（岩土工程专业论文）软土路基排水固结研究与有限元分析.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 塑料板排水预压法是在砂井排水预压法的基础上发展起来的，是 一种行之有效的软基加固方法。近年来随着国民经济的发展，广泛地 应用于道路、堆场、港口、机场等各类土木工程的软基加固中，并且 取得了良好的加固效果，但该法的加固机理及计算方法等诸多方面还 存在明显不足和争议之处。 本文在前人工作的基础上，通过现场测试、理论分析、数值计算 等手段主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 基于现场勘测和室内试验的资料，合理确定用于软土路基的 有限元计算参数。 ( 2 ) 在总结了现场观测数据的基础上得出：在预压期内，软土地 基沉降与时间呈现良好的双曲线关系，可采用双曲线法推算软土地基 的最终沉降量和任意时刻的沉降量。 ( 3 ) 建立了模拟路堤填筑过程的路基有限元分析模型，充分考虑 了土的排水固结过程中水土相互耦合的关系。在b i o t 固结方程的基 础上，利用有效应力原理，考虑了土的非线性、大变形等特性，对土 体进行了平面应变有限元分析。 ( 4 ) 研究了两种弹塑性本构模型( 摩尔一库仑模型，修正剑桥模 型) ，采用大型有限元软件a d i n a 对试验工程进行数值模拟，通过实 测结果与两种本构模型计算结果的对比分析，得出了一些有利于今后 工程应用的结论。 ( 5 ) 研究了有限元分析中的瞬时沉降。通过有限元计算和理论公 式计算的结果对比分析得出：瞬时沉降在总沉降中所占的比例是很大 的，达到了3 0 5 0 。 。 关键词：塑料排水板，软土路基，砂井，固结沉降，有限元，摩 尔一库仑模型，修正剑桥模型，地基处理，堆载预压 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a m o n g s o f t - b a s e i m p r o v e m e n tm e t h o d s ，p r e f a b r i c a t e d d r a i n p r e l o a d i n gm e t h o di so n e o ft h em o s tp o p u l a rv e r t i c a ld r a i nm e t h o d s i ti s d e v e l o p e df r o ms a n dd r a i np r e l o a d i n gm e t h o d 恸t h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n to fn a t i o n ，t h em e t h o dw a sw i d e l yu s e di n s o f tg r o u n d r e i n f o r c e m e n to fm a n yc i v i le n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，s u c ha sr o a d ，p o r t ， a i r d r o m e ，e t c ，a n de x p e c t i n gr e s u l t sa r ea c h i e v e d h o w e v e r ，t h e r ea r e s o m ef l a w sa n dd i s p u t e sa b o u ti m p r o v e m e n tp r i n c i p l ea n dd e s i g nt h e o r y b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h ，m u c hw o r kh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e r , w h i c hi ss t u d i e db yt h em e t h o d so fo n - s i t ee x p e r i m e n t 。t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i ti sl i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea n a l y t i cp a r a m e t e r so f t h es o f te m b a n k m e n ta r eo b t a i n e db y t h em e t h o d so ns i t es u r v e ya n di n d o o re x p e r i m e n t s ； ( 2 ) t h r o u g ht h ei n - s i t eo b s e r v a t i o nd a t a ，i tc o u l dc o m et ot h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n ：d u r i n gt h ep r e c o m p r e s s i o np e r i o d ，t h es e t t l e m e n to f t h es o f te m b a n k m e n ts h o w sag o o dh y p e r b o l i cr e l a t i o nw i t ht i m e s ot h e h y p e r t i o l i cc u r v em e t h o dc a nb eu s e dt op r e d i c tt h et o t a ls e t t l e m e n ta n d t h er e s i d u a ls e t t l e m e n ta ta n ym o m e n to f t h es o f te m b a n k m e n t ( 3 ) t h et w ok i n d so fe l a s t o p l a s t i cm o d e l ( m o l a r - c o u l o m bm o d e la n d c a m b r i d g em o d e l ) a r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r ac o n c r e t ep r o j e c te x a m p l e w a sa n a l y z e dw i t ht h el a r g e s c a l ef m i t ee l e m e n ts o f t w a r e a d i n a t h e t w ok i n do fc o m p u t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h eo n s i t er e s u l t s a n d s o m ea d v a n t a g e o u sr e s u l t st on e x tp r o j e c ta p p l i c a t i o nw e r eo b t a i n e d f 4 ) e s t a b l i s h e daf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo ft h es o f t e m b a n k m e n t ，i nw h i c ht h em u t u a lc o u p l i n gr e l a t i o n so ft h ew a t e ra n ds o i l i nt h ep r o c e s so fc o n s o l i d a t i o ni sf u l l yc o n s i d e r e d n ep l a n ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so ft h es o i lb o d yh a sb e e nc a r d e do u tb yu s i n ge f f e c t i v e s t r e s sp r i n c i p a l ，i nw h i c ht h es o i lc h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r i t y , l a r g e s t r a i na r ec o n s i d e r e d ( 5 ) t h ei n s t a n t a n e o u ss e t t l e m e n ti sa n a l y z e di nt h ep a p e r , a n dt h e p r o p o r t i o no ft h ei n s t a n t a n e o u ss e t t l e m e n ti nt h et o t a ls e t t l e m e n ti sa l s o o b t a i n e d b yt h ec o m p a r i s o nt h er e s u l t so f t h ef l i l i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n t ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sc o m p u t a t i o nw ef o u n dt h a tt h ep r o p o r t i o no f 硕士学位论文 a b s t r a c t i n s t a n t a n e o u ss e t t l e m e n ti nt h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o ni sv e r yl a r g e ， a n di ta l m o s tc o m e st o3 0 - 5 0 k e yw o r d s ：p l a s t i cv e r t i c a ld r a i n ，s o f te m b a n k m e n t ，s a n dw e l l ， c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t ，f e m ，f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，p r e l o a d i n gm e t h o d i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：奎选厦。 日期：卫厶年上月堑日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：缘导师签 期：q 6 年上月羔日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 高速公路建设具有其自身的特殊性，如线路长、地质情况变化大、工期长， 路基填筑过程实际上就是堆载预压过程。对于一些桥头、高填土、工期短的路段， 需要采用粉喷桩、碎石桩、c f g 桩、真空联合堆载预压法“等快速处理方法：为 协调地基的不均匀沉降、增强地基稳定性，有的还采用了一些土工织物加筋法。 但是，最为经济实用的处理方法就是排水固结法。因此，研究和分析工后沉降发 展规律及机理，对于保证高速公路运行安全和提高高速公路经济效益具有重要意 义。高速公路的快速发展，为岩土工程的发展提供了有利的机遇，同时，也对岩 土工程提出了更高的要求以适应兴建高速公路的需要。我国高速公路建设大多位 于东部沿海诸省【4 】，由于地质条件复杂，出现的问题较多，尤其是如何控制软基 沉降长期困扰着工程界。当路堤发生过大的沉降时，不仅增加了填方量，而且给 桥台、涵洞或挡墙等带来较大变形。铺筑路面后，如果继续产生较大沉降，不仅 降低路面的平整度从而影响通车，而且将导致排水不畅，路面破坏。对于各类处 理方法，一般认为其沉降主要发生在施工期间，但工后沉降却直接影响高速公路 的处理效果，应引起高度重视。国内目前关于高速公路软土路基的沉降变形规律 的研究主要还是针对软基处理和路基填筑期间的沉降，对于路基的工后沉降则主 要都是采用各种理论预测计算方法。在这方面，国内己发表了大量的论文，特别 是沪宁高速公路以及其它一些高速公路通过软基试验路段得出了一些普遍规律。 本文正是以此为出发点，通过对乍嘉苏高速公路软基的现场试验资料的整理 和分析，利用有限元模拟现场工况，对塑料排水板预压处理地基的沉降规律及计 算方法进行了深入的研究和分析。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 软土地基处理方法 软土是软弱性粘土的简称，广泛分布于我国东南沿海和华南地区。在公路 工程名词术语中，软土定义为“由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤 泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，主要有淤泥、淤泥质土及泥炭”。软土按环 境分为下列四类：滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉积及沼泽沉积【5 1 。软土地基承载 力低，在荷载作用下，沉降变形较大，容易产生较大的不均匀沉降，且沉降稳定 历时较长，是工程建设中遇到最多需要进行处理的地基嘲。 最近几年我国高速公路建设进入了飞速发展的时代，其中很多公路建于软土 地基之上，因此，地基处理技术也得到了大力的研究。旧方法不断得到改进，新 硕士学位论文第一章绪论 方法不断涌现。目前较成熟的处理方法有三类l o 】：置换法( 换填法【1 1 1 2 1 ) 、排水 固结法( 砂井1 3 1 4 1 、袋装砂井 1 5 , 1 6 l ，塑料排水板 1 7 18 】) 和复合地基法( 深层搅拌 法一浆喷桩 t 9 , 2 们、粉喷桩 2 t 盈】，高压喷射注浆法一旋喷桩【2 5 2 6 1 ，砂石桩法【”捌， 石灰桩法 2 9 , 3 0 1 ，土桩p 1 捌，灰土桩【3 3 州，振冲法 3 5 3 6 1 ，强夯法【3 7 , 3 s l ，灌浆法1 3 9 , 4 0 1 ， 加筋法 4 1 4 2 等等) 。置换法主要是针对浅表层不良土质，预压排水固结法及复合 地基法主要是针对较深层软土。近几年，又发展了c f g 桩，薄壁管桩法，及真空 预压法以及上述方法中的几种方法的联合使用( 如真空联合堆载预压法 4 3 , 4 4 4 卯， 桩网复合地基法l 舶j 等等) 。 软土地基处理的发展不仅体现在技术上，在各种处理方法的加固机理研究、 使用范围、设计计算、施工方法和质量检验等方面均有进步。就发展趋势及理论 研究工作来看，地基处理在应用上从解决一般工程地基加固向解决各类超软、深 厚、重载等大型工程地基加固方向发展，如在深厚超软地基上修建高速公路等； 从以提高地基承载力与稳定性为目的向以解决基础过大沉降和不均匀沉降为目 的方向发展【7 】，如高速公路的工后沉降等；在加固技术方面方法不断以现代技术、 新材料充实和改进施工工艺，向实用有效、随土质和加固要求而定、可控、可靠 方向发展，如：砂石垫层一加筋土垫层，砂井一袋装砂井、塑料排水板，水泥土 搅拌法的质量监控系统等；在设计理论与方法方面，在大量工程实践基础上，修 正了地基处理的设计规范和设计手册，推动了地基处理技术的广泛应用。大量现 场监测技术的应用，使信息设计和施工成为今后重大工程设计和施工的发展方 向。根据工程的要求，已不限于单一方法的处理，常用方法联合处理，如土工织 物垫层和排水板联合处理，真空预压与堆载预压处理及加筋垫层和大直径现浇管 桩t ”】联合处理等。 当前地基处理发展新水平反映在处理机械、材料、设计计算理论、施工工艺 和现场监测技术员的整体水平和多种地基处理方法的综合使用能力。如真空联合 电渗排水技术可加快地基固结，地基强度比单纯真空预压提高2 5 倍；塑料排水 板联合碎石桩综合处理技术，既加速了孔隙水的排出，又提高了复合地基的承载 力；粉喷桩联合刚性桩复合技术，在粉喷桩打设过程中，插入小型刚性桩，大大 提高承载力和桩身质量；长桩与短桩相结合，共同提高复合地基承载力等等。事 实上任何一种地基处理方法都有其适用范围和局限性，只有根据所加固工程特 性、地质条件、环境情况和施工条件等因素，因地制宜地选择一种或几种地基处 理方法，才有可能取得最佳效果。 软土路基的沉降设计是根据对工后沉降的控制要求进行地基处理设计。具体 来说，首先应对天然地基在路堤荷载下的沉降进行计算，看是否满足对工后沉降 的要求，若不能满足，则应考虑对天然地基进行加固。然后，以工后沉降为控制 2 硕士学位论文 第一章绪论 指标，并考虑天然地层的条件、地基处理的具体要求、地基处理方法的原理、以 往经验和机具设备、材料条件等等，进行地基处理可行性研究，提出多种可行的 方案，初步确定各种方案不知情况、处理深度等。最后，对提出的各种方案进行 技术、经济、进度等方面的比较分析，考虑环境保护的要求，确定采用一种或几 种地基处理方法。确定地基处理方案后，可视需要进行小型现场试验或进行补充 调查，根据试验成果进行施工设计，然后进行施工。施工过程中通过测试、检验 及反分析，对原设计进行修改、补充。 1 2 2 软土地基沉降计算 自上世纪三、三十年代以来，对软土地基沉降机理已经进行了深入的研究， 各种方法层出不穷，从简单的半经验公式、图表法到应用计算机的数值分析，不 一而足。目前较常用的主要有弹性理论法、单向压缩法、考虑应力历史的沉降计 算法 4 7 1 、s k e m p t o n a j u l t m l l 法【5 0 1 、浙大经验公式法、黄文熙三维压缩法【5 1 1 、次 固结沉降计算法嘲、l a m b e 应力路径法1 5 4 1 、有限元法等等【5 8 l 。应该说，每种 计算方法都有其可行性，也都有其自身的缺点和适用范围，以下简介之。 1 、常规计算方法 ， 工程中计算沉降时，常规方法是将总沉降分为瞬时沉降，主固结沉降和次固 结沉降三部分，或者只计算主固结沉降，然后乘以一个修正系数来计算总沉降量。 对瞬时沉降。一般采用弹性理论或经验公式计算；主固结沉降采用分层总和 法计算；对于次固结沉降，主要有规范法【5 9 1 、钱家欢一王盛源法嗍、三模式法【6 i 】， 后两种方法需要有实测沉降数据，故在最初设计时只能采用规范法。 分层总和法是目前最常用的地基沉降计算方法，由于简明实用，计算参数容 易获得，计算结果能满足工程要求，所以为多种规范首推采用的沉降计算方法。 根据所取参数及计算公式的不同，分层总和法又分为： ( 1 ) 压缩模量法( e s 法) 及压缩系数法( a v 法) 这两种方法的计算公式可以相互推导，因此本质上是一种方法。由于它们是 将压缩曲线近似按照直线处理，且所取压力范围一般仅有1 0 0 2 0 0 k p a ，因此计 算误差一般较大。 ( 2 ) e p 曲线法 该方法按照压缩曲线上不同荷载p 下对应的不同孔隙比e 来计算分层沉降， 比第一种方法有所改进。 7 ( 3 ) 考虑应力历史的沉降计算方法( e - l g p 曲线法) 前述两种方法均不能考虑土层前期固结压力对沉降的影响，而e - l g p 曲线法 则对不同固结状态下的土体采用不同的计算公式，因此反映了应力历史的影响， 计算精度大大提高。 3 硕士学位论文第一章绪论 2 、考虑三向应力状态的沉降计算方法 传统的分层总和法只考虑单向压缩，实际上，地基中的土受附加应力后，其 变形并不象在固结仪中单沿垂直方向压缩，侧向变形对固结沉降影响甚大，特别 是当地基中黏土层的厚度超过基础面积的尺寸时，这种影响更为明显【5 3 】。2 0 世 纪5 0 年代，s k e m p t o n 和b j l u t l l n l 提出在计算结果前乘以一个系数a ，这个系数 与孔压有关，来考虑侧向变形对地基的影响【5 0 1 ，称为s k e m p t o n b i u r r u m 法，但 这种方法毕竟是以单向压缩沉降计算为基础的，而且孔压系数a 较难测定。我 国黄文熙教授也提出过考虑三向应力状态的沉降计算公式( 黄文熙三维压缩法) ， 该公式是在e p 曲线法计算的个土层沉降前乘以一个与泊松比“有关的系数， 虽然这种方法考虑了侧向变形的影响，但应力计算时假定土体为线弹性体，参数 确定较为繁琐，因此在工程上未得到广泛应用【”l 。 3 、应力路径法 l a m b e ( 1 9 6 4 ，1 9 6 7 年) 和m a r r ( 1 9 7 9 年) 提出根据地基土体所经过的应 力路径来计算土体压缩量，这种方法称为应力路径法。常采用的应力路径法有两 种：采用室内试验模拟现场的有效应力路径法和应变等值线法。 ( 1 ) 采用室内试验模拟现场的有效应力路径法 土体受荷载作用后，往往有两个过程。加荷初始，孔隙水一时来不及排出， 孔隙水压力上升，这相当于固结不排水过程，体积不变；随着孔隙水压力的消散， 体积压缩，有效法向应力增加，而偏应力不变，这相当于固结排水过程。与此对 应，沉降可分成两部分计算，通过模拟现场实际加荷条件，进行室内固结不排水 荷固结排水试验，分别量测不排水和排水应变，由此求得不排水沉降和固结排水 沉降。 l a m b e 应力路径法对于认识沉降机理，分析常规计算中可能产生的误差趋 势，以及进一步探讨士的应力应变关系和强度都是很有益的。但该方法使用较 为麻烦，特别要求商标准的取样和试验，不仅是由于所取土样的扰动将偏离原位 土样的性状，而且由于地基荷载分布的不规则性，使选择的三轴试验应力路径很 难准确的地代表整个地基的平均应力路径，除非是轴对称荷载和均匀地基，所以 它的使用范围有限。目前尚未被工程界广泛采用【6 2 l 。 ( 2 ) 应变等值线法 试验研究表明f 6 引，土体强度发挥度相同时，其轴向应变值相同。强度发挥度 等值线即为轴向应变等值线。应变等值线法的计算思路是：首先，通过一系列固 结不排水剪切试验得到等轴向应变图，然后将由弹性理论计算得到的总应力路径 转化为有效应力路径画在等轴向应变图上，则不排水加荷阶段的竖向应变可直接 从图上应变等值线中求得，再由一维压缩试验测定体积应变，通过轴向应变与体 4 硕士学位论文 第章绪论 积应变的理论计算关系可得到固结过程中的轴向应变，与不排水阶段的竖向应变 相加即为总竖向应变，将应变乘以土层的厚度即为土体竖向压缩量。 4 、数值分析法 随着科学技术水平的提高和工程建设规模的扩大，在路基工程中，有些问题 已很少能用数学方法求得理论解或通过模拟试验得到定解。此时，借助计算机和 计算数学，用数值分析的方法求出近似解更为符合实际。在数值分析解决沉降及 固结问题时，常用的方法有差分法，有限元法、边界元法、变分法、加权余量法 等等。 ( 1 ) 差分法1 6 4 太沙基建立的饱和土体一维固结基本微分方程，是在一定初始条件和边界条 件下获得的。因此太沙基固结理论研究的只是一维固结中一种简单而特殊的情 况。实际上，若边界条件复杂或碰到多维固结问题时，固结方程的解析解是很难 得到的，而常用差分法数值求解。 差分法解土工问题就是将研究区域用差分网格离散，对每一个节点通过差商 代替导数把问题的微分方程转化为差分方程，然后结合初始条件和边界条件，求 解线性方程组得到问题的数值解。使用这种方法必须注意边界条件的变化( 透水 或不透水边界) ，同时注意固结系数的选取，应用到平面或轴对称问题时需要加 以校正。 早在2 0 世纪4 0 年代后期，有限差分法就成功解决了土木工程中的某些渗流 及固结问题，如土坝渗流及浸润线的求法、土坝及软基的固结等。关于差分法在 软粘土固结中应用的研究，国外b a r d e n , b e r r y ( 1 9 6 5 ) 采用e m 0 9 6 关系以及渗透系 数k v 与孔压u 的关系，通过有限差分法得到了非线性一维固结曲线。m e s r i ( 1 9 7 4 ) 采用e - - p 和e - - l o g p 关系，同样用有限差分法得到了固结血线【6 5 】。国内也有不 少这方面的研究，例如有学者针对三维地基沉降分析提出了一种差分伽辽金耦合 方法，并给出了一个三维层状地基的算例脚】。 由于有限元法的灵活性及边界元法的应用，使得差分法在工程中的应用暂时 趋于停滞。然而最近几年，由于具有任意划分网格的优点，差分法重新得到了重 视并有了新进展。 ( 2 ) 有限单元法 有限元法将地基和结构作为一个整体来分析，将其划分网格，形成离散体结 构，在荷载作用下求得任意时刻地基和结构各点的位移和应力。将有限元法首先 用于求解b i o t 固结方程的是s a n d h u 和w i l s o n ( 1 9 6 9 ) 5 4 1 ，他们对位移取二次插值 模式，对孔压取线性模式，应用变分原理得出b i o t 固结理论有限单元法方程。 在国内，沈珠江( 1 9 7 7 ) i s 6 1 首先把b i o t 固结理论有限单元法用于固结分析，他 5 硕士学位论文 第一章绪论 对位移和孔隙水压力都取线性模式，应用变分原理得出b i o t 固结理论有限单元 法方程。殷宗泽等( 1 9 7 8 ) t 5 7 根据流量平衡的概念，结合虚位移原理得到了类似 的方程。龚晓南( 1 9 8 1 ) 1 5 8 1 采用等价节点流量等于等价节点压缩量的粘土饱和条 件推导了b i o t 固结理论的连续方程。沈珠江( 1 9 8 6 ) 提出了可以考虑土体剪胀 性的非线性应力应变模型【6 n 。詹美礼等( 1 9 9 3 ) 将殷宗泽( 1 9 8 8 ) 的双曲线弹 塑性模型与软粘土的流变性相结合，建立了一个带双屈服面的粘弹性模型，可以 反映土体的剪胀、剪缩特性以及流变性质。国外，j i t lj h 和g r a h a m j ( 1 9 9 6 ) 删 也提出了一种粘弹性模型。 有限单元法可考虑复杂的边界条件，土体应力应变关系的非线性、土体的应 力历史和水与骨架上应力的耦合效应，可以考虑土与结构的共同作用、土层的各 向异性，还可以模拟现场逐级加荷，能考虑侧向变形及三维渗流对沉降的影响， 并能求得任意时刻的沉降、水平位移、孔隙压力和有效应力的变化。目前用于分 析软粘土应力应变特性的本构模型有弹性模型、弹塑性模型和考虑软土时间效应 的粘弹塑性模型等。对于路基工程，有限元分析时，一般取孔隙压力、竖向位移 和水平向位移为基本未知量，采用理论上较严密的比奥固结理论，在路基荷载作 用下，根据土体的劲度和渗流性建立方程组，从而解得孔压与位移。 从计算方法上来说，有限元是一种较为完善的方法，但其计算参数多，参数 的选择具有一定的难度，因此一般只应用于重要工程、重要地段的地基沉降计算。 1 2 3 塑料板排水固结研究现状 6 9 “7 4 1 1 2 3 1 研究现状 塑料排水板处理软基是在纸板基础上发展而来的，1 9 2 5 年美国工程师 d j m o r a n 首先将砂井作为处理软基的方法，并于第二年取得专利，几年后在加 利福尼亚实施了第一个砂井工程。由于纸板易于损坏，直到1 9 7 1 年o w a g e r 用 槽形塑料芯板代替纸板，才使该方法在工程中迅速推广应用。我国于1 9 8 1 年开 始实际应用，取得良好的加固效果。排水板用于加固饱和软粘土地基，主要作为 垂直排水通道，由于排水板的间距远比土层的厚度小，渗径长度大大缩短，加快 软土层受荷载作用后排水固结，提高地基的承载力，加速地基的沉降变形，减少 了使用期残余沉降的发生。塑料排水板固结设计计算主要采用砂井的排水固结理 论来进行，根据固结理论可知软土地基的固结时间与排水板的间距的平方成反 比，因此可以根据工程要求的固结度和时间来确定排水板的间距和布置。 目前国内外学术界对排水固结加固软基技术开展的研究工作，主要是对加固 机理和计算方法进行研究，加固机理研究主要集中于对地基强度和总沉降量的影 响方面，计算方法研究主要集中于加固深度内固结度计算、有限元分析施工沉降 变化规律、分层总和法计算单向压缩总沉降量时如何考虑侧向变形影响等方面。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 2 存在问题 2 1 、设计理念需进一步明确 排水预压固结方法在地基处理领域得到广泛应用，相关技术己日益成熟，但 实际工程暴露出的质量问题仍较多，设计理念不够清晰是原因之一。 首先，地基处理的对象是整个压缩层而非仅仅为软粘土层，目前设计者对排 水体穿透高压缩性软土层一般都已认识到，但对因下卧土层的压缩导致的地面沉 降一般都未进行认真的分析验算，实际上由于固结很慢，下卧土层的压缩量大部 分包含在工后沉降中，目前部分工程工后沉降过大的主要原因是下卧层工后压缩 量大。 其次，目前设计中根据计算得到的天然地基总沉降量和允许工后或残余沉降 确定加固期应达到的固结度，再结合允许工期确定排水体间距或先设定间距验算 需要的工期，间距过小或工期满足不了要求时便通过超载办法解决，这样一来就 有可能发生过度超载问题，即加固深度内土层加固期总压缩量超过工程使用荷载 下总压缩量，而下卧层土层加固期总压缩量仍未达到工程使用荷载下总压缩量， 一方面实际工程的工后沉降过大问题仍未解决却又造成加固深度内土层的过度 压缩( 无效压缩) 和投资浪费。 最后，为加大施工期地基沉降而减小地基工后沉降，盲目增大上部堆载和减 少竖向排水板间距，导致排水板间距过小引起地基软土的施工扰动和附加压缩进 一步加大，加固荷载过大引起地基沉降趋于稳定的时间过长和成本增加。 为了避免上述情况的发生，设计人员应进一步提高对固结处理软基的认识， 认真分析计算整个压缩层而非仅仅是高压缩性软土层的分层压缩量和加固需要 消除的压缩量，从控制工后沉降要求出发合理确定加固深度、间距及预压荷载， 从而经济合理地实现加固目标。 2 2 、排水材料质量下降 采用塑料排水板加固软土地基既经济又实用，但目前一些地方和设计部门却 拒绝使用，这并不是这项技术不成熟、不先进，而主要是由于目前的塑料排水材 料的质量存在很多问题。许多工程往往采用低价中标原则，导致施工单价，承包 单位和材料生产供应商为了获得相当的利润只好冒险在生产中偷工减料，生产的 材料质量极其低下，并且大量使用再生料和劣质原料，导致芯板和滤布质量低下， 不能满足工程施工和使用性能的要求。 2 3 、施工扰动等问题 在排水板施工过程中，导管对地基的结构造成一定的破坏，会带来一系列的 问题，如土体结构性遭到破坏引起土体强度下降、产生附加沉降等，特别是对于 一些结构性较强的土体，这种影响更大。在上海某些地区的土体，一些专家认为 7 硕士学位论文 第一章绪论 不适合采用排水板进行地基处理，主要是因为在施工过程中对土体扰动过大，甚 至在打设排水板后地基的固结速率比天然地基还要小，使得加固的效果大大减 小，并产生新的附加沉降。另一方面由于施工对周围土体的扰动使排水井的周围 形成一个厚厚的涂抹层，涂抹层的渗透系数明显低于原地基土的渗透系数，并影 响地基的排水固结效果。但在目前的设计与应用中，由于施工扰动对土体强度的 影响、附加沉降的大小以及涂抹层的范围和涂抹区的渗透系数的确定基本上没有 考虑，也没有一个明确合理的计算方法，这需要在工程实践中进一步研究，并提 出有关参数及简易实用的方法。在施工设备方面应着重对轻型、静压设备进行改 进和应用，以降低施工过程中对土体的扰动。 2 4 、加固方法单一 目前的排水固结方法一般是采用铺设砂垫层，然后打设砂井和排水板进行施 加荷载。而由于砂井在质量保证和施工工艺方面较难控制，在目前的设计与应用 中已基本被淘汰。随着工程建设规模的扩大与地质条件的复杂化，这种单一的排 水固结方法已经不能满足工程建设的要求，如有些较为深厚的软土，如果单纯地 使用堆载预压进行处理，则施工进度受到很大的影响，设计时一般会尽量考虑采 用真空联合堆载预压法进行处理。 2 5 、工程质量有待进一步提高 目前有些排水处理工程的工程质量得不到保证，主要表现为工后沉降过大， 除产品质量本身应满足要求外，其中最重要的是施工质量得不到保证以及目前的 一些设计方法和理论存在的问题，施工质量主要是排水板的打设深度不能满足要 求等原因。 1 2 3 3 发展方向 3 1 、理论研究方面 排水固结设计理论需要进一步的澄清和完善，应摸清软土的分布及物理力学 性质，根据地质条件确定加固层的深度、范围，根据工后沉降的要求设计具体的 加固方案。 在沉降计算理论方面，基于实验参数的分层总和法计算的地基主固结沉降存 在较大误差，这种误差主要来自土性参数的不准确和沉降修正系数难以精确取 值，同时分层总和法基于单向压缩理论，难以反映软土侧向变形的影响，难以反 映地基加固过程中的有效应力和附加应力的变化，因此在沉降计算理论的研究中 应加强反分析的应用，建立基于反分析的沉降计算方法，以合理的确定土性参数 和沉降修正系数，从而提高计算精度和合理性。 固结理论是土力学理论的重要部分，而软土的流变变形对软基工后沉降有重 要影响，固结计算并考虑流变影响是控制工后沉降地基设计的最核心部分，软土 8 硕士学位论文第一章绪论 的工程性质极其复杂，这些复杂的特性直接影响固结过程，相关理论研究综合考 虑软土的应力应变关系的非线性、大变形、软土流变以及施工扰动损伤等因素。 在沉降预测方法研究方面，设计计算沉降量和实测沉降量是有差距的，因此， 应加强沉降预测的研究，一方面可根据实测沉降量进行反分析获取合理的土性参 数以修正沉降计算，另一方面可根据阶段性沉降预测修正沉降的测量误差。从而 达到指导工程施工和客观评价加固效果的目的。 3 2 、工程技术方面 排水加固处理软基的技术是随着工程实践的发展而不断发展的，其新发展主 要体现在以下几点： l 、改进竖向排水材料的制作工艺，研制应用通水性强、井阻小的新型竖向排水 材料，以提高地基土排水固结效率。 2 、排水预压加固过程中，应加强施工现场的严格管理，改进现有检测设备和技 术手段，应根据不同的工程情况善于组合运用已有的技术和材料，发展新工艺、 新材料和新技术，以降低工程成本。 3 、由于排水固结法存在自身难以克服的缺点，在许多工程中若单独利用排水固 结法将难以取得预期的加固目的，反而拖延工期，增加成本。而此时将其他一些 已经成熟的技术手段考虑进来，组成联合技术，则可在规定的工期和成本投入的 情况下满足工程建设的需要，因此应发展排水固结法与其他方法的联合技术的开 发和应用。 1 3 本文主要研究工作 针对上述砂井固结排水地基存在的问题，本文以乍嘉苏高速公路软基处理路 堤为工程背景，进行了系统、全面的现场观测，在整理、总结及分析大量实测数 据的基础上，对砂井固结地基的沉降特性及计算方法进行了研究，主要工作有： ( 1 ) 基于现场勘测和室内试验的资料，合理确定用于软土路基的有限元计 算参数。 ( 2 ) 在总结了现场观测数据的基础上得出：在预压期内，软土地基沉降与 时间呈现良好的双曲线关系，可采用双曲线法推算软土地基的最终沉降量和任意 时刻的沉降量。 ( 3 ) 建立了模拟路堤填筑过程的路基有限元分析模型，充分考虑了土的排 水固结过程中水土相互耦合的关系。在b l o t 固结方程的基础上，利用有效应力 原理，考虑了土的非线性、大变形等特性，对土体进行了平面应变有限元分析。 ( 4 ) 研究了两种弹塑性本构模型( 摩尔一库仑模型，修正剑桥模型) ，采用 大型有限元软件a d i n a 对试验工程进行数值模拟，通过实测结果与两种本构模型 计算结果的对比分析，得出了一些有利于今后工程应用的结论。 9 硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 研究了有限元分析中的瞬时沉降。通过有限元计算和理论公式计算的 结果对比分析得出：瞬时沉降在总沉降中所占的比例是很大的，达到了3 0 - - 5 0 。 1 0 硕士学位论文第二章软土固结基本理论 第二章软土固结基本理论 2 1 概述 近年来，我国高速公路发展非常迅猛，大多数高速公路修建在沿海软土地区， 而对软土特性的认识是迸行软基加固的依据，因此研究软土的工程特性非常必 要。由于排水固结法是处理软粘土地基最为经济合理的方法，应优先考虑。只有 在工期紧、承载力要求过高或缺乏堆载的条件下，才考虑其他加固方案。由此可 见，排水固结在软土地基处理中占有很大份量，对排水固结法的研究也是非常必 要的i 吲。塑料板排水法处理软土地基工程中经常使用太沙基和巴隆固结理论分析 固结沉降。 2 2 软土的工程性质 2 2 1 软土分类 软土是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的天然含水量高、渗透系数小、 孔隙比大、压缩性强、灵敏系数高、抗剪强度和承载力低的软塑到流塑状态的细 粒土，如淤泥和淤泥质土，以及其他高压缩性饱和粘性土、泥炭、粉土等【7 6 】。 淤泥和淤泥质土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积、经生物化学作用形成的粘 性土。这种粘性土含有机质，天然含水量大于液限。当天然孔隙比大于1 5 时， 称为淤泥；天然孔隙比小于1 5 而大于1 0 时，称为淤泥质土。当土的有机质含 量大于5 而小于5 0 ，而天然孔隙比大于1 5 时称为有机质土；有机质含量大 于5 0 时，天然孔隙比大于5 0 的称为泥炭。 我国沿海地区、内陆平原以及山区沟谷等广泛分布有各种成因的软土，工程 设计中按地域地质特点将软土分为五个类型 7 7 1 ，分别为：滨海沉积( 滨海相软 土、溺谷相软土、泻湖相软土、三角洲相软土) ；河滩沉积( 河漫滩相软土、牛 扼湖相软土、河床相软土) ；谷地沉积( 谷地相软土) ；湖泊沉积( 湖相软土和三 角洲相软土) ；沼泽沉积( 沼泽相软土) 等。然后又根据土质的不同，更进一步 分为五种类型：泥炭、腐殖土、有机质土、粘性土、粉性土。 软土的矿物组成除少量原生矿物、石英、方解石、长石、云母、角闪石外， 还有大量次生粘土矿物。粘土矿物呈薄片状，管状或板状存在于粘土中，它是非 晶态或微结晶的水化铝、水化镁或水化铁的硅酸盐。我国软土矿物所含粘土矿物 以伊利石、高岭石为主，也含有蒙脱石、绿泥石等。 2 2 2 软土的工程特性及力学性质研究 软土的工程特性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 软士的天然含水量都大于3 0 ，且大于液限，软土的液限大部分在3 4 - - - 4 3 硕士学位论文第二章软土固结基本理论 的范围内，塑性指数大部分在1 5 2 0 之间。 ( 2 ) 高孔隙性是软土的一个重要特征，它直接决定了土体的压缩性、渗透固结 特性。软土的天然孔隙比大于1 0 ，山间洼地生成的含植物根系的软土孔隙比甚 至达到6 0 。由于每个孔隙极其微小而孔隙总体积占土的体积比例很大，形成了 渗透性很差雨具高压缩性的特征。软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。根据土体中孔隙的存在方式和所 起的作用，可将土中孔隙划分为孤立孔隙、粒问孔隙和粒内孔隙三种类型。其中 孤立孔隙的直径较大，数量不多，它们无法连通或连通性极差，对渗透性影响甚 微，但对土的压缩性影响较大。粒问孔隙存在于粒状集合体和粘粒组成的微集合 体之阀，分布广，数量多，连通性也较好，对土的孔隙性、压缩性、渗透固结性 等起着至关重要的作用。粒内孔隙较小，数量较多，但它们存在于集合体内，整 体连通性较差，只有当外加荷载较大时才会对土的性质产生一定的影响。 ( 3 ) 软土为高压缩性土，压缩系数大于o 5 m p a ，其压缩性随液限的增大而增 大。 ( 4 ) 渗透性小，渗透系数大都在l o s l o 撕c m s 之间，垂直方向的渗透系数通常 比平行方向的渗透系数要小一些，对地基排水固结不利，常使建筑物沉降延续时 间长，在加载初期，地基中常出现较高的孔隙水压力，将影响地基的强度。 ( 5 ) 软土的抗剪强度与排水条件有密切关系，在荷载作用下，如果土层有条件 排水固结，则它的强度随着有效应力的增加而增加；反之，如果土层没有排水条 件固结，随着荷载的加大，它的强度可能随着剪切变形的加大而衰减。软土的抗 剪强度还与加荷速率、时间有关。 ( 6 ) 软土有显著的流变性，一种是在外加荷载不变的条件下，变形随时间的增加 而增加：一种是在外加荷载不变的情况下，剪切强度随时问的增加而降低，前者 为固结流变，后者为剪切流交。 ( 7 ) 软土具有结构性，一旦受到扰动，其结构受到破坏，土的强度明显下降，甚 至发生流动。软土扰动后，随着静置时问的增长，其强度又会逐渐有所恢复，但 一般不能恢复到原来结构的强度。其原因是：天然结构土的各组构如颗粒相对位 置、孔隙大小、吸附阳离子和水分子的排列等均处于一种相对平衡状态，当土体 遭受扰动后，颗粒间产生滑动位移，吸附阳离子和水分子的定向排列以及胶结物 和孔隙状态等受到破坏，打破了原来的相对平衡，土的结构变成了某种程度的分 散结构，从而减弱了颗粒之闻的结构连结，导致结构强度的降低，静置了一段时 间后，颗粒和水分子以及其他结构因素重新排列，逐渐恢复原来的结构，因而强 度也逐渐恢复。 土的结构性是指土颗粒及孔隙的性状及排列形式，以及颗粒之间的相互作 1 2 硕士学位论文第二章软土固结基本理论 用。软土结构性受许多因素的影响，土颗粒的矿物成分、沉积条件及孔隙水的化 学成分都会影响土的结构性。在地层形成后，由于物理、化学的作用，如次固结、 卸载、风化及淋洗等因素都会改变原来的结构而形成新的结构。所以，由于成因 不同，结构性的强弱程度和稳定性也有所差异。从力学特性来看，结构性的主要 作用是增大了土骨架的刚度。结构性越强，土骨架的刚度越大。在土体受荷后， 外荷首先由土骨架承受，随着结构性的屈服和破坏，外荷才转移到孔隙水上去。 结构性软土有如下特征删： ( 1 ) 应力应变曲线的初始段呈现明显的弹性特征，当应力超过一定值后才会逐 渐以塑性变形为主； ( 2 ) 固结曲线具有较高的视先期固结压力op c ，超过其上覆压力。西，当应力 超过视先期固结压力后，孔隙比才急剧降低，而且视先期固结压力越高，超过屈 服应力后压缩性也越大。我们一般把0 。c ，0 砷的比值称为超固结比； ( 3 ) 孔隙压力应变曲线的初始段呈缓慢的增长，随着结构性的破坏，孔隙压力 逐渐增大到最大值，或达到峰值后随着剪胀而降低； ( 4 ) 现场的沉降线有明显的转折点，