（岩土工程专业论文）海相软土双层地基一维固结理论与应用研究.pdf

中英文摘要 摘要 连云港地区的软十是海相淤泥和淤泥质土。在连云港软土地区修筑高速公路时，通常采用水泥 十搅拌桩地基处理方法使路基强度和变形满足工程的要求。该类软士压缩沉降量大，排水同结缓慢， 地基稳定性差，造成高速公路建设中及建成后工程问题频繁出现。为此，本文针对连云港海相软土 经水泥土搅拌桩处理后形成的双层地基进行固结理论和变形特征的研究，并将研究成果进行推广应 用。取得了以下儿方面的研究成果： 1 ) 针刑连云港海相软土进行一维固结和三轴剪切试验，深入分析连云港海相软土的物理力学特 性。 2 ) 模拟水泥土搅拌桩施工，在室内制备不同配比、不同龄期的水泥土试样，并进行无侧限抗压 试验和三轴剪切试验，揭示水泥土的受力特性及破坏特性。 3 ) 运用超越方程，以双层地基维固结解析解为基础，推导出二级加荷条件f 双层地基的固结 解析解：同时，通过荷载传递法并借助l a p l a c e 变换对双层地基的固结问题进行了数值求解；此外， 根据实际的地基结构，建立了桩间土和下卧层的固结模型并分别进行求解分析。 4 ) 分析探讨了双层地基中各参数对双层地基固结的影响程度，并运用荷载传递法的解答计算了 连徐高速公路a 1 一a 4 标水泥土搅拌桩处理段的六个断面，计算结果与实测数据有较好的一致性。 关键词：连云港海相软士：固结变形：水泥土搅拌桩；双层地基；l a p l a c e 变换；沉降计算 一! 墨兰塑薹 o n e d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o n t h e o r y a n d a p p l i c a t i o no f d o u b l e l a y e r e df o u n d a t i o no nm a r i n es o f ts o i l l i a n y u n g a n gm a r i n es o f tc l a yi sm u c k a n dm u c k ys o i l w h e nt h ee x p r e s s w a yi sb u i l ti nt h ed i s t r i c t ， t h es o f tc l a yf o u n d a t i o ni so f t e nt r e a t e db yc e m e n t s o i lp i l e s t h i sm a r i n es o f tc l a yi s o f h i g hc o m p r e s s i o n 、 t o w e rd r a i n a g ec o n s o l i d a t i o na n d p o o rs t a b i l i t y f o ri t s r o a d b e d d u r i n ge n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，t h e p h e n o m e n a ，a sl a r g e rs e t t l e m e n td e f o r m a t i o n ，c r a c ka n ds l i d e ，o f t e nt a k ep l a c eo nt h ee m b a n k m e n t t h i s p a p e ri s c o b c e r n e dw i t ht h ec o n s o l i d a t i o na n dp r o j a c t a p p l i c a t i o no ft h ed o u b l e l a y e r e df o u n d a t i o nf o r l i a n y u n g a n gm a r i n es o f tc l a yt r e a t e db yc e m e n t s o i lp i l e s t h em a i nr e s u l t so ft h es t u d ya r eo b t a i n e da s f o l l o w s ： 1 ) i no r d e rt oa n a l y z ea n ds t u d yt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl i a n y u n g a n gm a r i n e s o f tc l a y d e e p l y ，l a r g en u m b e r so fb a s i cm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t e s t sa n dt r i a x i a ls h e a rt e s t sa r e c o r n p l e t e d 2 ) i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h el o a d e da n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec e m e n t s o i l ，t h ec e m e n t s o i l sf o r t h ed i f f e r e n tr a t i oa n dd i f f e r e n tc u r et i m ea r es t u d i e di nt h el a b o r a t o r y ，a n dt h e i ru n c o n f i n e dc o m p r e s s i o n t e s t sa n dt r i a x i a ls h e a rt e s t sa r ep e r f o r m e d 3 ) b a s e do nt h es o l u t i o no fo n e d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o n ，t h eo n e - d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o n o ft h e d o u b l e l a y e r e d f o u n d a t i o ni ss o l v e df o r t w o - g r a d el o a d i n g i nv i r t u eo ft r a n s c e n d e n t a l e q u a t i o n ； s i m u l t a n e o u s l y 、t h eo n e d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o no ft h ed o u b l e l a y e r e df o u n d a t i o ni ss o l v e db ym e a n so f l a p l a c et r a n s f o r mf o rt w o g r a d el o a d i n g ，a n ds t e h f e s tn u m e r i c a lt r a n s f o r mi sa p p l i e di nl a p l a c e si n v e r s e t r a n s f o r m a t i o n ；f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lf o u n d a t i o ns h a p g s ，t h ec o n s o l i d a t i o nm o d e l so f t h e s o i lb e t w e e np i l e sa n dt h es u b s t r a t u ma r eb u i l ta n ds o l v e dr e s p e c t i v e l y 4 ) t h ee f f e c to fe a c hp a r a m e t e r so nt h ec o n s o t i d a t i o no ft h ed o u b l e - l a y e r e df o u n d a t i o ni sd i s c u s s e d ， a n dt h es o l u t i o no fi o a dt r a n s f e rm e t h o df o rd o u b l e l a y e r e df o u n d a t i o ni s a p p l i e di na 1 一a 4s e c t i o no f l i a n x ue x p r e s s w a yt h er e s u l t so fc a l c u l a t i n gs e t t l e m e n to ft h ed o u b l e l a y e r e dc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya r e b a s i ca g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r i n gs e t t l e m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：l i a n y u n g a n gm a r i n es o f tc l a y ；c o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o n ；c e m e n t - s o i lp i l e ；d o u b l e l a y e r e d f o u n d a t i o n ；l a p l a c et r a n s f o r m ；s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志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。 研究生签名：墨史母日期： 兰! ! ：j 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，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，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：兰塑竖导师签名： 避盟 期： h 。耳5 0 1 研究背景 绪论 软土地基在我国分布很广，在工程建设中软土地基一般需要处理成复合地基，这一部分的处理费用 占息 _ 程费用比例较大。随着工程建设需求的增加复合地基的理论在我国有了较快的发展，许多复合 地基处理技术随之得到了推广应用，新型复台地基技术也结合工程实践应运而生。当前在我困应用较多 的复合地基处理技术主要有以下几种：( 1 ) 水泥土桩复合地基技术；( 2 ) 灰土桩复合地基技术；( 3 ) 碎石桩复合地基技术；( 4 ) 砂桩复合地基技术；( 5 ) 石灰桩复合地基技术以及( 6 ) 水平向增强体复 合地基技术( 如土u t 布垫层、土工格栅垫层、加筋土) 等。 连徐高速公路连云港段所穿越地区的地貌为海积平原、冲海积平原及山前坡积斜地，其中海积平 原分布最广。地层主要由第四系统( q ；) 与上更新统 q ，) 构成。在全新世q 地质时期，临近黄海段 多次受到海水的侵袭，因而沉积形成以海相淤泥和淤泥质软土为主的地层。连云港海相软土除具有一般 软高塑性( i p = 1 6 4 5 ) 、高含水量( w = 4 5 9 2 ) 、高压缩性( 钆= 0 9 4o m p a 1 ) 、高孔隙比 ( e = 10 - 25 6 ) 、低强度( q 、。= 2 3 3 5 0 7 k p a ) 、低渗透性( c ，= 1 0 。i 0 “c m v s ) 等性质外，还具有沉积 规律比较单一、土质均匀、软土地基的物理力学参数随深度呈线性变化等特点。该类土压缩沉降量大， 排水固结缓慢，地基稳定性差+ 。 有资料显示，多年来，连云港地区修建的高速公路频繁出现问题。如：江苏宁一连一级路连云港段 由于软基沉降引发路面开裂、桥头错台等问题，造成通车几年来直小修不断；连徐高速公路连云港 a 4 a 5 软= _ 卜_ 段部分路基在施工中相继出现路基开裂、路基滑移、沉降过大等问题。a 4 段k 1 4 + 6 7 】6 k 1 4 + 7 13 在路基旌工填筑过程中，路基左侧出现裂缝后，发生塌陷、滑移，整个滑移总长约4 0 m ，最 大裂缝发展到o7 o8 m 。省交通厅、设计院组织人员进行复查、补勘，对设计方案进行研究和修改， 并采取了相应地基处理措施。但有的软土路段沉降一直难以稳定，直接影响工程建设周期，造成巨大经 济损失。出现这些事故的重要原因之一就是对连云港滨海相软土缺乏深入了解，对软土地基与复台地基 的变形规律以及软士结构性和流变性等方面认识不足。本论文以江苏沿海地区高速公路海相软土地基 变形特征与应用研究课题为依托，针对连云港海相软土经水泥土搅拌桩处理后形成的双层地基进行一 维固结分析及工程应用研究。 0 2 存在的问题 从已有的文献报道来看，海相软土地基还存在以下几个具有重要理论和应用的问题有待完善： 沉降计算 复台地基经过几十年的发展已建立起来一套比较完整的理论体系，但相对而言还远落后于_ _ 亡程实 践其中一个比较突出的问题就是有关沉降量的计算。按照桩的刚度复合地基可分为刚性桩复台地基、 半日0 性桩复合地基和柔性桩复合地基，由于桩与桩间土的物理性质差异和相互作用等原因，它们的应力 场分布和加固机理相互迥异。但是传统的沉降计算理论往往用统一的方法计算复台地基的沉降量，造成 计算结果失真。下卧层沉降量在总沉降量中占相当比例的时候，这种失真尤其明显。 复合地基应力扩散效应的机理 轴对称荷载怍用下成层地基的应力场和位移场已有理论解答但对于平面应变问题的路堤来讲，由 于应力函数比较复杂，还没有弹性理论解答。 下卧层沉降计算及应力分布规律 在由海相软土形成的双层地基的沉降计算中，下卧层的沉降量往往占有很大的部分。而当前对于下 卧崖的沉降计算值与实际沉降往往差距很大，其中最主要的原因包括对下卧层应力分布规律研究1 i 充分 秘tj j u n 区影响下卧层的同结研究不深人等。因此，对于不同的土类应该选用相应的计算模型进行计算。 f 硅丽蔼蘧珏两露乏蕊汀= 瓦n 菊夏轿王砸基加固设计与施工评价研究报告。东南大学岩土工程研究所，2 0 0 13 东南大学硕士学位论文 0 3 本文主要工作和研究成果 针对连云港海相软土，进行了大量的室内试验研究，主要包括土体基本物理力学性质试验、一维 同结试验和三维剪切试验等。 针剥水泥土搅拌桩加固连云港海相软土路基的问题，在室内摸拟搅拌桩施工制备水泥土试样，并 进行水泥土无侧限抗压试验和三轴剪切试验等。 在前入研究的基础上，将双层地基一维固结解析公式进行了推导，建立二级加荷条件下的双层地 基固结计算公式。同时，借助l a p l a c e 变换的数值解法，从另一途径求解双层地基的一维固结，并将计 算结果与实际观测资料进行了对比分析。此外，分别建立并推导了桩间土和下卧层的固结公式。本文的 主要工作和研究成果如下： 1 ) 针对连云港海相软土展开一维固结和三轴剪切试验，对其变形特征和软土结构特性进行分析研 究。 2 ) 从水泥土搅拌桩的形成条件出发，在室内制备水泥土试样并进行无侧限抗压试验和三轴剪切试 验，得出水泥土的破坏模式，且对数据进行归一化分析。 3 ) 运用超越方程，在现有理论的基础上，推导出了二级加荷条件下双层地基的固结计算公式；借 助l a p l a c e 变换，对双层地基的固结问题进行求解；从实际的双层地基固结模型出发，推导出桩间土和 下卧崖的固结公式。 4 ) 应用本文建立的公式和数值计算方法，探讨了双层地基中各参数对双层地基固结的影响程度。 然后，对连云港海相软土路基的几个粉喷桩断面进行固结沉降计算，理论计算与实测沉降对比分析表明 作者提出的方法是适用的。 2 翌二主塾至型坚 第一章研究现状 天然毒相粘土由于其物理力学特性差，承载力很低，在此类软土地区修筑高速公路时一般需通过 地基处理才能满足稳定和变形的要求。在地基处理方法中，水泥土搅拌桩处理法是最常见的一种。软弱 士层经水泥土搅拌桩处理后，形成水泥土搅拌桩复台地基。但对于深厚软土来说，受施工机器和t 程投 资等因素制约，水泥土桩一般不会贯穿整个软土层，由此组成加固层和下卧软土层的双层地基结构。加 固层变形很小，沉降量主要集- 丰i 于软弱的下卧层。计算此类地基的沉降变形时可以以复合地基模式来 分析t 也可以将上都加固层和下卧软层结合起来彤成双层地基，以双层地基模式来分析地基的强度和 变形。 近年来，国内外学者从实际的工程问题出发，分别就复合地基和双层地基的理论与实践展开了广泛 而深入的研究，本章将分别介绍水泥土搅拌桩复合地基、地基固结理论和双层地基在国内外学界的研究 成果。 i 1 水泥土搅拌桩复合地基研究进展 水泥土搅拌桩加固地基技术于1 9 7 1 年在瑞典首次应用于工程实践，2 0 世纪7 0 年代日本开始全呵推 广应用这一技术，我国则是2 0 世纪8 0 年代初开始应用。作为种加固地基的有效方法，它可以较大地 提高地基承载力，改善地基的变性特性，减少在荷载作用下可能发生的过大沉降和不均匀沉降。实践证 明，水泥土搅拌桩加固技术主要适用于加固淤泥、淤泥质土、饱和黄土、素填土以及含水量较高、地基 承载力标准值小于1 2 0 k p a 的粘性土和粉土等软土地基”1 。以这一技术加固的地基就属于水泥土搅拌桩 复合地基。 所谓复台地基就是天然地基在地基处理过程中部分土体得到加固、或被置换、或在天然地基中设置 加筋材料的人工地基。其加固区是由基体( 桩间土) 和增强体( 桩体) 两部分组成的。软土经水泥十搅 拌桩加固后，形成存在竖向增强体的复合地基在荷载作用下基体和增强体共同承担荷载的作用1 “。 1 1 1 水泥土室内试验研究 水泥土试验是基于水泥土的物理化学反应，利用软土与水泥强制拌和的基本原理，变换不同制各条 件来研究水泥土_ 】二程力学性质的试验。一般情况下，水泥土力学性质试验有现场试验和室内试验两丰中。 鉴于现场试验的复杂性，常常在室内制各水泥土试样来研究水泥土的力学性质和变形特征。 水泥土的渗透性受龄期、掺台比和外掺剂等因素的影响。候永峰“1 等研究发现，不论水泥土龄期如 何，水泥土的渗透系数都随着水泥掺入比的增加而减小。当水泥掺入比达到1 0 后，水泥土的渗透性变 化趋向平缓。 水泥土具有显著的超固结特性。y o s h i os u z u k i ( 】9 8 2 ) 通过水泥土固结排水和不排水三轴压缩试 验的研究发现，水泥土的固结屈服应力随着水泥掺合比的增加而增大。林琼。1 ( 1 9 8 9 ) 通过水泥土压缩 试验发现水泥士的压缩系数较原状土明显降低，并且掺合比越大水泥土强度也越大，说明复合地基改 善效果越好。 由水泥土的应力一应变关系，可得到水泥土的变形模量e n ( e s o 是当应力为抗压强度的5 0 时的应 力与应变之比) 。周国钧等( 1 9 8 3 ) 建议e * = ( 1 2 0 1 5 0 ) q 。由于现场试桩与室内试验结果总有定 的著异，因此张土乔”( 1 9 9 2 ) 建议现场水泥土桩的变形模量为e * = ( 6 0 9 0 ) q 。 水泥十作为。种弹塑性材料，可以建立水泥土损伤模型来描述其变形及破坏特性。童小东”( 2 0 0 2 ) 通过对水泥土损伤试验结果的分析，分别推导出水泥土的弹性与损伤、塑性与损伤的本构关系，并率先 建立了水泥土的弹塑性损伤模型。王立峰等( 2 0 0 3 ) 假定水泥土的应力主轴与材料主轴重合，推导出 水泥士的损伤模型，提出针对水泥土的损伤演化方程，并建议通过水泥土无侧限压缩加一卸荷试验获得 水泥士损伤演化方程中的参数。 3 东南大学硕士学位论文 i 1 2 水泥土搅拌桩复合地基研究 到目前为止，国内外学者的研究主要可归结为以下几个方面： 1 ) 水泥土搅拌桩加固软基的机理及固结特性 水泥土搅拌桩既不同于挤密桩，又不同于钻孔灌注桩或打入桩其受力和变性特征既非完全刚性又 非完全柔性，因此分析和计算方法既不能完全套用基本成熟的钻孔灌注桩和打入桩的方法，又1 i 能完全 按柔性桩来考虑。伊尧国等针对软土地区桩体复合地基沉降变形和稳定性控制的问题，讨论桩周土固结 产生的时间效应和软土结构性对沉降的影响，并提出相应的计算公式。 2 ) 水泥土搅拌桩荷载传递规律及地基应力分布 深厚软弱土层经水泥土搅拌桩处理后，形成水泥土搅拌桩复合地基。其承载力和变形刚度与天然地 基相比皆有较大提高，受力机理与浅基础和桩基础也存在着明显差别。在垂直荷载作用下，天然地基的 高应力区在基础底下的浅层地基范围内，桩基的高应力区主要分布在桩周小范围的土体内和桩底以下的 土钵内，而对水泥土搅拌桩复合地基而言，桩体的压缩模量会比桩间土的大得多。当施加较小荷载时， 荷载将通过褥垫层均匀地传递到桩和桩问士上，此时桩和桩间士变形较小，应力一应变关系呈线性。随 着外荷载的增加，桩土应力发生变化，在加荷过程中为满足桩和桩间土位移协调的变形条件，荷载必须 按地基利料刚度大小不断进行分配，表现为基底下应力逐渐向桩上集中。荷载继续增大，复合地基变形 随着增大，桩上应力集中加剧，当桩土应力达到最大值时，桩承担的荷载达到其临界荷载，桩体首先进 入局部塑性状态，不能再分担更多的外加荷载，应力叉会向桩间土转移，直至桩和桩间土共同进入塑性 状态。 陆饴杰和周国钧通过在水泥土样侧壁上贴应变片的方法，得到了砂箱中水泥土试样的桩身沿深度的 应力传递曲线。林彤”1 用钢筋应力计测定了现场水泥旋喷桩的桩身应力。段继伟”等通过现场足尺试验 研究了水泥土搅拌桩的荷载传递规律，发现传到桩端的荷载占桩顶荷载比例甚小，而桩体的变形、轴力 和侧摩阻力则主要集中在o z ，( 临界桩长) 深度内。韩杰和叶书麟研究了加固后地基在受荷过程中基 底反力分布、附加应力分布和桩土应力比及影响因素等问题。叶观宝、叶书麟介绍了水泥土的室内无 侧限抗压强度试验结果，并通过工程实例实测水泥土搅拌桩复合地基的桩顶应力分布及桩身应力分布， 分析搅拌桩的应力集中情况和受力特性。陈娃等“阐述了桩身应力一应变关系沿深度呈非线性分布和桩 土应力分担比随荷载而变化等试验结果，揭示了桩身应力应变在桩身中的传递深度是有限的。徐洋等”“ 运用弹性地基粱理论，在分析平面应变条件下复合地基应力扩散机理的基础上，提出应力扩散系数计算 公式，并结合分层总和法计算出下卧层沉降量。 3 ) 有无褥垫层时对荷载分布的影响 当桩顶与基础问不设褥垫层时，桩项直接与基础接触，根据变形协调条件，桩与桩间土的变形相同。 由于桩的变形模量远大于士的变形模量，当荷载小于桩的容许承载力时，荷载主要由桩承担，桩问土承 担的荷载很少。随着荷载的增加，当桩顶荷载超过其容许承载力时，桩出现塑性变形，桩端土也由弹性 变形进入塑性变形阶段，沉降明显增大，此时桩间土的承载作用才得以发挥出来。随着荷载的继续增加， 桩的承载力发挥到极限，桩的沉降可能较大，桩间土也承担了相当量的荷载增量。如果再增加荷载，大 部分的荷载增量将由桩间土分担，真至达到其极限承载力，这时复合地基破坏。 当在桩顶和基础之间设置褥垫层( 通常由碎石、级配砂石、粗砂等散体材料组成) 时，复合地基的 许多特性都与褥垫层厚度有关。调整褥垫层的厚度可以有效地调整桩土应力比，使桩土承载力能够得到 同步发挥，在复合地基遭到破坏时桩与桩间土均能达到各自的极限承载力。这时桩土应力比最佳，与其 相对应的褥垫层厚度是最理想的。当褥垫层厚度太小时，桩对基础产生的应力会过分集中，此时需要考 虑到：桩对基础的冲切破坏必然会造成基础厚度的增加：桩间土的承载力不能得到充分发挥，而又不得 不增加桩数或桩长。当褥垫层厚度太大时，导致桩土应力比接近1 ，桩承担的荷载太小，不能达到提高 复合地基承载力的目的。 复合地基有无褥垫层的主要区别是桩体、桩间的承载力发挥的过程不同。当存在褥垫层时，桩间 土一开始就承担一定比例的荷载。而不设褥垫层时，荷载一开始就由桩来承担，桩问土基本上不承担荷 载或承担很少。但当复合地基荷载达到极限时，无论有无褥垫层，承载力的大小以及桩和桩间土的荷载 分担比都是相同的。 4 第一章研究现状 4 ) 水泥土搅拌桩的承载能力 水泥土搅拌桩的承载能力分为单桩承载力、群桩承载力和复合地基的承载力。通过试验观测发现， 软十经水泥土搅拌桩处理后形成的复合地基，由于软土地基本身的性质以及桩身强度、桩长、施t 质晕 的小同，其承载力也相差很大。所以对于待定的工程和设计，通常要求对水泥土搅拌桩的承载能力进行 实地测定，以检验其施工质量，确认桩的承载力是否满足设计要求。冯玉芹“4 1 对复合地基理论及其承载 力计算方法等进行了探讨，通过计算得出复合地基的承载力较原地基承载力有较大提高，地基的沉降量 较原地基沉降量也有较大降低，说明了复合地基加固软弱土地基是一种切实可行的方法。邵蔚霞等”通 过水泥土搅拌桩复合地基试验分析了水泥土强度随龄期、掺合比、含水量等变化的发展规律，探讨了桩 土共同作用下复合地基的承载力及地基对承台的反力模式。杨为民等”“分析粉喷桩复合地基的变形破坏 机理，探讨了其变形计算方法，并通过现场原位试验研究粉喷桩复合地基受荷后的工作性状和桩十应力 比的特点，并提出复合地基承载力标准值的取值方法。蔡来炳等通过双层地基模型运用有限元方法探讨 了软士地基和水泥土搅拌桩复合地基的承载性质，并从现场试验角度分析了下卧软土层的承载力。 5 ) 水泥土搅拌桩的桩长和桩间距 确定合理的桩长和桩间距是采用水泥土搅拌桩技术进行软基设计的重要一步。桩长的设计取决于软 土层深度、可施工有效深度以及采用的设计理论，并直接影响着工后沉降和总沉降。而桩间距的设计则 直接影响t 程的经济性，如1 m 间距的水泥土搅拌桩与1 5 m 间距桩相比工程费用增加l 倍以上。，而软 基处理的效果可能相差不大，因此存在投资与效益比的问题。 6 ) 关于沉降和变形的计算 通常、认为，软土经水泥土搅拌桩处理后地基的沉降量包括加固区的沉降量和下卧层的沉降量。 加固区的沉降量一般按复合地基理论，采用复合模量法( & 法) 或桩身压缩模量法( b ，法) 法等进行 计算。由于水泥士搅拌桩加固软土的机理及其受力特性比较复杂，既不同于刚性桩又不同于柔性桩，采 用复合地基方法计算一般与实际会有较大的出入。 从复合地基位移场特性可知，复合地基加固区的存在使附加应力高应力区向下延展，附加应力影响 深度增加。当软弱下卧层较厚时，下卧层土体压缩量占地基总沉降比例很大。下卧层的沉降一般仍按分 层总和法计算，关键是如何计算下卧层项部附加应力值，通常采用的方法有应力扩散法、等效实体法、 改进g e d d e s 法等。由于下卧层顶面附加应力较难计算准确，计算模型与实际受力情况时常出入很大，下 卧层的计算沉降量往往偏小。 师旭超等”“将水泥土桩复合地基视为双层地基，运用有限元法对其进行线性分析，研究了复合地基 变形场，并通过改变面积置换率和加固层厚度来分析变形分布及其变化规律a i 2 固结理论的发展历史及现状 自从1 9 2 5 年t e r z a g h i 一维固结理论发展以来，无论通过严密的分析还是通过计算机进行数值计算， 固结理论都得到了长足的发展，并且能很好地解决大多数工程中的实际问题一 t e r z a g h i 关于饱和土一维固结的经典理论，是将饱和土的本构方程与流动定律结合了起来，借助士 性指标体积压缩系数l 1 。，用本构方程描述应力状态同土结构变形之间豹关系。y e r z a g h 提出用有效 应力b 一。1 作为应力变量来描述饱和土的性状，用d a r c y 定律来计算固结过程中水的流动速率。利用 饱和士的连续条件( 土单元的体积变化等于单元中水的体积变化) ，得到饱和土的一维固结方程。 r e n d u l i c ( 1 9 3 5 ) 将t e r z a g h i 固结理论推广n - 维和三维的情况，提出了t e r z a g h i - - r e n d u l i c 固结理论， 其周结控制方程也称为扩散方程，在固结方程中假定了土体平均总应力保持不变，分别计算其孔隙水压 力消散和土骨架变形。 1 9 4 1 年，b i o t 建立了更为完整合理的固结方程。在一维条件下，其方程与t e r z a g h i - - r e n d u l i c 扩散 方程是一致的，但在二维和三维情况下是不同的，存在以下差别：b i o t 固结方程考虑了土体固结过程中 f l n 水压力与土骨架变形之间的耦台作用，但是只有采用级数和积分变换方法对于少数简单的边值问题 b i o t 固结理论才有理论解析解，一股情况下需要采用数值解法。 g i b s 。n 等( 1 9 6 7 ) 采用了一种全新的坐标固相物质坐标z ，综合土体平衡条件、流量平衡条 件、d a r c v 定律和有效应力原理提出了以孔隙比e 为变量的一维大变形固结方程： 5 东南大学硕士学位论文 ，怯牌兰【耥譬外 t ， 式中：当坐标方向与重力方向相反时取负号； 几，y 。分别是士体的固相、液相重度； k 十体的渗透系数，为孔隙比的函数； o - 有效应力，为孔隙比的函数： 卜时间。 由于上式对土体的应力应变关系、渗透性、土体厚度变化的大小以及土体自重的影响都投有限制，因 此应该说是一维固结方程的通式。 当假定小应变时，如采用线弹性应力一应变关系并假定渗透系数k 在固结过程中不变，方程( 卜1 ) 就退化为t e r z a 曲i 维固结方程：如果不考虑土体自重的影响，同时引入e i o g c r 。的关系，并假定 生! ! l 旦生= 恒量，则可以得到d a v i s & r a y m o n d ( 1 9 6 5 ) 的关于非线性小应变的固结方程。 ，。( 1 + p ) d e 由于地质条件及沉积作用，实际的固结土层并非是均质的而是成层分布的，对成层地基进行固结计 算时最初是运用简化的方法( 如加权固结系数法) ，但计算结果与实际往往存在着一定的误差，因此成 层地基周结问题的研究得以深入和发展。自g r a y 首先提出双层地基一维固结理论以来，已有不少学者 致力于层状地基一维固结理论的研究。r o b e r tl s c h i f f m a n 等解答了具有一系列边界条件和复杂应力历 史的成层地基固结问题。成层地基的基本固结方程及边界条件可描述为： 周结方挥： 1 c 3 t 。c w 层问连续性条 边界条件 堕+ 8 q ( t ) ( 1 2 ) - 1 - 一 7 o z 2 a ， 件。，粤= 女+ 1 1 警旦 出、+ 出 z = o ：1 3 1 = 0 ： z = h ： u n = 0 ( 底面排水) ；挚：0 ( 底面不排水) 出 刑变荷载情形，谢康和、潘秋元”垸整地给出了任意层地基一维固结问题的解析解。此后，罗嗣海 2 ”探讨了层状地基一维和多维固结的计算方法，并以双层地基为例探讨层状地基固结的一些特性，比较 分析了常用的简化计算方法。针对成层粘弹性地基模型，蓝柳和与谢康和口1 1 建立了成层地基的一维周结 方程，并运用半解析方法进行求解： 等警= 箍+ f 掣e 争“d 刁 式中：口是竖向有效应力； 毛，e 1 ，叩分别是模型参数( 见图1 - 1 ) u ( z n 是土层中的超静孔压； k ，为竖向渗透系数； 几为水的容重： 下标j 表示任意土层。 e 随后，谢康和、郑辉、李冰河和刘兴旺 图1 - i 成层地基一维固结模型 2 2 1 首次将e l o g l o o - 1 和e l o g ! o k 关系引 6 第一章研究现状 入成层地基固结方程中，建立能综合考虑荷载、土的成层性和自重等因素影响的固结控制方程，运用半 解析解法对成层地基进行非线性分析。其固结方程为： 古善卜 詈广等卜酉蒜( 警一鲁 1 3 双层地基的研究进展 晟初所研究的双层地基是由天然硬壳层和下卧软土层构成的，其中天然硬壳层厚度般较薄。近来， 双层地基理论被运用到水泥土搅拌桩处理后的深厚软土地基中，这时双层地基的上层和下层分别是加固 层和下卧软土层。加固层厚度般8 2 0 米，加固土层物理及力学性质属于各向异性，其应力分布、固 结沉降及承载力计算等与单层均质地基存在很大不同，与天然硬壳层也有差别，并且下卧层的变形和强 度特性也总是影响着上部结构物的使用要求，因此在设计和计算中引起了人们的广泛重视。 到目前为l e ，国内外学者主要从以下几个方面展开了深入研究： 1 ) 双层地基的固结问题： 双层地基是水平层状地基，t e r z a g h i 雏固结理论不能直接应用，需建立双层地基的固结方程来解 决其同结问题。 自1 9 4 5 年hg r a y 2 3 给出了瞬时加荷情况下双层地基一维固结解析解以来，国内外学者纷纷就类似 的固结模型以及币同的边界条件展开了研究。首先，s c h i f f m a nrl 等”“通过引申经典的t e r z a g h i 固结 理论来模拟成层体系，针对一系列边界条件和复杂应力历史给出了成层地基固结问题的解答，应该说是 h g r a b , 研究的深入与推广。谢康和等”“【2 “通过研究双层地基一维固结的问题，给出荷载随时间任意变 化及起始孔压沿深度任意分布情况下双层地基一维固结解答，讨论了双层地基一维固结特性并为双层 地基平均固结度的实际计算提供了图表。此外他们还分析了根据沉降定义和根据平均孔压定义计算双层 地基平均固结度的区别，从而使双层地基固结理论的研究趋于完善。 此后，罗嗣海1 探讨了层状地基一维和多维固结的计算方法，以双层地基为例分析层状地基固结的 若干特性，同时对常用的简化计算法进行比较和分析。陈善明、陈云敏和吴世明( 1 9 9 8 ) p “修改了传统 的双层地基一维固结模式，用一个非均质的复合土体代替水泥土搅拌桩处理后的加固层，研究了软土地 基经水泥土搅拌桩加固后形成的加固层和下卧层的固结特性。i cp y r a h ( 1 9 9 8 ) 采用3 种方法分析具有 相同固结系数但却有不同压缩性和渗透性的双层土体的一维固结性质，证明采用基于固结系数m 。和渗透 系数k 来求解的方法具有合理性。李志( 2 0 0 2 ) 等比较了在变荷载下双层地基的理论解与平均指标法的 近似解，探讨了由这两种方法在分析水泥土搅拌桩形成的双层地基固结计算的适用性。 以上关于双层地基固结问题的研究虽然可以得到解析解，但是往往需要解答复杂的超越方程，结果 给计算分析和工程运用带来诸多的不便。而双层地基固结理论研究的另一个途径，是经过l a p l a c e 变换 求其固结方程的通解，在一些近似假设下可以求得其固结问题的解析解，但对于一般的情形l a p l a c e 逆 变换需借助数值方法来求解。杨峻、蔡袁强和吴世明”基于t e r z a g h i 假设，利用l a p l a c e 变换对循环 荷载作用下双层地基的一维固结进行了研究，推导出任意荷载下一维固结方程的通解。 2 ) 有限元法解双层地基 双层地基固结问题的解析解一般都是附加了诸多的简化条件得到的，只要边界条件、初始条件或加 荷曲线变得稍微复杂，其解析解就很难得到，于是此问题的数值解法就应运而生了，并且随着计算机技 术的不断更新也愈加得到人们的欢迎。 双层地基上层是加固区，下层是未加固区即软弱土层。一种分析方法是，将加固区和未加固区视为 两种不同的均质体，加固区当作复合土体来考虑，未加固区视为一般的天然地基土。比如刘林曾将这 问题当作平面应变问题分析，对水泥土搅拌桩复合地基以双层地基模式进行有限元计算。另一种分析 方法是，将加固区视为由桩和土二相组成的各向异性的复台材料，通过恰当的方式建立反映复合地基整 体特性的本构方程，在此基础上采用数值方法求解。例如杨涛和殷宗泽建议的在平面应变条件下复合本 构有限元法，利用桩土界面处的力的平衡和竖向变形协调条件建立复合地基本构方程。 变塑查兰堡主兰垡堡壅 。些黏i 巷涵号萼i ? 1 望整翌三堡謇例的有限元分析和离心模型试验，研究了含有软弱下卧层的双层地 萋赞誊鬈譬差l 曼墨土层厚度及模量对变形沉降的影响，为双层地基强度、沉降变形箍鸯磊五囊磊萏蒜 度的估算提供了依据。 。 3 ) 双层地基的附加应力分布 。挚芋望章面掌犁荷载作用时，地基内要产生竖向和水平向附加应力，进而引起地基的沉降变形。地 基申咧加应力分布的计算有许多简化的方法，最常见的方法有：沿深度均匀分布、沿深度线性分希和沿 深度依某函数分布等。而实际上，附加应力沿深度的分布是极其复杂的，许多学者也曾展开过深入的薪 对于非均质单层地基，格利菲斯提出了弹性体受点荷载作用时的竖向附加应力公式： 口：墼c 吖“0 。 2 n z 2( 1 5 ) 而b o u s s i n e s q 研究均质体时，发现v = 3 ，于是提出了著名的b o u s s i n e s q 方程式： 口：= 等c o s 5 扫 ( i 6 ) 2 m 。 7 双层地基也不例外，承受荷载时应力分布是随深度变化着的。对条形分布下的荷载，依据b o u s s i n e s q 坐空间内任意点处应力和位移的弹性力学解答嘲，可得竖向附加应力分量盯；： 口：= k 。p o ( 1 7 ) 4 m ( 4 n 2 4 搬2 1 ) 一1 ) 2 + 1 6 m 2l f 4 n 2 + 4 m 2 依据此公式，可计算不同深度处地基的竖向附加应力。对平面应变条件下的饱和粘性土来说，在施工加 荷的瞬司土体中的体积应变增量为零，因此土中平均有效应力增量d 盯：= 0 ，故由有效应力原理得： “i 。= f 。( z ，z ) i 1 ( 口；+ 口：) 0 - 8 ) 对于瞬时加荷的情形，可依照上式求得附加应力在各深度处的分布。但对于双层地基来说，上层和 下层士体的性质是不同的，荷载由上层向下层传递过程中会产生荷载扩散效应，如果依然按照单层均质 地基的方法来求得其附加应力，势必会带来较大的误差。就上层是加固层下层为t i l l - 软土层的双层地基 而言，可运用叶戈罗夫、马尔古勒等学者提出的双层地基交界面上应力计算式计算双层地基的附加应力， 其公式过于复杂。宋文刚等9 在此基础上推导出地基交界面上以及地基内任一点竖向附加应力盯近似 计算式 口：瞍1 挣( c 删( 7 ) r ve 1 3 盯：( 均1 盯：。上，= ( 卜一云 a ：。均，+ 云a ：。交， = ( ，一辨矿b 如 她a 纳，= ；pc o s 2 脚挚= 等慨一届+ o s s t n ( 2 , b ：) - 0 5s i n ( z 届) 届c 喀半；压一啦半； 卢= ；岛+ 去。屈1 + 屈) ； 8 ( 1 - 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 坚抽 蛐盯 鲁争 n i | 渤 胛 一 旧 一 ； ，一f三6 = = k m 其 第一章研究现状 埘= 35 + s i n 2 鼠) ； 一 r i = 一】，f 垒 v = 3 ，兰o 3 5y ： ye b 是路堤宽度； z 是计算点深度； x 是计算点的水平位置； p 。是荷载值，k p a ： h 、是加固层厚度。 上式中交界面应力及沿深度分布的应力均考虑到了上下层的模量值，故不失为一种较切合实际的计 算方法。 而在数值计算中，王杰光”利用传递矩阵法对分层地基中的应力分布进行推导，得出地基中应力集 中或应力扩散与土体的变形模量及泊松比的关系，并且给出双层地基在圆形均布荷载、条形均布荷载和 矩形均布荷载三种荷载分布形式作用下，中心轴线上和角点下分层界面处的应力函数。而杨果林”“以大 量的室内模型试验数据为基础，揭示了含下卧软土层的双层地基的变形特性、承载特性、界面附加应力 分布规律及荷载一变形一时间的关系。柯瀚等利用文克尔地基模型并考虑桩底支承条件，研究双层地基 在瑞利波作用下桩土的竖向共同作用，探讨了下卧层剪切波速、速率、桩土模量比及桩底支承条件对桩 竖向位移和应力的影响。应齐明i “1 则阐述沉降计算中地基应力的计算理论，介绍了运用双层地基法计算 地基附加应力。 4 ) 双层地基承载力及破坏模式 对双层地基进行勘查设计时，往往会分层给出地基土的容许承载力，并经过地基变形和下卧层强度 验算后提供复合地基的容许承载力。实际上，也可以运用双层地基模型确定双层地基的承载力及破坏模 式。 徐超、高大钊、凯霞”5 1 通过对比分析层状地基承载力的计算方法，采用对地基土性指标按地基破坏 剪切线( 面) 长度加权平均的方法，建立了双层地基承载力的计算模式。 谢树彬i 通过假定下卧软土及上覆硬壳层的不排水抗剪强度随深度变化，推导出双层地基上路堤的 稳定性分析式，进而对剪切面滑动条件、滑弧下切深度及双层地基承载力进行分析与讨论。 9 末南大学硕士学位论文 第二章连云港海相软土试验研究 连云港地区软土是海相淤泥和淤泥质土，具有高塑性、高含水量、高压缩性、高孔隙比、低强度等 特点。由于存在不同的矿物成分并受沉积作用的影响，土颗粒表现出明显的结构性。 土的结构性是土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。结构性土体 在固结变形的过程中具有结构屈服应力。土的结构性的形成原因包括内因和外因。就其内因而言。土的 物质成分对结构性的影响尤其明显：其次是土沉积过程的影响比较典型的例子是土沉积过程对原状 土体的影响。原状土体一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型【2 】。絮状结构的土体一般 会