对土压缩模量定义及相关问题的探讨.pdf

河南大学自然科学基础研究项目 XK02089 范孟华 男 讲师 对土压缩模量定义及相关问题的探讨 范孟华 张 慧 河南大学土木建筑学院 河南开封 475001 摘 要 笔者认为应将压缩模量 Es和变形模量 E0的定义修改为 压缩模量 Es为土在完全 侧限的条件下竖向应力增量与相应的竖向应变增量的比值 变形模量 E0是在无侧限条件下兼有 弹性和非弹性性状岩土体在受力过程中应力增量与相应应变增量的比值 压缩模量 Es定义修改 后 关系式 E0 1 2 2 1 Es还是成立的 压缩模量 Es与压缩系数 a之间的关系式应为 Es 1 e0 a 而不是 Es 1 e1 a 将压缩模量 Es与压缩系数 a之间的关系式修改为 Es 1 e0 a 后 计算 地基沉降的分层总和法和 建筑地基基础设计规范 提供的地基沉降计算方法还是成立的 关键词 压缩模量 变形模量 压缩系数 1 关于压缩模量定义的讨论 1 1 定义情况 压缩模量 Es是衡量土的压缩性高低的一个重 要指标 也是用来计算地基沉降的一个重要参数 在 岩土工程基本术语标准 GB T50279 98第 4 2 56条是这样规定的 土在侧限条件受压 时 竖向有效压力与竖向应变的比值 为了分析 方便 以下将上述定义称为定义 1 而在文献 1 5 中是这样定义的 土在完全侧限的条 件下竖向应力增量与相应的竖向应变增量的比值 以下将此定义称为定义 2 在文献 1 4 中 在推导压缩模量 Es与变形模量 E0的关系时 引用 了定义 1和广义虎克定律 由此得出了关系式 E0 1 2 2 1 Es 其中 为泊松比 而在推导压缩 模量 Es与压缩系数 a的关系时 则引用了定义 2 由此得出了关系式 Es 1 e1 a 而由定义 1是推导 不出此关系式的 由图 1知 按定义 1 则压缩模量 Es应为直 线 OA 的斜率 按定义 2 则压缩模量 Es应为直线 BA 的斜率 而二者的斜率一般是不相等的 只有 在下述情况 二者是一致的 1 将定义 2中竖向应力增量与相应的竖向 应变增量的起始点选定在 O点 原点 即点 B 和 点 O重合时 二者的割线斜率相等 但是 若将定义 2中竖向应力增量与相应的竖 向应变增量的起始点选定在应力 应变均为零的 O 点 由图 2知 此时压缩系数 a的定义将成为直线 DM2的斜率 而不是割线M1M2的斜率 这与压缩 系数 a的传统定义不一致 2 当土是理想的弹性体时 应力应变关系 为一通过原点的直线 二者的斜率是一致的 但 实际的土体并不是理想的弹性体 故此法也行 不通 1 2 讨论 1 鉴于目前计算地基沉降的分层总和法和 建筑地基基础设计规范 GB5007 2002提供的 地基沉降计算方法在推导时均引用了关系式 Es 1 e1 a 笔者倾向于选择定义 2 即 压缩模量为土 在完全侧限的条件下竖向应力增量与相应的竖向应 变增量的比值 可能有人会问 竖向应力增量与相 应的竖向应变增量的起始点选择在哪儿呢 是不是 以自重应力为起点呢 笔者认为没有必要作硬性规 定 因为在计算地基沉降时 土层的初始应力差别 很大 不一定是自重应力 压缩模量 Es应按实际 的应力范围取值 2 关于变形模量 E0的定义也应作同样修 改 在 岩土工程基本术语标准 GB T50279 98 第 4 4 37条关于变形模量 E0的定义是这样规定 的 兼有弹性和非弹性性状岩土体在受力过程中 应力与相应应变的比值 笔者认为应修改为 变 形模量 E0是在无侧限条件下兼有弹性和非弹性性 62 全国中文核心期刊 路基工程 2006年第 6期 总第 129期 状岩土体在受力过程中应力增量与相应应变增量的 比值 3 压缩模量 Es采用定义 2后 关系式 E0 1 2 2 1 Es依然成立 根据广义虎克定律 在三向受力情况下土体的 应变关系可以推导得出 本文从简 2 关于压缩模量 Es与压缩系数 a的关系的讨论 在文献 1 4 中有 Es 1 e1 a 在文献 7 中有 Es 1 e0 a 到底哪个对呢 笔者认为后 者是对的 那么前者为什么不对呢 2 1 Es 1 e1 a 推导 Es 1 e1 a 的推导过程以文献 3 为代表 在侧限条件下 土样不允许有侧向膨胀 根据 土粒所占高度不变的条件 1 式能成立 H 可 用相 应 孔隙 比 的 变化 e e1 e2来 表 示如 2 式 H1 1 e1 H2 1 e2 H 1 H 1 e2 H0 1 e0 1 得到 H e1 e2 1 e1H 1 e 1 e1H 1 2 所以 Es p H H1 p e 1 e1 1 e1 a 3 2 2 Es 1 e0 a 推导 1 H1 H0 2 H2 H0 4 式中 H0为土体自重应力作用下原始高度 从式 1 可得 e1 e2求得 5 6 两式 e1 e0 H1 H0 1 e0 e2 e0 H2 H0 1 e0 e1 e2 H2 H1 H0 1 e0 2 1 1 e0 1 e0 e1 e2 1 e0 5 Es 1 e0 e1 e2 1 e0 a 6 从上式的推导过程 可看出式 3 与式 6 都是反映 1到 2的应力差与应变 1到 2的应变 差比值得到的压缩模量 但二者存在差别 分析其 原因 应变的表达式出现歧义 在应力 1到 2作 用下 土样的变形值 H 与初始高度 H0之比 才 是反应应变的变化 因为 H0是土体处于自重应力 作用下原始高度 其应变为零 孔隙比为初始孔隙 比 而式 3 推导时把非自重应力状态下的土样 高度 H1作为初始高度计算 这就是式 3 和式 6 的差别所在 6 通过上述分析推导 压缩模量的正确表达式 为 Es 1 e0 a 式 中 e0 土 体 的 初 始 孔 隙 比 e0 1 w Gs w 0 1 2 3 两个公式的讨论 如前所述 文献 1 4 在推导计算地基 沉降的分层总和法和 建筑地基基础设计规范 提供的地基沉降计算方法时都引用了关系式 Es 1 e1 a 通过上述分析推导 得到了压缩模量的正 确表达式应为 Es 1 e0 a 据此 分层总和法和 建筑地基基础设计规范 提供的地基沉降计算方 法还是能够成立 以计算地基沉降的分层总和法为 例 推导如下 由式 5 知 e1 e2 1 e0 第 i土层的沉降量为 si ziHi e1i e2i 1 e0i Hi ai P2i P1i 1 e0i Hi PiHi Esi 证毕 3 结论 1 笔者认为应将压缩模量和变形模量的定 义修改为 压缩模量为土在完全侧限的条件下竖向 应力增量与相应的竖向应变增量的比值 变形模量 是在无侧限条件下兼有弹性和非弹性性状岩土体在 受力过程中应力增量与相应应变增量的比值 2 压缩模量 Es定义修改后 关系式 E0 1 2 2 1 Es还是成立的 3 压缩模量 Es与压缩系数 a之间的关系式 应为 Es 1 e0 a 而不是 Es 1 e1 a 4 将压缩模量 Es与压缩系数 a之间的关系式 修改为 Es 1 e0 a 后 分层总和法和 建筑地基基础 设计规范 提供的地基沉降计算方法还是成立的 参考文献 1 东南大学等四校合编 土力学 面向 21世纪课程教材 北 京 中国建筑工业出版社 2001 6 63 范孟华等 对土压缩模量定义及相关问题的探讨 2 孔宪立等主编 工程地质学 面向 21世纪课程教材 北京 中国建筑工业出版社 2001 12 3 高大钊主编 土力学与基础工程 北京 中国建筑工业出版 社 1998 9 4 吴湘兴主编 建筑地基基础 广州 华南理工大学出版社 1997 1 5 林宗元主编 岩土工程勘察设计手册 沈阳 辽宁科学技术 出版社 1996 3 6 杜兆成 李晶 土压缩模量计算公式的探讨 长春工程学院学 报 自然科学版 2003年第 4卷第 3期 30 32 收稿日期 2005 09 26 无砂混凝土小桩后处理技术在软土地基的应用 童怀峰 郭院成 郑州大学土木工程学院 河南郑州 450002 摘 要 通过京珠高速公路湖北某合同段软基处理应用 证明无砂混凝土小桩后处理高填方 软基技术相对于传统路基处理技术具有明显的技术优势和发展前景 关键词 高速公路 软土地基 后处理技术 1 前言 我国地域辽阔 地质条件复杂多样 各种成因 的软土和软弱土 在东部及东南部分布极为广泛 该类软土含水量高 孔隙比大 渗透性小 抗剪强 度低 压缩性高 具有触变性等 高填方软基的处 理常用方法可分为土性改善和复合地基两类 目前 方法主要集中在先处理方面 包括排水固结法 强 夯法 深层搅拌法 振冲置换法和沉管碎石桩法 强夯置换法 石灰桩法 CFG 复合地基法 加筋 土法等 无砂混凝土小桩后处理技术 是在综合压 力灌浆 碎石桩技术 堆载预压 排水固结基础上 研究开发的一种地基处理新方法 2 处理机理 1 先处理技术是高填方路基施工之前即对 地基进行处理的施工技术 地基处理过程必须占用 工程有效工期 高填方施工过程实际上就是复合地 基的加荷过程 在高填方路基附加压力作用下 复 合地基产生压缩变形 并在桩周土体中产生超静水 压力 使复合地基土中的有效应力增长过程落后于 上部荷载的施加速度 严重影响复合地基沉降稳定 时间 而后处理技术是施工于高填方路基填筑到一 定高度后 原地基土在填方路基压力作用下产生压 缩变形 同时产生超静水压力 影响地基的沉降变 形和路基稳定性 从机理上分析 高填方软弱路基 变形稳定性处理就是要迅速消散下部软弱土层中的 超静水压力 提高土颗粒间的有效应力 完成土体 主固结过程 2 无砂混凝土小桩施工程序 成孔 插管 投石 封孔注浆 在成孔过程中 下部软弱土层中 的超静水压力得到彻底释放 使土颗粒的有效应力 发生突增 主固结进程加快 插管投石并间隔压力 注浆施工过程中 首先在压力作用下通过邻近桩孔 将桩间土中的部分自由水置换排出 如图 1 a 所示 再次在邻近桩孔中压力注浆时 水泥浆继续 置换桩周土体中的自由水 并使桩体密实 如图 1 b 同时使桩周土体受到压密灌浆处理 形成竖 向无砂混凝土小桩桩体以及桩周水泥复合土 待注 入的水泥浆液与周围介质凝固成一体后 即形成由 中心部位的无砂混凝土小桩桩体与周围压力灌浆土 体共同构成的复合地基 3 一方面中心桩体对软土地基进行了部分 置换加强 另一方面在压力注浆过程中 水泥浆体 对桩周土体进行了加固处理 使桩周土体的