基于动态压缩模量的路基工后沉降计算研究.pdf

第 4 0卷第 4期 2 0 1 4年 8月 四川建筑科学研究 S ic h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l9 7 基于动态压缩模量的路基工后沉降计算研究 栗金文 洪宝宁 刘 鑫 贺国庆 1 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 江苏 南京2 1 0 0 9 8 2 核工业第五研究设计院 河南 郑州4 5 0 0 0 0 3 河海大学隧道与轨道工程研究所 江苏 南京2 1 0 0 9 8 摘要 基于太沙基单向固结理论 结合土体变形计算公式 推求饱和土压缩模量的表达式 研究饱和土体压缩模 量随固结度 固结系数和排水路径的变化规律 并分析了压缩模量的时间效应及其在路基工后沉降预估 中的应用 研究 结论表明 1 固结初期 压缩模量随固结度增加呈缓慢线性增长 固结度 U 6 0 时 压缩模量增长速度加 快 固结后期 压缩模量增加很少 2 固结时间相同 压缩模量随固结系数增加而增加 固结系数 C 6 0 I t h a s n o f u r t h e r i n c r e a s e in t h e la t e r p e rio d 2 Wi t h t h e c o n s o li d a t i o n c o e ffi c i e n t i n c r e a s i n g c o mp r e s s i v e m o d u l u s in c r e a s e s u n d e r t h e s a m e c o n s o li d a t i o n t i me I t c h a n g e s l it t le a s t h e c o n s o li d a t i o n c o e ffi c ie n t C 7 0 时 E 相对 U的切线斜率逐渐变大 说 明 E 的 增长速度逐渐加快 当固结度 U 9 0 时 E 增长 缓慢 由于此时饱和土已接近固结完全 土体可压缩 性几乎不再降低 故 固结接近完全时 E 变化很小 图 3 压缩模量 E 随固结度 的变化 曲线 F ig 3 Cu r v e o f c o m p r e s s iv e mo d llllls Es v s d e g r e e of c o ns olida t ion U 2 2 固结系数对压缩模量的影响 固结系数对压缩模量的影响主要是通过 固结度 来影 响的 固结系数不 同 对压缩模量 的影响大小 不同 图 4是饱和土压缩模量 E 关于 固结 系数 C 的半对数曲线 反映了 随 C 的变化 规律 固结 时间相同时 饱和土压缩模量随固结系数 的增加而 增加 当饱和土的固结系数C 5 0 0 0 0 c m a时 固结系数越大 压缩模量增长速度越快 这是 因为 固结 系数较 大 时 孔隙水排出较快 土体的可压缩性较固结系数小 的饱和土降低较快 图 4 压缩模量 E 随固结 系数 C 的变化 曲线 Fig 4 Cu r v e o f c o mp r e s s iv e mo d u lu s E V S c o e f fi c ie n t o f c o n s o lid a t io n C 2 3排水路径的影响 式 1 0 是基于饱和土单面排水推导得出的 对 于双面排水 其推导过程与单面排水一致 根据太 沙基单 向固结理论 可得 到土样双面排水下平均 固 结度 饱和土双面排水其排水最 大距 离为 的一 半 结合式 6 和式 7 可得到土样双面排水压缩模 量 E 的数学表达式 1 竹8 e 图 5是饱和土在两种排水条件下 压缩模 量随 时间的变化曲线 双面排水的压缩模量增长速度远 远大于单面排水 这是 因为双面排水路径较短 排 水速度快所致 的 图 5 不同排水条件下压缩模量的变化 曲线 Fig 5 Va r ia t ion o f c o m pr e s s iv e mod ulu s unde r d iffe r e n t d r a in a g e c o n d it io n s 3 基 于 动态 压 缩 模 量 的 工后 沉 降预 估研 究 3 1 压缩模量的时间效应 图 5反 映了饱和土压缩模量 随时间的变化 曲 线 可知压缩模量随着 固结时间的增加而增加 曲线 的切线斜率随着 固结时间的增加而逐渐增大 当固 结时间达到 5年 压缩模量 的增长很小 说 明压缩 模量 随着时间的增加不是无 限制增长 存在一个极 2 0 0 四川建筑科学研究 第 4 0卷 限值 在软基处理领域 工后沉降是一个重要的工程 质量参数 工程上预估工后沉降一般采用双曲线法 和指数法 然而 利用图 5揭示 的压缩模量 的变化 规律可以预估工后沉降 例如预估两年后的工后沉 降 可以使用两年后的压缩模量进行沉降计算 这样 计算得到的结果更加接近工程实际 3 2工后沉 降预 测研 究 广东佛 山某高速公路软基处理项 目 选取断面 K 4 3 7 8进行分析 该处地基 0 3 m是粉质粘土 2 3 0 m是淤泥质土 压缩模量 E 1 4 M P a 地基 处理方式为袋装沙井 堆载预压 砂井长 度 1 5 m 填土高度 1 5 m 堆载高度 h 1 2 m 堆载预压时间 为 9个月 通过压缩模量数学表达式计算得到的工 后沉降值 分别与指数 曲线法和双曲线法 的计算值 进行对比分析 3 2 1 基于动态压缩模量的工后沉降预估 考虑砂井 的渗透系数 后 计算得到地基的固 结系数 C 3 6 1 0 c m a 计算得到 S 1 0 4 1 m m p 4 8 6 k P a 根据压缩模量 的数学表达式可 以得到压缩模 量随 时间的关 系 曲线 如 图 6所 示 当固结时间达 到 9个 月后其 固结度 已超过 9 5 9 个月 以后 的压缩模量均为 l4 7 M P a 由此预估工 后沉降为 S ap H E 48 6 3 0 1 4 7 9 9 1 8 mm 图 6 压 缩模 量随时间变化曲线 Fig 6 Var ia t io n of c o mpr e s s iv e m o dulus v s t ime 3 2 2双 曲线法 和指数 曲线预 测工后 沉 降 双曲线法假定地基的沉降速率随时问以双曲线 形式递减 指数 曲线法是从土体平均固结度 的定义 得 出的 图 7为 K 4 3 7 8断面地基 沉降实测 曲线 以及分别用双曲线法和指出曲线法预估工后沉降的 拟合曲线 双曲线法预估的工后沉降为 1 0 9 m m 指数法预 估的工后沉降为5 8 m m 综合对比三种预估工后沉 降的方法可以发现 利用动态压缩模量能够较好 的 预估工后沉降 其预估的工后沉降值介于双曲线法 和指数曲线法之间 较为接近双曲线法 两者较为吻 合 而指数法与其相差较大 这就为路基工后沉降 秀 美 螺 1 0 0 0 图 7 K 4 3 7 8断面沉降实测和预测 曲线 Fig 7 M e a s u r e d a n d p r e d ic t e d c u r v e s o f s e W e me nt f o r s e c t io n K4 3 78 的预测提供一种新的方法 4 结 论 1 固结初期 饱和土压缩模量 随着 固结度的增 加呈缓慢线性增长 固结后期 固结度 U 6 0 时 压缩模量增长速度变大 固结后期 压缩模量增长很 小 2 固结时间相同时 饱和土压缩模 量随固结系 数 的增加而增 加 当饱 和土 的固结 系数 C 5 0 0 0 0 c m a 时 固结系数越大 压缩模量增长速度越快 3 压缩模量随着时间呈近似线性增长 压缩模 量存在一个上 限值 双面排水 时的压缩模量增 长速 度远远大于单面排水 4 利用压缩模量 的动态变化 规律可 以较好 的 预估工后沉降 参 考 文 献 1 杜兆成 李晶 土压缩模量计算公式的探 讨 J 长 春 I 程学 院学报 自然科学版 2 0 0 3 4 3 3 0 3 2 2 陈孝培 甘德福 论 软土地 基压缩模 量 E 的定 值 J 1 二 程勘 察 1 9 9 9 6 1 6 一 l8 3 任文峰 王 星华 韩晓 飞 高速 铁 路软 土路基 沉 降 试验研 究 J 水利与建筑工程学报 2 0 1 0 4 6 5 6 8 4 罗嗣海 基 础最终 沉 降量 计算 中的 E 取值 J 呈勘察 1 9 9 5 6 2 0 2 2 5 周翠英 林 春秀 林鲁 生 等 外荷 载作用下软土 压缩 模量 的动 态演 化规律研究 J 岩土力学 2 0 1 0 3 1 7 2 0 4 0 2 0 4 4 6 牟春梅 李佰 锋 外荷 载作用 下软 土压 缩模量 动 态演 化规律 J 土木建筑与环境工程 2 0 0 9 3 I 4 4 9 5 4 7 江雯 谢康和 夏建 中 压缩模量 随深度 线性 变化 的软粘 土 地基一维固结解析解 J 科技通报 2 0 0 3 1 9 6 4 5 2 4 6 0 8 陈福江 马建林 朱林 等 考虑 压缩模量深度 效应的深厚 软 土桩基沉降计算 J 岩土力学 2 0 1 2 3 3 s 2 1 6 7 1 7 2 9 郑俊杰 区剑华