 ( 4 ) - 2粉砂 2 8 2 5 5 4 2 沉降计算结果 计算结果见汇总表5 5 。 5 6 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 表5 5 超载预压试验段最终沉降鼍计算结果单位：c m 旋土同结沉降 总沉降量 泌 瞬时沉降 次同结 沉降 e 。法 e l g p 法e 。法e i g p 法 k 0 + 5 3 59 27 7 16 8 16 1 9 2 48 3 4 k o + 5 7 3 8 57 2 86 6 0 5 88 7 o8 0 3 k 0 + 6 2 8 66 75 6 95 2 35 66 9 26 4 6 k 0 + 6 8 l 6 75 4 05 0 15 0 6 5 76 1 8 上述计算结果表明，采用e 。、e 1 9 p 曲线法在不同的断面计算结果有区别。按 e i g p 曲线法较e 。法计算结果较小，但软土厚度越大，计算结果相差越大。 造成两者结果相差的原因丰要与软土层的应力历史有关。据分析，本试验段第 l 层硬壳层3 o m 为超固结土，软土层按埋藏深度属超固结。软土均处于超固结状态， 按e 1 9 p 曲线法计算结果反而小。从现场实测的沉降数据看，由于e l g p 曲线法考虑 了前期固结压力，计算的结果也更合理。 5 5 固结沉降计算与实测结果的比较 衙载fk p a ) 2 0 一 一92 0 5 一q2 0 0 3 6 82 0 0 37 一r2 0 0 3 邯一72 0 - 9 - 6z 0 0 3 1 0 - 62 3 1 卜52 0 0 3 1 2 - 5 省抑 ak o5 ，5 断面 5 7 日期 路堤荷载作用下软土地基变形特性研究及沉降计算第五章路堤荷载作用下软土地基沉降计算 衢绒( k p a ) ? h j ：l ：j j了h ，：i - i1 9= f x j ：lsl h 2 “i ：b1 82 【i 【，3 。7 一j 8 2 0 0 3 8 - 1 72 0 0 3 9 一1 62003-jo1 6 烈k m i i 1 5 7 ( x j 。厂 6 0 ( 沉降( m m ) b k 0 + 5 7 3