（岩土工程专业论文）软土地基高速公路拓宽的沉降性状及处理研究.pdf

软土地基高速公路拓宽的沉降性状及处理研究 摘要 近几年来交通量持续增长，将原有四车道高速公路拓宽至六车道或八车道 的任务已经迫在眉睫。我国东南沿海地区的高速公路大多建于软土地基之上，所 以软基高速公路拓宽工程将成为今后高速公路建设的重要组成部分。规范 ( j t j 0 1 7 9 6 ) 规定，软基新建高速公路一般路段的工后沉降应控制在3 0 e m 以内。 拓宽路堤的沉降应有更高的要求，而在桥头连接路段，沉降控制标准还要更高。 因此，对拓宽路堤的地基处理，不同路段应采用不同的处理方法。 基于上述工程背景，假定地基为b i o t 介质，求得了路堤荷载瞬时作用时， 地基中初始超静孔隙水压力及有效应力解析式，进而求得了瞬时沉降、固结沉降 和最终沉降的解析式。研究表明，荷载瞬时作用后，地基中有明显的有效应力变 化，这是地基产生初始沉降的原因。条形荷载作用下，地基中初始有效应力沿深 度先增加后减小，中心线下o 5 倍荷载宽度的深度处达到最大值p 肛；地基中超 静孔隙水压力在地基表面最大，沿深度迅速衰减，在两倍条形荷载宽度处，超静 孔隙水压力值已降低到o 2 p 以下。软土地基的瞬时沉降较大。 应用弹塑性有限元软件，分析了老路堤和拓宽路堤先后作用下，地基的沉降 以及路堤的变形和路面结构层的应力分布，并与实测结果作了对比。拓宽路堤路 面铺设时间，不宜参照软土地基上新建路堤的工后沉降控制标准，而应在分析新、 老路堤沉降规律的基础上，以新、老路堤工后沉降差作为控制标准。 结合软粘土的结构性，对一般路段采用的竖井排水固结法，提出了结构性软 土竖井地基固结沉降分析方法。研究了竖井地基固结度及固结沉降的规律。由于 软土的结构从上至下逐渐破坏，土体渗透性降低，软土结构破坏层中竖井纵向强 烈压缩，通水能力降低，地基固结发展变缓。理论计算得到的沉降和超静孔隙水 压力与实测结果进行了比较，两者吻合较好。提示了结构性软土竖井地基的固结 特点。 最后，对连接桥头路段采用的桩承式路堤，研究了其受力特点和分析方法。 基于单桩等效处理范围内路堤受力平衡原理，改进了路堤中空间土拱效应的分析 方法。研究表明桩间距、桩帽大小、路堤高度和填料内摩擦角是影响桩体荷载 分担比的主要因素。在桩帽宽度与桩m 距比值一定的情况下，当土拱处于弹性状 态时，桩体荷载分担比随桩间距的减小而线性增加；土拱处于塑性状态时，桩体菏 载分担比不随桩f j j 距变化。对格栅的受力及变形分析表明，桩顶上方铺设士工格 栅町以提高桩体倚载分担比、减小路堤沉降。 将单桩等效处理范围及上部路堤填料简化为圆柱体，采用理想弹塑性有限元 方法，分析了路堤荷载瞬时施加后，地基中超静孔隙水压力的分布以及桩身轴力 和路堤沉降等。分析表明，桩长对路堤沉降起控制性作用，桩长越长，桩身轴力 越大，中性点越靠近桩端，桩体荷载分担比越大，路堤沉降越小。桩体打穿软土 层的情况下，路堤的沉降量决定于桩问土浅部的压缩，而未打穿情况下，路堤的 沉降量决定于桩端以下软土层的压缩。在桩托扳面积与单桩等效处理面积之比相 同的情况下，减小桩间距比增大桩托板对控制路堤沉降更有效。 关键词：路堤；拓宽；软土：结构性；路堤桩；沉降；固结度 r e s e a r c ho ns e t t l e m e n tb e h a v l 0 ro f ! 1 1 g h ，a yw l d e n i n go n s o f ts o j sa n di m p r o v e m e n tm e t h o d s a b s t r a c t d u et ot h er e q u i r e m e n to f i n c r e a s i n gt r a f f i c ，i ti sv e r yu r g e n tt ow i d e n t h ee x i s t i n g h i g h w a y s i nc h i n a s i n c em a n y h i g h w a y si nt h ee a s t s o u t h e r nc o a s t a lr e g i o no f c h i n a w e r eb u i l to nt h es o f t s o i l s ，h i g h w a y w i d e n i n gp r o j e c t so ns o f t s o i l sw i l lb ev e r y i m p o r t a n ti n t h i sa r e ai nt h ef u t u r ed a y s t h ec h i n ah i g h w a yc o n s t r u c t i o nc o d e ( j t j 0 1 7 9 6 ) r e q u i r e st h a tt h ep o s tc o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to f n e wh i g h w a y s s h o u l db e l e s st h a n3 0 e m ，b u th i g h e rr e q u i r e m e n to ft h ec o n t r o l l e ds e t t l e m e n ti sn e e d e df o rt h e w i d e n i n gh i g h w a y s ，e s p e c i a l l yf o rt h ee m b a n k m e n t n e a r b r i d g e s t h e r e f o r e ，d i f f e r e n t g r o u n d t r e a t m e n tm e t h o d ss h o u l db eu s e dt od e a l w i t hd i f f e r e n t s e g m e n t s o f h i g h w a y s b a s e do nt h eb i o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r y , t h i sp r o j e c tp r e s e n t st h es o l u t i o no ft h e i n i t i a le x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea n de f f e c t i v es t r e s s i nt h es u b s o i i , u n d e rt h e e m b a n k m e n t ，a sw e l l a ss o m eb r i e ff o r m u l a so ft h ei m m e d i a t es e t t l e m e n t ，t h e c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ta n dt h et o t a ls e t t l e m e n t f r o mt h ea n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a t t h ec h a n g i n go ft h ee f f e c t i v es t r e s si nt h eg r o u n dr e s u l t si nt h ei m m e d i a t es e t t l e m e n t t h ei n i t i a le f f e c t i v es t r e s so ft h eg r o u n ds u b j e c t e dt ot h es t r i pl o a di n c r e a s e sf i r s t l y a n dt h e nd e c r e a s e sa l o n gd e p t h ，i t sm a x i m a lv a l u e ，p 嚣，i sa tt h ed e p t ho f h a l f t i m e o ft h ew i d t ho ft h es t r i pl o a d t h ei n i t i a le x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r em u c h d e c r e a s e w i t ht h ed e p t h t h ei n i t i a le x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei sl e s st h a n0 2 p a tt h ed e p t h o f t w ot i m e so f t h ew i d t ho f t h es t r i pl o a d i m m e d i a t es e t t l e m e n ti sr a t h e rl a r g ef o r t h e s o f ts o i lg r o u n d w i t l lt h ea i do fac o m m e r c i a le l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tp a c k a g e ，t h es e t t l e m e n t o ft h e g r o u n d ，t h e d e f o r m a t i o no ft h ee m b a n k m e n t ，a s s o c i a t e dw i t h t h e i rs t r e s s d i s t r i b u t i o na r ea n a l y z e d a d d i t i o n a l l y ，t h ec o m p u t e ds o l u t i o n sa r ec o m p a r e dw i t h t h o s eo fi n s i t e m e a s u r e m e n t t h et i m eo fp a v e m e n t c o n s t r u c t i o ns h o u l db e d e t e r m i n e db yt h ed i f f e r e n c eo ft h ep o s ts e t t l e m e n t sb e t w e e nt h en e wa n dt h eo l d e m b a n k m e n t i ti ss u 2 9 e s t e dt h a tt h ev e r t i c a ld r a i nc o n s o l i d a t i o nm e t h o db ea p p l i e dt on o r m a l s e g m e n t s o ft h e h i g h w a y i n t r o d u c i n g t h ec o n c e p to fs e n s i t i v es o i l ，a m e t h o d c o n s i d e r i n 2s t r e s sd e p e n d e n tc o e f f i c i e n to f c o n s o l i d a t i o ni sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h e c o n s o l i d a t i o no ft h es e n s i t i v es o i lw i t hv e r t i c a ld r a i n s w i t ht h ed i s s i p a t i o n o fp o r e p r c s s u r e ，t h es o i l s t r u c t u r eo ft h eu p p e rs u b s o i lg r a d u a l l yd e s t r o y sd o w n w a r d s ，t h e c o e f f i c i e n to fc o n s o l i d a t i o no ft h eu p p e rs u b s o i lb e c o m e ss m a l l ，a tt h es a m et i m e t h e c o e f f i c i e n to f p e r m e a b i l i t yo ft h ev e a i c a ld r a i n sd r o p sd o w n ，b e c a u s eo ft h ek i n k i n g e f f e c t t h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w oe f f e c t s d e l a y st h ec o n s o l i d a t i o np r o c e s s t h e s e t t l e m e n ta n dt h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ec a l c u l a t e db yt h i sm e t h o da g r e ew e l l w i t hi n - s i t em e a s u r e m e n t t h ec o n s o l i d a t i o nc h a r a c t e ro fs e n s i t i v es o i lw i t hv e r t i c a l d r a i n si sp r e s e n t e d i no r d e rt om i n i m i z et h ed i f f e r e n c eo fs e t t l e m e n tb e t w e e nt h ee m b a n k m e n ta n d t h e b r i d g e ，t h ep i l e s u p p o s e d a n d g e o s y n t h e t i c r e i n t b r c e d e m b a n k m e n ti s r e c o m m e n d e d b a s e do nt h ea s s u m p t i o no ft h eg r a v i t yb a l a n c eo fe m b a n k m e n t f i l l i n g a b o v et h e e q u i v a l e n t a r e af o rt h e s i n g l ep i l e ，t h ep r e s e n tp r o j e c ti m p r o v e s t h e c o n v e n t i o n a lh e w l e t t st h r e e d i m e n s i o n a l s o i l - a r c h i n ga n a l y s i s m e t h o d t h e c o m p u t a t i o n a la n a l y s i ss h o w s t h a tt h ep i l es p a c e ，t h es i z eo f p i l ec a p ，t h eh e i g h to f e m b a n k m e n ta n dt h ei n t e r n a lf r i c t i o n a n g l e o ft h ee m b a n k m e n t f i l l i n gm a i n l y i n f l u e n c et h ep i l ee f f i c a c y w i t ht h es a m ec o v e r a g eo ft h ep i l ec a p t h ep i l ee f f i c a c y l i n e a r l yi n c r e a s e sw i t h t h ed e c r e a s i n go f t h ep i l es p a c ef o rt h ec a s et h a tt h e ：s o i la r c hi s o fe l a s t i c w h i l ef o rt h ec a s et h a tt h es o i la r c hi si np l a s t i cs t a t e ，t h ep i l ee f f i c a c yi s a l m o s tac o n s t a n tv a l u e n l ei n c l u s i o no fg e o s y n t h e t i c ( s ) i nt h ef i l l i n gw i l le n h a n c e s t h ep i l ee f f i c a c ya n dm i n i m i z e st l l es e t t l e m e n to f t h ee m b a n k m e n t n es u b s o i la n dt h ee m b a n k m e n tt r e a t e db yas i n g l ep i l ei ss i m p l i f i e da sac i r c u l a r c o l u m n t h ed i s t r i b u t i o na n dd i s s i p a t i o no ft h ei n i t i a le x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea r e a n a l y z e du s i n gae l a s t i c p l a s t i cm o d e l ，a s w e l la st h eg e o s y n t h e t i c st e n s i o na n d s e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fp i l el e n g t h ， t h ep i l es p a c ea n ds i z eo f p i l ec a p o nt h ep i l ee f f i c a c ya n dt h ee m b a n k m e n ts e t t l e m e n t ， i ti sf o u n d e dt h a tt h ep i l el e n g t hi st h em a i nf a c t o rd e t e r m i n i n gt h es e t t l e m e n to ft h e e m b a n k m e n t n l el o n g e rt h ep i l e ，t h el a r g e rt h ep i l ea x i a lf o r c ei s ，a n dt h ec l o s e rt h e n a t u r a lp o i n tm o v e st ot h ep i l et o e t h es e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n ti sd e t e r m i n e d b yt h ec o m p r e s s i o no f t h es u b l a y e r , w h e nt h ep i l ed o e sn o tp e n e t r a t e dt h es o f ts o i l s t r a t u m o t h e r w i s e ，t h es e t t l e m e n ti sm a i n l yd e t e r m i n e db y t h ec o m p r e s s i o no f u p p e r s o i lb e t w e e np i l e s w i t l lt h es a n l ep i l ec o v e r a g e ，i n c r e a s i n gt h ep i l el e n g t hi s m o r e e f f e c t i v et or e d u c et h ee m b a n k m e n ts e t t l e m e n t k e yw o r d s ：e m b a n k m e n t ；h i g h w a yw i d e n i n g ；s o f ts o i l ；s e n s i t i v es o i l ；p i l e 。s u p p o s e d e m b a n k m e n t ；s e t t l e m e n t ；c o n s o l i d a t i o n 蚶 r l ：人学| i | ii 学1 、7 _ 沦史 1 1 研究背景 第一章绪论 近几年来交通量持续增长，我国东南沿海已建成的四车道高速公路的许多路 段超负荷运行，拓宽至六车道或八车道已经迫在眉睫。例如，作为国道主干线的 沪杭甬高速公路，自1 9 9 8 年底全线通车以来，交通量迅速增长，堵车现象时有 发生。因此浙江省政府决定对沪杭甬高速公路浙江段分三期实施八车道拓宽建 设，其中杭甬高速公路拓宽工程期已经完工。 考虑到拓宽路堤荷载作用下地基沉降对老路的影响，一般采用在老路堤两侧 同时拓宽的方法( 见图1 1 1 ) 。并对拓宽路堤地基采取适当地基处理方式，以减 小拓宽路堤工后沉降。 硬十层 j 图1 1 1 道路拓宽工程示意图 我国东南沿海地区的高速公路一般建于软土地基之上。这种土一般为海相、 河相和湖相沉积土。具体包括淤泥、淤泥质粘土和淤泥质亚粘土等。软土厚度 般在1 5 - - 5 0 m 之间，含水量为5 0 8 0 ，孔隙比为1 2 2 0 ，不排水抗剪强度为 8 1 5 k p a ，压缩指数为o 3 0 7 ，渗透系数为l x l 0 1 0 5 1 0 一r r d s 。从以上指标看出， 这种土具有含水量高，孔隙比大，强度低，压缩性高和渗透性低的特点。 拓宽工程所涉及的问题比新建工程复杂得多，它不仅需要考虑新路的沉降变 形，同时还要考虑新路荷载对老路的影响。考虑到新建拓宽路堤沉降较大，囡外 软暴道路拓宽多采用轻质材料( 例如p u f 和e p s 等) ，但这些材料价格昂贵， 困内极少使用。从国内目前已经实施的拓宽工程来看，软基处理方法主要有塑料 浙江人学f 雌i 学似论艾 排水板、预应力管桩和粉喷桩三种。管桩和粉喷桩造价较高，只在桥头、管涌博 对沉降要求较严的路段使用在般路段仍使用塑料排水扳堆载预压处理软基。 软土的压缩与理想弹性材料的压缩不同。弹性材料在外加荷载作用下的变形 是瞬时发生的。一般认为，软土足由土骨架、水和气组成的三相体，即使假定软 土为完全饱和，只由土骨架和水组成，在外荷的作用下，由于软土的渗透性很小， 骨架的压缩性较大，土中孔隙水的排出也需要一个较长的过程。 软土地基修建路堤前，一般认为软土中孔隙水压力沿深度的分枷与静水压力 相同。修建路堤后，地基中的应力状态发生了变化，孔隙水压力增加，超过了初 始的静水压力，在土力学中定义超过静水压力的孔隙水压力部分叫做超静孔隙水 压力。靠近透水边界处，在超静孔隙水压力梯度作用下，孔隙水从高超静孔隙水 压力区向低超静孔隙水压力区流动，超静孔隙水压力得以消散，原来由孔隙水承 担的法向应力转化为有效应力，土骨架在新转化来的有效应力作用下产生压缩变 形，土颗粒之间的接触变得更加紧密，土体强度得以提高。这一过程逐渐向不透 水边界发展，最终使得整个地基中各点的超静孔隙水压力均为零，这一过程叫做 固结。固结发展的程度嘲做固结度。 从t e r z a g h i 一维固结理论问世以来，人们对土体固结进行了大量的研究。从 不同的角度可对固结理论进行不同的分类，从土骨架的性质可分为线性固结理论 和非线性固结理论；从大小应变假定可分为小应变固结理论和大应变固结理论。 众多的固结理论中最为简单的固结理论为假定土骨架为线弹性的固结理论，其中 包括不考虑水、土变形耦合的t e r z a g h i 一维及t e r z a g h i r e n d u l i c 三维固结理论， 以及考虑水、土变形耦合的b i o t 三维固结理论。相比较而言，t e r z a g h i 固结理论 比较简单而b i o t 固结理论则比较完善。在一定条件下，如一维固结、球形空腔 向内固结和球形土体向外固结等条件下，二者的固结方程是一致的【4 j 。 一维的t e r z a g h i 固结方程可以求得简洁的解析解，三维的t e r z a g h i r e n d u l i c 固结方程只可求得轴对称情况下的解析解，其它条件下的固结问题一般采用差分 法或有限元法。b i o t 固结方程则只可求得几种特殊情况下的解析解，如条形荷载 作用下均质地基的固结解1 5 8 i 等，但这些解形式十分复杂，不便于工程应用。因 此求得路堤荷载作用下简洁的瞬时沉降和固结沉降表达式具有重要的工程意义。 浙汀凡学博i j 学似论史 d 于上骨架并l t i t q ! 想的蝉性材料当某点的有效应力状念达到m o h r - c o u l o m b 圆的包络线时t 该点土体表现出塑性性状，凶此将土骨架看作 ；! f i 塑p l ：材 料更符合实际。就目l 拊岩土工程理论分析和工程应用而吉，把土骨架作为理想 m o k r - c o u l o m b 弹塑性材料并锅台渗流围结方程的本构模型是最常用、最稳定的 模型。 实际上，土体是地质历史的产物，具有非常复杂的微观结构和构造。在外加 荷载作用下表现出非常复杂的应力应变关系。简单地讲土体在宏观力学特性上 通常具有弹性、塑性、粘性、剪胀、剪缩和各向异性等性状。粘土颗粒的表面被 一层水分子所包围，土颗粒与结合水膜相互接触，在其所处的地质环境中，结台 水膜处矿物质不断析出，经过漫长的地质历史时期后形成了颗粒与颗粒之间的结 构粘连。这样的结构粘连阻碍了土体在自身重力作用下的压缩，增加了土体的强 度。粘性土体的这一性状具有重要的工程价值和理论意义，越来越受到人们的关 注。 我国东南沿海地区的软土一般都具有一定的结构性。当外加荷载小于软土的 结构屈服应力时，地基土体结构尚未破坏，压缩性较小，渗透性较强，超静孔隙 水压力的消散较快，沉降发展迅速。当外加荷载大于软土的结构屈服强度时，地 基土体在固结过程中结构不断破坏，压缩性变大，渗透性变小，固结速率变慢。 加上排水板通水能力随时间不断变弱，地基的后期固结速度变得十分缓慢。这将 造成建于软土地基上路堤沉降长期不能稳定。考虑软土地基结构性和排水板通水 t a x i 3 减小对地基固结度发展的影响也是一个需要解决的问题。 考虑到软土结构性和排水板通水能力随时间减小对固结度的影响，杭甬高速 公路拓宽工程中在桥头路段采用了路堤桩。路堤桩最初主要在芬兰和马来西亚使 用，由于其施工速度快，在道路拓宽中对既有道路的影响较小，所以在道路拓宽 中得到较多的应用。 路堤桩足采用预应力混凝土管桩等刚性桩，打穿或未打穿软土，桩顶设置桩 帽，通过路堤填料中的土拱效应将路堤的大部分荷载传递到桩上，从而减小路堤 的沉降。在以往的使用中曾出现由于土拱效应不足，桩问土上部的路堤沉降太大， 在路堤顶面出现蘑菇状突起的事故一l 。 浙r 】：人一产博i ：学位论文 近年求士工织物快速发展，在软土地基处理中广泛应用。较早f ：j 勺路埏桃处f h 软土地基中，往往采用较小的桩m 距和较大的桩帽来增大桩体荷载分担比，从而 减小桩问土的沉降。并且在路堤外侧设置斜桩来防止路堤荷载作用下地基过大的 侧向位移。现在的作法一般是采用较大的桩问距和较小的桩帽甚至4 i 设桩帽，通 过在桩顶铺设一层或几层高强度的土工格栅对桩间土上部的路堤填料起到提拉 作用，而增加桩体荷载分担比，减小路堤沉降，同时取消了路堤外侧的斜桩减 小了施工难度。所以怎样计算铺设土工格栅后桩体荷载分担比、格栅拉力等都是 需要解决的问题。 广佛高速公路拓宽工程1 0 i 中软土层深约5 7 m ，但是投入运行后新老路面 拼接部位出现了不同程度的开裂现象。新老路面之间形成纵向裂缝后，在雨水渗 入作用下，将加剧路面结构的破坏，影响道路的使用年限。目前国内外还没有形 成软基上高速公路拓宽工程的设计方法和质量控制标准，缺乏相应的分析理论i i k 1 2 1 。 规范规定，软基高速公路一般路段的工后沉降应控制在3 0 c m 之内，如果以 此作为新路的工后沉降控制标准显然偏大。新路的工后沉降应该确保新老路面之 间不应出现过大的差异沉降，防止拼接部位路面结构层破坏。因此在分析新路和 老路沉降变形规律的基础上，还需要研究新路的工后沉降以及新路和老路之间的 差异沉降控制标准。 1 2 软土的压缩特性 由于土具有压缩性，地基承受外加荷载之后，必然发生沉降。沉降的大小， 一方面取决于外荷的大小及其分布情况，另一方面取决于地基土层的种类、各层 土的厚度及土的压缩性的大小。 一维情况下，软土受外加荷载作用的瞬时，外荷全部由孔隙水来承担，超静 孔隙水压力等于外加荷载。假定软土地基为均质半无限空间，在条形荷载作用下， 可以按二维的平面应变来处理。这时，软土受外加荷载作用的瞬时，地基中超静 孔隙水压力分御与地基土体的性质有关，假定不同的土体本构关系可以得到不同 的初始超静孔隙水压力分碲j 【l3 i 。在假定土体为弹性b l o t 介质后，地基中初始i l 隙水压力的分布可以很方便地山基本点荷载作用下的解1 1 4 1 积分彳 ； l 。求得条形荷 铷i j ：_ l ：久学博l 学位论义 缄作用下的超静孔隙水压力分m 后，可以求得地基中毫u 始有效应分布和初始沉 降。 ：i ：和其它材料一样，受力后要变形，变形包括体积变形和剪切变形。土体受 压后体积变形的大小般出侧限压缩试验求得。 侧限压缩试验又叫固结试验，足目前最常用的测定土的压缩性的室内试验方 法。试验时用金属环刀( 内径8 0 m m ，商2 0 m m ) 从原状土样上切取试样。将试 样连同环刀装入侧限压缩仪的内环中。试样上下各放真一块透水石，通过传压板 施加竖向压力o ：。由于试件不能侧向膨胀，所以试件处于侧限状态。施加竖向 应力后，通过百分表测读试件的竖向变形。试验时，逐级加大竖向压力，测锝每 级压应力稳定时试件的竖向变形。必要时可以做加载卸载再加载试验。 0 o 图1 2 1 侧限条件下土的应力一应变关系曲线 根据压缩试验结果，可绘制侧限条件下土的压缩曲线。图1 2 1 是竖向应力 和竖向应变的关系曲线。o a 为初始加载段，a b 、c d 为卸载段，b c 为再加载 段。通常取曲线上任意小段的割线斜率作为相应于该段应力范围内土的侧限变形 模量e ；，即压缩模量。亦即： e ：坚( 1 2 1 ) 占 从图1 2 ，l 看出，土的压缩模重e 。不是常数，不同的应力段有不同的压缩模量。 土在侧限条件下的压缩性还可以用土的孔隙比e 和竖向应力o 的关系曲线 表示，如图1 2 2 a 。取曲线的割线斜率作为土在侧限条件下的压缩系数o ，亦即： 口：竺( 1 2 2 ) 浙江人学博。i ：学位论文 负值表示孔隙比e 随压应力的增加而减小。同样压缩系数a 并非常数，随压应 力的变化而变化。 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 一r k p a ) 1o 0 9 o 8 a ) 07 o 6 05 01 0 01 0 0 0 l o gd ( k p a ) ( b ) 图1 2 2 土的压缩曲线 在对压缩试验数据的整理中，为了更好地体现实验数据的规律性，揭示土体 受压后的本质特征，一般将孔隙比e 和竖向应力0 的关系曲线的横坐标0 取常 用对数，见图1 22 b 。横坐标取对数后，压缩曲线的形状发生较大的变化，压应 力较小时曲线的斜率较小，曲率较大：当压应力大于某一数值后，曲线斜率变 大，曲线形态接近于一条直线。并将这条直线的斜率叫做压缩指数c 。取对数 后的e 一0 曲线叫做e l 0 9 07 曲线。 上述压缩曲线，不论是e o 曲线还是e - l o g0 曲线，都是由室内压缩试验测 得的。由于试样取出地面后的应力释放、运输过程中的振动和制样中的扰动等因 素的影响，室内压缩益线已经不能完全代表地基中原位土体的压缩性状。 基于对土体变形特性的不同认识，可以对室内压缩曲线进行不同的修正以锝 到原位土体的压缩曲线。对室内压缩曲线修正方法的不断改进反映了对土变形特 性认识的不断深入。 最初人们认为影响土压缩特性的是土俸在自然地质环境中的受力历史，饼依 此将士分为超固结土、正常固结士和欠固结土。定义土单元体在历史上曾经受过 的最大压力( 指有效应力) 称为先期固结压力0 。如果目前承受的上覆压力0 ， 等于o 。，这种士称为正常固结土；如果a ，小于op ，则称为超硐结二f ：i 并由此推 一6 们 叮 ：宝 浙f i ：人学膊j 学位论史 断，当0 ；大于o 。时，可以称为欠刨结土。 阁1 2 3 a 表示正常固结土的e l o go 曲线，因为足f 常固结一卜，所以先j u i l i j d 结腿力o 。等于取土深度处的自重应力o ；。假定土样取出后体积保持不变，则：【二 样的初始孔隙比e 。就代表取土深度处二l 二的原位孔隙比，故图中e 点即表示原位 状态土的应力和孔隙比。s c h m e r t n l a n n 经过大量试验证明，经受很高压力，孔 隙比减小到一定程度以后，扰动对土的压缩性质影响很小。总结得出，当e = o 4 2 e o 时，可以认为试样不受扰动的影响。丁利【i6 | 对我国东南沿海地区的软土压缩试验 结果总结后得出，不受扰动影响的孔隙比大小与试样的初始含水量有很好的相关 关系。依据上述方法可以确定出图1 2 3 a 中的d 点。如前所述，正常固结土的 e l o g p 曲线为直线，由此可以认为，连接e 、d 两点的直线就是原位压缩曲线。 其斜率c 。就是原位土的压缩指数。 对于超固结土，只有当应力增加至等于0 。时，土样才进入正常固结状态， 小于。时应处于弹性回弹线上，所以e f 段的斜率应与再压缩指数c 。相同。e 点为过f 点斜率为c 。的直线与由c a s a g r a n d e 等方法确定的前期固结压力作用线 的交点。d 点的确定方法同正常固结土的确定方法。见图1 2 3 b 。 0 0 位压 曲线 d a s o ca)lo) 图1 2 3 正常固结土和超固结土的原位压缩曲线校正 一 后来逐渐认识到，天然沉积的软粘土在形成过程中会产生一定的结构强度。 结构强度指土的固体颗粒的特定排列及其相互接触处山于孔隙水中析出的沉淀 物( 如碳酸盐、游离铁和铝氧化物等) 等引起的胶结作用而产生的附加强度3 。 天然粘土产生此额外结构强度后抗压能力得咀提高- 不需要进一步压硝便能支 浙江人学博l 学位论文 承上覆土体的自重，具有这种结构啦度的软土叫做结构性软土。结构性软上的压 缩曲线转折点对应的应力叫做结构屈服应力。 从上面的结构强度的定义看出，结构性软土最大的特点足在相同应力条件 下，结构性软土的孔隙比大于非结孛勾性软土的孔隙比。当外荷小于结构属服应力 时，土体表现出的压缩特性接近于弹性，当外荷大于结构屈服应力后，土颗粒问 的连接断裂土体孔隙比急剧减小，然后趋于重塑土压缩曲线。 根据上述对软土结构性的理解，可以对结构性软土压缩曲线进行修正“。修 正方法如下：第一段为过e 。点的水平线，一直到自重应力o 。处，如图中的a b 段；第二段为弹性压缩段，弹性压缩段的起点为自重应力，终点为结构性软土的 屈服应力。第三段为结构塌落段；第四段为正常压缩段。修正曲线示意图见图 124 。 图1 2 4 结构性软土压缩曲线修正示意图( 摘自文献1 8 ) 仔细分析上述关于软土结构性的论述，发现它与b j c c i - u m 对于软土结构性的 解释相矛盾。按b e m i m 的解释“，软粘土e l o g p 曲线进入直线段前的较平缓段 是由于土骨架的粘滞性变形引起的。即在上覆有效应力不变的情况下，土骨架随 时间不断被压缩，孔隙比减小，抵抗外荷的能力提高，产生了结构强度。再在室 内做压缩试验时，产生了类似超固结j 压缩曲线形惫，见图1 2 5 。这解释在 软土的次固结研究中广泛应用，得到大量的试验验证“7 ”8 3 。 塑! ! ：墨! | ! 坚! ! 堂塑堡些 16 2 抗蚰瑚艘及，裕| f l 】麻力t n 1 2 468 2 q 图1 2 5b j e r r u m 对软土结构性的解释 从上述分析看出，软粘土产生大于上覆自重应力的结构屈服应力的本质原因 大致可归为两类：一类是孔隙比减小，土变得更加密实；另一类是土颗粒之间的 粘接强度增加。相应地可称为第一类结构强度和第二类结构强度。孔隙比减小的 原因可能是外动力地质作用下的卸荷，也可能是土骨架的粘滞性变形。结构强度 的增加则可能是土颗粒在其所处的地质环境中，颗粒之间产生化学和生物胶接及 静电等作用的加强。 排除卸荷作用，土在其漫长的形成过程中，若骨架的粘滞性变形占了主导， 则结构性表现为孔隙比减小，形成了第一类结构强度；若颗粒之间的粘接强度增 强，则阻碍了土体孔隙比的减小，形成了第二类结构强度。 理论上讲，判断是第一类结构强度还是第二类结构强度，最直接的方法是比 较重塑土与原状土在自重压力下的孔隙比。若重塑土的孔隙比大于原状土的孔隙 比，则为第一类结构强度，如图1 2 6 a 所示：若重塑土的孔隙比小于原状上的孔 隙比，则为第二类结构强度，如图1 2 6 b 所示。实际上，不同的重塑土制备方法 得到的重塑土压缩曲线不同。例如通过烘干一研磨一加充足的水在自重压力下固结 得到的重塑样与原状样在含水量不变的情况下揉捻得到的重塑样在压缩特性上 有很大的差别。自重压力下的孔隙比也有较大的差别。 5 4 3 丑殛 浙江人举博j 埠位论变 e ( a ) i 。g p e i o g p 图1 2 6 两类结构强度的压缩曲线及判断 实际的软粘土也并非我们所假定的“土颗粒”，软粘土的微观组成与结构十 分复杂。重塑土样并不能做到只破坏软粘土的“土颗粒”之间的“结构连接”。 尤其是对于有机质含量较大的粘土，不同的重塑土制备方法对有机质的影响程度 不同。图1 2 7 墨西哥粘土的微观照片可帮助理解有机质的存在形式，及重塑 土制备方法对其力学特性的影响。 图1 2 7 墨西哥粘土中的粉粒级贝壳及贝壳残片( 摘自文献2 4 ) 。 所以孔隙比判别只能作为参考，最重要的还是要从曲线的形态来区分其结构 性，然后根据不同的修正方法，得到软粘土的原位压缩曲线a 浙江大学时i 学位论文 1 3 结构性软土的固结特性及排水固结法 软士的结构性不仅表现在压缩性上，还表现在圃结特性1 - 。结构性软土的嘲 结速度明显地与固结压力有关“5 圳当应力小于结构屈服应力时，固结系数基本 为一常数；当应力增大到结构屈服应力附近，其固结系数急剧降低，最后与重塑 土的固结系数接近，也基本为一常数。 根据上述软土结构性概念及固结试验成果“可以把结构性软土的固结系 数随固结压力的变化曲线简化成一个分段模型“。根据此分段模型，c h e n “引 入移动边界概念，求得了一维结构性软土固结计算的解析解。计算结果表明，结 构性软土的固结度小于由t e r z a g l l i 固结理论采用原状土固结参数求得的固结度， 大于由t e r z a g h i 固结理论采用重塑土固结参数求得的固结度。在软土地基固结过 程中，软土的结构由上至下逐渐破坏，破坏后的软土固结参数与重塑土固结参数 接近，下部结构未破坏的软，固结参数与原状土固结参数相同。分析表明，上 部软土的结构性破坏以后，阻碍了下部软土的固结。由此可以解释为什么上部荷 载较小时，地基固结度的发展要比荷载较大时快得多的现象。 为评价软土的结构性对砂井地基固结度的影响，王军1 曾经提出过一个简化 的固结度计算方法。该方法假定地基某深度处平均有效应力从上至下逐渐增加， 软土的结构性从上至下逐渐破坏。结构破坏前，采用原状土的固结系数，采用谢 康和砂井地基任意深度固结度计算式。”计算结构破坏深度以下的水平向固结度， 采用t e r z a g h i 维固结度计算式计算竖向固结度：结构破坏后，采用重塑土的固 结系数，同样采用谢康和砂井地基固结度计算式求得结构破坏深度以上的固结 度，采用t e r z a g h i 一维固结度计算式计算竖向固结度，然后根据n ，c a r r i l o 定理” 求得考虑软土地基结构性后，某深度处的固结度。 王军的计算方法在计算结构破坏深度以上的固结度时，假定整个砂井地基深 度范围内软土的结构性已经破坏；计算结构破坏深度以下的固结度时，假定整个 砂井地基深度范围内软土的结构性均未破坏。并且在计算中假定n c a r r i l o 定理 对于结构性软土砂- 艿地基仍然适用。 实际上，n c a r r i l o 定理在结构性软土砂井地基固结度计算中并不适用。结 构破坏前后固结系数差别较大的情况下，王军的计算结果与实际固绱发的差别将 会较人。 浙江大学博 ：学位论文 考虑软土结构在固结过程中从上至下逐渐破坏，软土的结构性末破坏到砂井 的底部前，实际的砂井地基变为双层地基，应以双层地基砂井固结度解析解柬计 算地基的团结度。考虑竖向排水固结的影响时，出于n c a r r i l o 定理不再适用 应将竖向排水与水平向排水综合起来一同考虑。 与一维结构性软土固结特性一样，由于砂井地基