（岩土工程专业论文）真空堆载联合预压加固堤防软土地基沉降预测研究.pdf

摘要 真空堆载联合预压法是在真空排水预压法的基础上发展起来的- - l e e 3 n 固软 土地基的有效方法。它可以消除软土地基大部分的固结沉降和次固结沉降。尽管 如此，沉降仍在很长时间内存在。这对建在堤防软基上的建筑物的安全运行存在 着隐患。因此研究和建立采用真空堆载联合预压加固堤防软土地基的沉降预测计 算方法以指导施工建设具有重要意义。 ( 1 ) 根据真空堆载联合预压施工方法在考虑多级加载的基础上，建立了与 实际加载过程相符的一维沉降预测模型并推求了线性加载下的沉降计算公式。算 例表明该预测模型是可行的、合理的。 ( 2 ) 针对二维粘弹性沉降预测，确定了模型反演参数的取值范围，对于多 层软土地基变量同时反演很难获得最优解的问题，提出结合工程勘察和现场实验 以减少参数的方法获得最优解。针对粘弹性参数对沉降的影响在固结后期才能明 显表现，提出通过对不同时间段观测信息反演获得的计算参数基本一致时，才可 作为沉降预测的基本参数。 ( 3 ) 根据实测曲线特点引入了更符合真空堆载联合预压沉降过程的推理曲 线法。并且利用模型比选来比较其预测效果，提出了利用最后六个沉降计算值与 实测值的平方差最小的模型为最优。最后通过工程实例，对各种预测方法进行对 比分析并评价了各种方法的合理性，进而提出指导堤防工程建设更适用的方法。 关键词：真空堆载联合预压堤防工程软土地基沉降预测粘弹性推理曲线 a b s t r a c t t h ev a c u u mc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n gd e v e l o p i n gf r o mv a c u u m p r e l o a d i n gi s au s e f u ls t r e n g t h e n i n gm e t h o dt os o f ts o i lf o u n d a t i o n i tc a l le l i m i n a t e t h em a i o r i t yo f p r i m a r yc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ta n d p a r t so f s e c o n d a r yc o n s o l i d a t i o n s e t t l e m e n t b u tt h es e t t l e m e n to fs o f ts o l lf o u n d a t i o ns t i l le x i s t sf o ra l o n gp e r i o d a n d t h e s e p o t e n t i a ls e t t l e m e n t sh a v eh i d d e n t r o u b l et os a f e t ym a n a g e m e n to f t h e b u i l d i n g s 。 t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h a n de s t a b l i s h m e n to fc o m p u t e dm e t h o dt os e t t l e m e n to f c o n s t r u c t i o nh a v ef a t a l s i g n i f i c a n c e t om a k ep r o g n o s i ss e t t l e m e n ta n da c t u a l s e t t l e m e n tb ec l o s e l ya n de x a c t b a s e do nc o n s i d e r i n gt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do fv a c n u nc o m b i n e dw i t h s u r c h a r g ep r e l o a d i n g a n d c o n s i d e r i n g m u l t i l e v e l p r e l o a d i n g ，t h i sp a p e r s e t u p s e t t l e m e n tp r e d i c t i o nm o d e li na c c o r d 、v i mp r o c e s so fa c t u a lp r e l o a d i n g a n da s c e r t a i n f o r m u l a t i o no fs e t t l e m e n tc o n s i d e r i n gl i n e a rl o a d i n g s o m ee x a m p l e sp r o v et h a tt h e p r e d i c t i o nm o d e i sr e l i a b l ea n dr a t i o n a l a st op l a n a rv i s c o e l a s t i cp r e d i c t i o no fs e t t l e m e n t , t h i sp a p e rf i x e so n r a n g eo f t h eb a c k c a l c u l a t i o np a r a m e t e r sr a n g e ，a n a l y z e sb a c k - c a l c u l a t i o np a r a m e t e r sw h i c h a r ei n d i s p e n s a b l yi nt h ec o u x s eo fa n t i - a n a l y s i s 。s i n c ei ti sd i f f i c u l tt oa c q u i r et h e o p t i m i z a t i o n r e s u l ti ns i m u l t a n e o u sb a c k c a l c u l a t i o n ，t h i s p a p e rp u t s f o r w a r da c a l c u l a t i o nm e t h o dw h i c hc o m b i n e dw i t hi n v e s t i g a t i o nd a t aa n df i e l de x p e r i m e n td a t a t om i n i m i z et h ep a r a m e t e r st og e to p t i m i z a t i o n + a i m e da tt h i sp r o p e r t yi nw h i c ht h e e f f e c to fv i s c o e l a s t i c p a r a m e t e r sa p p e a r e di nl a t ep e r i o d ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h a t p a r a m e t e r sa r en o ta d o p t e da sb a s i co n e st op r e d i c ts e t t l e m e n tu n l e s st h i sc o m p u t e d p a r a m e t e r sa r es i m i l a r i nt h ec o u r s eo f b a c k - c a l c u l a t i o n b a s e do i lc h a r a c t e r i s t i co ff i e l d c u r v e ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e san e w r e a s o n i n g - p r e d i c t i v e m o d e l w h i c hi s s u i tf o rt h es e t t l e m e n tc o u r s eo fv a c u u m c o m b i n e dw i t hs u r c h a r g ep r e t o a d i n g ，a n dc o m p a r e si t se f f e c tw i t ho t h e r sm e t h o d si n w a y o fm o d e c o m p a r i s o n a s t oa c t u a ls e t t l e m e n tv e l o c i t y , t h i sp a p e r p r o p o s e s t h a tt h e m e a ns q u a r ee r r o r so ft h el a s ts i xn u m b e r sb e t w e e nt h em e a s u r e dr e s u l t sa n d c a l c u l a t e dr e s u l t sa r eu s e da tt h ec r i t e r i o n 。f i n a l l y , a l lm e t h o d sa r ec o m p a r e db y e n g i n e e r se x a m p l e s ，a n dr a t i o n a l i t yo fe v e r y m e t h o di sa p p r a i s e d t h i sp a p e rp o i n t s o u tt h em o r e a p p l i c a b l ea n d f e a s i b l em e t h o dt oc a l c u l a t et h ec h a n n e le n g i n e e r i n g + k e y w o r d s ：v a c u u mc o m b i n e dw i t hs u r c h a r g ep r e l o a d i n ge m b a n k m e n te n g i n e e r i n g s o f ts o i lf o u n d a t i o n p r e d i c t i o no f s e t t l e m e n t v i s o - p l a s t i c r e a s o nc u r v e 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节问题的提出 软土在我国分布广泛，在沿海和河流的中下游及湖泊附近地区都分布着不同 厚度的软土层。这种土具有含水量高、压缩性大、强度低、透水性差等特点。由 于其压缩性高、透水性差，在建筑物荷载作用下会产生很大的沉降和沉降差，而 且沉降过程延续的时间可能很长，有可能影响建筑物的正常使用。因此，需要对 软土地基进行加固处理，具体到工程项目会采取不同的地基处理方式i l q i 。 在软土地基上修建建筑物时要解决的重要问题是软土地基的变形问题。建筑 物是否能安全正常使用，这就涉及到沉降的预测和控制上，也就是对软土地基变 形的预测。饱和软土的变形问题不但是工程上一个较为普遍的问题，也是岩土工 程理论研究的一个基本课题。t e r z a g h i 提出的有效应力原理和一维固结理论把 饱和软土的变形问题首先引入理论研究。至今，t e r z a g h i 一维固结理论仍是工 程上计算饱和软士沉降时应用最多的理论。在t e r z a g h i 研究成果基础上，研究 者将其推广到多维问题，其中以b i o t 固结理论最为经典。在试验和工程实践中， 人们进一步发现了饱和软土的次固结现象，由此发展了软土的流变理论，建立了 许多模型，用以预测饱和软土的次固结变形。随着数值计算方法和计算机技术的 发展，岩土工作者在不断改善试验技术的基础上，对土的应力应变关系进行了广 泛深入的研究，在软土变形分析中进一步考虑了非线性、各向异性等较为复杂的 性质。近几年的研究发现，结构性是软土较为普遍的性质，并成为目前新的研究 点。人们从微观结构角度进行研究掌握了软土性质更为普遍的和本质的规律。这 些研究为沉降预测奠定了理论基础，使预测结果与实测更为接近。 尽管人们对软土性质已有较深入的认识，在计算上也有了较系统的方法，但 由于软土的复杂性，其理论分析预测的结果与实际仍存在较大差距。这主要是由 于存在不可避免的各种不确定因素如：( 1 ) 地基土参数的不确定性，除重度外， 地基土的弹性模量、泊松比以及强度参数存在着变异性；( 2 ) 地基沉降往往为一 定范围内土性的平均特性所控制，而土性参数又往往表现出明显的空间变异性， 不同位置的土性参数具有相关性，构成了土质条件的不确定性，这些都是制约软 土地基沉降变异性的主要因素；( 3 ) 软土地基沉降计算模式的不确定性，主要是 指沉降计算所采用的基本假设和计算公式不精确、边界条件简化等引起的软土地 基沉降设计值的变异性；( 4 ) 荷载的不确定性，软土地基的各类荷载的变异性很 复杂，因而无法精确的确定作用在地基上的荷载。 因此，要准确的预测地基的沉降，用理论的方法很难做到。而利用已测得的 观测资料反分析其参数并预测沉降具有很重要的理论价值和现实意义。 第一章绪论 第二节软土沉降计算方法和反分析理论的研究现状 自1 9 2 3 年t e r z a g h i 固结理论问世以来，计算软土地基沉降的方法层出不穷， 从简单的半经验公式和图表法到应用计算机的数值分析，不一而足。应该说，每 一种计算方法都有其实效性和可操作性，回顾这些方法和软土沉降计算的现状对 实际问题的解决有着重要意义。 软土地基沉降计算的经验公式法是将压缩试验中应力与应变的关系转换为 应力与孔隙比的关系，得出e p 或p l g p 曲线。在计算时又将其转化为应力与 应变的关系。而工程上常用的分层总和法是将地基分为若干层，利用压缩曲线求 每层的压缩量，然后将各分层的压缩量叠加起来，做为地基的总沉降量。现场的 软土在其地质历史上曾受到过某最大压力p ，由于地层的变动，河流的冲刷 等原因，这一压力就不一定等于目前现场的有效压力p 。，为此可将粘土分为3 类：p 。 p 。称为超固结粘土；p 。= p 。称为正常固结粘土；p 。 2 1 1 ，如模糊数学法，灰 色理论方法，时间序列分析方法，等速率方法，离散元方法，以及概率方法等。 在反分析过程中，反分析能否成功很大程度上取决于选取的目标函数和优化 方法，层前大多采用最d , - - 乘法建立目标函数。 t a k a h a s h i 2 2 l 等在某隧道采用二步台阶施工反分析中，采用的目标函数为： j = m ，一“，。) 2 i ( n 一1 ) ) 匹“，。i n 弦 ( 1 1 ) 式中“一理论位移，“，一估计的总位移，n 一输入测量位移总数1 7 1 ，并根据 上台阶测值反分析预报下台阶施工情况。a d a c h i 和k o l i m a 2 3 i 在研究节理单元非 线性本构参数反分析中采用的目标函数为： nnr ，：y y ( “f 一“? 。) 2 ( i - 2 ) 式中一量测时间步长数目； 。一位移量测值数目： “? 一节点i 时步n 的计算位移 “? 一相应“? 的量测位移。 为加速反分析计算的收敛速度，采用了收敛速度更快的优化算法即共轭梯度 河海大举硕士学位论文 算法，c i n d i n i 等【2 4 定义了下列目标函数： 地) ： 奎k 妇“? 2 t 拉， 式中p7 = p a ，“；( p7 ) 为理论计算值 ( 1 。3 ) “：为爨测位移值e 在每次迭代中， 上述定义的参数向量p 除以比例系数口，d 珂以通过定义的目标函数，) 最小来 计算。 为了浚速豹蔽算窭备参数，诗雾瓣裁要采零臻纯篓法，秀攀携采爨求导数鹃 方滋来实现其误麓最小，因为那样计搏时会遇到很大困难。一般都采用直接的优 诧方法来计算所求的参数。西翦的伉纯方法狠多，褥在具体闯鬏中又瓣出了不同 的优化技术。g i o d a t 2 5 l 总结了邋用于爨工程反分析的暇秘优化算法p o w e l l 法、r o s e n b r o k 法、单纯形法和拟梯度法。 综合豳内终的磅究：反演分撰援握反浚参数麴不翳霹以分为以下凡类：l 。 几何参数反演，如软弱充填物和岩体裂缝的尺寸等；2 材料参数反演，包括本构 模蘩及其模鍪参数；3 褥载参数反演，懿初始邃盛力、歪力等，氇霹鞋将不淘 类型的参数同时进行反演。目前，反演理论的研究主要是模型参数、初始地皮力 以及土压力等。观测信息也可以分为三类，邵位移、应交和应力。根据岩土工程 的特点，谯移量测相对密易虽精确度离。在妊测系统中，也大多以位移为主。因 此位移是遄行反演的主要观测信息，蕻次逐有应力，应变较少。 在曩耱基毒静砉工程反分辑中，岩钵工程中各秘爱分据法疆蠢跑较多，瑟 在士体工稔中，尤其针对软土工程中的反分析方法相对较少。而对软土地基采取 真空堆载联合预压法处疆的沉降预测研究鬟少。曲线预测方法应用较多，但都有 一个共固的缺点，就是预测模型一旦确立，模型参数保持不变，这并不能反映整 个加载过程沉降特性。另外这些预测方法还跟前期实测沉降的数据有很大相关 性，扶瑟霹能导数沉隆疆测耩度不煮。 现有士体方黼的反分析研究大都是考虑线性本构关系，原因在于土体非线性 本襁关系过于复杂。觚非线毪弹往韵双凿线模型蓟各弹锫祥的弹塑往本褐关系， 在实际工程中均不能全面反映土的各种工稷性质。在反分析中如果选择的本构模 型不合理或过于复杂，可导致解的不唯一性。从而可能使人们怀疑结果的可靠性。 监辨，本搀关系袭述戆复杂性饺反分援计算方法的建立秘程詹的实现遐到诸多理 论和技术方面的网难。一般土体的本构模型的参数很多，且大多数都魑通过室内 试骏确定的。出予在取样、运输、试验过程试稃的撬动良及试验过程翁误差簿燕 因，试验所测的参数与实际情况往往有较大的差距。因此应选择一些相对参数比 较少的且工程沉降要求比较高的工程进行考虑软士本构模型的预测方法。 第一雏绪论 第三节本文所傲的主要工作 本文目的在于研究和建立采用真空堆载联合预压加固堤防软土地基的沉降 预嗣方法。绐合实测数据，充分利用现场观测信息反分拆确定计算参数，并在戴 基础 二对软土地基沉降做出更准确的预测。本文做了以下几个方西的工 乍： ( 1 ) 根据真空堆载联合预联法加围堤防软土地藏的施工方法，在考虑了多 级奏嚣载豹基磷上建立了一毒孛软缝基沉降的颡溅模型，剥熙现场强溅售爨反渡确 定计算所需土工参数，将其作为预测沉降的基本参数，并预测了软土地基的沉降。 t 程算铡表明浚方法是可行的、合理靛。 ( 2 ) 编制土的粘弹性比奥固结有限元的位移反分析程序。并确定了模型反 演参数的取值范围。对多艨软土地基变缀反演时难获得最优解的问题，提出结合 t 程勘察和现场实骏城少参数的方法。针对粘弹性参数对沉降的影响在圜结蜃期 j 能明显表现，提出通过对不同时间段观测信息反演获得的计算参数基本一致 时，l ” 佟为沉簿镞测浆鏊本参数。 ( 3 ) 根捌实测曲线特点引入了更符合真空堆载联合预压沉降过程的推理曲 线泫。并且利用模黧比选柬比较箕预测效果，箍出了剽用最后六个沉降计算值与 实测值的平方差最小的模烈为最伐。最囊通过工程实例，对各种预测方法进行对 比分析并评价了各种方法的合理性，进而提出指导堤防工穰建设疑适用的方法。 河海大学硕士学位论文 第二章真空堆载联合预压多级加载的一维沉降预测 目前，由于理论计算出的沉降与实测的沉降存在着误差，一般计算出的沉降 常小于实测的沉降 3 1 o 本章根据真空堆载联合预压法加固软土地基的实际沉降过 程，建立了沉降预测模型。并利用改进的高木俊介法编制了一维反分析程序，利 用现场观测资料反分析出土体的参数，进而预测沉降的发展情况。最后就其工程 适用性进行了验证。 第一节真空堆载联合预压地基沉降分析 天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，再由孔隙水和气填充骨架体孔隙而 纰成的j 相系。土颗粒压缩性很小，一般认为其不可压缩。因此，土体的变形是 由j 二孔隙流体的流失及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒| _ 白：j 距缩短、骨架发生 错动的结果。对于饱和的两相土，孔隙水压缩量很小，孔隙水体积的变化主要因 为孔隙水的渗出。 山r 孔隙体积变化和颗粒重新排列需要有一个时间过程，土体固结变形与时 问何天一l 体所受荷载( 总应力) 在作用瞬时，主要由孔隙流体承担。随后，由 j i 孔隙流体逐渐渗出，孔隙水压力逐渐减小。在有效应力( 骨架应力) 作用f ， 时架体产 i - 的变形分为瞬时变形和蠕动变形，其中后者产生原因是颗粒重新排列 和骨架体错动与时问有关。将有效应力卸除后，若变形可恢复，则成为弹性变形： 符变形1 ；j 。恢复，则成为塑性变形，因此，骨架变形可细分为瞬时弹性变形、瞬 1 1 , 1 岬。陀变彤、蠕动弹性变形和蠕动塑性变形【3 2 1 。 真。，堆载联合预压处理堤防软土地基时，首先在软土地基中打设排水板，排 水扳打没足山叶艮直径为1 2 c m 的钢管插入到地基中，此钢管是借助3 0 k w 垂直 激振器的震动力插入土中的。在钢管插入过程中地基中形成直径为1 2 c m 的柱形 # lt m ，i l l 扩孔原理町知：在孔洞内壁作用有压力，孔洞四周的土体在径向受压， 切受十t 。孔洞周闭一定范围内的土体受挤压及涂抹作用而产生塑性状态，激振 器的振动作用又加大了塑性区的范围，在其外侧土的扰动程度逐渐减弱直至未受 扰动的天然状态。在压应力及剪应力作用下，在塑性区范围内产生很大的孔隙水 j i 、力：任弹性区内孔隙水压力逐渐降低，直至静水压力值，产生的孔隙水压力的 人小及影h 州斟h 幽【一性而异。 为了验证其孔压变化，在真空堆载加固堤防软土地基的加固区边缘埋设了不 川深度f f j g lj 【! 计，发肌打没排水板后，堤防软土地基的孔隙水压力迅速升高，在 淤泥质料i ：r i 实洲b g t l 隙水jh 力约为静“j 力的3 - 4 倍：在轻亚粘七层中，实测值 为l 抒水j i i 力的1 2 倍。说明在静胍状态卜的扩孔作用能产生很高的孔隙水压力。 第二章真空堆载联合预压多级加载的一维沉降预测 实验研究i j 川发现在加固区内埋设不同深度和不同距离的孔隙水压力计，实测 结果表明在淤泥质粘士中，打设桩时最大孔隙水压力达7 5 k p a ，随距离的增大， j l 隙水压力值降低，影响范围约为4 5 m ；对轻亚粘土而言，打设桩时最大孔隙 水压力达1 4 9 9 k p a ，孔隙水压力随距离加大成指数衰减，影响范围较大，在实验 中还实测了施工的叠加效应。观测表明，在淤泥质粘土中叠加效应明显，孔隙水 压力i t r 增加至1 5 0 k p a ：在轻亚粘土中叠加效应不明显，孔压增加至1 7 8 5k p a 。 以卜事实说明，在土中打设排水板同样会引起土中孔隙水压力的增大，产生 较高的孔隙水压力。但排水板是良好的排水通道，有利于孔隙水的排出，使得孔 隙水压力急剧降低，使土体压密。在排水板插入的初期这一消散过程进行的很快， 压力降低到最小值之后消散过程减慢，就像现场的实测结果所那样大部分沉降量 发生在初期，而停置约一个月还会发生沉降，但沉降量变化不大。 另外真空堆载联合预压加固堤防软土地基时，打设排水板时施工机械本身的 蕾力以及施上机具的振动、插板扩孔、上提等操作会对软土地基产生不同程度的 扰动，从而对软土层结构造成破坏，以及对插板对土体的挤密作用而引起的侧向 变形。1 二的结构对t 的工程性质影响很大，特别是粘性土，如某些灵敏性粘土在 腺状 构时具自一定的强度，当结构扰动或重塑时，强度就降低很多，甚至不能 成彤。为了维持、平衡，必然引起沉降。从打设排水板到加载前地基沉降的机理与 太沙琏吲结理沦的固结机理有很大差距，这在沉降计算分析中是不能忽略的。 第二节一维沉降预测公式的建立 由 节分析知，真空堆载联合预压法处理地基时，堆载酶发生沉降的机理与 太沙基固结理论不同，且固结速率有很大差距。同时工程实际观测中发现刚加载 时 ：体的沉降速率大。原因在于真空堆载联合预压加固堤防软土地基打设排水板 叫，施工机具的振动、插扳扩孔等操作均会对地基土产生扰动，土体受到扰动后 n ：排水板或砂井区域会形成扰动区，其内部结构利应力状态发生了变化，从而引 起t ：的强度降低和压缩性增强，使压缩性加大，造成地基总沉降加大。若应力水 平超过某l 缶界值或受剧烈的扰动，土体的力学特性急剧恶化且在短期内难以恢 复，在很小的外力作用下就会产生较大的变形。为了更准确的预测地基沉降并且 使使l l = ! 更竹台真空堆载联合预压法的特点和太沙基固结理论，同时也考虑到土体 的挥1 、参数也会随着自【1 载时川的延长和沉降的过程都会相应发4 二变化，因而各个 参数并小为一吲定常数的事实，本人提出以卜沉降计算公式计算软士层的沉降： 踮s 。+ 钰 1 - 薹音唧c 帅器目 ， ，l ls ，一打汝排水扳引起的沉降； 塑塑奎兰堡主堂些堡壅 p 一，时刻的累计荷载； p 设计总荷载( 对具体工程而言其为一定值) ； 曲一为瞬时沉降，按日本高等级公路设计规范计算( 该值对具体工 程而言也为一定值) ； 剐、t ：一沉降趋于稳定后的沉降量及对应的时间； m 。一体积压缩系数； 一压缩层厚度； 乃一时间因数。 令舻州= 鲁：。= 字； 则沉降公式变为： 驴趾s j + a q 1 。 曩。5 - 2 2 e x p ( - b t ) + 器l g f ( 2 2 ) 上式是用计算参数代替需要通过勘察实验等手段确定的参数h 、k 、e 。、e 。 这种简化只是为了便于进行参数反演计算。 真空堆载联合预压法中真空预压阶段在不同的工程中其加载过程可能是瞬 时加载的，也可能是线性加载的，这与抽真空的效率有关。而堆载预压阶段土体 荷载或其他荷载是分级加载的。因此，综合考虑，真空堆载联合预压法中荷载并 不是一次瞬时加载的，根据叠加原理，变荷载作用下的沉降计算公式为： 弘针等瑶机a 乒t - 一耋音州叫h 明黟+ 器培池， 设线性加载历时f 。，根据式( 2 3 ) 可得线性加载条件下的沉降计算公式： 当0 t ，时： 9 第二章囊空堆鼗联合预腱多级加载的一鼹沉降颈溅 蕊昏蜀+ 蝴薹去p e 榭堋蚺秘卜晋轲 沼s ， 对辩瀚t 求导可敬褥到辩嚣雩或线褴热载条释下沉簿遗率诗冀公式： ( 1 ) 瞬时加栽时： 证叫薹音嘲埘，+ 鬻 沼s ， ( 2 ) 线性加载条件下： 当0 t 。时： s t a h b q 宝副。2 加x p ( 山洳删+ 爱 ( 2 - 8 ) 上述公式可以考虑瞬时加载和线性加载下的沉降及沉降速率的计算。假定参 数a 、b 在加载过程中为常量，利蠲叠加原理可以迸一步将上述流降戳及沉降速 率公式雄广到堆载多级热袋豹。豢嚣。设雄为趣载级数，句，为笺i 级萄载增量， t ；为第i 级加栽的起始时刻，f 。，第i 级加载终止时刻。当如一 时，为瞬时加载； 当t c t t i 时为线性加裁。只需对式( 2 2 ) 和式( 2 4 ) 至( 2 8 ) 作如下替换：a 吼一g ； _ 矗_ f it 。f _ 岛，裁成为第i 级貊载引起豹流降戳及沉降速率计算公式。稠焉囊 加原理，多级加载条件下的沉降和沉降速率计算公式分别为： s = e s ；( ，) ( 2 9 ) s r = 墨( f ) ( 2 1 0 ) 考虑鬻太沙萋凝结骜渣中黪缓设( 是辫牲线戆交 毫鹣) 敬爱较始次固结 沉降，其最终沉降嫩采用下式采用下式： =声&(2-11) 其中，瓯可厢下式表示： 河海大学硕士学位论文 & 却& + 扣，h t 。争= t 三mb 卜唧洲) 沼 卢为考虑了地基剪切变形及其他影响因素的综合性参数，它与地基的侧向变 形特性、荷载条件、加荷速率等因素有关，同时也考虑地基次固结沉降等因素i ”】。 真空堆载联合预压处理地基时，真空荷载使土体向加固区内侧移动，土越软，其 收缩变形也越大；而堆载使土体向外侧移动，土越软、加荷载速率越快，土的侧 向挤出变形越大。因此真空荷载和堆载荷载之间引起土体的侧向变形不同，其综 合效应是使土体向场区内移动还是向场区外移动可能很难区分。具体到实际工程 根据工程经验取值。 第三节软土地基沉降曲线特性 通过比较大量真空堆载联合预压加固淮河入海水道的堤防软土地基的沉降 观测曲线发现以下特点：在施加荷载前，软土地基已产生了一个沉降。真空预压 时，软土层沉降很快，出现第一个拐点，当真空度维持一定时，软土沉降变慢； 当堆载填土时，软基土体局部呈塑性状态，沉降过程线出现拐点，沉降速率开始 变大：在荷载保持不变时，不能马上产生很大的沉降，而是间隔一段时间后才能 产生，由于土层的透水性差，沉降速率变慢，延续时间变长。最终稳定下来后为 一定值。这就是软土在真空堆载预压情况下的沉降规律特性，下面从软土层固结 的过程分析和一维固结理论角度证明。 当打设排水板时，软土层中孔隙水压力增大，由于排水板的存在，排水通道 畅通。经过一段时间后，孔隙水逐渐排出，部分软土从浮容重变为湿容重，土的 有效应力增大，再加上打设排水板时对土体的扰动、破坏等引起土体应力的调整 等，从而软土地基发生初期沉降。当开始抽真空时在内外大气压力差的作用下， 此时土体处于饱和状态，孔隙水排出很快，由于孔隙水的排出，孔隙水压力迅速 降低，土的有效应力增大很快，土体发生快速固结，表征为土体的日沉降量很大。 随着土体孔隙水压力降低，有效应力变化较小其沉降速率也就变小。也就是说其 沉降随时间的增长而逐渐变小。当再施加土体荷载时，此时总应力增大，孔隙水 压力也相应增加，由于排水板通道畅通，孔隙水排出速率变快，有效应力增大很 快其固结也变快。象工程监测的一样，堆载后沉降量迅速变大。当堆载完成后， 随着孔隙水的排出，孔隙水压力逐渐减小，有效应力增大也变慢，固结相应变慢， 最后孔隙水压力几乎不怎么变化，相应的有效应力几乎不变，软土的固结越来越 小，最终为一固定值。 第二章囊空堆裁联合预难多级摭载斡一臻沉降霰潮 巍于真窆堆载联合预压法加固软土时，蕊载是不8 一次施加的。瑟楚先真空 荷载稃施加堆载。为了证明方便，假设荷载在施工期呈直线上升，完工后不变， 加载；萋翟翡瀚2 一 。 p 霭2 - 1芬载随时浏变纯精况 按一维舀结疆论p 础甄】甄求得孔豫东压力： ( 1 ) 当0 t o 靖： 舻扎1 6 p o 争1 蜘( 等【i _ 喇一孚硼e x p 【| 孚 ) 】( 2 - 1 4 ) 热耻可c v f o ：耻警。 宙上繇式哥撰褥篷深瘦肉平臻懿孔稼东压力： i ：r u d z h ( 2 - 1 5 ) ( 1 ) 当0 一群 当旺 河海大学硕士学位论文 对于均质地基，由按位移定义的固结度u s 和按孔压定义的固结度u 。相等 。s t = 饥= 乩 u ( 1 ) 当0 o d t ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 咖一出 幌 一 一，1一一 瓤了 啪 = i i o 吐 磐争 矿一o o 一矿 第二章真空堆裁联合预艇多级加裁的一维沉降预测 因隽挚= 一譬哪唧鬻。奏，嘉t 孚务2 啭孚诊 所以 ( 1 ) 当r t o 时 盟 o 和曼鲤 0 d td r ( 2 - 2 8 ) = 。h p = 所，h p o y 目一个常数，一u o = f q & h = 岛墩为一个常数， 敬对时间f 求浮得： 曼照是! ：土。盟：一幽1 。塑( 2 - 2 9 ) d t 瓯d t d t d t 兰盟；一垒。d u d t p e d t 以下讨论盟d t 程掣d t ： 蠢钕) 出 d = 国) 西。 因为一显 o 和堕2 娶 o d fd t ! ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 而当时间趋向于无穷大时，即取极限得地基的最终沉降量& ，而对均质的 土层来说，其卅。为一常数，对某一工程来说压缩层厚度h 也为一固定德，而荷 载也怒一定值，因此其最终沉降量傈掩为一定僵。 综上骈逊茸在0 。；枷屯范腻 4 锄 g 旷等 蕊喝 竿 卜唧 孚 卜唧 寺 。椰 整极 严 驴竿 卜 矗 瞩 望。 科淤墨 笙。 群一溅心 ，一 。 塾识 测海太学硕士学位论文 堡里o帮篓掣，dta t 。 u 其增长率不断翡交大；蔼在后期，增长率在不断秘窝毒。爨嚣趋予定薇。藏数 学上讲，整个沉降曲线变化过程其一阶导数均大于零，前期二二阶导数大于零，开 口i 句上凹：衙期二阶导数小于零，开西向下凸；且鬣终沉降量为定值。迸而将 其加栽方式推广到先真空如载慝堆载的方式，一维鼹结理论仍然逶熙。 第四节多缀搬载建基西结度的计算 爽窆堆羧联合颚压法船固软地基屡于妙势预驱，固续度懿诗募鬻爆太沙罄 方法。由于太沙基在推导阎结度计算公式时怒假设瞬时一次加载，但对于具体工 程来说，上郏芬载并不是瞬时藏窳豹聪是逐缀蕊萄。嚣梵，应棂攘麴芬猿援，对 瞬时情况下的固结度公式进行修正以满足实际工程中逐级加载的情况。其中假设 逐级船载为线经蕊载。修歪静方法有致述酌商柬俊介法和淑逮的太沙基法，工程 实践证明改进的高木俊介法更符合实际情况，因此本文采用此法考虑线性加载。 f j j 于软土层厚度不同，排水板或砂并在打入软层时稃在两种情况，一种是 打穿软层陵况，一秘是持不黢打穿软土层。 4 1 打穿软土层情况下土体的固结度计算 舞淘乎麓露绪度按下式诗冀： 一u ：= t - 8 嘉，专唧e 竿互， 协s 4 ， 径囊乎终蓬结疫按下式诗冀( b a r r o n 导缮夔翳 ： 巧：l - e x p ( 一喜瓦) ( 2 3 5 ) 式中u ，一径向排水固结度( ) ： 瓦一径向排水固络时间因数； f 与并径比n 有关的系数，f = 丢备l n ( n ) 一事。 砂井的总固结度按下式计算： u 。= 1 一( 1 一u ：) ( 1 一u ，) ( 2 3 6 ) 把式( 2 3 4 ) 和式( 2 - 3 5 ) 弋入式( 2 - 3 6 ) 褥： u i 。= l 一 e x p ( 一b t ) ( 2 3 7 ) 第= 章真空堆载联合预压多级加载的维沉降预测 热a = 鲁+ 鲁。 4 2 未打穿软土层情况下土体的固结度计算 若在深厚软粘土层中，排水板或砂井未打穿软土层。设砂井或排水板的深度 为压缩层范围内软粘土层未设砂井区的厚度是，在荷载作用下地基平均固 结度可采用下述方法计算。砂井区的固结度采用下式： u 2 = 1 一( 1 一u ) ( 1 一u ，) ( 2 3 8 ) 未打设砂井区平均固结度u ：采用一维固结理论计算，计算时将砂井底面视 为排水面。整个软粘土层的平均固结度可可采用下式计算： u = 2 u = + ( 1 一五) u ( 2 3 9 ) 式中u 一未设置砂井区平均固结度； u ，一砂井区平均固结度： 五一砂井深度与软t - 层总厚度之比值， = 击，工为砂井深度，h 为未 ，牟h 设罨砂井区厚度。 4 3 多级加荷情况下的固结度计算 高木俊介提出，对于任意变速加载情况下，设玑为任意时刻f 时的加载速率， d t q ，为时间间隔吐内的荷载增量d ，f 时刻的固结度为t 时刻以前各荷载增量吒 对，时固结度乘积之和除以，时的荷载p ( p 为，时刻以前备荷载增量之和) 即： 当o n + 1 个顶点所构成的多面体，称为复形。然后对复形各顶点的函数值进行比较，不断 丢簿透数壤最差熬点，饯之戬溉# 2 使瓣际丞数僮鸯蹶簿低，又熊满足终素条傍熬 新点，以逐步逼近到最优点。豳于迭代过程中，复形可能退化，即使顶点树目减 乡，为了保证诗髯过程中顼点数莓不小予( 撑+ 1 ) ，一般墩k = 2 n 。 复合形法的数学模测一般w 表达如下： 求设计变量r a i n f ( x ) ，x 月” ( 2 4 6 ) 约束条件g ，( 善) 0 ，i = 1 ，2 ，3 ，m 2 - 4 7 ) 掰j5 一s 羁，2 l ，2 ，3 ，n ( 1 ) 秘戍秘始复形 复形幽k 个顶点构成，形成顶点的方法有两种确定性方法，按问题的性旗人 为豹选定j 随机的方法糟如下的关系产生随机点。 而= + 芬( 砖一g ) ， ( j = l ，2 ，3 ，m ；i = 1 ，2 ，3 ，n ) ( 2 _ 4 8 ) 式中f 楚变鬟罨，歹为结点号，吃为区淹【e ，l 】上均匀分毒懿涟撬数，莓鑫诗 算机随枧爨动产生。检凌各个顶点是露满足不等式约束条件。羲有s 个顶点满足 约束条件，则按式( 2 4 4 ) 求他们的中心点x 。将不满足条件的第( s + 1 ) 个 顶点以+ ，按式( 2 4 5 ) 向。收缩，产生新点x 。；依此类推。 i 2 十善x ， ( 2 郴) x 。+ l = x 。+ o 5 ( + l - - x ：) ( 2 5 0 ) ( 2 ) 求映象点 计算笺形所有顶点处的鹜标函数值f 0 ，) ，并及中我出函数擅最大点，都最 环点，计算去簿x h 后嫠余蚤疆点黪孛心： 2 吉( 娶“o ( 2 - 5 1 ) 检查x 是否为可行点，若否，说明可行域是非凸的，刚从所有顶点中找出最 9 第= 章真空堆拽联台预难多级加栽的一缎沉降颈溅 好点墨，以为下限，舅撂搀残视始顼点t 装为霹嚣点，剐选择一令反射系 数五( 曼 1 ) ，从最坏点蘸通过傲放大五倍的映射，得欢射点心 k = 疋+ ( t x o ( 2 。5 2 ) 褥检查扎是否满足式( 2 4 2 ) ，若磷，刚把z 值减小一半，氍代入式( 2 4 7 ) 计算，直到x o 可行为止。 ( 3 ) 计算映象点函数值并与最环点函数值相比较 8 。，艺) ，( h ) 转向步骤( 2 ) ，否则， 再将五减半，如此重复进行，赢剜a 已小于一个预先给是的很小的正数乎( 如 毒：1 0 + 5 ) 时，鲡巢磊标函数仍无改进，说明漱象失效，弼将第( 2 ) 步中静选择 最环患毛改为次坏点，帮： ，魄) _ m 。i 。n ；