（水利工程专业论文）真空堆载联合预压加固高速公路软基探讨.pdf

由东大学颀士学位论文 摘要 我国沿海诸省 除山东部分地段外 大部分为淤泥质海岸 土层多为淤泥 淤泥质粘土 淤泥质亚粘土及淤泥混砂层 属于饱和的正常压密软粘土 这种土 类具有高压缩性 低渗透性 低强度的特点 不能满足高速公路对地基变形的高 要求 要满足要求就必须对天然地基进行加固 因此 软土路基固结沉降 变形 及强度问题一直是国内外众多岩土工程学者 建设者普遍关注的问题之一 真空一堆载联合预压法由真空预压和堆载两种方法组合而成 它是先对软土 地基进行真空预压 当膜下真空度稳定后 再按照堆载预压法的要求在薄膜上堆 载进行预压 围绕真空堆载预压法处理软土路基课题中的沉陷与稳定问题 本文重点探讨 了以下内容 1 对天然软粘土的微观结构性 外加荷载对软土结构性的影响及孔隙水 压力和变形的外在表现进行分析研究 通过对原状软土和重塑土的不同特性的分 析 为塑料排水板真空堆载预压法处理软土路基的沉陷与稳定问题分析及工程应 用提供基本指导思想 2 对申浙苏皖高速公路第六合同段 位于浙江省湖州市白雀乡 软基处 理工程实测路基沉降 孔压 侧向位移进行综合分析 得出软土路基沉降 孔隙 水压力 侧向位移发展的一般规律 同时 对由实测沉陷观测曲线推求最终沉降 量的方法进行深入的剖析与探讨 对路基固结度计算中的两个标准及工程的卸荷 条件进行深入分析 使之更符合实际情况 并能更简便的应用与实践 3 结合路基的有限元应力计算结果 对路基的稳定问题进行分析 结合 实际工程 得出路基稳定性判断标准 同时给出路基稳定性控制方法 4 作为工程的应用 对真空堆载预压法处理软土路基的设计与施工方法 以及监测进行具体阐述 特别结合作者所作的工作 对软土路基施工期的观测方 案的设计与实施进行详尽论述 同时 对本工程施工中的一些实际事项进行评述 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u rc o a s t a lp r o v i n c e s w i t ht h ee x c e p t i o no fs o m es e c t i o n so fs h a n d o n g p r o v i n c e m o s to ft h es o i ll a y e ri ss a t u r a t e dn o r m a lc o m p a c t i o ns o f tc l a y i n c l u d i n g m u d m u d d yc l a y m u d d yl o a m a n dm u d d ys a n d s u c hs o i l sw i t hh i g hc o m p r e s s i o n l o w p e r m e a b i l i t ya n dl o w i n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i c sc a nn o tm e e tt h ed e m a n do ft h e d e f o r m a t i o no ft h eh i g h w a yg r o u n db a s e i ti sn e c e s s a r yt ob er e i n f o r c e d t h e r e f o r e t h ed o m e s t i ci s s u eo fs o f tc l a ys u b g r a d e c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t d e f o r m a t i o na n d s t r e n ah a sb e e nt h el a r g en u m b e ro fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gs c h o l a r sa n db u i l d e r s i s s u eo fc o m m o nc o n c e l r l v a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n gm e t h o di sc o m b i n e db yv a c u u mp r e l o a d i n ga n d s u r c h a r g e a tf i r s t a p p l yv a c u u l np r e l o a d i n gt ot h es o i l t h e n w h e nv a c u n m m e m b r a n es t a b i l i t y s u r c h a r g eo nt h em e m b r a n ei na c c o r d a n c e 谢t 1 1t h er e q u i r e m e n t s o f v a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n gm e t h o d t r e a t i n g w i t ht h es o f t s u b g r a d e s e n l e m e n ta n ds t a b i l i t yi s s u e sw i t h v a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n gm e t h o d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ge l e m e n t s 1 t h i sp a p e r 越a l y s e st h em i c r o s t r u c t u r a lo f t h en a t u r a ls o f tc l a y t h ee f f e c to f t h ea p p l i e dl o a d so ns o f ts o i ls t r u c t u r ea n dt h ee x t e m a lm a n i f e s t a t i o n so fp o r ew a t e r p r e s s u r ea n dd e f o r m a t i o n t h r o u g ht h es t u d yo i lt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f u n d i s t u r b e ds o i la n dr e m o l d i n gs o i l t h eb a s i cg u i d a n c ei d e ao ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o na n da n a l y s i so nt h ei s s u eo ft h et r e a t m e n to ft h es o f tc l a ys u b g r a d e s u b s i d e n c ea n ds t a b i l i t yw i t hp l a s t i cd r a i n a g ep l a t ev a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n g m e t h o di sp r o v i d e d 2 a n a l y z i n gt h em e a s u r e dv a l u eo ft h es e t t l e m e n t p o r ep r e s s u r ea n dt h e l a t e r a ld i s p l a c e m e n ti nt h es o f ts o i ls u b g r a d ei nt h es i x t hc o n t r a c to fs h e n z h e s u w a n f r e e w a y w h i c hi si nb a i q u ev i l l a g eh u z h o ut o w nz h e j i a n gp r o v i n c e t h eg e n e r a l r e g u l a r i t yo ft h e i rd e v e l o p m e n ti su n v e i l e d m e a n w h i l e t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h e f i n a ls e t t l e m e n tb yt h em e a s u r e ds e t t l e m e n tc u r v e si sd i s c u s s e df o ri n d e p t ha n a l y s i s a n a l y z i n gt h et w os t a n d a r d su s e dt oc a l c u l a t i n gt h es u b g r a d ec o n s o l i d a t i o na n dt h e i i 山东大学硬士学位论文 u n l o a d i n gc o n d i t i o n si np r o j e c t m a k i n gs u r et h a ti tc a na p p l yt h ea c t u a lc o n d i t i o n s s o i tc a r lb ee a s i l yu s ea n dp r a c t i c e 3 a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fs u b g r a d es t r e s sb yf i n i t ed e m e n t m e t h o d t h es t a b i l i t yo f 吼i b 黜i ss t u d i e d i nr e s p o n s et ot h ea c t u a lp r o j e c tt h e s t 锄d a r do f t h es u b g r a d es t a b i l i t yi sg a i n e d w h i c hc a nb eu s e da n dp r a c t i c e ds i m p l y 4 f o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h es o f ts o i ls u b m ed e s i g nm e t h o da n d t h e j o bp r a c t i c ea n dm o n i t o rw i 血v a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n gm e t h o di se x p o u n d e d p a r t i c u l a r l y i nl i g h to ft h ea u t h o r sw o r k o nt h es o f ts o i ls u b g r a d ec o n s t r u c t i o n t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h eo b s e r v a t i o n si sd i s c u s s mi nd e t a i l m e a n w h i l e s o m e s p e c i f i cp r o c e e d i n g sa l ed i s c u s s e d i nt h e p r o j e c tc o n s t r u c t i o n i i i 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 7 8 5 f 吒r 一涂抹因子 由下式确定 扛1 n 五喹 式中 五一涂抹比 a 以 d 以是垂直排水通道涂抹影响半径 可取1 5 4 施工对地基土扰动较小的情况取低值 扰动较大的情况取高值 t 一分别为地基层和涂抹层的渗透系数 c m s k 易用扰动土按常规试 验方法测定 当无试验资料时 可取渗透系数比吒 k s 1 5 8 计算 对均值高塑性粘土 l 卜3 0 取低值1 5 3 对非均值粉质粘土 3 0 取3 5 对非均值并具有明显的粉土或细砂微层理结构 的可塑性粘土取5 8 当j 0 4 时 固结度可按无影响 j 0 计算 日一固结土层竖向渗流的最大距离 单面排水时 片取土层的厚度 双面 排水时 日取两排水间土层厚度的一半 当垂直排水通道未打穿软土层时 可按下式计算地基的平均固结度 u p u q p vz 式中 u 一在f 时刻土层的平均固结度 u 一垂直排水通道打入深度范围内土层的平均固结度 按表5 2 中的参数 来计算 竖向最大排水距离为打入深度三 一垂直排水通道打入深度以下土层的平均固结度 按竖向排水计算 最 大排水距离 日 一工 日 为计算固结土层的总厚度 p 一打入深度比 p 工 日 山乐大学硕 学位论文 考虑井阻和涂抹的影响 排水板宽度b 1 5 0 r m 厚度j 4 2 r a m 排水板间 距d 1 3 m 为梅花型布置 d 2 x 1 5 0 4 2 l r 9 8 1 7 r a m n 以i d 1 3 6 5 0 0 9 8 1 7 1 3 9 e 雨i i 2l n 咿警 1 8 q b 吒石 d l 1 5 2 x 1 0 7x a x 9 1 8 7 x 2 2 x 1 0 3 9 6 5 l c m 3 i s g 亟 土 1 9 1 9 q f ia d 取a 2 5 k h k 5 则 扛l i l 五 譬一1 h a 2 5 x 5 1 3 6 6 5 厉 万万8 c 丽h 两 面而而8 x 再4 x 焉1 0 3 瓣 2 2 9 6 1 一7 房 鲁 型掣娟呱 旷 p p r pz 2 3 2 2 x 1 0 u f 一础母 1 一砉 m 一 所以1 0 0 天时的固结度为q 0 8 9 1 5 1 3 强度增长计算 真空排水预压法中有效应力的增量等于孔隙水压力的消散 即a t r 一血 由于孔隙水压力是球应力 各个方向上的有效应力增量相等 土在等向压力下固 结 在加固过程中土体内剪应力保持不变 无剪切蠕动现象发生 也就不会出现 强度的衰减现象 但是 在真空堆载预压中要考虑后期堆载引起的剪切变形的影 响 山东大学碗 学位论文 i l l 真空排水预压法由固结引起的强度增量 f 的可由有效应力法和有效固结 压力法进行计算 1 有效应力法 峨 叫等 k 0 a o 1 k 0 a o l 一血 式中 a o 一地基中某一点产生的总的最大主应力增量 由一般弹性理论解计算 一一地基中产生的有效应力增量 在真空排水预压中即为负的孔隙水压力 增量 在堆载排水预压中为 仃 一 2 有效圊结压力法 缸 u t d oz 龟币c 式中 彳一 一地基中某点的附加应力 有弹性理论计算 u 一地基中某点某时刻的固结度 则地基中某点的强度表示为 如果再堆载 考虑剪切变形引起的强度衰减 量 f d r r o 式中 f 0 一天然地基抗剪强度 7 一考虑剪切变形及其它因素对强度影响的一个综合折减系数 1 0 0 天时所加荷载8 5 2 1 9 x 5 8 2 1 2 k p a 所以 强度增长为 吃 u a 呸t g 丸 o 8 9 1 x 2 1 2 x t 9 1 8 6 1 4 k p a 5 2 有限元分析 在众多的工程数值计算方法中 有限单元法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 缩写 为f e m 很早就以其适用性强和处理非均质 非线性 复杂边界诸多问题方便等 突出优点而成为工程数值分析最有效的通用工具 有限元法关于真空预压的计算方法也得到了快速发展 1 9 6 6 年s a n d h u 和 由东大学硕士学位论文 w i l s o n 用有限元法分析了b i o t 二维固结问题 开创了有效应力分析有限元法在 岩土工程中应用的先河 在国内 沈珠江于1 9 7 7 年首先将有效应力有限元法应 用于软土地基的固结变形分析 随着真空预压方法在软土地基处理方面越来越广 泛的应用 国内外学者对一些实际工程进行了设计 监测 结果分析 同时土的 计算模型从线弹性发展为弹塑性再到考虑软土的流变性的粘弹性模型等 计算方 法不断改进 但目前一般的做法多为考虑不同的边界条件 简化为平面问题 且考 虑场地立体渗流 固结变化的三维有限元方法成果还不成熟 而其在揭示整体的 加固场地的仿真变化方面有理论探讨价值 课题组对这些方面也进行了有益的研 究 5 2 1b i o t 三维固结方程的有限元解 真空预压联合堆载是在负压与正压共同作用下加固地基 与单纯的堆载预压 不同之处在于它可以使地下水位下降 因此土体的固结包括变形与渗流两部分 两者同时存在 相互作用 b i o t 固结理论比较全面的考虑了两者的耦合 一b l o t 三维固结方程 b l o t 固结方程的推导基于以下假定 1 除渗透性外 土体是均质 完全饱和的横观各向同性体 2 土体的变形是微小的 3 土颗粒和孔隙水不可压缩 4 孔隙水相对于土骨架的渗流运动服从d a r c y 定律 5 土体的渗透性不随空间和时间而变 渗透系数为常数 6 不计惯性力和体力 在以上假定下 b l o t 三维固结方程可表示为 g v u 肌g 0 8 一字 o g v 2 v a g 孕一孚 o 叫t j y g v 2 w a g 孕一挈 o 5 1 山乐大学颀士学位论文 去阮留 雾 毛窘卜鲁 慨z 式中 g i 鲁万为均质土的剪切模量 五 百志为均质土的l a m e 撒 e 分别为土的弹性模量和p o i s s o n 比 s 占 占 s 为土体的体应变 p 为孔压 p g 为孔隙水重度 k h k v 分别为土体的水平向和竖向渗透系数 v 2 等 导 箬称为微分算子 为了使b i o t 三维固结方程的表达更为简洁 可将其写成矩阵形式 a 7 l d a 一 a 7 m p 0 5 3 似 w 舭伸 7 p 一昙 九州 o 5 4 其中 d 称为弹性矩阵 均质土的弹性矩阵可表示为 d 五 2 gaa a五 2 ga aa五 2 g o0o oo0 o0o 0 00 000 000 g00 0g0 00g 5 5 山东大学硕士学位论文 创 降 明 二l0 凡 o 5 6 5 7 另外 位移矢量为 刀 1 7 m 1 110 0 o r b i o t 三维固结方程常见的边界条件 求解b l o t 三维固结方程时常见的边界条件有 1 位移边界条件 即某边界上位移已知 例如对于固定边界 其上位移为零 则该边界条件可写为 0 1 0 1 0 2 应力边界条件 即某边界上面力已知 若作用在边界上的面力沿x y z 三个方向的分量分别为e e 只 该边界外法线与x y z 轴正向的夹角分别为口 方向余弦分别为 加 r c o s 口 埘 c o s p 以 c o s y 则该应力边界条件可表示为 1 0 x m f 岸 f 搿 e 0 l 7 m o 玎f e 0 5 8 h 口 m f 芦 n o l f z 0 写成矩阵形式 陋 7 p f 0 5 9 a o o a一瑟o a一砂a一盘 o a一钞o a 缸a一昆o o o k a一缸o o a一钞o a 一瑟o k o 山东大学硕士学位论文 其中 弘 为面力矢量 即 o0 0埘0 00 疗 m 0 0栉m 栉o 5 9 b 毋 eef a 7 5 9 c 对于常见的地表受垂直均布荷载g 作用下的情况 在右手法则坐标系下 z 轴 垂直向下 该边界 地表 的应力条件为 f 0 仃 q 3 孔压 或流势 边界条件 即某边界上孔压或水头已知 例如对于排水边界 其上孔压为零 则该边界条件可写为 p 0 4 流速 或流量 边界条件 即其边界上法向流速 或流量 已知 设边界上沿外法线方向的已知流速为 则流速边界条件可表示为 如x m v y r i p z 5 1 0 式中匕 v v 为渗流沿x y z 方向的流速 将d a r e y 定律 代入 5 1 0 则有 5 i l 5 1 2 望缸印一钞勿瓦 一o 一o t 一 一 一 一 一一 匕 b 匕 一一 印一瑟 玎 k o 一 印一钞 m 勿h 毯 k o 一 对于常见的不排水边界 其j v o 故该边界条件为 罢 m k 4 n k 宅 0 5 1 3 四卵院 l2 1 1 叩吼 1 筑 1 2 8 5 1 4 其中善 叮 f 为经过几何形状规则的标准单元 母单元 中心建立的坐标系 n n in 2j n s i 为形函数矩阵 3 x 2 4 阶 f 1 0 0 10 l 0 i 为3 阶单位矩阵 1 0 0 1 j 田 砰霹 霹 7 为单元结点位移矢量 2 4 1 阶 p ap 2 仇r 为单元结点孔压矢量 8 1 阶 n 1 n 1n 2 n 8 i x 8 阶 令 曰 铘 限岛 风 6 x 2 4 阶 其子矩阵限 6 x 3 阶 为 i 盟0 0 l io 盟ol i oo 盟i 例叫翻炉 1 盟盟害i 扛l 2 8 5 1 5 0 o n i o n j 出 匆 盟 盟 出苏 6 l 山东大学硬士学位论文 则空间离散后的平衡方程可表示为 k 舻 k p r f 5 1 6 其中 足 为单元刚度矩阵 2 4 x 2 4 阶 其计算公式为 k 7 d 曰 妣势比 5 1 7 v 蜒 为单元耦合矩阵 2 4 8 阶 其计算公式为 墨 j f 旧 m v d x d y d z 5 1 8 p 绵 为单元等效结点荷载列阵 2 4 x l 阶 其计算公式为 僻 j r f d s 5 1 9 空间离散后的连续方程可表示为 置 r 万 一 k p 只 5 2 0 其中 彪 为单元渗透矩阵 8 x 8 1 价 其计算公式为 墨 f 哦 7 洲b 砒移沈 5 2 1 l b n n 5 2 2 尺 为单元等效结点流量列阵 8 x l d 其计算公式为 眠 9 j 丽7 v d s 5 2 3 特别对于不透水边界 v 0 则怛 0 公式 5 1 6 5 2 0 合称为空间离散后的b i o t 三维固结方程 将b i o t 三维固结方程在时间上离散时 设 f 为时域上的两点 时刻f 的单元结点位移和孔压分别为舻k 和 办 时段 f t n l l 内的单元结点位移和 孔压增量分别为 a 8 和 a p 由此可将 5 1 6 写成增量形式 lr j a一勘a一砂 一瑟 山东大学硕士学位论文 f e 毋 疋 劬 a r 5 2 4 其中 a r 为a f 时段内单元等效结点荷载增量列阵 2 4 x l 阶 其计算公式为 a r f 7 a f 西 5 2 5 t 丝 参 为缸时段内单元边界面力增量矢量 将 5 2 0 两边关于f k t 到t n i 积分 可得 疋 7 占 一b a t k 肇 a r v 5 2 6 式中 a r 单元等效结点流量增量列阵 8 1 阶 其计算公式为 a r v f 局 e p 5 2 7 k u a 母 5 2 8 其中 明为单元固结矩阵 3 2 x 3 2 阶 其子矩阵为 吲槿 一麓 川名 s 佤z 其中 为单元刚度矩阵暇 的子矩阵 3 x 3 p f k m 为单元耦合矩阵 疋 的 子矩阵 3x l 阶 j 匕为单元渗流矩阵 e 的元素 a u 为单元结点未知量增量列阵 3 2 x l 阶 其子列阵为 u 陋 qa 嵋 p r i 1 2 8 5 3 0 其中a u b 嵋 鼽为单元结点的位移和孔压增量 a 尺 为单元等效结点荷载和流量增量列阵 3 2 l 阶 其子列阵为 蝇 趣 衄ha r 从一r i 1 2 8 5 3 1 山乐大学硕士学位论文 其中a 屿 a r 为单元结点的f 等效荷载增量 a r 为单元结点的f 等效 流量增量 5 2 2 土的本构模型 在弹性状态下 应变唯一的决定于应力状态 在塑性状态下 应变不仅与应 力现状有关 还与加载历史 加卸载的状态 加载路径以及物质微观结构的变形 等有关 因此 现在常用本构关系 c o n s t i t u t i v er e l a t i o n 代替应力一应变关系 它更能反映物质本性的变化 近几十年来 由于近代土力学和岩石力学的进展及计算技术的进步 使得岩 土本构模型的研究获得迅速发展 如d u n c a n c h a n g 模型 d o m a s e h u k v a l l i s a p p a n 模型 剑桥模型 南京水利科学研究院非线性模型 l a d e d u n c a n 模型 清华大 学建议的弹塑性模型 南京水利科学研究院弹塑性模型 d a f a l i a s h e r r m a n n 1 9 8 0 边界面模型等 d u n c a n c h a n g 模型由于使用了为工程师所熟悉的增量广义虎克 定律的形式 参数物理意义清楚且易于确定 适用范围较广 并在工程应用中不 断得到改进和完善 因此在真空预压联合堆载处理软土地基的有限元分析中采用 了d n n c a n c h a n g 模型 d u n c a n 等人应用常规三轴压缩试验所得的p 一c r 3 s 轴向应变 一组 试验曲线 仃 8 数 找出其共同的数学公式 并从这一数学公式中导出切线 弹性模量巨公式 同时 结合试验所得的体积应变占 与毛的关系曲线导出泊松 比u 并以此作为计算依据 这个模型称为d u n c a n c h a n g 模型 但在应用中发现屹 公式不够完善 1 9 8 0 年d u n c a n 和w o n g 等人将 改用体积压缩模量墨 即采用 e k 模型 一切线弹性模量e 康纳 k o n d n e r 等人建议采用下列双曲线来代表 仃l 一乃 s 试验曲线 当仃 常数时 山东大学硕士学位论文 眩一乃 上a b s 5 l 3 2 式中口 b 为试验常数 将 4 3 2 写成 4 3 3 则双曲线转化为直线 l 口 6 晶 5 3 3 a l 一乃 d l l n c a n 和c h a n g 利用上述公式导出了切线弹性模量公式 巨 1 一碍s 2 巨 一兰 j j i 鬻 2 互 s s t 式中e 随乃变化 是 盯 一c r 3 毛曲线的初始切线斜率 称为初始弹性模量 可表示为 易 配 韵 5 3 5 式中只为大气压 x 和甩为试验常数 对不同土类 k 能小于1 0 0 也可能大于 3 5 0 0 1 值一般在0 2 到1 0 之间ar 称为破坏比 它是实际应力应变曲线在 破坏时的侧限抗压强度 q 极限值的比值 可表示为 吩 而 0 1 0 3 f 5 3 6 应力水平s 则反映了应力发挥程度 s 一旦 l 5 3 7 a l a 3 s 二切线泊松比屹 泊松比y 虽然也有一些经验计算公式 但都不可靠 d u n c a n 假定岛和毛的 关系曲线也是双曲线 其切向斜率具有增量泊松比的物理意义 称为切线泊松比 h g 面f l o 万g 一3 p 5 3 8 h 2 百矿 怕 测 幽东大学碗士学位论文 其中 彳 d a 1 一盯3 弛 跚 5 3 9 d g f 都是试验常数 由于土体存在剪胀性 切线泊松比y 的计算值可能大于0 5 而在有限元计 算时 若虬大于或等于0 5 刚度矩阵就会出现异常 1 7 i 1 此实际计算中若l t 大于 0 4 9 则按0 4 9 取值 三切线体积模量k 体积模量足与e v 同为弹性常数 可以通过下式相互转换 置 j i 而e 5 4 0 3 1 2 y 由于在有限元计算中只用到巨和墨两个参数 即用k 代替 1 9 8 0 年 d u i l c a n 等人假定k 与应力水平s 无关 仅随仃 而变 由此可得 墨 民只f t 垒 o1 j s 埘 其中 肼为试验常数 多数土的m 值在0 0 1 0 之间 m 值小于零 表示随 着e i i 压 a 的增大 体积变形模量减小的情况 这种超乎寻常的情况是由于高压 力作用下 土颗粒结构破坏所致 随着吒的改变 k 值有十倍左右的变化 当 0 4 9 时 墨可以出现较高 的值 k t 1 7 巨 而当 o5 乡缸时 可达墨 等 以上诸公式中c 为土的强度指标 测试方法已经成熟 r k 月 d g f 瓦 朋等为土的不变非线性本构参数 般情况下由三轴排水实验测定 这些参数的获得较容易 因此在进行有限元计算时采用d u n c a n c h a n g 模型确定 的本构模型更能贴近工程实际 塑力 一n 芦 五 兰咖 q 一 一c 生q 山东大学硕士学位论文 5 3 工程实践 根据设计要求 在申浙苏皖高速公路第六合同段 位于浙江省湖州市白雀乡 运用在真空预压联合堆载技术对软土路基进行处理 除进行了现场监测及常规计 算分析外 课题组也利用有限单元法对加固试验区的路基变形等进行了计算分 析 5 3 1 有限元模型 在真空预压和堆载情况下 土的固结沉降是三维问题 为了有效的模拟加固 区路基的实际变形情况 更准确的对真空预压联合堆载处理软土地基的机理和作 用效果进行分析 课题组采用三维有限元模型进行计算 由于加固区路基左右对称 因此只取左边半幅 2 6 米 进行计算 另外排 水板的布置比较规则 各排水板附近荷载和变形情况类似 因此沿路基中心线方 向只取一排排水板及其周围对称区域进行模拟 为了尽可能的反映真空预压和堆 载对加固区及周围环境的影响 计算模拟范围较大 水平方向向外扩展一倍 2 6 米 垂直方向向下扩展一倍 2 1 米 计算模型中童为垂直于路基中心线的水平 方向 以远离路基中心线为正 y 为沿路基中心线的水平方向 以里程增加方向 为正 z 为竖直方向 以向下为正 根据地质钻探资料 整个计算区域沿竖直方 向共分五层进行模拟 由于塑料排水板宽度和厚度尺寸相差太大 划分有限元网 格时会产生奇异单元影响计算精度 因此将排水板截面模拟为1 0 厘米宽 l o 厘 米厚的正方形 三维有限元模型的网络由四结点四面体单元组成 最终计算模型共1 3 0 7 0 4 个单元 三维有限元模型的材料特性如表5 m 3 所示 计算模型实体 单元 及排水板细部等图形如图5 1 图5 7 所示 山东大学硕士学位论文 有限元模型材料特性表表5 3 c 名庐r k i e 称 c j q m s 母k gfd 1 0 4 1 0 7 1 出 c i n 8 c m s m p i 排 水 1 4 板 淤 泥 质 31 81 906 9 7 2 3 o3 6 o 2 ao 1 l0 1 l 粘 土 亚 砂41 7 51 95o 8 31 2 260 5 50 2 20 1 7 0 1 7 土 亚 砂41 81 9 20 8 61 1 5 70 5 10 2 6o 1 50 1 5 土 亚 砂 4 1 81 850 8 01 1 0 90 4 70 2 5o 2 l0 2 1 土 淤 泥 质87 o1 8 006 66 880 4 20 2 50 1 30 1 3 粘 土 有限元模型材料特性表表5 3 山东大学硕士学位论文 图5 1 计算模型平面布置图 图5 2计算模型立面布置图 图5 3计算模型三维实体图 山东大学硕士学位论文 图5 4 计算模型有限元网格 图5 5计算模型网格细部构造图 山东大学硕士学位论文 图5 6塑料排水板布置图 图5 7塑料排水板结构详图 山东大学硕士学位论文 5 3 2 边界条件和荷载模拟 边界条件规定如下 假定在进行真空预压前 各单元结点初始位移为零 计 算模型表面为自由变形 假设路基底面和模型沿x 轴外侧表面已超出荷载作用影 响范围 设为全约束 其余侧面边界只受法向约束 同时 模型的所有侧面及路 基底面规定为不透水边界 在计算模拟过程中 假设加固区表面真空膜以下的真空度均为8 5 k p a 加固 区范围内不同深度塑料排水板和地基处的真空度按照实测值作为已知荷载条件 加设 假设路基底面和模型沿x 轴外侧表面已超出真空荷载作用影响范围 真空 度为零 填土荷载按照设计文件 作为面力加设在加固区表面 5 3 3 计算结果及分析 经过有限元计算 不同深度处塑料排水板和软土地基的真空度分布情况如图 5 8 图5 1 3 所示 在表面真空度稳定在8 5 k p a 情况下 计算模型竖直方向的最终沉降情况如图 5 1 4 所示 按照设计文件 加固区填土荷载为1 0 0 k p a 情况下 计算模型竖直方 向的最终沉降情况如图5 1 5 所示 按照设计文件 真空预压联合堆载对软土路 基进行处理时 计算模型竖直方向的最终沉降情况如图5 1 6 所示 同时 计算 模型还模拟了在表面真空度稳定在8 5 k p 情况下水平方向的变形情况如图5 1 7 所示 山东大学硕士学位论文 图5 8z o 处真空度分布情况 图5 9z 2 m 处真空度分布情况 由衷大学硬士学位论文 图5 1 0z 5 m 处真空度分布情况 图5 1 1z 1 2 m 处真空度分布情况 山东大学硕士学位论文 图5 1 2z 1 7 m 处真空度分布情况 图5 1 3z 2 1 m 处真空度分布情况 7 5 由东大学硕士学位论文 图5 1 4 真空荷载作用下计算模型的沉降图形 图5 1 5 填土荷载为i o o k p o 时计算模型的沉降图形 山东大学硕士学位论文 图5 1 6 真空联合堆载作用下计算模型的沉降图形 图5 1 7 真空荷载作用下计算模型的水平变形 山东大学硕士学位论文 图5 1 8 填土荷载为8 5 丘巳时计算模型的沉降图形 从计算结果可以看出 1 采用真空预压对软土路基进行加固时 有效加固区域明显大于堆载作 用下的有效加固区域 通过图5 1 4 和图5 1 5 中的红色区域的对比可以很明显的 看出 因此真空预压的整体加固效果要好于堆载加固方案 2 采用有限单元法进行真空预压联合堆载处理软土地基的沉降计算时得 出的最大沉降值为1 2 7 2 米 与实测值1 2 0 7 米相近 因此这种计算方法可以应 用于实际工程和常规方法互相验证以制订合适的施工方案和施工组织设计 3 从观测资料和研究结果可知 真空荷载作用下 土体有产生向压缩区 内部水平位移的趋势 计算模型中也体现了这一趋势 见图5 1 7 从计算结果 中可以看出 表面真空度稳定在8 5 k p a 时 水平位移在加固区与非加固区交界处 的表面较大 大约2 2 5 厘米 随着加固深度的增加 水平位移逐渐减小 由于 真空预压会使加固区及其周围的土体产生向加固区内部的水平位移 也就是说在 加固时会压缩加固区土体 因此采用这种方法时土体的稳定性要明显好于堆载加 固法 而且在采用雄载加固法时必须考虑的加载速率也不再是影响施工进度的约 吐i 东大学碗士学位论文 束条件 通过图5 1 4 和图5 1 8 的对比 可以看出真空预压和堆载两种地基加固方案 的最大沉降值相差不太 仅7 7 厘米 真空预压方案不仅有效加固区域大 且真 空预压方案中加固区范围内土体沉降的变化幅度明显较小 这有利于土体在加固 时的整体稳定 m 东大学硕士学位论文 第6 章施工控制指标的研究 6 1 研究施工控制指标的意义 由于真空预压法在施工过程中不存在稳定性问题 因此 施工过程中只要控 制好前期施工质量 在抽真空过程中 保持真空度稳定 则整个加固过程就会收 到较好的效果 而堆载预压则不同 施工过程中需要控制其加载速率以保证其稳 定性 6 1 1 软土地基变形的阶段性理论 按照地基极限承载力理论 软土破坏形式一般为冲剪破坏 其特征是 不在 基角下出现明显的滑动面 而是随着荷载的增加 基础将随着土的压缩近乎垂直 向下移动 当荷载继续增加并达到某一数值时 基角连续刺入 病因基角附近土 体的垂直剪切而破坏 以固结理论来分析 加荷后 地基土发生一定剪切变形产生侧位移而引起瞬 时沉降 而瞬时沉降又是剪切变形 对地基承载力并无提高 随着地基土排水固 结 土体压缩产生固结沉降 从而提高地基承载力 沈珠江将软土结构破坏和滑移分为三阶段 第一阶段 结构基本保持完好状 态下的变形 但不能排除有少量的破损 可以认为 孔隙比基本保持不变 由于 这一阶段固结系数很大 在现场不可能产生很大的侧向变形 第二阶段 结构大 量破损阶段 这时除了颗粒间的滑移外 还伴随着结构的塌陷 在不排水的条件 下 此时土体内孔隙水压力急剧上升 由于原来由骨架承受的一部分应力转嫁到 孔隙水上 孔隙压力系数b 血i a a 甚至可能大于1 由于b l 在荷载增 加的同时有效应力不增加甚至减少 这时候土体的变形主要是剪切变形 必然伴 随大量的水平位移 第三阶段的性质已接近重塑土 颗粒间的滑移成为变形的主 要原因 软土地基的变形具有明显的阶段性 而现有的控制方法对其阶段性考虑不 足 采用同一控制标准是不准确的 山东大学硬士学位论文 同样 在观测到的沉降曲线上 进入填筑中间阶段时 都会存在沉降速 率突然增大的部分 即沉降曲线存在拐点 一般可以认为此时软土结构进入 大量破损阶段 这时除了颗粒间的滑移外 还伴随着结构的塌陷 因此 可 将这一拐点作为阶段划分点 6 1 2 不同路堤填筑阶段软土地基的变形和固结分析 对实际工程来讲 软土阶段性的划分点需结合实际变形观测曲线予以确定 张诚厚等通过对沪宁高速公路实测的分析 发现软土路基变形曲线在加载过程中 有两个 拐点 第一个出现在填土达到临界高度时 第二个拐点出现在填土高 度为4 3 4 8 m 时 此时 路基塑性区开展 沉降将明显加大 这就是软土结构 大量塌陷的填土高度 由上述分析 可对软土地基的填筑分为三个阶段 其相应的填土性状分析如 下 第一阶段 低填土阶段 此阶段填土高度在软土地基临界高度之下 软土地 基上插打竖向排水板后地基竖向固结系数增大 荷载作用下地基土排水固结速度 加快 固结沉降大 地基抗剪能力相对于荷载 低填土 较强 剪切变形小 瞬 时沉降小 侧位移速率小 第二阶段 中间阶段 此阶段填土高度介于临界高度和沉降曲线出现拐点时 对应的填土高度之间 随着竖向排水体周围土体水的进一步排出 土体中含水量 越来越少 由于淤泥质粘土渗透性差 故排水量明显降低 离竖向排水体较远的 土体水分排出有一个较长的时间过程 固结沉降开始变小 另外 地基土已经具 备一定的固结度 而荷载相对不太大 地基的抗剪强度尚能满足要求 在这一阶 段 瞬时沉降会慢慢取代固结沉降 地基的沉降和侧位移开始增加 此阶段的后 期 沉降和侧移速率多有超限 甚至出现填筑后几天连续超限 然后才稳定下来 若侧位移速率超限不能稳定 路堤两侧沉降差异将越来越大 路堤可能产生圆弧 滑移破坏 8 1 3 施工控制指标对软土变形阶段性的考虑 由于软土的变形和排水固结具有明显的阶段性 那么在进行软土路堤填筑施 8 1 m 东大学硕士学位论文 工时也需要充分重视和利用这种特点 具体的讲 即在填土初期 可以采取较快 的加荷速率填土至临界高度 在第一阶段的施工控制指标可以不受规范限制而放 大许多 许多实际工程也表明 在极限高度以下 即使地基的沉降速率变得很大 时 地基也未出现剪切破坏的现象 如在京珠高速公路广珠段软土路堤填筑中 就有过最大沉降速率达4 3 m l d 而路堤未曾破坏的情况 在填土中期 即沉降观 测曲线尚未发生陡降的阶段 此阶段由于一般不会发生路堤整体滑移 可以采用 中等填筑速率进行路堤填土施工 此阶段的施工控制指标 不能定的太大 因为 以太大的填筑速率会使侧移迅速增大 过早破坏土体的结构性 使路基变形过早 进入第三阶段 同时 施工控制指标也不必过于保守 较慢的填筑速率会将填筑 期拖的过长 无法达到节省人力物力和缩短工期的效果 在第三阶段 即高填土 阶段 此阶段软基侧向变形很大 排水固结速率很慢 必须严格控制加载速率 在第三阶段的路堤填筑 应该采用慢速加载 采用加载一停歇一加载的方式填筑 到预定高度 通过监测判断地基变形趋于稳定之后方可考虑施加下一步荷载 这 既能保证路堤的稳定 同时可以有效减小侧向挤出变形 减小由于路基附加沉降 引起的填土土方量 由上述分析可以看出 整个路堤填筑阶段 采用单一的施工控制标准是不合 理的 施工控制标准的确定需要同软土地及变形阶段相适应 即在填土初期 采 用较大的控制指标 在填土中期 采用中等大小的控制指标 须将侧移速率 沉 降速率及孔压系数三项指标联合起来判断路基的稳定性 而在高填土阶段 必须 以更严格的控制指标值对填土速率加以控制 同时要加大软基监钡9 的频率 密切 关注软基得变形和孔隙水压力消散情况 若观测得到的变形速率和孔压系数超过 控制指标值 须立即停止加载 并以后续发展趋势评价路堤的稳定性以及判断有 无必要进一步采取卸荷措施 确定了不同填筑阶段的施工控制指标后 利用动态 观测法指导施工既可以保证路堤的稳定性 又可以尽可能合理的缩短填筑施工 期 达到经济有效地目的 6 2 施工控制指标对地质条件和土质参数的考虑 现有单一施工控制指标的不合理处之一在于不考虑软土变形的阶段性 将不 同填土阶段的施工控制指标确定为一个单一值 另外其不合理之处还在于未考虑 山东大学硕士学位论文 不同地质条件和土质条件 对整个高速公路沿线施工填土速率控制标准确定为一 个指标值 一般来说 高速公路路线长 地形变化大 地质条件和土质参数也会差别很 大 某些路段淤泥层浅 而有些路段属深厚软土 采用同样的加荷速率 软土厚 度不同的路段其变形速率显然也不同 高速公路沿线土质参数变化也比较大 受 应力历史的影响 地基土体压缩性渗透性较差 而有的路段其渗透性和压缩性则 较强 这些因素都会使路基变形和孔压消散速率有较大的差别 不考虑地质条件 和土质条件 对所有路段的填土施工采用单一的施工控制指标值 均有可能导致 工程判断偏于保守或不安全 由于沉降板埋设技术简单 且不需要复杂观测设备等原因 在实际工程中用 的较为普遍的是以路堤中心的地表沉降速率来控制加载速率 下面 对沉降速率 计算公式进行推导 并分析实测沉降速率的影响因素 如果不考虑次固结沉降 最终沉降量可安照下式计算 瓯 彤 只 珊足 6 一1 式中 埘一经验系数 可以从实测沉降资料反算算得 从上式可以写出时间f 时的沉降 s t s l 肛1 噜 i u 6 2 式中 只 u 一时间f 时的荷载和固结度 p 一总荷载 从而导出沉降速率