（岩土工程专业论文）真空堆载联合预压作用下地基侧向变形机理与计算分析.pdf

摘要 摘要 真空一堆载联合预压是一种较为理想的软土地基加固方法，但是不可避免地会产生侧向 变形，这样会对周围环境造成影响，必要时需采取一定的工程防护措施。本文在前人研究 成果的基础上，通过理论解析分析和数值计算分析相结合，对真空一堆载联合预压法加圃 软土地基过程中，地基土体侧向变形的形成机理和解析表达式、影响因素等进行了系统的 分析研究。主要完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 分析了真空一堆载联合预压法加固软土地基中侧向变形的形成机理，论证了真空预 压作用下产生的是收缩变形，堆载预压是挤出变形，而真空一堆载联合预压作用是真空预 压和堆载预压的综合作用效果，产生的既有挤出变形又有收缩变形。 ( 2 ) 根据楔形体的表面受均布荷载和初始边界孔压作用推导了真空一堆载联合预压下地 基土侧向位移的解析解，真空预压的效果是单纯的负压边界的孔压传递，然后再叠加堆载 作用的竖向均布荷载。根据侧向变形机理把联合预压作用下地基的宏观侧向变形和应力联 系起来建立并量化了真空度大小、地基形状、堆载高度，土层性质与侧向水平位移的关系 式，并通过两个现场试验进行了验证，计算表明这两种表达式都能较好地预测地基侧向位 移。 ( 3 ) 在有限元软件a b a q u $ 的基础上模拟真空一堆载联合预压的加载以及卸载过程，通 过分别变化其中一些主要物理指标来研究各因素的影响机理，最后分析总结出影响地基土 体侧向位移程度主要因素捧序为：堆载高度；软土层厚度；加固区外打桩等。 ( 4 ) 现场试验研究以武汉工业港为背景，土体采用莫尔一库仑本构关系，通过有限元 程序a b a q u s 来模拟分析真空一堆载联合预压下土体的固结变形过程。把有限元软件计算所 得的侧向位移与预测公式所得值和现场试验所铡值进行对比分析总结，并且分析了打设水 泥土搅拌桩来防止侧向位移对箱涵的影响，结果表明打桩能很好地控制侧向位移的大小和 扩展趋势。 关键词：真空一堆载联合预压；侧向变形；解析解；影响因素：数值分析；现场试验 a b s u a a a b s t r a c t v a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gi saq u i e tg o o dm e t h o dt or e i n f o r c es o rf o u n d a t i o n , y e ti n e v i t a b l ye n g e n d e r sl a t e r a ld e f o r m a t i o n , w h i c hn o to n l yb a d l ya f f e c t st h er e i n f o r c e dr e s u l t s , b u ta l s od od a m a g et ot h ee n v i r o n m e n t s os o m en e c e s s a r yd e f e n d e dm e a s u r e ss h o u l db et a k e m b a s e do hf o r m e rr e s e a r c h , c o m b i n e dw i t hg l e n t yo ft h ep o s i t i o ne x p e r i m e n t sa n di n f o r m a t i o n , a c c o r d i n gt oc o m b i n e dt h e o r e t i ca n a l y s i sw i t hn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n , t h em e c h a n i s m , a n a l y t i c e x p r e s s i o na n da f f e c t e df a c t o r so fl a t e r a ld e f o r m a t i o nu n d e rv a c b i m lc o m b i n e ds u r c h a r g e p r e l o a d i n ga r er e s e a r c h e d 1 1 他f o i l o w i n ga s p e c t sa r es t u d i e d ： ( 1 ) a c c o r d i n gt om e c h a n i s mo fe f f e c t i v es u e s ss e p a r a t e l yu n d e rv a c u u mp r e l o a d i n gm a d s u r c h a r g ep r e l o a d i n g , m e c h a n i s mo fl a t e r a ld e f o r m a t i o nu n d e rv a c u mc o m b i n e ds u r c h a r g e p r e l o a d i n ga r ea n a l y z e d , a n de x t r u d e dd e f o r m a t i o ni sd e d u c e d , r e t r a c t i l ed e f o r m a t i o nu n d e r s u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，u n d e rv a g u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gb o t he x t r u d e da n dr e t r a c t i l e d e f o r m a t i o n ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y t i ce x p r e s s i o no f t h es u r f a c eo f t h ew e d g e s h a p e ds u f f e r i n gt h ee q u a l l o a da n dp o r ep r e s s u r ei nb o u n d a r y ，t h ea n a l y t i ce x p r e s s i o no ft h el a t e r a ld i s p l a c e m e n tu n d e r v a c u u mc o m b i n c ds u r c h a r g ep r e l o a d i n gi sd e d u c e d ，a n ds e p a r a t e l yn e g a t i v ep o r ep r e s s t 玳i s d i f f u s e du n d e rv a c u r i np r e l o a d i n g ，v e r t i c a le q u a ll o a du n d e rs u r c h a r g ep r e l o m i n g a c c o r d i n gt o t h em e c h a n i s mu n d e rc o m b i n e dp r e l o a d i n gc o m b i n i n gm a c r o s c o p i c a ld e f o r m a t i o na n ds t r e s s ，t h e e x p r e s s i o no ft h eq u a n t i t yv a l u eo fv a c u n mp r e s s u r e ，t h es h a p eo ff o u n d a t i o n ，t h eh e i g h to f s u r c h a r g e ，t h ee h a r a c t e d s t i co f s o l i l a y e rw i t hl a t e r a ld e f o r m a t i o ni sf o u n d e d ，w h i c hi sp r o v e dt o b ef e a s i b l eb ys e v e r a lf i e l dt e s t s ( 3 ) b yu s i n gt h ef e a s o f t w a r ea b a q u st os i m u l a t et h ep r o c e s so fl o a d i n ga n d u n l o a d i n g u n d e rv a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g ep r e l o a d i n g ，b yc h a n g i n go b em a i nf a c t o ro nt h eb a s eo f o t h e r f a c t o r su n c h a n g e d , s o m em a i nf a c t o r sa r es t u d i e dd e t a i l e d l y t h eo r d e ro ft h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h el a t e r a li sr a n k e d ：( d t h eh e i g h to fs u r c h a r g e ；m cd e p t ho fs o f tl a y e r ；m ep i l e st a k e no u to f t h e r e i n f o r c e dd i s t i n c ta n ds o0 1 1 ( 4 ) b a s e d o n t h e f i e l d t e s t o f w u h a r t i n d u s t r i a l p o r t a c c o r d i n g t o m o h r - c o u l o m b m o d e l ，t h e p r o c e s so fc o n s o l i d a t i o nu n d e rc o m b i n e dp r e l o a d i n gi ss i m u l a t e da n dc o m p u t e db yt h ef e a s o f t w a r ea b a q u s t h e nc o m p a r i n g 州t ht h ec o m p u t e dv a l u ef r o mt h ee x p r e s s i o n so f t h es e c o n d c h a p t e ra n dt h eo b s e r v e df r o mt h ef i e l dt e s li nw uh a ni n d u s t r i a lp o r tt h ep i l e sa r et a k e nt o p r o t e c tt h ec u l v e r tf r o mt h ei n f l u e n c eo fl a t e r a ld i s p l a c e m e n t tw h i c ht h er e s u l to fb o mt h e c o m p u t a t i o na n df i e l dt e s tp r o v ea r ev e r ye f f e c t i v ei nc o n l x o l l i n gt h ev a l u ea n dt r e n do fl a t e r a l d e f o r m a t i o n k e y w o r d s ：v a c u u mc o m b i n e ds u r c h a r g e ；l a t e r a ld i s p l a c e m e n t ：a n a l y t i ce x p r e s s i o n ； m e c h a n i s m ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s ； f i e l dt e s t 主要符号 f r 一土体的抗剪强度( k p a ) c 一土体的粘聚力( k p a ) ： 伊一土体的内摩擦角( 。) ； y 一泊松比； 口一总应力( k p a ) ； 矿有效应力( k p a ) ； u - - 孔隙水压力( k p a ) ； ，一土的重度( k n m 3 ) ； e 。初始空隙比； 8 f 侧向应变； 轴向应变； c h 一水平向固结系数 主要符号 k 、k 一竖向和水平向渗透系数； zx e 一弹性模量( m p a ) ： k o 一侧向压力系数 n 一应力比，i 产垒 a z i g s 一土粒比重 k 一竖向附加应力系数； p 。一基底静压力( k p a ) ； e 。一压缩模量( 肝a ) ； 历一水平向渗透系数的调整系数 历一竖向渗透系数的调整系致； m 主要符号 缸一砂井地基的水平渗透系数 缸一砂井地基的垂直渗透系数； k 一砂墙地基的水平渗透系数： 如一砂墙地基的垂直渗透系致； n 一井径比，n = p r ， k h 一平面应变情况下，砂墙影响区域土层的水平向渗透系数； k - 一轴对称情况下，塑料排水板影响区域土层的水平向渗透系数 g 啪瓯g = ( 龇射 c ，一固结系数( c 一s ) 图表索弓 图表索引 图1 1 真空一堆载联合预压布置图一2 图卜2 联合预压结束时地基侧向t f 7 = 移的人致分布图3 图卜3 测斜仪工作原理图5 图1 4 最大位移和路堤中心沉降的关系曲线图8 图2 - l 真空预压作用下有效应力变化图1 2 图2 2 真空预压作用下摩尔圆变化图1 2 图2 - 3 堆载预压作用下有效应力变化图1 2 图2 - 4 堆载预压作用下摩尔圆变化图1 2 图2 5 楔形体图1 5 图2 - 6 地基模型受力图1 7 图3 1 砂井向砂墙转换示意图2 i 图3 2 地基堆载模型图2 6 图3 3 模型网格图2 7 图3 - 4 不同土层结构类型作用下侧向位移图2 8 图3 - 5 真空度变化时地基表面土体侧向位移图2 9 图3 - 6 真空度变化时路堤边缘沿地基深度变化的侧向位移图2 9 图3 7 荷载比变化时地基表面土体侧向位移图3 0 图3 - 8 荷载比变化时路堤边缘沿地基深度变化的侧向位移图3 0 图3 - 9 渗透系数变化时地基表面土体侧向位移图3 l 图3 一l o 渗透系数变化时路堤边缘沿地基深度变化的侧向位移图3 图3 - 1 1 塑料板深度变化时地基表面土体侧向位移图3 2 图3 - 1 2 塑料板深度变化时路堤边缘沿地基深度变化的侧向位移图3 2 图3 一1 3 加载速率变化时地基表面土体侧向位移图3 3 图3 一1 4 加载速率变化时路堤边缘沿地基深度变化的侧向位移图3 3 图3 1 5 没有打桩的侧向变形图3 4 图3 - 1 6 打设两排桩的侧向变形图3 4 图乒】加固区域示意图3 7 图4 2 主要断面地质剖面图3 8 图4 3 计算模型示意图4 0 图4 4 有限元网格剖分图4 l 图4 5 箱涵下桩的水平位移图4 2 图4 6 未打设桩体侧加固区边缘水平位移的变化图4 2 图4 7 打设桩体一侧的加固区边缘水平位移的变化图4 3 图4 s 施工结束时地基土水平位移等值线图4 3 图4 - 9 两个断面处加固区边缘加载过程中的水平位移监测值4 3 表3 1 土体模型参数表2 5 表4 一l 土层力学计算参数3 7 表4 - 2 各土层计算参数3 8 表4 3 加固区域地基处理方式分区表，3 9 v 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 孙墨塾筮 2 加0 0 8 - 骨年3 月刁日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文储。：兰塾塞旗弓月刁日 第一章绪论 1 i 引言 第一章绪论 随着我国社会经济的高速发展，建筑规模的不断扩大，对地基的条件提出了比较高的 要求。人们常将不能满足建( 构) 筑物对地基要求的天然地基称为软弱地基或不良地基。软 弱地基通常需要经过人工处理后才能建设建( 构) 筑物，这种加固地基的方法称为地基处 理。建( 构) 筑物的地基问题包括以下三类：( 1 ) 稳定性问题：( 2 ) 变形问题；( 3 ) 渗流问题。 当天然地基存在至少上述三类问题之一时，需要采用各种地基处理措施，形成人工地基， 以满足建( 构) 筑物对地基的要求，保证其建筑时的安全和正常使用。选用地基处理方法的 原则是，坚持技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。对某一特定的地基来说，应该 从地基条件、处理要求、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑，因地制宜 地确定最为合理的地基处理方法。虽然地基处理方法很多，每种地基处理方法都有一定的 适用范围、优缺点，在具体的情况下选择地基处理方法时应综合考虑【。 我国沿海一带软土分布较广，如渤海湾、长江三角洲、浙江、珠江三角洲及天津沿海 的边线和福建省的沿海地区等，都分布有大面积的海相或湖相沉积的软上。此外，贵州、 云南等我国内陆省份的某些地区也有零星的山地型软土分布，这些土具有高含水量，高压 缩性、大孔隙比、低强度、低渗透性、高灵敏度和流变性等特点，在这样的软土地基上进行 建筑房屋或者路堤，产生的沉降量大，稳定需要的时间长，甚至会引起建筑物的不均匀沉降 致使倒塌或者影响车辆的正常运行等很多问题，因此，需要选择合理的软基处理方法。然而 在今天遍地高楼大厦的社会，特别要考虑其经济效益和社会效益，处理方法也受到了很大 的局限性，针对这样的情况会选择采用真空一堆载联合预压和复合地基方法来处理。复合地 基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，通过置换或者在天然地基中设置加 筋材料，加固区是由天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基，但是相对单价较高； 与其他方法相比，预压法是指上部构筑物施工前在地基表面旌加荷载，使地基中的软土在 地基处理阶段提前得到加固，大部分地基的沉降可以提前完成，避免或者减少了构筑物的 使用安全性。真空一堆载联合加固方法结合了真空预压和堆载预压的特点，是利用真空荷 载和路堤堆载两种荷载同时作用，促使土体中的孔隙水加速排出，降低土中孔隙水压力，增加 有效应力，加速土体固结，形成两种荷载作用的叠加。同时，由抽真空引起的负超静孔隙水 压力和由堆载引起的超静孔隙水压力可以产生部分抵消应力，使土体在快速堆载时不至于 产生过高的超静孔隙水压力，从而保证了施工的稳定【2 h 5 1 ，因此，联合预压法是较为理想 的软土地基处理方法，不仅可以达到预期理想的提高承载能力的要求，而且还具有经济合 理、施工工艺简单、环境污染小、工期短和容易控制质量等特点。但是这种处理方法会产 生一些不可避免的变形，所以，研究真空一堆载联合预压下地基的侧向变形以及采取一定 河海大学硕士学位论文 的措施来减少其影响，对于加固效果是非常重要的。 对软土路基进行加固处理后，不可避免地会产生地基变形，分为竖向沉降变形和侧向 变形，本文主要从理论研究和数值分析方面对真空一堆载联合预压作用下产生的侧向位移 进行分析研究。在软土地基上进行路堤堆载时，地基土中一些点的应力状态达到其抗剪强 度后，在不排水条件下，会出现局部屈服情况，导致地基土应力重分布，模型试验与理论 分析都证实，随着地基土的变形，地基土的应力状态将会发生重分布，应力重分布就是相 当于给地基土增加了一个水平推力，从而导致地基产生侧向变形。一般情况下，路基的长 宽比都会大于等于l o ，就会认为是属于平面应变问题，随着地基内应力的增加和塑性区的 开展，地基土产生的侧向位移在施工期和工后会长期存在 6 1 。如果周围有其他建筑物和地 基，侧向变形就会严重地影响到周边建筑的使用和安全，必须采用一定的防护措施来减少 和避免侧向变形带来的不必要的损失，通常采用的就是通过经验来确定打桩或者挖隔沟的 方案来减少侧移。目前研究最多的堆载预压作用下地基土体的侧向变形，对于真空一堆载 联合预压下地基侧向位移的研究是大都从现场工程经验中得来，因此，从理论上分析研究 显得尤为必要。 1 2 侧向位移的研究现状 真空排水预压法加固软土地基的基本原理于1 9 5 2 年由瑞典皇家地质学院w k j e l l m a n 教授提出，其后瑞典、美国、日本等国家以及我国的专家学者及工程技术人员相继采取现 场及室内实验等一系列手段对其进行了探索和研究，该方法被广泛应用于工民建、机场、 高速公路等各种工程建设中。1 9 2 5 年丹尼尔莫兰( d a n i e l ，e - m o r a n ) 最早将砂井堆载预 压法用于土的深层加固，1 9 3 4 年美国加州公路局用此法处理软土地段的地基，取得了比较 满意的效果，1 9 5 3 年我国首次将砂井堆载预压应用于加固船台地基，1 9 5 9 年应用于宁波 铁路路堤试验段和舟山，宁波冷库工程。然后推广到了很多实际工程，都取得了很好的效 果。真空一堆载联合预压法是在真空预压和堆载预压法基础上发展起来的，这些地基处理方 法经过多年努力探索和研究，日趋完善，已经成为加固软土地基有效实用的方法| t b t l 7 1 0 图i i 真空一堆载联合预压布置图 真空一堆载联合预压法加固软土地基必然会产生侧向变形，这对加固效果是不利的影 响，其直接影响着地基的稳定与沉降，有时甚至会导致地基加固区周围裂缝的产生。侧向 2 第一章绪论 变形不仅在瞬时变形中存在，在固结变形的整个过程中都存在着，这是因为软土的塑性特 征很明显，所以加载作用后产生的变形效果是长期存在的【培卜【2 1 1 。真空预压作用下地基的侧 向变形是收缩变形，堆载预压作用下产生的为挤出变形，真空一堆载联合预压的作用，综 合了真空预压和堆载预压的特点，产生的既有收缩变形，又有挤出变形。一般情况是：在 地基的上部为收缩变形，越往下部，收缩变形越小，甚至在深度1 之m 处开始变为挤出变 形，然后挤出变形逐渐增大到一定程度后又开始逐渐减小，在软土层的底部侧向位移值就 变得很小了。 地表堆载 地基表面 图i - 2 联合预压结束时地基侧向位移的大致分布图 目前，研究较多的是堆载预压作用下地基的侧向位移，因为对于真空度的传递以及真 空负压和堆载正压的叠加都没有很一致的观点，要从原理上研究真空预压以及真空一堆载 联合预压作用下产生的侧向位移还有一定的困难。但是侧向位移从一开始使用这种技术时 引起了广大学者和专家的注意，也已经取得了很大的成果，本章节主要总结回顾国内外对 于侧向变形的研究现状。 1 2 1 土体侧向位移的试验研究现状 ( 1 ) 侧向变形的室内试验研究 岩土工程中，对土体强度以及变形的定量和定性分析都离不开土体应力应变关系的 研究，这就是土体本构理论及模型的研究。泊松比是反映侧向变形的重要参数，其实际意 义是切线泊松比v 。泊松比的试验求解可以从常规三轴试验和真三轴试验两种方式得到。 常规三轴试验适用于轴对称情况加荷方式，而真三轴试验是小中大三个不同方向应力的加 荷方式，因而这两种试验方式适用情况也不同。 1 ) 常规三轴试验 土的常规三轴试验是通过保持围压吒不变的情况下，在竖向加应力增量( 吼一玛) ， 其他方向保持应力不变，测出体积应变毛和轴向应变，通过公式推导出侧向应变6 ，和泊 松比l ，：= ( q 一) 2 ( 1 一1 ) 河海大学硕士学位论文 ，= 哿 c 力 a i 1 以和皿方向侧向变形大小是一样的，常规三轴试验中不研究中主应力的影响，只适 用于轴对称加荷，只能通过y 一个参数来反映侧向变形，因此有其局限性。 2 ) 真三轴试验 在研究淤泥土的侧向变形试验中，徐志伟和赵江倩 2 3 1 认为真三轴试验能真实地反映 土体的三维应力空间的变形，因此可以研究一定应力路径下的土体泊松比和特性模量的变 化规律。但是如果沿用常规的泊松比计算方法，在其应力路径试验条件0 1 以下，就会有 两个泊松比嵋，和，嵋，和的变化规律反映了，在淤泥土增加q 之后，q 和吒方向的 膨胀变形以及加荷历史和不同初始应力状态所造成的各向异性特点。为了求取泊松比嵋，和 v 2 3 ，对5 - 乞和岛一岛关系曲线选用了二次多项式拟合，两个切线泊松比是对拟合后的结 果直接求取一阶导数的结果，因此求导后切线泊松比都是线性函数。由于正 c r 2 c 5 ，随着 吒的增大，嵋，和都以线性关系减小，嵋，i 土v 2 3 小得多，这是常规三轴试验难以得到的现 象和结果。 ( 2 ) 侧向位移的现场试验研究现状 软土路基的现场试验目前主要是采用分别在各土层中埋设测斜仪来测量土体在各深 度上的侧向变形，测斜仪所反映的是土体内测斜导管的位移，因为测斜导管与土体结合为 一体，所以测斜导管的位移就是土体的位移。软土路基中监测侧向变形使用的测斜仪的工 作原理是：当测斜仪的测头在测斜导管内移动测量时，测头内的传感器敏感地反映出测斜 导管的倾斜度变化0 ，可得到测斜管每段的水平位移，公式：ad ：= l s i n o ( 1 3 x l 为测头 导轮间距) 把每段测得的水平位移叠加，就可以得到不同深度的总位移量点为： 点= zad i = z l s i n 0( 1 - 4 ) 4 第一章绪论 铡斜 移动 舅点 幽 f 灶j 分段距离1 、飞l 幽1 - 3 铡斜仪工作原理图 分层埋设就可以得到不同深度处的位移，还可以通过在距路基的不同范围内测量得到 相应范围以内的位移，从而可以大致分析到最大水平位移的位置，以便采取适当的防护措 施【m h 拥。 陈丽华f 冽观察煤场堆载的侧向变形得出最大侧向位移发生在堆料体的坡趾附近；地表 侧向位移的方向是：在堆料体边缘向北( 煤场) ，在远离堆料体的地方向南( 江边) 。这是因为 在煤场预压时，煤场地基受压沉降达l l l l 左右，煤场边缘的上部土体则向煤场倾斜。在远 离煤场时，受煤场土体压缩的向外扩张影响使得地表向江边发生位移。 沈兴富和王吉利等1 2 7 】通过对现场试验的监测及有限元计算发现最大侧向位移基本位 于坡趾和坡中之间，测斜仪应埋设在该范围之内；土体侧向位移在路堤荷载作用下并不总是 朝路堤外发展，在土体固结阶段，侧向位移出现朝路堤内发展的回缩现象。 杨海彤脚】对水平位移的数据分析得出：真空预压和堆载预压的效果可以相互叠加。当 膜上没有填土时，水平位移一直是。向心”的，当在膜上填土时，表层土由于填土荷载的 作用，向心的位移明显减小，而在地基的一定深度，当真空形成的向心作用小于由于填土 荷载在这一深度引起的水平附加应力时，土体则发生向外的水平位移。 艾英钵四l 对水平位移的监测分析得到：离加固区边界越近，水平位移越大且影响深度 也越深，离加固区越远受影响程度越小；随着离加固区距离的增加，表面水平位移衰减较快， 而深层水平位移衰减则慢得多。 刘金龙等p o 】提出随着路堤的建设，最大侧向位移的位置一般向路中心内发展的观点。 建议把测斜仪布置在坡趾处竖向断面与坡中竖向断面之间的范围附近( 为了施工方便，可布 置在坡中竖向断面或坡趾竖向断面处) 。 李飞等瞄】用测斜仪原位监测软土路基侧向位移，认为由于测斜管管材与软土刚度的差 异，土层分布及测斜管受到的约束条件不同，测试结果不能完全真实反映软土体的实际水 平位移。 1 2 2 土体侧向位移的理论研究现状 目前，土体侧向位移的理论研究许多是与沉降变形结合在一起的，由于土体变形实际 5 河海大学硕士学位论文 是三向应力状态下产生的，而土体的侧向变形特性不仅对土工建筑物内的应力分布及侧向 受力有直接影响，而且也影响到土体的竖向变形，影响到土体的沉降的估计。影响土体侧 向变形的因素很多，最主要的是堆载的大小及土体本身的物理性质。 矫德全川通过对侧向位移的测量，求得体积变化量v ，进而计算固结度和抗剪强度 增长值，并指出真空预压法加固软土地基比堆载预压法获得的地表沉降实质上要均匀得 多。 李飞、程鹏环等1 2 5 1 分析出软土路基侧向变形的发展与路基的稳定直接相关，软土路基侧 向变形与荷载应力水平( 1 i p 稳定安全系数) 有关。在高应力水平下，路基的沉降变形会由于侧 向变形的不断发展而逐渐增大。 方磊和朱中卫【北1 提出影响软土路基侧向变形的因素有：( 1 ) 地基处理形式，( 2 ) 土层 结构，( 3 ) 软土层厚度，( 4 ) 路堤填筑高度。此外，地基土的非弹性应力一应变强度特性、 透水性、路堤宽度、填土速度等都对侧向变形有一定的影响。预压条件包括：地基内真空度 大小、塑排间距、深度等。分析了真空预压下地基侧向变形和最大加固深度的关系，并通 过若干工程实例分析进行了研究。 朱继伟和闰澎旺等3 3 1 得出侧向位移的最大值与膜下真空度成正比，随排水板问距的减 小而增大，排水板打设越深，侧向变形也越大。土体水平向固结系数c 。对侧向变形影响很 大，随c 。值的减小，l s 增大，l g c 。- l g l 。曲线近似为一直线。而真空预压加固面积的 改变对土体的最终侧向变形基本无影响。 彭劫和刘汉龙掣5 l 认为真空一堆载联合预压中土体侧向位移具有先向加固区内，然后向 加固区外移动的特点。如果影响范围内埋有地下管线或者地面构筑物比较接近加固区，土 体的这种往复变形可能会造成管线破坏和构筑物裂缝的发展，应该对其影响进行监测或者 处理。 1 2 3 土体侧向位移的计算研究现状 对土体侧向位移的计算研究主要是在堆载作用下的原始推导的弹性解，由于对真空 压力的传递以及与堆载的叠加还没有一致的意见，因此真空作用下的侧向位移解很少，大 部分研究真空侧下侧向变形是从经验中总结而来的。 在堆载作用下推导出的侧向位移的鲍辛内斯克弹性解删： 堕= 0 2 3 9 l n 哮( 1 - 5 ) p z ，+ 口一 式中：厂= 可bd = z b 尽管上式可以地基下任意一点的位移，但是公式比较复杂，而且也很难判断求得最大 的侧向位移的位置。 6 第一章绪论 邵军义、朱珊【* 1 综合角点法计算公式及天然地基土在表面z = 0 处，侧向位移u 卸；z 增大到一定值时，u 达到最大；随着z 的继续增加，u 从最大值逐渐递减至零这些规律，构 造出用角点法求侧向位移曲线可用指数函数曲线表示为：u = n p e - 岫r s i n ( m ，z ) 。堆载试验 证明推导的公式与实测结果相当接近。 范须顺【3 5 1 结合天津新港地区较厚的欠固结淤泥类土的真空排水预压工程实践，假设只 考虑施工区最边部排水板向施工区以外的影响距离，以边部一根打入土层中排水板作为单 个排水井考虑，假定地下水向承压排水井的运动为稳定运动，假定单井排水引起孔隙水变 化的边限为渗透影响半径，假定渗流为单向线性连续渗流，以水文地质学中库萨金公式为 参考，提出了估计真空预压影响范围的一个经验公式： r ：塾坐：坠 ( 1 6 ) a h w = h o h 。 ( 1 7 ) 式中：r 为真空预压影响范围( 距离) ；h 。为塑料板打设深度；h 。为地下水位；k 为承 压下土体渗透系数；a 为综合地表系数：其中加固区周围存在建筑物时取0 8 ，无其他影响 时取1 0 。 于志强等口司对3 个工程的水平位移及沉降观测结果总结，发现距加固区不同距离变形 与加固区最终沉降量& 呈较好的线性关系，用下式表示：s i s 。= a + l 【l ( 1 - 8 ) i ，一区外某点距加固区边线距离，m ； s 区外某点的水平位移或地表沉降，i n ； s 。加固区最终沉降量( 可用实测曲线推算) ，m 。 乔小利3 7 1 分析推导了预压区边界侧向位移的关系式，建立了真空压力、地基形状、土 层性质、侧向水平位移的关系式，结果验证跟实际工程较为一致。但是把地基上覆应力考 虑成堆载和真空应力的总和，因此对于外部点附加应力的推导有争议。 何良德，宋少华等【3 8 1 根据楔形体楔面受荷载或孔压作用的解析解推导了真空预压下 地基最终应力和位移的解析解，但是他认为真空预压的作用是真空度为l i ，即相对孔压为 u 。，和膜上下压差所形成的荷载强度q 正好等于u 的共同作用，这与平常所认为的真空预 压的作用机理是不相同的。 加拿大的t a v e n a sfa f 3 8 j 渊通过对多个试验路基上堆载预压实测数据的分析，将最大侧 向位移和路堤中心沉降关系曲线分为3 段，见图1 1 中，a 点表示填土达到极限填土高度， b 点表示填土达到设计标高。在o a 段，地基处于排水状态，该阶段侧向位移量相当小， 河海大学硕士学位论文 在a b 段，粘性土地基处于不排水状态，该阶段斜率为1 o 左右，大部分侧向位移在此阶 段完成在b c 段，进入固结期，粘性土地基处于长期排水状态，该阶段斜率的平均值为0 1 6 。 而在传统的观点中认为，最大侧向位移与沉降可以分为两段，o a 为施工期，该段为不排 水阶段，固结变形主要发生在这个阶段, a b 为固结期，在该段不发生变形，甚至会回缩。 马时冬l 帅j 认为传统的观点不符合实际情况，t a v e n a sfa 的观点分段是合理的，但是斜 率不太符合实际情况，他根据现场试验数据分析得到最大侧向位移和中心沉降的关系曲线 的斜率分别为：o a 段0 0 7 - - + 0 1 9 ；a b 段0 1 7 o 5 8 ；b c 段0 1 0 o 3 0 。 ii | | j 扎 善b 7善、。 斗k o ( 盯；o + a o ) = ko o r ：真 所以真空压力作用下水平方向的应力大于竖直方向，使土体产生向加固区移动的收缩变 形，直到土体的固结完成。 真空预压作用下，抽真空的作用使地基土体中的孔隙水压力降低，相当于水平方向产 生一个负向的球应力，从而引起土体向着负压源方向产生收缩变形，距离加固区中心最远 的负压区( 预压边界处) 其水平位移最大，而在负压区外固结度逐渐减小，土体收缩变形 值也相应减小，加固区的最大水平位移出现在负压区边缘。由于膜外的上部土层逐渐固结 而塑性降低，从而会在加固区边缘产会生裂缝，裂缝一般是平行于加固区的边线，并且随 着时间的延续会继续扩展。真空预压作用下随着时间的变化( 即抽真空程度的增加) ，其 侧向位移呈现的规律是：在地表收缩变形达到最大值，沿深度变化侧向收缩变形逐渐减小， 在软土层底部侧向位移值变为很小甚至为零，期间呈曲线变化，随着时间的延续，整体曲 线中收缩位移值逐渐增大，随深度变化规律基本一致。 堆载预压作用下地基产生的侧向位移是挤出变形，从有效应力观点可解释为：外加荷 载单独作用时，地基表层的土体是背离路基中心呈挤出状态的，即实际增加的附加应力大 1 3 河海大学硕士学位论文 于按k 状态固结时增加的应力，然后沿深度的增加，地基向外挤出变形是先增大后减小， 0 应力增量也是按这种趋势变化的，即实际固结应力的增量与按k o 状态增加的固结应力增量 相比是先增大后减小。下面采用有效应力来推导产生挤出变形的原因：由于外加荷载的作 用，最初在竖直方向的应力会远大于在水平方向产生的应力，所以在竖直和水平方向的增 量分别是c r z ，c r i ： 叮_ t = 口io + a o - 。= k o 盯zo + 仃- 战h + 制 协3 k o 盯。堆= k o ( 盯：o + 盯：) ( 2 - 4 ) 由于k 。一般取o 5 ，堆载作用上去时候最初a o - ，垒，因此有此关系式， 一k 0 盯，堆 k o o z 堆( 2 5 ) ，可以得出堆载预压产生的是挤出变形堆载预压作用下侧向位移的变 化规律为：地基表面挤出变形很小，沿深度逐渐增大，在3 5 m 处出现极大值，然后逐渐减 小在软土根部变为零。随着堆载高度的增大，整体挤出变形逐渐增大，在堆载结束时地基的 侧向挤出变形达到最大值。 真空一堆载联合预压的作用结合了真空预压和堆载预压的特点，地基土体的部分挤出 变形和收缩变形可以相互抵消，使得加固效果更好。在最初抽真空时，地基土呈现收缩变 形在表面为最大值，沿深度逐渐减小，随着堆载的增加，收缩变形逐渐减小，挤出变形 逐渐增大，在地基表面甚至收缩位移甚至为零，在堆载结束时呈现的可能既有收缩变形又 有挤出变形，这主要取决于堆载的高度和抽真空的程度，在卸除真空后，加固区边缘有向 内移动的趋势，因此会呈现地基表面侧向变形反弹增大的现象。在水平方向上，距离加固 区越远，则侧向变形整体的。向心”作用就会越小，预压区域内密封膜内的土体由于受真 空和堆载的共同作用，挤出变形与收缩变形会抵消一部分，而加固区外密封膜外的土体受 真空度影响小，且负压区外固结度较小，随着路堤堆载高度的逐渐增加，土体收缩变形就 会很小，主要表现为挤出变形，因而最大水平位移出现在负压区边缘。随着路堤填筑高度 的增加，侧向挤出会变形增大，水平位移表现为“向外”。在竖直方向上，地基的浅处为 收缩变形，而且在地基的表面收缩变形达到最大，这是由于表面真空压力作用比较大而土 的应力却比较小，起主要作用的真空预压；越往深处收缩变形会变小直至逐渐转为挤出变 形，这是由于随着深度的增加，地基土的应力会增大，而真空度却会逐渐减小，所以叠加 后起主要影响作用的是堆载高度：挤出变形会逐渐增大到极大值，大概在地表下2 3 米 处，是因为抽真空产生的负压和堆载产生的正压会有一个叠加的极值点；然后挤出变形逐 渐减小，在地基的软土层底部侧向位移值就很小了。 1 4 第二章真空一堆载联合预压下地基侧向变形机理分析及解析解 2 3 真空一堆载联合预压作用下地基侧向变形的解析解 2 3 1 楔形体楔面受均布荷载和边界孔压作用的解析解 为了使问题简化，假设软土地基为饱和状态且为各向同性的半无限线弹性体，采用楔形 体极坐标系的坐标方程求解，设楔形体的中心角为2 a ，取楔形体顶点为坐标原点0 点，向 下为z 轴正向，向左为x 轴正向，如图所示： x z 图2 5 楔形体图 采用应力函数半逆解法求解，楔形体受匀布竖向荷载q 和边界初始匀布负孔压一u 联合 作用时的解析解。由受力的特点分析可知，楔形体内应力。和孔压一u 不可能是极坐标，的 函数。根据应力。与应力函数矽的微分关系可知，应力函数应取= r 2 f ( o , o t ，0 ( 2 - 6 ) 形式，代入相容方程，则基本方程可以简化为呻1 ： 臀v + 警巳叫2 ，铲考 ( 2 - 7 ) rr 、d 矿 be “ d e 嘉万d 2 u = ”i ，f a 矿c _ s4 窖d o 粤d o 1 o 协s ， 以g p 2d 2 ，2l d 口4 22 j p 廿2 力( 1 叻，：历i口：删z ) ( 2 - 9 ) f 乒、乏 p ：f 忑铲：删x ? z ) 嘻l 式中：o r ，巳，t 帕均为总应力：q ，为有效应力；u 为孔压；k ：，k ，为 1 5 河海大学硕士学位论文 渗透系数。其中，孔压必须满足连续方程式以及孔压的边界条件，其通解是： u = 2 m ：+ 2 n 把其通解代入微分方程( 2 8 ) 和应力方程求得其直角坐标的通解为： ( 2 1 1 ) 呼捌+ c 血犰z 卿z 肌z 脒詈z 删 卟2 们s m 2 盹册2 d + 2 觥筹之m 矿 亿1 2 ) r ，乏粥c o s 踟m 孝曼署塑 半平面体在一石2 内楔面上受均布荷载q 和孔压一u 联合作用时，由边界条件可得非常 数项的待定系数值为： m ：旦 2 万