（岩土工程专业论文）软土路基排水固结机理研究及应用.pdf

摘要 袋装砂井超载预压法是一种常用的软基处理方法。本文在简要回顾了该方法的原理及 发展后，结合福建省厦门市某高等级公路袋装砂井超载预压法处理软土路基工程实测资 料，围绕该法处理软基课题中的沉陷与稳定问题进行系统的研究，具体工作有以下几个方 面： l 、对该法处理软土路基对该地区天然软粘土的微观结构性进行了研究，结合已有的 理论对软土路基中的固结计算问题进行了分析。 2 、通过对路基实测沉降、孔压、侧向位移的综合分析，得出三者随荷载、时间发展的 一般规律，对由实测路基沉陷时间曲线推求最终沉降量的方法进行了探讨，对路基固 结度计算中的两个标准及工程卸荷条件进行了分析。 3 、结合工程实际，在路基稳定性分析的基础上，给出了路基施工期稳定性判别标准 和稳定性控制方法。 4 、特别结合作者所作的工作，对软土路基施工期的观测方案设计与实施进行了详尽 的论述。 关键词：袋装砂井超载预压法，排水固结，饱和软粘土，软土路基，沉降，稳定，工程应 用，竖井地基 r e s e a r c ho n d r a i n a g e c o n s o l i d a t i o nf o rs o f ts o i l r o a dg r o u n da n di t s a p p l i c a t i o n c h ub i n ( g e o t e c h n i c a i e n g i n e e d n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h uc h a n g q i a b s t r a c t s u r c h a r g ep r e c o m p r e s s i o nc o m b i n e dw i t hv e r t i c a ld r a i n sm e t h o dh a sb e e np r o v e dt ob ea n o r m a la n de f f e c t i v e w a yt oi m p r o v e s o f t c l a yg r o u n d a f t e rr e v i e w i n gt h ep r i n c i p l ea n d d e v e l o p m e n to f t h i sm e t h o di nb r i e f , t h i st h e s i sg i v e sas y s t e m a t i cr e s e a r c hi ns e t t l e m e n ta n d s t a b i l i t yp r o b l e m so nt h em e t h o d a l lt h er e s e a r c ha n dd a t aa r eb a s e do nap r i m a r yr o a d sf i e l d m e a s u r e m e n ti nc i t yx i a m e n , f u j i a np r o v i n c e t h ee l a b o r a t ew o r ki n v o l v e ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： t h em i c r o s t r u c t u r eo fn a t u r a ls o f tc l a yi nt h i sa r e ai sr e s e a r c h e da n ds o m ec o n s o l i d a t i o n c a l c u l a t i o np r o b l e m sa b o u ts o f ts o i lr o a dg r o u n di sa n a l y z e d b a s e do nas y n t h e t i c a la n a l y s eo f s e t t l e m e n t ，p o r e - p r e s s u r e & l a t e r a ld i s p l a c e m e n td a t a ，s o m e g e n e r a lr e g u l a t i o n sa b o u t t h et h r e eo n e s d e v e l o p s w i t ht i m ea n dl o a d i n ga r ei n d u c e d b e s i d e s ，t h e f i n a ls e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o df r o mo b s e r v e ds e t t l e m e n t t i m ec u r v ei sd i s c u s s e d a l s o ， s o m ea n a l y s e sa b o u tt w os t a n d a r d si nc a l c u l a t i n gt h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o na n dc o n d i t i o n so f u n l o a d i n g a r em a d e c o m b i n i n gw i t ht h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h ep a p e ro f f e r saj u d g e m e n tn o i t na n dc o n t r o l m e a s u r ef o rg r o u n d w o r ks t a b i l i t yw h i l et h eg r o u n di so nc o n s t r u c t i o n i no r d e rt om e e t i n ge n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nn e e d s ，t h ep a p e re l a b o r a t e sp a t c h i l yt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no f o b s e r v i n gp l a n k e yw o r d s ：s u r c h a r g ep r e c o m p r e s s i o n c o m b i n e dw i t hv e r t i c a ld r a i n sm e t h o d ，d r a i n c o n s o l i d a t e ，s a t u r a t e d s o f t c l a y , s o r s o i lr o a d g r o u n d ，s e t t l e m e n t ，s t a b i l i t y , e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，v e r t i c a ld r a i n sf o u n d a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 世界上修建高速公路最早的是德国。早在1 9 2 8 年1 9 3 2 年就建成了从科隆至波恩的 第一条高速公路，到1 9 9 2 年德国高速公路里程1 l o o k m ，居世界第三位。美国于1 9 3 7 年 建成了加州高速公路。到1 9 9 3 年美国高速公路里程己达8 7 5 万k m ，远远高于其它发达 国家，是高速公路里程居第二位的加拿大的5 2 8 倍。美国高速公路连通全国除夏威夷与 阿拉斯加以外所有各州5 万人以上的城镇，对美国社会经济的发展产生了重大影响。 我国改革开放后，国民经济持续高速发展，公路建设的重要性逐步为全社会所认识； 8 0 年代中期，国家确定了要发展高速公路的方针及将汽车工业作为支柱而重点发展，1 9 8 8 年，我国第一条高速公路沪嘉高速公路( i s 。5 公里) 建成通车，此后，又相继建成全长 3 7 5 公里的沈大高速公路和1 4 3 公里的京津塘高速公路【l j 。近几年我国高速公路建设取得 了很大发展，至2 0 0 0 年底，全国高速公路通车里程已达1 5 万公里，居世界第三位，大 大缩短了我国同发达国家之间的差距。但我国高速公路建设极不平衡，绝大部分高速公 路建于东部沿海各省( 见表卜1 ) 。 表1 - 1 全国高速公路里程( 单位：公里) 我国沿海诸省，除山东部分地段外，大部分为淤泥质海岸，土层多为淤泥、淤泥质粘 土、淤泥质亚粘土及淤泥混砂层，属于饱和的正常压密软粘土。这种土类具有高压缩性、 低渗透性、低强度的特点，常不能满足高速公路对地基变形的高要求，要满足要求就必 须对天然地基进行加固。因此，软土路基固结沉降、变形及强度问题一直是国内外众多 岩土工程学者、建设者普遍关注的问题之一。 1 2 土的固结理论研究概述 1 2 1 土的固结理论 软土路基排水固结机理研究及应用 土体在载荷的作用下内部含水缓慢渗出，体积逐渐减小，这一现象称为土的固结。 土的固结理论最早是由太沙基2 1 ( 1 9 2 3 ) 提出来的，太沙基以有效应力原理和达西 渗透定律为基础建立了一维固结理论，并获得了一定条件下的解析解，这一理论得 到了广泛的应用。 r e n d u l i k l 3 ( 1 9 3 6 ) 把太沙基的单向固结公式扩展到三维的情况，导出了垂直轴对称 情况下的解析解。 b i o t l 4 j 5 1 ( 1 9 4 1 ) 在较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙压力消散与土骨 架变形相互关系的三维固结方程，一般称为“真三维周结方程”。b i o t 固结方程是 一组偏微分方程，在数学上求解非常困难，对于轴对称问题和平面应变中的某些简 单情况，有人推出了解析解；但对于一般的土层情况，边界条件稍微复杂一些，便 无法求得解析解。因此b l o t 固结理论自建立以来一直没有在工程界得到广泛应用。 随着计算机技术和有限元单元法的发展，真三维理论才重现生命力，并开始应用于 工程实践。 克累斯钦【6 1 ( c h r i s t i a n ) 利用比奥解研究了基础宽度与土的各向异性对固结的影响， 并与太沙基单向固结解作了比较，指出在有限厚度土层情况下，考虑多项固结的必要性。 吉勃森与麦克纳姆利用比奥理论研究了半无限体地基上不同边长比的矩形基础对固 结的影响，得到了边长比= l 5 范围内的固结度与时间因数的阢兀曲线。 以上几种固结理论是建立在土体为线弹性变形的假定条件下的，而实际土体通常为非 线性变形体。m i k a s a ( 1 9 6 3 ) 经过大量的研究发现，软粘土的固结特性与太沙基的固结 理论不太符合。g i b s o n 等人( 1 9 6 7 ) 提出了一维有限非线性应变固结理论即大变形固结 理论，它考虑了土体压缩性和渗透性与孔隙比的非线性变化，以及土体自重应力等方面 的因素。g i b s o n 和s c h i f f m a n 等人( 1 9 8 1 ) 用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，则求得的固结速率比太沙基理论推求的要快。窦 宜、蔡正银等人( 1 9 9 2 ) 曾对g i b s o n 建立的一维有限非线性应变固结理论得出了简化条 件下的解析解，并通过离- t l , 实验进行了分析验证。离心实验得到的土体固结速率比太沙 基理论推求的要快，而与有限非线性应变固结理论在简化条件下的解推求的结果基本一 致n w o r t h 等【8 1 认为，在通常情况下，进行一系列的小变形计算，然后利用位移来修正 2 第章绪论 坐标是不能得到大变形的计算结果的。t o h t 9 1 等指出大变形和变参数的小变形增量有限元 分析都能较好地与离心模型试验结果一致。p o s k i r t ”1 采用摄动法求解了一维大应变固结 方程。潘秋元、谢新宇、谢永利等【i i l 【1 2 l 引入了有限变形理论的一些概念，推导了拉格朗 日描述的以位移为控制变量的一维大变形固结普遍方程。 太沙基的固结理论以孔隙压力消散为依据，没有考虑次固结的影响，与实际 有一定出入。次固结效应一般被认为是由于土颗粒位置相互调整和错动引起的，而 土的这种性质正反映了土的应力应变关系的时效特性，因此许多学者将流变学的观 点引入到士的本构关系中，使用粘弹塑性周结理论来对土体进行沉降分析。对有关 这方面的固结理论简要介绍如下： m e r c h a n t 固结理论 m e r c h a n t i l 3 1 认为，土体沉降中的次固结现象是由于土颗粒间的内部摩擦阻力 延滞所致，他把这种现象称之为次时间效应。他以太沙基的理论为基础，引入次固 结的作用，即在太沙基的弹簧上串联了一个k e l v i n 体，用以描述土的粘滞效应。同 时还假设孔隙比和有效应力p 为线性关系，并且与时间无关；在施加荷重后，主固 结和次固结是同时产生的， 陈宗基固结理论 陈宗基1 1 4 】是我国最早把流交理论引入固结沉降领域的学者，他假设土骨架为 粘弹性而提出了一个固结理论。他认为次固结是以下几个原因产生的： l 、由于偏应力而产生的粘滞剪切流动； 2 、由于球应力而产生的粘滞体积流动：体积变形的延滞作用，一方面是由土 骨架本身的粘弹性质所致，同时也是由于孑l 隙水挤出的延滞而产生的。 3 、上述两种流动产生的同时，也产生硬化作用。 由于作者在建立该理论之初，就考虑将之推广于三维问题，故参数难以确定， 丽应用于一维问题又过于复杂。 吉勃逊和乐的固结理论 吉勃逊和乐f 1 ( 1 9 6 1 ) 根据m e r c h a n t 的流变模型，推导出固结方程的精确解。 f i o q u e 的非饱和土流变模型 以上的固结理论均局限于饱和土；f l o q u e 1 6 l 认为，这些理论不能应用于非饱 和土体，因为非饱和土体的渗透系数明显地受所承受的应力的影响。固结可能只是 上骨架和吸附水的蠕变变形。因此，f l o q u e 提出了自己的模型，用以说明非饱和土 1 软土路基排水固结机理研究及应用 和击实土的流变特性。他的模型同陈宗基模型相类似，其不同之处是在陈宗基模型 的虎克弹簧组件上串联了一个圣维南组件。这个模型是一种固体在常应力作用下， 承受有限变形，并具有部分的应力松弛以及部分的弹性后效。 1 22 地基自勺沉降计算 地基沉降的理论分析方法可归纳为两种类型：一类是理论公式法：一类是数值分析法。 地基沉降计算的理论公式，一般表示为1 7 1 ： s ( ，) = s ，( f ) + s d + s 。( f ) ( 1 - 1 ) 式中s ( t 1 为地基在时间t 的总沉降： s ，( f ) 为地基的次固结沉降； s 。为地基的瞬时沉降； s ( f ) 为地基的排水固结沉降。 1 9 5 5 年，司开普顿与潘克1 1 等研究了英国伦敦和美国芝加哥两大城市的6 座建筑 物实测沉降之后，发觉粘性土地基上建筑物的初始沉降，占建筑物总沉降的相当可观部 分，认为不可任意略去。而且，在设计计算中如有过量的初始变形，即说明地基中塑性 开展区域过大，也说明地基设计不当，可尽早更正。 瞬时沉降的理论计算方法主要有如下几种m ：( 1 ) 根据土体的不排水变形模量按线弹 性理论计算：( 2 ) l a m b e 等人( 1 9 6 7 ) 提出的应力路径法：( 3 ) 徐少曼( 1 9 8 3 ) 提出的根据 三轴排水试验的归一化曲线进行计算。在这几种方法中，唯有l a m b e 等人( 1 9 6 7 ) 提出 的应力路径法可以考虑加载方式和加载速率的影响，但该法过多依赖室内试验，试验工 作萤相当大且对试验技术要求很高，所以在工程中应用非常不便。 次圊结沉降被认为是有效应力已经基本上不变、但土的体积仍随时间增长而发生的 压缩。在次压缩过程中，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。 但由于次压缩进行得极慢，水的流动速度是很小的，上述超孔隙压力小到无法量得。所 以，次压缩的体积变化速率与孔隙水从土流出的速率无关，与土层的厚度也无关。因此， 粘土层在现场的次压缩速率可以直接从室内土样的试验来估计。该问题的严密解，对于 受均布荷载的粘土层由g a r l a n g e r i ”】得出。 s ；= 粤c 。l g 生( 1 2 ) 5 智1 十e l t t l 上述次压缩系数c d 的大小主要视土的种类而定。在缺乏试验资料时，可按天然含 4 第一章绪论 水量来估计： c 。= o 0 1 8 w ( 1 - 3 ) 次固结在整个固结量中所占比例，对于一般不灵敏的海沉积粘土约为1 0 1 5 i l 9 1 。 关于地基最终固结沉降的计算公式已有很多种。比如地基一维沉降计算有7 】：按e p 压缩试验曲线建立的公式；根据压缩模量风或压缩系数口。一：建立的公式i 考虑土体 应力历史影响的情况下按e 一压缩睦线建立的公式等。地基二维( 平面应变问题) 和三维 沉降计算有：e g o r o v l ( 1 9 5 7 ) 、黄文熙( 1 9 5 7 ) 、d a v i s 和p o u l o s ( 1 9 6 3 ，1 9 6 8 ) 以及魏 汝龙( 1 9 7 9 ) 等许多人根据广义虎克定律得出的公式；m a r r 等人( 1 9 7 9 ) 提出的应力路 径法；s k e m p t o n 和b j e r r u m ( 1 9 5 7 ) 提出的用三轴不排水条件下得出的三维孔隙水压力 计算最终固结沉降的方法等。此外，还有根据半无限均质线弹性体推导出的弹性理论公 式。我国学者陈列峰、曾国熙、龚晓南训在考虑土体各向异性的沉降计算方法的研究方 面作了许多卓有成效的工作。 在数值计算方面，国内外学者主要从考虑土体的变形机理，考虑地基土的实际应力 状态，考虑地基土体的地质历史。结合土的本构模型，采用有限元等对计算方法作了改 进【2 l 】。如考虑非线性弹性模型及弹塑性模型的有限元法【2 ”、考虑粘弹塑性模型的有限元 法【2 扪、考虑结构性的损伤模型的有限元法口” 2 5 1 、以及大变形固结有限元方法【2 6 1 。但是 由于计算参数较多，且一般需通过三轴试验确定，因而在工程设计中难以采用，目前还 不可能把有限元法作为每个断面沉降计算的主要方法应用于设汁，仅用于重要工程、重 点地段的计算。 根据实测资料推算沉降量与时间关系的预测方法。如指数曲线法、双曲线法和高木 俊介法以及曾国熙( 1 9 7 5 ) 改进的高木俊介法、星野法等1 2 ”。事实上，这些预测方法难 以反映全过程的沉降量与时间的关系，如双曲线法和指数法仅适合瞬时施工加载情况下 的沉降预测。宰金珉选用泊松曲线得出了全过程的沉降量预测方法。 自从八十年代初邓聚龙创立了灰色系统理论以来，灰色系统理论得到了较普遍的应 用和广泛的重视，在农业、林业、水利、能源、交通、经济等领域，灰色系统理论在预 测方面取得了令人瞩目的成就。吴大志f 2 9 1 等人就灰色系统理论在岩土工程中的应用作 了不少的研究工作。张仪萍、俞亚南、张土乔p o 】基于时变参数的概念，将沉降预测分为 模型参数预测和根据参数预测值得沉降预测两部分，并利用灰色g m ( 1 ，1 ) 模型建立了 参数随时间变化的时变参数灰色g m ( 1 ，1 ) 模型，将此模型用于沉降预测。实例计算表 软土路基排水固结机理研究及应用 明，时变参数预测模型有望提高沉降的预测精度 1 9 7 8 年提出了一种新的最终沉降量推算方法，即a s a o k a 法也称为沉降曲线图解法 3 1 1 。它克服了采用指数曲线法推算需要较长的现场实测资料的缺点，对沉降过程的阶段 性依赖不明显，利用较短时间的观测资料就能够得到较为可靠的最终沉降的推算结果， 并可直接计算出次固结沉降，具有较高的应用价值f 3 2 1 。 1 23 土本构模型的研究 软土地基的圃结理论和沉降计算必然要涉及到土的本构关系的选择问题，土的本构 模型研究在国内外已有几十年的历史，虽然国内外学者们建议采用的反映士体的应力 应变关系的本构模型数量非常多，但是应用最为广泛的还是以下几个模型。 建立在弹性理论基础上的主要有d u n c a n - - c h a n g 非线性弹性模型，即e u 双曲线 模型。d u n c a n 和张采用k o n d e r 关于砂土与粘土的常规三轴压缩试验的应力应变关系可 以采用双曲线表示的建议，定义了切线弹性模量e 和泊松比灶。后来d u n c a n 等人对此 模型进行了改进，提出用体积模量k 代替泊松比肛。土的弹性模型还有超弹性模型和次 弹性模型等，可用来处理非线性、剪胀性、应力路径的影响等特性。 建立在增量塑性理论基础上的弹塑性模型，由于对增量塑性理论的不同认识和不同 假定，针对不同的土料和载荷条件，建立了相当数量的土的弹塑性模型。d r u c k e r 、g i b s o n 、 和h e n k e l 首先建议在d r u c k e r - - p r a g e r 模型上加一个球形帽子，随着土的加工硬化，锥 与帽子一起膨胀，但几何形状保持不变，从而控制了土的塑性体积应变和剪胀性。同时 选择土的密度作为加工硬化参数。后来r o s c o e 提出了物态边晃面、临界状态线等概念。 此后r o s c o e 和p r o o s h a s b 研究了粘土应力应变理论，然而没有建立在塑性理论基础上， 同年，c a l l a d i n e 应用加工硬化理论概念，对此模型进行了解释。r o s c o e 和s c h o f i e l d 和 t h u r a i r a j a h 在塑性力学加工硬化理论的基础上，对正常同结重塑粘士建立了第一个土的 弹塑性帽子模型。即剑桥模型( c a m - - c l a y ) 。后来b u r l a n d 提出了修正剑桥模型，随后 r o s c o e 和b u r l a n d 将其推广到一般三维应力状态中。魏汝龙教授提出的正常固结粘土模 型，根据不排水三轴试验的应力路径资料，得出在p q 平面的屈服轨迹为椭圆。该模 型比修正剑桥模型有更大的适应性，修正剑桥模型只是这模型的特殊情况。 土的粘弹塑性模型建立在土的流变学理论基础上，土的应力应变本构模型中包含时 间项，土的变形与时间有关的性质称为粘性。在常应力作用下，土的变形将是时间的函 数，他的特性既不是弹性体也不是塑性体，而是具有弹性、塑性及祜滞性的粘弹塑性体a 6 第一章绪论 从土的本质上来说，粘弹塑性模型更接近于土的本质，但是其数学表达形式一般较为复 杂，不利于工程上的应用。粘弹塑性模型中比较有代表性的有：陈宗基模型、m e r c h a n t 模型、f l o q u e 模型、b a r d e n 模型等1 3 ” 4 9 1 。 袁建新1 3 4 1 ( 1 9 8 2 ) 根据土的室内实验提出了一项分析土的弹粘塑性应力应变 关系的方法：著对武汉粘土、上海粘土及郑州黄土的单剪蠕变实验进行了分析研究： 分析结果表明三种土类都具有明显的屈服剪应力，当土的剪应力小于屈服剪应力 时，三种土的剪切特性表现为线性粘弹性，而当土的应力大于屈服剪应力时则表现 为糖塑性。 j i a n h u ay i n & g r a h a m l 3 5 】1 3 6 1 ( 1 9 8 9 ，1 9 9 4 ) 引入了“等效时间”的概念，并建立 能反映了分步加载的一维粘弹塑模型，进而发展成一个关于连续加载的广义本构方 程。这个模型只需要确定三个容易从常规有侧限实验中得到的参数 、k 、1 i r ，很 方便应用于实际计算。 熊军民、李作勤( 1 9 9 2 ) 1 3 7 1 对粘土进行了蠕变松弛耦合实验研究，为粘土流 变特性的研究和应用提出更简单实用的实验方法和参数确定方法。 詹荚礼、钱家欢和陈绪禄( 1 9 9 3 ) 1 3 s 1 3 9 】通过对上海软土流变特性的实验研究， 结合殷宗泽的双屈服面模型和修正的考马拉一黄模型，得到一种带双屈服面的粘弹 一秸塑性模型。该模型能够反映土体的弹性、桔弹性以及粘塑性性质，同时也能体 现土体的剪胀、剪缩特性。 1 3 袋装砂井堆载预压法 131 袋装砂井堆载预压法机理 软土是软弱粘性土的简称。土的类别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土。它是第 四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的粘性土沉积物或河流冲积 物。 软土地基的主要特点可归纳为： 1 ) 具有高含水量、大i l 隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性，中等灵敏度的 特点。一般天然含水量高达4 5 8 0 ，高于液限，孔隙比大于1 0 。当天然孔隙比大于 15 时，称为淤泥；当天然孔隙比大于1 0 而小于15 时，称为淤泥质土。天然软粘土不 排水抗剪强度约在5 k p a 2 5k p a ，压缩系数一般在a l 一2 = 0 5 m p a - 1 15 m p a ，最大可 达45 m p a ；渗透系数约为l 1 0 “c m s 1 1 0 一c r n s 。这类土质属高至中压缩性，压 7 软土路基排水固结机理研究及应用 缩量大，排水固结慢，沉降稳定历时长达数年至几十年，地基稳定性差。 2 ) 具有一定的结构性。结构性的形成随土的矿物成分、沉积环境、孔隙水的成分 及沉积年代不同而有所差异，除南方湛江一带有高的结构性土外1 4 1 1i “，大多数软粘土具 有一般的结构性【4 3 l 。表1 - 3 为我国沿海地区部分典型淤泥土的物理力学性质。 软土地基是工程建设中遇到最多需要处理的软弱地基【3 1 1 ，它广泛分布在我国沿海及 内地河流两岸和湖泊地区，如天津、连云港、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门、 湛江、广州、深圳、珠海等沿海地区，以及昆明、武汉、南京、马鞍山、等内陆地区。 表1 - 2 我国沿海地区部分典型淤泥土的物理力学性质( 魏汝龙【7 ) 袋装砂井堆载预压法是在天然地基中设置袋装砂井等竖向排水体，然后利用建筑物 本身重量分级逐渐加荷；或在建筑物建造之前在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水 排出，逐渐固结，地基发生沉酶，同时强度逐渐提高的方法f 。1 9 2 5 年丹尼尔莫兰 “l ( d a n i e l ，e m o r a n ) 最早将垂直砂井用于土的深层加固，并与1 9 2 6 年获得专利。1 9 3 4 年美国加州公路局用砂井堆载预压法处理软土地段的地基，取得了满意的效果【4 ”。但是 砂井法存在以下普遍性问题旧： ( 1 ) 砂并不连续或颈缩现象很难完全避免。 ( 2 ) 施工设备相对比较笨重，不便于在很软弱的地基上进行大面积施工。 ( 3 ) 断面大是砂井施工的需要，并非是竖向排水的要求，材料消耗大，造价很高。 8 第一章绪论 袋装砂并的应用，基本解决了上述砂并所存在的问题。我国1 9 7 7 年首先由交通部 第二航务工程局科研所引进这项技术，并结合7 1 1 工程进行试验研究，取得了成功。在 公路软基处治中，1 9 8 5 年上海沪嘉高速公里首次试验用袋装砂井处治软土地基，取得良 好效果，并在广佛、京津塘等高速公路得到了推广应用。图1 - 1 为袋装砂井排水固结法 示意图。 卫田皿p r r 厂丁一t ；lii k 烛 ( a ) 竖向排水情况 加压旖载 ( b ) 砂井地基排水情况 图1 - 1 袋装砂井排水周结 法示意图 1 32 砂井固结理论【删 4 7 1 【4 8 l 砂并固结理论是建立在太沙基固结理论基础之上的，后经过r e n d u l i c ( 1 9 3 5 ) c a r r i l l o ( 1 9 4 2 ) 的研究得到了发展，后来b a n - o n ( 1 9 4 8 ) 系统研究了砂井地基的的排水固结问 题，得到了在自由垂直应变和等垂直应变情况下超静水压力的表达式，砂井固结理论锝 到了逐步完善。 一、固结方程 三维排水情况下，固结方程： a 岔1c 吲0 2 u + c v r 睁t 斟 c 4 ， b a r r o n 求出上式的解答后，根据叠加原理，将三维轴对称下的固结分解为竖向固结 和径向固结两部分，地基总固结度与它们的关系为： 1 一u = ( 1 一u ，) ( 1 一u ，) ( 1 - 5 ) 式中u 、u 。、u ，分别为总的、竖向和径向固结度。 船 软土路基排水固结机理研究及应用 二、影响砂井固结效应的主要因素 】、砂井的间距和直径的影昀：直径越大、间距越小则固结越决。同样条件下，诚 小井距的设计，比增大直径效益更为显著。 2 、固结系数的影响：圃结系数越大，固结越快。实际固结速率远大于依据室内试 验计算的固结速率。 3 、涂塞效应及砂井阻力：砂井挤入软土，井壁四周由于受到干扰而使渗透性能有 所影响。这个作用称之为“涂塞”。b a r t o n ( 1 9 4 8 ) 和r j c h a r f ( 1 9 6 7 ) 为此作了研究分析。 并提出用等效井径来估计涂塞的影响。有时等效井径仅为实际砂井直径的一半。 砂井对土体在固结过程流向砂井的水流是有阻力的，b a r r o n 对砂井固结的等应变 解，考虑了这一效应。但有些学者如日本吉国洋认为不符合现场观察到的实际情况。我 国王贻荪在自由应变条件下，作出较简明的分折。提出采用换算井径的方法； ，。7 = 秽。 ( i - 6 ) ：p 9( 1 7 ) 声= 惫 m 式中竹井径折减系数 口境 井阻力因素 y 。l 一考虑砂井阻力的有效井径 瓯、k 。分别为土的水乎渗透系数及砂料的渗透系数 何射软土层的厚度( 单向排水) 或厚度之半( 双面排水) ，。井径 1 ，4 本文思路及研究内容 基于以上分析，围绕袋装砂井超载预压法处理软土路基课题中的沉陷与稳定问题， 本文将重点探讨以下内容： ( i ) 对天然软粘土的微观结构性、外加荷载对软土结构性的影响及孔隙水压力和 变形的外在表现进行分析研究，通过对原状软土和重塑土的不同特性的分析，为袋装砂 井超载预压法处理软土路基的沉陷与稳定问题分析及工程应用提供基本指导思想。 ( 2 ) 对福建省厦门市某高等级公路软基处理工程实测路基沉降、孔压、侧向位移 第一章绪论 进行综合分析，得出软土路基沉降、孔隙水压力、侧向位移发展的一般规律。同时，对 由实测沉陷观测曲线推求最终沉降量的方法进行深入的剖析与探讨，对路基固结度计算 中的两个标准及工程的卸荷条件进行深入分析，使之更符合实际情况，并能更简便的应 用与实践。 ( 3 ) 结合路基的应力计算结果，对路基的稳定问题进行分析。结合实际工程，得 出路基稳定性判断标准，同时给出路基稳定性控制方法。 ( 4 ) 作为工程的应用，对袋装砂井超载预压法处理软土路基的设计与施工方法以 及监测进行具体阐述，特别结合作者所作的工作，对软土路基施工期的观测方案的设计 与实施进行详尽论述，同时，对本工程施工中的一些实际事项进行评述。 软土路基排水固结机理研究及应用 第二章软土结构性分析 2 引言 对软土特性的正确认识是进行软基处理方案的选择及进行软基沉陷与稳定计算的依 据。近3 0 年来，通过大量的工程实践，国内已积累了大量的原位观测资料，同时也提出 了许多计算方法，包括经验的、半经验的、以及基于线性、非线性、和弹塑性模型的有 限元方法。但因为试验技术方面的原因，这些方法多基于重塑土的概念，计算结果与实 际有较大出入。 随着薄壁取样技术、十字板及孔压圆锥仪等原位钡4 试技术以及室内试验技术的进一 步发展，人们对天然软粘土的工程性质有了进一步的认识，并发现天然软粘土有类似超 固结现象，若单纯用土的超固结理论却又不能解释一些问题，例如b j e r r u m i ”1 认为这一 超固结现象是由于土骨架的次固结造成的，并发表一张长期压缩变形图用以解释。按此 设想，天然土的孔隙t t e 。应比重塑土的孔隙比8 。小。但大量的统计表明，天然土的孔隙 t p , e 。远大于p ，。5 ”，超固结理论不能解释这一问题。近十年来，人们已逐渐认识到，土的 这种类似超固结现象实际上是由于土体的结构性造成的，并称之为视超固结现象。 迸一步的研究表明，绝大多数天然土都有一定的结构性砼】，这种结构性对土的工程 性质有强烈的影响。结构性粘土具有结构强度，即土的固体颗粒的特定排列及相互接触 处由于孔隙水中析出的沉淀物引起的胶结作用等产生的附加强度。结构性会使土具有较 大的孔隙比和较高的含水量。结构性粘土的大部分力学特性与超压密土相类似，但它呈 脆性破坏，其破坏应变较小。在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生 突然性破坏。人们就自然地很想预估天然土受荷后的变形规律及可能的破损区域，从而 为结构物的设计、地基加固设计提供依据。尽管人们对这一问题很重视，但仍缺乏合理 的本构模型来描述它。沈珠江甚至认为：2 1 世纪土力学的核心问题是土体结构性的数学 模型吲，以及与其相应的破损理论。 对天然软粘土的工程性质特别是土体的结构性认识的不断深入，引发了袋装砂并预 压法加固软土路基领域多方面的问题，包括天然软土强度的取值、软土地基沉降计算方 法、结构性对如图固结速率的影响分析及软土路基填土速率的确定等。 2 2 软土结构性分析 2 2 1 对天然软土结构性的认识 第二章软土结构性分析 土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式( 或称组构) 及颗粒之间的相 互作用和联结情况。土体结构性的形成原因是多种多样的，土颗粒的矿物成分、沉积条 件、及孔隙水中的化学成分都会影响土的结构性。在地层形成之后，由于物理、化学的 作用，如次固结、卸荷、分化及淋洗等因素都会改变土体原来的结构而形成新的结构特 性。所以，由于成因的不同，结构性的强弱程度及稳定性也有所差异。 很多年以前，人们就认识到结构性会影响土的物理力学特性。当时，由于没有直接 观测土颗粒及孔隙形状的手段，所以，早期的研究只限于对土的组构及结构性提出一些 设想。当时人们的注意力集中于提出一种合理的解释，来说明在含水量不变的条件下土 受到重塑扰动之后强度降低的原因。到5 0 年代中期，由于扫描电子显微镜的应用才使得 微观研究取得很大进展。在宏观方面，起初只集中子研究结构性对强度的影响，近十年 来，才开始研究对应力一应变关系的影响。到目前为止，这一课题仍然吸引很多人进行 深入的研究。 过去，人们以超压密比o c r ( 定义为前期固结压力与有效上覆只之比) 来判定 土的固结状态，即先期固结压力大于有效上覆压力时为超固结土，小于上覆压力时为欠 固结土，两者相等为正常圃结土。由于结构性的存在，使得正常压密土的固结曲线也呈 现出较大的屈服应力，为了与应力历史造成的先期固结压力相区别，国际上普遍称之为 “准先期固结压力”或“视先期固结压力”。 最近的研究表明，绝大多数的天然沉积的正常压密粘土都具有定的结构性。在国 外，l a m b et w 、l e o n a r d sg a 、s c h m e r t m a n nt h 、b j e r r u ml 等人曾研究过世界各地 的软粘土，研究发现绝大多数天然沉积的正常压密粘土的视超压密比大于1 0 ，约为 15 25 。张诚厚对上海、湛江粘土的研究也得出同样的结论，冯铭璋”1 介绍了上海、 浙江、福建等地的软粘土固结试验资料，证实结构性的存在只值明显增大。 实际上，从广义上讲，正常压密土、超压密土、欠压密土都可能具有结构性p 。砂 性土也可具有结构陛5 ”，并且对其动剪模量、动剪强度等有很大影响豫】，使得天然砂土 能形成较陡的开挖边坡。就结构强度而言，按其破损后能否恢复又可分为触变型和非 触变型【6 0 】。本文言及的，主要是指非触变型结构性正常压密粘土。 2 22 软土结构陛的室内表现 软粘土结构性的试验室表现主要在以下几个方面： ( 1 ) 相对较高的孔隙比 软土路基排水固结机理研究及应用 天然软土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙比高出0 2 04 ，如下表 2 1 所示。 表2 - 1 软粘土的原位孔隙比与重望孔隙比 工程地点原位压力( k p a )原位孔隙比重塑i l 隙比 广深公路 4 02 1 5l7 9 连云港 5 02 1 4l8 3 上海港 7 013 211 0 溢江港 2 5 01 5 i1 0 2 从这一点看，天然粘士似乎都是欠固结土。事实当然不是如此。软粘土的这一特点 与其缓慢沉积过程中颗粒接触点形成一定的胶结从而阻止其进一步压密有关。图2 1 为 沈珠江p 1 根据国内沿海地区大量取自不同深度的天然土样孔隙比与上覆压力的统计结果 其拟合线为s c l 。图中i c l 线为各种土重塑后的压缩曲线的平均。由于各种土的成分不 一样，图中纵坐标，v o = 0 一岛。) e 相当于某种归一化的孔隙比，b m 是吒= 1 0 0 k p a 时的 孔隙比，c 是压缩指数。图2l 清楚地说明，同一压力下天然土的孔隙比明显地高于重 塑土，但两条压缩曲线的斜率基本相同。这与b u r l a n d ( 1 9 9 0 ) 研究所发现的规律相似。 ：毽 - 弋 童压力p k 只 图2 - 1 我国沿海粘士的沉积压缩曲线 ( 引自沈珠江【6 1 】) 毫 色 0 曩 憔 蠕 茸 图2 - 2 连云港淤泥固结系数 ( 引自王年香【6 2 】) ( 2 ) 相对较强透水性 天然粘土多具有架空的结构，大孔隙之间形成透水通道，因此在高孔隙比的同时必 然具有较强的透水性。不少试验资料表明，在结构破坏以前，天然粘土的固结系数可以 达到同样条件下重塑土的1 0 1 5 倍，图2 - 2 就是一例怿烈。但是，影响固结系数c ，的还有 1 4 第二章软土结构性分析 压缩系数，重塑土c 。低的原因部分是压缩系数高造成的。就渗透系数来说，纯粹由孔隙 比高的原因天然土的渗透系数可能达到重塑土的2 4 倍【6 3 1 。 ( 3 ) 陡降形压缩曲线 与重塑土相比较，天然粘土压缩曲线的初始段很平缓，当压力超过某一盯。值时出现 陡降段，并向重塑土的压缩曲线靠近，如图2 3 、图2 - 4 。但对于仃。超过上覆压力仃。的 现象，不能从重塑土的超固结概念出发把盯。仃：。的比值称为超固结比。因为实际上超固 结土的压缩曲线往往是缓降形的。基于此，有人建议将盯，盯：。称为结构应力比【6 ”。 蛔 碟 图2 - 3b o t h c a n n a r 粘土压缩曲线图2 - 4 广深路淤泥压缩曲线 ( 4 ) 折线形强度包线 与压缩曲线以盯。为界形成性质截然不同的两段娄似，天然土的剪切曲线在围压等于 盯。前后也有明显的转折，如图2 5 和图2 6 酬。其原因与围压小时结构强度保持完好 而围压大时结构被破坏有关。因为剪切也会破坏土的结构强度，当不用峰值强度而用残 余强度时，所得的包线与重塑土一样是一条通过原点的直线。 正 t 0 l i ( i l + n m 岍 宣 里 i ! o 图2 - 5 上海粘土剪切强度 图2 - 6r 鲫gd ef l e n v e 粘土剪切强度 软土路基排水固结机理研究及应用 223 软土结构性的原位表现 ( 1 ) 竖向沉陷的发展 张诚厚5 1 及本工程的实际观测均发现，在路堤填筑过程中，路基沉降过程线存在一 明显的拐点，即存在一临界填土高度。当填土高度较小时，沉降速率很小，当填土超过 临界高度时，沉降速率会明显增大。第五章图5 - 4 5 9 为本工程实测表面沉降荷载时 程图，很明显存在上述特征。这反映了软土结构性破坏前后路基沉降规律。 ( 2 ) t l 隙压力的产生与消散 l e r o u e i l 等通过大量观测发现，原位孔隙压力增长曲线也存在明显的转折点，如图 2 - 7 6 6 1 ，后一段反映了结构破坏后的情况。l e r o u e i l 的观测还表明，p = 盯。一仃：。+ ( 土体 准前期固结压力与自重应力之差) ，而斜率则接 近于1 。上海油罐地基淤泥质粘土层中，第一次 充水预压时缸a c t = o9 2 ，也十分接近于1 。 对于孔隙压力消散，在荷载的第一阶段，因为固 结系数大，孔隙压力消散快。但实际上，当荷载 维持不变时，即使沉降没有大的发展，孔隙压力 仍不断消散。沈珠江1 6 i 】认为，这一现象与排水固 结无关，而要用结点固化理论解释。 ( 3 ) 侧向变位 侧向变位主要发生在荷载的第二阶段。一旦 血接近于a o - ，孔隙压力随荷载的增加迅速增 加，侧向挤压力也随之增大，从而引起大量的水 平位移，而且这一阶段固结系数变小，所以土体 的变形主要是不排水剪切变形。原位侧向变位曲 线往往呈凸出形，见第五章图5 1 9 本工程实测侧 向位移随时间变化曲线。沈珠江用不同本构模型 计算了厦门路堤侧向变形曲线，并与实测曲线进 行比较分析。计算结果表明，用现有的有限元法， 图2 7 原位孔隙压力反应 2x1 1 0 l 口。 赫由壹位c m 图2 - 8 厦门路堤侧向变位 很难算出符合实际的结果( 图2 - 8 ) 6 7 1 。因此，很有必要研究适用于结构性粘土的本构模型。 1 6 第二章软土结构性分析 ( 4 ) 扰动沉降 软土中因打桩扰动引起孔隙压力增加，随后因孔隙压力消散而引起地面沉降和负摩 擦的问题早就有人研究过。南京油罐地基中插入塑料排水板后曾观测到3 0 c m 以上的沉降 6 8 1 。文献6 9 】报道了砂井打设后十字板强度平均降低6 k p a ，这些现象也充分说明研究天 然粘土结构性的重要意义。 2 2 4 取样扰动对天然软粘土的影晌分析 通过长期的实践，大家都已认识到，结构强度在天然软土中是普遍存在的，而不仅 仅限于少数灵敏粘土1 7 0 】。只是由于国内取样技术落后，许多试验人员长期与已受严重扰动 的试样打交道，以至于对其结构性认识不足。最近，国内魏汝龙、冯铭璋等对取样扰动 问题进行了比较系统的研究6 2 i u l l 【7 2 】，研究的主要结果归纳成以下几点： a ) 引起取样扰动的原因有以下两个：一是卸荷作用，即土样由原位取到地上后引起 的总应力和孔隙压力的一系列变化：二是机械扰动作用，