（地质资源与工程专业论文）南沙软土地基处理综合研究.pdf

中南大学博士论文 摘要 摘要 ： 南沙作为国家级经济技术开发区，在南沙房建、城市道路、高速 公路、地铁四号线以及南沙港的施工过程中，深厚的淤泥或淤泥质软 土层如何处理一直是需要解决的重要难题。本文在大量试验和工程实 例基础上，对南沙软土力学特性和工程特性、软基处理方案优选、软 土固结度的设计计算、软土沉降预测与计算进行了系统的分析和研 究。 通过大量的静力触探试验、十字板剪切试验以及土工试验，对南 沙地区软土进行了分析研究，总结了南沙软土的力学特性和工程特 性。结合多项工程的试验数据，通过统计图表，分析和讨论了南沙软 土的塑性和稠度特征，以及含水量、孔隙比与其他物理力学指标之间 的关系。 在详细介绍层次分析法对多目标决策问题进行分析的理论的基 础上，结合软土地基处理的实际情况，将模糊理论和层次分析法二者 相结合，构建了软基的影响因素层次分析树，对评语隶属度的选用进 行了分析，建立软基处理方案优选的多层次分析综合模糊评判模型。 运用专家咨询法系统地分析了影响软基处理效果的因素如工程地质 条件( 包括软土厚度、软土性质等因素) 、施工条件( 包括工期、材料、 施工机械) 和环境保护要求等，建立了因素权值表。并通过广州番禺 大学城、南沙经济技术开发区和珠海电厂三个大面积软土地基处理工 程实例的具体计算，证明了该模型可以对软基处理方案提供科学合理 的决策。 在太沙基一维固结理论的基础上，对瞬时加荷条件下，单向固结 排水情形和三向排水固结的轴对称问题进行详细的讨论和理论计算， 给出了径向排水体、竖向排水体以及总固结度的计算公式。利用改进 的太沙基法和改进的高木俊介法，讨论了分级等速加载时地基固结度 的修正计算方法，给出了不同条件下的固结度计算的理论公式，并对 影响砂井固结度的几个因素进行了讨论。结合南沙大面积软基处理工 程实例，对排水固结法中地基总沉降量的计算，塑料排水板的设计计 算以及平均固结度的计算进行详细的分析与讨论。 根据工程实例的现场监测数据，作出了相应的浅层沉降、深层沉 降、分层沉降、孔隙水压力以及地下水位的曲线图，并对沉降观测数 据与图表进行详细的分析与讨论。同时应用指数曲线模型和双曲线模 中南大学博士论文 摘要 型对沉降观测数据进行最终沉降量的预测，讨论了两者的适用性和局 限性。 针对分级加载时，沉降曲线呈现“台阶状”的情形，提出了修正 的指数曲线模型。该修正模型能很好地反映实测的曲线，有效地模拟 原有实测曲线的台阶，同时考虑了瞬时沉降的影响。该方法不但能预 测地基的最终沉降量，还能对地基的固结沉降进行很好的拟合与预 测，解决了其他模型不能对分级加载，以及产生“台阶状的沉降曲 线进行预测的局限性，有利于在工程实践中进行推广应用。 本文通过现场试验、理论分析计算和工程实例应用，得到了对实 际工程有一定指导意义的一些结论，对南沙开发区的软基处理具有一 定的借鉴作用和较大的推广应用价值。 关键词：南沙开发区，软土地基处理，固结，沉降，指数曲线模型， 双曲线模型，多层次分析综合模糊评判模型 中南大学博士论文 a b s t r a c t j i i i 皇昌詈! 暑詈昌昌墨皇喜= 昌喜篁詈皇皇量置皇詈暑暑詈墨暑詈| 詈量詈詈葛皇暑詈詈鼍昌墨鼍置署詈詈昌量置鼻詈置詈皇暑墨墨墨暑詈詈詈詈詈! 詈鼍皇鼍皇皇喜暑兽暑篁詈皇 a bs t r a c t a st h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta r e a , t h em o s ti m p o r t a n t p r o b l e mn e e dt os o l v ei sh o w t ot r e a tw i t ht h ep r o f o u n ds i l ta n ds o f tc l a y l a y e r si nn a n s h aa r e a , w h e nw ec o n s t r u c tb u i l d i n g ，c i t yr o a d ，f r e e w a y ， u n d e r g r o u n df o u r t hl i n e b a s e do nal o to ft e s td a t aa n dp r o j e c te x a m p l e s ， t h em e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co fn a n s h as o f tc l a y ，h o wt o c h o o s et h eb e s tt r e a t m e n ts c h e m e ，t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no f c o n s o l i d a t i o nd e g r e e ，t h ee s t i m a l ：i o na n dc a l c u l a t i o no fs e t t l e m e n th a v e b e e na n a l y z e da n dd e b a t e di nt h i sa r t i c l e t h em e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co fn a n s h as o f tc l a y h a v eb e e ns u m m a r i z e dt h o u g hal o to fs t a t i ce x p l o r et e s t , v a n ec u tt e s t a n ds o i lt e s t w i t ht h et e s td a t ao fs e v e r a le n g i n e e r i n g ，c o r r e l a t i o n s b e t w e e ne a c hp h y s i c sm e c h a n i c si n d e xw i t ht h es t a t i s t i c a lc h a r t sh a v e b e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e d f u z z ym a t h e m a t i c sa n d 艘t h e o r i e sh a v eb e e ni n t r o d u c e d 。w h i c h r e s e a r c hn o n q u a n t i t a t i v ea n a l y s i st h e o r i e s u s i n gt h ef u z z ym a t h e m a t i c s a n d 御t h e o r i e s ，t h e 仃e eo fa f f e c tf a c t o rb ya h ph a sb e e nf o u n d ，t h e c h o o s eo fc o m m e n ts u b j e c t i o nd e g r e eh a sb e e na n a l y z e d ，t h em u l t i 1 e v e l a n a l y s i ss y n t h e t i cf u z z ye v a l u a t i o nm o d e lh a sb e e nb u i l t a p p l y i n gt h e e x p e r tc o n s u l tm e t h o dd e a lw i t ht h ef a c t o r s ，w h i c hh a v et h eb i g i n f l u e n c et ot h es o f tg r o u n dt r e a t m e n tp r o j e c t ，s u c ha st h ee n g i n e e r i n g g e o l o g y ( i n c l u d es o f ts o i lt h i c k n e s s ，s o rs o i lk i n d s ，e t c ) ，t h et a b l eo f f a c t o rp o w e rh a sb e e ns e tu p t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no ft h r e eb i ga r e a s o f tg r o u n di nt h ep a n y u u n i v e r s i t yc i t yo fg u a n g z h o u ，n a n s h ae c o n o m i c d e v e l o p m e n ta r e aa n dz h u h a ip o w e rs t a t i o n ，e x p r e s st h a tt h i sm o d e lc a n p r o v i d et h er e a s o n a b l ed e c i s i o nf o rt h eb i ga r e as o f tg r o u n dp r o j e c t ba s e do nt h et e r z a g h ic o n s o l i d a t i o nt h e o r y , 砀ec a l c u l a t i n gf o r m u l a o fd e g r e e do fc o n s o l i d a t i o no fs a t u r a t i o ns o f tc l a yh a sb e e nd e d u c e da n d d i s c u s s e dd e t a i l e d l yw h e nt h em o d eo fp r e l o a d i n gi si n s t a n t a n e o u so r c l a s s i j e i c a t i o n as e r i e so fc a l c u l a t i n gt h e o r i e sf o r m u l aa r eg i v e nw i m d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s u c ha sr a d i a la n dv e r t i c a l d r a i n a g e ，t o t a l c o n s o l i d a t i o n d e g r e e a f e wf a c t o r st h a ta f f e c tt h e d e g r e e d o f c o n s o l i d a t i o no fs a n dw e l lh a v eb e e nd i s c u s s e d w i t ht h es o rf o u n d a t i o n i i l 中南大学博士论文a b s t r a c t i - 自目l _ l | e = e l e l = = 目_ _ _ _ e _ - - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ - 自_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - l l l _ _ - _ _ _ i _ _ _ l l - 自鼍自目e = 0 自_ t r e a t m e n te x a m p l eo fb i ga r e ai nn a n s h a , t h ec a l c u l a t i o no ft h et o t a l s e t t l e m e n to fg r o u n d ，d e s i g nc a l c u l a t i o no ft h ep l a s t i c sd r a i n s ，a n d a v e r a g ec a l c u l a t i o no ft h ed e g r e eo fc o n s o l i d a t i o nh a v eb e e na n a l y z e d a n dd i s c u s s e d d e t a i l e d l y w i t ht h em o n i t o rd a t ao f e x a m p l e ，al o to fc u r v ed i a g r a m sh a v eb e e n d r a w na n da n a l y z e do ft h es e t t l e m e n to fs h a l l o wl a y e r s ，d e 印l a y e r s ， l a y e r e d ，a n dt h eh o l ew a t e rp r e s s u r e ，u n d e r g r o u n dw a t e rl e v e l 晰t l lt h e m o n i t o rd a t ao fe x a m p l e ，t h ei n d e xc u r v em o d e la n dt h eh y p e r b o l ac u r v e m o d e lh a v e b e e na p p l i e dt oe s t i m a t et h et o t a ls e t t l e m e n ta n dl a s t s e t t l e m e n t ，n l et w om o d e l sh a v et h e i ra p p l i c a b i l i t ya n dl i m i t i th a sb e e n p r o v e dt h a tt h ei n d e xc u r v em o d e li sm o r ea c c u r a t et h a nt h eh y p e r b o l a c u r v em o d e li nt h ea s p e c t so fp r e d i c t i n gt h et o t a ls e t t l e m e n ta n dc u r v e m a t c h 砀em o d i f i e di n d e xc u r v em o d e lh a sb e e nc a r d e du pw h e nt h e s e t t l e m e n tc u r v ep r e s e n t t h es t e pf o r m w i 血c l a s s i f i c a t i o np r e l o a d i n g w i t ha ne x a m p l e ，i tp r o v e st h a tm a k i n gu s eo ft h em o d i f i e dm o d e lc a n s i m u l a t et h es t 印o ft h es e t t l e m e n tc u r v e ，r e f l e c tt i m ea n dp r o c e s s e so f p r e l o a d i n g ，j u s tt os a yi ti sg o o dw i t h t h es t e pf o r m a sw e l la st h et r u e s e t t l e m e n tc u r v e t h ee f f e c to fi n s t a n t a n e o u ss e t t l e m e n th a sb e e nt a k e n i n t oa c c o u n t 。乃em o d i f i e dm o d e li sag o o dm o d e lt oe s t i m a t et ot h e g r o u n ds e t t l e m e n t t 1 1 i sm o d e l c a ns o l v et h ep r o b l e mw h e no t h e rm o d e l s a r eu s e l e s sf o re s t i m a t i o nt h es e t t l e m e n to fc l a s s i f i c a t i o np r e l o a d i n g s e v e r a lc o n c l u s i o nh a v eb e e ng a i n e db a s e do nt h el o c a lt e s t ，t h e o r y c a l c u l a t i o na n dp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，w h i c hw e r eu s ef o r t h ep r o j e c t ， e s p e c i a l l yw e r eu s ef o rr e f e r e n c ea n dh a v ee x t e n dv a l u ei nn a n s h as o i l f o u n d a t i o nt r e a t m e n t k e yw o r d s ：n a n s h ae c o n o m i cd e v e l o p m e n ta r e a ，s o i lf o u n d a t i o n t r e a t m e n t ，c o n s o l i d a t i o n ，s e t t l e m e n t ，i n d e xc u r v em o d e l ，h y p e r b o l ac u r v e m o d e l ，m u l t i l e v e la n a l y s i ss y n t h e t i cf u z z ye v a l u a t i o nm o d e l i v 中南大学博士论文第一章绪论 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 改革开放以来，广州和全国一样，各项经济建设都得到突飞猛进的发展，各 种大型市政交通工程、大型建筑群不断涌现，广州市的区域范围迅速向南伸延、 向北拓展、向东扩宽，形成一个“南延、北拓、东扩、西联 的比翼齐飞的局面 j 。广州向南延伸，向南沙发展，遇到的最大难题就是软土地基问题。 从南沙开发区的区域位置来分析，由于南沙开发区处于珠江的入海口，开发 区内的土地很多属于新近淤积带，部分土地属于围海造地所形成的冲填土。南沙 开发区内的很多道路，码头，厂区都是建在新淤或新冲填的地面上，很多自身固 结尚未完成，加上新填土及人工建筑或使用超载的重量，因此场地土体肯定会产 生再固结，不加处理，必然引起数量以米计的地面沉降，影响建筑物( 构筑物) 的使用功能。如何充分系统了解南沙开发区内的软土特性，是地基处理和工程施 工前的重要课题。 对于大面积的软土地基处理，所采用的方案很多，如何选择工程质量可靠、 工期短、投资少、见效快的设计施工方案具有很现实的意义。我国有关软基处理 设计施工的研究文章大量涌现，软基处理的方法和手段也越来越成熟，但是还存 在着一些问题：( 1 ) 实例研究多，系统研究少。从查阅文献看，单个实例分析报 告多，系统性的理论与实践研究不足。( 2 ) 软土地基的处理方法很多且各有特点， 国p q # l - 研究的学者和相关的资料很丰富，主要是针对公路路堤软基处理方法研究 资料较多，而对大面积软基处理方面的资料很少见到。( 3 ) 对软土地基处理方案 的决策分析研究不够，目前还基本依靠个人经验决定，没有一个科学系统的选型 方法，由于个人经验的局限性和岩土工程的地域性特征很强导致方法错误，这样 在经济上往往造成严重损失，而且达不到预期处理效果。 另一方面软土固结沉降问题多属于三维课题，且实际土层情况又很复杂，因 此在软土地基施工过程，利用实测资料来推算后期沉降具有重要意义。目前，对 沉降进行计算和预测的方法归纳起来主要有经验公式法2 3 4 1 、a s a o k a 法“1 、人 工神经网络法阳 田、灰色理论法n 1 等等。针对具体工程实例，采用哪种沉降预 测模型对工程施工有重要的指导意义。 针对南沙特殊的软土地基，对其软土的物理力学特性和工程特性，软土地基 处理方案优选，以及软土固结沉降设计计算进行系统的理论研究和现场试验具有 重大的现实意义和工程价值。 中南大学博士论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 软基处理方案优选研究现状 软土地基处理的费用是巨大的，因此需要对软基处理方案从技术和经济上进 行对比分析，最后优选得出最佳方案。加强地基处理方案的决策分析研究，使决 策方法变得数值化、科学化具有重要的意义。在这方面，近年来取得了不少新的 进展，研究人员先后提出了新的地基处理决策新方法，如评分优化法，模糊评判 法，层次分析法以及地基处理智能辅助设计系统等等。 ( 1 ) 评分优化法【1 0 1 1 1 。评分优化法就是选择合理的指标体系，根据专家评 分来决定最优方案的一种系统工程方法。用评分优化法选择软基处理最优方案， 所选常见指标包括工程造价、施工工期、施工技术可靠性、施工复杂程度、对公 害的影响大小等等。评分标准通常采用很低、低、一般、高、很高，很简单、简 单、一般、复杂、很复杂等，在考虑各指标的影响权重后，选择综合分值最高的 方法作为软基处理方法。 ( 2 ) 模糊评价法【1 2 1 3 】。模糊数学从二十世纪六十年代诞生至今已有近四十 年的历史，刚诞生的几年里进展相当缓慢，进入二十世纪七十年代后，模糊集合 的概念被越来越多的人所接受，这方面的理论研究工作迅速发展起来。模糊评价 是应用模糊数学理论对系统进行综合评价的一种方法，即根据给出的评价标准和 实测值，经过模糊变换后对事物作出评价，这种方法将不确定的信息用定量的方 法加以处理，变定性决策为定量决策，增加判断的直观性和准确性。 ( 3 ) 层次分析、法【1 4 1 5 1 。层次分析法是系统工程中的一种决策方法，它首先 把问题层次化，然后根据问题的性质和要求达到的总目标，将问题分解为不同的 组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将不同层次聚集组合，形 成一个层次梯阶模型，并最终把系统分析归结为最低层( 方案层) 相对最高层( 目标 层) 的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排列问题，从而选出最优方案。 ( 4 ) 地基处理智能辅助设计系统。专家系统是计算机应用中具有吸引力的 领域之一，目前在岩土工程中建成的系统主要有：挡土墙设计专家系统、独立基 础设计专家系统、桩基方法选择系统及智能型基础工程计算机辅助设计系统等。 1 2 2 软土固结理论的研究现状 ( 1 ) 经典固结理论 1 9 2 3 年，r e r z a g h i 发表了著名的论文粘土中动水应力的消散计算b 6 ，提 出了土体一维固结理论，接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理m ，从 而建立其- - n 独立的学科一土力学。之后固结理论一直是土力学的主要研究课 题之一。经过八十多年的研究，固结理论得到了不断的发展与完善。 t e r z a g h i t l s 】表述的是一维线弹性固结理论，其假定条件如下：土体为均匀连 2 中南大学博士论文第一章绪论 续各向同性的线弹性体；土体是完全饱和的；土颗粒和土中水是不可压缩的；土 体的压缩和孔隙水的挤出只发生在同一个方向；土中水的流动服从d a r c y 层流定 律；在固结过程中，渗透系数和压缩系数都是常数。在以上假设的基础上t e r z a g h i 导出了单向固结基本微分方程和在单向固结初始条件和边界条件，并求出了解析 解及固结度计算公式。 t e r z a g h i 一维固结理论的推出，极大地促进了土力学理论的发展，强有力的 指导了土工建筑物的设计与施工。此后，r e n d u l i c ( 1 9 3 6 年) 1 1 9 1 又将t e r z a g h i 的一维固结理论推广到二维和三维情况，得出t e 亿a g b j r e n d u l i c 固结理论。它 是在总应力保持不变的假设下建立的，由于它忽略了变形协调条件对固结过程中 总应力的影响，不能解释m a n d e l c r y e r 效应( 在固结初期，球心附近的超静水 压力不但没有下降，反而持续上升到其初始值以上，这种现象称为m a n d e l c r y e r 效应) 。在多维问题中，所获结果也是近似的，严格的说，这种三维固结方程只 能用于求解土体的竖向变形，因此通常称之为“准三维圃结理论 。 1 9 3 5 年到1 9 4 2 年之间r e n d u l i c ，k j e l l m a n , c a r r i l l o ，b a r t o n 等在t e r z a g h i 单向 固结理论的基础上，分别独自提出了仅考虑径向渗流且砂井排水能力为无限大的 理想井固结理论，但以b a r r o n 的应用最为广泛 2 0 l 。1 9 4 2 年c a r r i l l o 从数学上证 明：多向渗流时孔隙水压力比等于各单向渗流时孔隙水压力比的乘积。应用这一 理论，可简化多维固结计算。1 9 4 8 年b a r t o n 建立了轴对称圃结微分方程并导出 了其解析解l z l l 。 1 9 4 1 年b i o t 根据有效应力原理，线弹性、小变形、渗流符合d a r c y 定律等 假设，并考虑了土骨架和孔隙水的相互作用，不作固结过程中总应力为常量的假 设，建立严格的三维固结理论网。因为b i o t 摒弃了t e r z a g h i 关于总应力不变的 假设，考虑了变形协调条件对固结过程中总应力的影响，能够解释m a n d e l c r y e r 效应，比t e r z a g h i r e n d u l i c 三维固结理论更符合实际，故称为“真三维固结理 论 。如果在b i o t 三维固结理论中增加总应力不变的假设，则固结微分方程退化 为t e r z a g h i r e n d _ u l i c 三维固结方程，说明t e r z a g h i 固结理论是b i o t 固结理论的 特例。1 9 5 6 年，b i o t 又把这一理论推广到动力问题【2 3 】，标志着理想弹性饱和水多 孔介质固结变形理论基本框架的完成。 ( 2 ) 固结理论的改进和发展 经典固结理论引入了过多的假设，即使是b l o t 固结理论也不例外，这些假 设使数学模型的建立和方程的求解得以简化，但理想化的假设与实际情况有时候 相去甚远，计算结果也不能令人满意。所以经典固结理论从提出之后，就得到不 断的改进和完善。 固结理论的发展可粗略地分为两个方向，一个方向是逐渐取消经典固结理论 3 中南大学博士论文 第一章绪论 关于土体材料的均质线性假设，发展了非线性固结理论；另一个方向是取消小应 变假设，考虑固结变形的几何非线性，发展了变形固结理论。 非线性固结的研究始于上世纪6 0 年代，s c h i f f m a n 和g i b s o n ( 1 9 6 4 年) 阴】， a b b o t t ( 1 9 6 0 年) 瞄】等曾处理性质随深度而变的不均匀土和成层土的固结问题； h a n s b o ( 1 9 6 0 年) 【2 6 】，b a r d e n 和b e r r y ( 1 9 6 5 年) 【2 刀利用修正形式的d a r c y 定 律推导固结方程；d a v i s 和r a y m o n d ( 1 9 6 5 年) 【2 s 】，b a r d e n 和b e r r y 提出透水 性和压缩性变化的小应变理论；g i b s o n 和l 0 ( 1 9 6 1 年) 2 9 1 ，b a r d e n ( 1 9 6 5 年) 【3 0 】，p o s k i t t ( 1 9 7 1 年) 【3 l 】，g a r l a n g e r ( 1 9 7 2 年) 阎研究了固结的次时间效应。 h a w l e y ( 1 9 7 3 年) 【3 3 】将土的主，次固结过程作为统一的固结过程来研究，提出 统一固结理论。m e s d 和r o k h s a r ( 1 9 7 4 年) 3 4 1 研究了同时考虑压缩性、透水 性随固结变化，l 临界压力和次固结影响的一维固结模型。m a g n a n ( 1 9 7 9 年) 提 出同时考虑土的成层性e 、c v 和k 随o ，的变化，次固结和非饱和状态等的一 维固结模型。 b i o t 三维固结理论由于求解的困难，一直被柬之高阁。从上世纪6 0 年代末 起有限单元法被用于求解b i o t 固结理论，终于使该理论在冷落了近三十年后重 新引起人们的注意【3 5 j 。同时期土的本构关系研究也取得了很大的成果，提出了数 以百计的各种土的本构关系，其中以d u n c a n - c h a n g 模型为代表的非线性模型， 以c a m b r i d g e c l a y 模型为代表的弹塑性模型，以及一些粘弹性、粘塑性、粘弹 塑性和损伤力学模型在工程实践中得到广泛的应用。在b i o t 固结理论的增量有 限元分析中引入这些复杂的本构模型，考虑土的材料非线性等因素的影响，以更 好地反映工程实际，使近3 0 多年b i o t 固结理论发展和应用的主要方向。 ( 3 ) 固结理论的其他发展 由于土体材料的不均匀性及测试方法的影响，土的参数是不确定的，是属于 某分布的随机变量。同时土的固结过程各种影响因素也是不确定的，因而固结过 程是一个随机过程，近年来，固结的概率分析也有一定发展p 6 3 7 3 扪。 非饱和土的研究从上世纪3 0 年代就开始了，但由于难度大，进展缓慢。上 世纪7 0 年代净应力和吸力双变量理论的确立标志着非饱和土力学的研究逐步趋 向于成熟。上世纪9 0 年代建立了非饱和土固结理论，形成非饱和土固结的初步 理论框架。非饱和土固结研究将是今后一二十年固结理论研究的主要方向【3 9 。 伍栩仪【4 0 】在软粘土固结微观结构研究基础上，用相变模式解释软粘土主固 结阶段宏观孔隙压缩沉降与微观孔隙周结沉降，并建立了一个一维固结沉降计算 理论公式，其成果已被国内外广泛认可。 关于土的微观结构研究，是近年来岩土工程研究的热点之一，软粘土固结过 程中的微结构效应的研究也有报道【4 1 】。 4 中南大学博士论文第一章绪论 此外一些非力学模型也用于模拟软土固结沉降，主要有灰色系统理论模型 1 4 2 ，泊松旋回模型，蒙特卡罗法【4 3 】等概率统计模型。这些方法目前主要用于 因过量抽水等引起的大面积地面沉降的模拟与预测。 ( 4 ) 固结理论的求解方法 固结理论提出初期一般用解析法获得精确解或近似解，并绘制图表等以供查 对。直到现在解析方法仍是研究固结理论的主要方法之一。但由于固结微分方程、 边界条件和初始条件自身的复杂性，多数情况下无法得到解析解，是解析法的应 用受到很大的限制。 随着电子计算机和数值分析方法的发展，数值方法在固结研究中得到应用。 固结分析数值方法主要有3 种，即有限差分法、有限单元法和边界元法 8 5 、8 6 。 有限差分法是固结分析中最早使用的数值方法，差分法的基本思想是用差分网格 离散求解域，用差分公式将微分方程转化为差分方程，结合初始条件和边界条件， 求解线性方程组。有限差分法比较直观，易于编程，至今仍被广泛应用。有限单 元法分析固结问题是将求解域离散成有限个适当的单元，通过变分法或加权残数 法建立有限元方程，然后结合初始和边界条件求解线性方程组而得到问题的解。 有限单元法以其适应性强，能够方便地处理非均质、非线性、复杂边界条件，在 ；理论研究中得到广泛应用。 1 2 3 沉降预测模型的研究现状 目前，国内外对沉降预测模型的研究相关资料和论文比较多，针对不同区域、 不同软土特性、不同加载方式的沉降计算采取的沉降预测模型不一致，主要可分 为以下几类： ( 1 ) 经验公式法 4 4 4 5 4 6 4 7 1 目前常见的经验公式法有：指数曲线模型、双曲线模型，l o g i s t i c 模型、 v e r h u l s t 模型、抛物线拟合法以及由此派生的一些方法( 如修正双曲线法等等) 。 指数曲线模型是从土层平均固结度为时间的指数函数出发，依据固结度方程 和固结度定义得出的。实例计算表明，该模型后期确实拟合较好，但对前期沉降 拟合不够稳定。 双曲线模型认为沉降时间关系符合双曲线式，若沉降过程观测历时长，在 沉降趋于稳定的后段取点计算，可得到较满意的结果，若在曲线前段应用便会出 现较大的误差。该法和上述指数曲线模型类似，需要有较长时间的观测资料，且 需剔除反常的数据，否则造成推算存在较大偏差。 l o g i s t i c 模型，也可称为增长曲线模型。该模型反映了事物产生、发展、成 熟并达到一定极限的过程，这与地基沉降随上覆荷载施加而逐渐发生的过程是一 致的，而且它具有沉降时间曲线所具有的特点( 不通过原点，单调性、有界性 5 中南大学博士论文第一章绪论 等) 。只要参数选的合理，很好地拟合几何中的“s 、“凸”形甚至“凹”形曲线， 故适用性较广。 v e r h u l s t 模型是由吴伟雄、宋彦辉等基于德国生物学家v e r h u l s t ( 1 8 7 3 ) 的 生物繁殖与人口变化特征模型，提出的沉降预测模型。该模型曲线开始段增长慢， 中间段增长快，末段增长趋势越来越小。这一规律也很符合饱和软粘土的沉降 时间发展关系。 对数抛物线拟合法：许永明、徐泽中通过对现场观测值的分析，发现路堤完 建后的沉降时间曲线在初期并不表现为双曲线或指数曲线形式，在沉降时间对 数坐标系中( s 1 9 t ) 可看出大致由两部分组成：第一部分可用抛物线式来拟合； 第二部分也即次固结部分可以由直线拟合。应用该法仅需掌握短期观测资料，即 可求得满足工程精度要求的工后沉降量以及后期的沉降速率，而且该法实际推算 结果比双曲线还要可靠。 ( 2 ) a s a o k a 法 该法是由日本学者a s a o k a a 于1 9 7 8 年提出的，又称为图解法。该法可作为 软土地基沉降最终沉降的一种简便的预测方法，其突出优点在于其可利用较短期 的观测资料就能得到较为可靠的最终沉降推算值。其次，还能对是否已进入次固 结阶段进行判断，并进行次固结沉降的推算。但存在一些不足之处：最终沉降预 测值一定程度上依赖于时间间隔t ；对主、次固结的划分有时存在一定的人为 误差。 ( 3 ) 灰色理论法 近年来，岩土工程领域的科技人员采用灰色模型解决一些与沉降有关的问 题。在采用灰色理论进行沉降预测时，它是以已知单位时段内的沉降量为研究对 象，通过对这些数据的处理来获得地基的沉降变形规律，从而对工后沉降进行预 测。石世云等( 1 9 9 8 ) 研究了多变量灰色模型m g m ( 1 ，n ) 在变形预测中的应用， 将单点的g m ( 1 ，1 ) 扩充到多点的m g m ( 1 ，n ) 模型，通过沉降实例分析，证明 了m g m ( 1 ，n ) 模型精度高于分别单独使用单点的g m ( 1 ，1 ) 的模型；张仪萍( 1 9 9 9 ) 阐述了灰色理论在沉降预测中的应用，并指出了沉降灰色模型预测法与a s a o k a 法是一致的，从而为灰色理论在沉降预测中的应用奠定了理论基础；韩女才 ( 2 0 0 0 ) 利用灰色理论对地基沉降进行不等距预测，并建立了相应的预测g m ( 1 ， 1 ) 模型；曾超等把灰色模型的路堤预测沉降结果和双曲线法预测值及实测值进 行了对比，证明了灰色模型沉降量预测值和实际沉降量更接近。 ( 4 ) 人工神经网络法 人工神经网络( a n n ) 作为一门新兴的信息处理系统，已在信息科学和工程 技术等领域内得到了广泛的应用。它是模拟生物脑神经系统的计算机处理模式， 6 中南大学博士论文第一章绪论 是由一系列简单的高度互联的处理单元组成，具有较强的非线性映射能力和学习 能力。人工神经网络的重要特点一在解决复杂问题时，对于外加的输入，它是 以并行的、非确定的方式进行处理的。它具有在复杂非线性系统中较高的建模能 力以及对所提供数据的良好拟合能力。 在地基沉降计算中，分层总和法虽然方便但计算精度不高；数值计算法理论 上虽严谨，但模型参数的取值是影响结果精度的关键，且对技术人员的素质提出 了很高的要求，推广起来还比较困难；经验公式法是基于地方经验，且存在取点 位置等带来的误差。而人工神经网络较强的非线性映射能力，基于地基沉降的前 期实测资料，对高度复杂、高度非线性的土工结构进行直接建模来预测地基的沉 降量，这样更能反映软基的沉降规律。刘勇健和林代锐等都曾采用传统的三层 b p 网络模型对此作过研究，两者具体实施方法尽管不太相同，但均取得了较满 意的结果。但是该法对多级荷载下的软基沉降预测，特别是沉降- 时间曲线上有 明显的“台阶现象 的情形适用性较差。 此外，还有遗传算法【钙】等，上述提及的方法有各自的优点、缺点和预测精度， 在实际软土地基沉降预测中，并不能单纯依赖于某一种模型，只有对它们深入了 解后才能灵活应用。其次，要想得到较好的预测结果，必须要进行准确地、认真 地沉降观测，且一开始堆载就要进行观测，同时要尽可能延长观测时间。在处理 数据时，还应选择有实际意义的数据，剔除那些明显不合理的数据。 1 3 主要研究内容 本文结合南沙开发区的工程实际情况，针对南沙软土特性，软土固结理论及 设计计算，软土沉降方法计算与预测以及软土地基处理方案优选进行系统的分析 和研究，所做的主要工作如下： ( 1 ) 对南沙软土的物理力学特性进行研究，并讨论各指标相互之间的关系。 ( 2 ) 本文结合南沙开发区的工程实际，在软土地基处理方案选型中引入模糊 数学和层次分析法的理论，综合考虑水文地质条件、施工条件、造价等因素的影 响，结合软土地基处理方法的现状调查，运用专家咨询法系统地分析影响软基处 理效果的因素，并进行总结得出其权重值，建立关于选择软基处理方案的多层次 分析综合模糊评价模型。通过对广州番禺大学城、南沙经济技术开发区和珠海 电厂三个大面积软土地基处理工程实例的具体计算，证明多层次分析综合模糊评 价模型的适用性，对软基处理方案优选提供科学合理的决策。 ( 3 ) 结合大面积软土地基处理的边界条件和工程要求，通过工程实例分析， 在一维固结理论以及比奥固结理论的基础上，对软土地基固结度进行详细的讨论 和计算，同时结合规范法和推导法对软土地基最终沉降量进行计算与预测。 7 中南大学博士论文第一章绪论 ( 4 ) 对地基沉降计算中瞬时沉降和主固结沉降进行详细的分析和讨论。结合 具体工程监测实例数据，作出相应的浅层沉降、深层沉降、分层沉降、孔隙水压 力以及地下水位的曲线图，并对沉降观测数据与图表进行详细的分析与讨论。应 用多种曲线模型对沉降观测数据进行最终沉降量的预测，讨论其适用性和局限 性。 ( 5 ) 针对分级加载时，沉降曲线呈现“台阶状”的情形，提出修正的指数曲 线模型对其进行曲线拟合和最终沉降量的预测，以验证模型的准确性。 8 中南大学博士论文 第二章南沙软土特性研究 第二章南沙软土特性研究 2 1 南沙开发区概况 广州南沙地区位于珠江河口与伶仃洋的交汇处，处于广州市的南端，地理位置优 越，处于珠江三角洲的地理几何中心，在广州香港澳门a ”字形空间结构中处 于支撑位置，是联结珠江口两岸城市群的枢纽性节点。南沙水岸线资源丰富，具有 建设国际深水大港及发展i i 笛港工业的优越条件，是广州乃至广东产业结构调整升级 最理想的地域。 ：7，：_ u 图2 - 1 广州南沙开发区地图 南沙地区属珠江三角洲淤积平原，其地基土的成因类型为典型三角洲相，因河流 流速减慢，其携带的细颗粒土大量沉积，形成很厚的淤泥与淤泥质土的软土层。该地区 地质构造复杂，地质环境特殊，广泛分布着厚度大、分布不均匀的淤泥土层，其特点 4 9 、 删表现为( 1 ) 许多土层( 如围垦造陆情况) 属于新近沉积的欠固结土，如万顷沙地区， 它本来就是珠江的出海口，是近数十年来用围海造地的方法，围基淤积而成，其上 覆土层，淤积期只有几十年甚至十来年，本身连自重状态下的固结还未完成。( 2 ) 含水量高，广州南沙片区，淤泥的含水量，平均都在7 0 - - 8 0 ，局部在1 0 0 以上， 这和国内其他地区相比( 如上海4 5 - - - 5 0 、天津6 0 ) 都普遍提高。因此土体的各 苫 中南大学博士论文 第二章南沙软土特性研究 项性质也都大为恶化；( 3 ) 软土厚度大，广州南沙片区很多地方的淤泥厚度通常为 2 0 - - 4 0 m , 这就增加了地基处理，基础选型和工程施工的难度。因此，南沙属于典型的 软弱土层分布地区，其不良的地质特性在同类成因的地层( 如上海、江苏等沿海地区) 中是比较罕见的。 2 2 南沙软土特性分析 广州南沙，地处北江、西江下游滨海河网区，濒临珠江口伶仃洋，为珠江三角洲冲 积平原的前沿地带。在长期的河流冲积和海潮的进退作用下，该地区沉积了深厚的海 陆交互相软土，而且在软土层内有一粉细砂层夹层，夹层厚薄不一，层次多少不等。南 沙作为国家级经济技术开发区，在南沙房建、城市道路、高速公路、地铁四号线以 及南沙港的施工过程中，深厚的淤泥或淤泥质软土层如何处理一直是需要解决的重 要难题眦1 。在确定软土处理施工方案之前，准确而充分了解南沙的软土特性，将为 后续的设计和施工提供重要的参考数据。土的力学特