结构性软土沉降计算-浙江大学

1、高等基础工程学高等基础工程学陈仁朋陈仁朋浙江大学岩土工程研究所浙江大学岩土工程研究所一、绪论一、绪论二、土的基本特性二、土的基本特性三、沉降三、沉降四、承载力四、承载力五、基坑工程五、基坑工程六、桩基工程六、桩基工程七、地基处理七、地基处理目目 录录一、绪论一、绪论二、土的基本特性二、土的基本特性三、沉降三、沉降四、承载力四、承载力五、基坑工程五、基坑工程六、桩基工程六、桩基工程七、地基处理七、地基处理目目 录录三、沉降三、沉降3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 地基中的应力地基中的应力3.3 3.3 沉降组成沉降组成3.4 3.4 沉降随时间变化沉降随时间变化3.5 3.5 土体压缩性指

2、标确定土体压缩性指标确定3.1 3.1 概述概述沉降原因：沉降原因：（1 1）地基中产生附加应力；（）地基中产生附加应力；（2 2）土体具有压缩性）土体具有压缩性3.1 3.1 概述概述种类：种类： 总沉降，不均匀沉总沉降，不均匀沉降，倾斜，局部倾斜降，倾斜，局部倾斜危害：危害：（1 1）影响使用功能；影响使用功能；（2 2）引起结构开裂引起结构开裂不同建（构）筑物对沉不同建（构）筑物对沉降要求不同降要求不同 D DD D 地下水位降低引起建筑物附加沉降地下水位降低引起建筑物附加沉降地下水位降低引起地基有效地下水位降低引起地基有效应力增加，产生沉降应力增加，产生沉降例如：水位下降例如：水位下降

3、2m2m，引起地，引起地基有效应力增加基有效应力增加20kPa20kPa，相当，相当于地面堆载于地面堆载1m1m邻近建筑物荷载引起既有建筑不均匀沉降邻近建筑物荷载引起既有建筑不均匀沉降膨胀性土的影响膨胀性土的影响土体中粘粒含量多土体中粘粒含量多土体性质受含水量影响大土体性质受含水量影响大塑性指数和液限指数大塑性指数和液限指数大膨润土的微结构及双电层膨润土的微结构及双电层p3.2 3.2 地基中的应力地基中的应力 自重应力：土体自重引起的应力，通过骨架传递 附加应力：外荷载作用所引起的应力，如基础荷载 施工应力：施工扰动引起的应力，如打桩挤土等czhAz基岩hczz预制桩0 xczxKDpBou

4、ssinesqBoussinesq解和解和MindlinMindlin解解 （单相介质）（单相介质） 竖向集中力下的地基附加应力竖向集中力下的地基附加应力作用于地基表面（Boussinesq解）作用于地基内部（Mindlin解） 地基表面作用集中力示意图OzrQ (r, z) P 地基表面作用集中力示意图rzQ (r, z)PO竖向应力分布等值线竖向应力分布等值线（a） 条形荷载 （b）方形荷载竖向应力分布规律竖向应力分布规律饱和土介质饱和土介质 （两相介质）（两相介质） 点荷载作用下初始有效应力，初始孔压及位移解35332RzRzPz32RzPuO z r Q (r, z) P 饱和土中条形

5、荷载下初始解饱和土中条形荷载下初始解 条形荷载作用下的初值解222211mnmnnmmnpznmnmpu1arctanarctan式中：Bxm Bzn M (x, z)xzpo2B 饱和土中条形荷载下初始应力和孔压分布饱和土中条形荷载下初始应力和孔压分布-2.0B-1.0B0.0B1.0B2.0BBp-2B-1B0B1B2B-4B-3B-2B-1B0BBp超静孔隙水压力超静孔隙水压力竖向有效应力竖向有效应力初始孔压和有效应力沿深度分布初始孔压和有效应力沿深度分布0.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深度 / B应力 / p 超静孔隙水压力 竖向有效应力 竖向总应力0

6、.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深度 / B应力 / p 超静孔隙水压力 竖向有效应力 竖向总应力X=0 X=1/2BX=0 X=1/2B实例分析实例分析高速公路拓宽工程高速公路拓宽工程 填土填土4m4m，拓宽路堤，拓宽路堤4.5m4.5m，原路堤，原路堤13m13m超静孔隙水压力竖向有效应力既有道路 拓宽道路l初始附加有效应力决定瞬时沉降初始附加有效应力决定瞬时沉降l初始孔压决定固结沉降初始孔压决定固结沉降l根据初始附加有效应力和孔压分布确定地基处理根据初始附加有效应力和孔压分布确定地基处理的范围的范围3.3 3.3 地基沉降组成地基沉降组成瞬时沉降瞬时沉降

7、(Ss) 不排水条件下，地基土体侧向变形形成的沉降主固结沉降主固结沉降 (Sc)(Sc)孔压消散，有效应力增加，地基固结产生的沉降次固结沉降次固结沉降 (Ss)(Ss)土骨架上有效应力不变情况下，土体蠕变引起的沉降时间有效应力应变瞬时压缩延迟压缩主固结次固结明显孔隙水压消散阶段无明显孔隙水压消散阶段时间00 瞬时压缩、延迟压缩与主固结、次固结比较（Bjerrum,1967）饱和地基瞬时沉降饱和地基瞬时沉降 (Ss)(Ss) 弹性地基瞬时沉降弹性地基瞬时沉降 瞬时沉降是由于加荷瞬时地基中的附加有效应力产生的。 要计算瞬时沉降，只需对有效应力引起的竖向应变积分即可。传统矩形面积或圆形面积荷载算法：

8、条形面积荷载算法： udEpBS21EpBCSdd21式中：241ln121DCd1ln11ln222mmmmm条形荷载作用下的瞬时沉降条形荷载作用下的瞬时沉降 软土的压缩性软土的压缩性 土的结构性是指土颗粒在长期沉积过程中形成的物理和化学胶结作用。 成因：风化、淋洗、卸荷、次固结及离子反应等因素。 由于成因的不同，结构性的强弱程度及其稳定性也有所差异。 绝大多数的天然沉积土都具有一定程度的结构性。软粘土的室内和现场试验软粘土的室内和现场试验 固结压缩试验三轴固结排水试验现场十字板试验钻孔取样进行室内试验的过程钻孔取样进行室内试验的过程 钻孔 取样储藏推土 制样 试验正常固结粘土取样后的应力路

9、径正常固结粘土取样后的应力路径 固结压缩试验固结压缩试验初始孔隙比：薄壁土样1.9，普通土样1.7薄壁土样存在明显的屈服点固结试验固结试验 固结系数：原状土是扰动土的515倍。02004006008001000012345固结系数 10-3cm2/s固结压力 /kPa 原状土 重塑土pc室内三轴固结排水试验室内三轴固结排水试验软土结构性： 主应力差达峰值 结构破坏 残余应力十字板试验十字板试验 0510152025020406080 100原位十字板强度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0510152025020406080 100原位十字板强度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0

10、510152025020406080100原位十字板强度(kPa)深度(m)打十字板前打十字板后 图图2 2- -5 5 1 1# #测测孔孔 图图2 2- -6 6 2 2# #测测孔孔 图图2 2- -7 7 3 3# #测测孔孔 塑料排水板施工导致土体强度平均降低45%l 根据柱孔扩张理论计算得到施打排水板引起地基处理区的扰动程度约为30%左右l 日本学者奥村指出土体的结构受到扰动破坏短期内很难恢复的l Akagi(1981)试验分析了砂井施工扰动对土体十字板强度的影响，指出砂井施工扰动程度为20%40%，国内学者的工程实测数据也证实了这一点扰动及其对沉降的影响扰动及其对沉降的影响*%1

11、00%uuurSSSDSSuS*uSrS， 分别为扰动前后的十字板剪切峰值强度重塑土的十字板剪切峰值强度 土体结构扰动程度的评价方法土体结构扰动程度的评价方法 SD扰动度 l 扰动程度越大，压缩曲线越向下移l 不同扰动程度的土体，其压缩曲线最终交于 0.42e0点软土压缩曲线的校正方法软土压缩曲线的校正方法SchmertmannSchmertmann（19551955）方法）方法软土压缩曲线的校正方法软土压缩曲线的校正方法SchmertmannSchmertmann（19551955）方法）方法软土压缩曲线的校正方法软土压缩曲线的校正方法Nagaraj (1990)Nagaraj (1990)

12、方法方法BAenlogl 没有表现土的结构性变化过程l 试验要求的固结压力过大，很难实现，且校正曲线不便于工程应用11.11.21.31.41.51.61.71.81.9101001000压力，k P a孔隙比，e重塑土样薄壁土样CDE0zpc校正曲线AB压缩曲线由四段组成 1.水平段（AB）；2.弹性压缩段(BC)； 3.结构破坏突降段 （CD）；4.重塑压缩段(DE)，最终交于0.42e0点。结构屈服应力比 结构性软土压缩曲线校正结构性软土压缩曲线校正p结构性强的软土采用四折线法结构性强的软土采用四折线法pc压缩曲线由三段组成 1：水平段（AB）2：弹性压缩段(BC) 3：重塑压缩段(CE

13、)，最终交于0.42e0点。p结构性弱的软土采用三折线法结构性弱的软土采用三折线法ABC(D)E0zpc结构性软土压缩曲线校正结构性软土压缩曲线校正zopc042.0eplog0ee重塑土原状土结构性软土地基沉降计算方法结构性软土地基沉降计算方法siCciCzopcpf042.0eplog0ee重塑土扰动土原状土扰动土的压缩曲线扰动土的压缩曲线siCciCzof0)%)(1 (zzopcpfSD0%)1 (zzofSD扰动土的结构屈服应力与表观自重应力sfCcfC042.0epplog0ee重塑土扰动土原状土rede0SrSdS扰动产生附加沉降示意图扰动产生附加沉降示意图 扰动土地基的沉降及附

14、加沉降计算扰动土地基的沉降及附加沉降计算p温州电厂温州电厂2#堆煤场中心点沉降计算和实测结果堆煤场中心点沉降计算和实测结果上覆压力(kPa)3676106136156考虑结构性沉降算法(原状土,扰动度=0%)0.2930.7951.211.621.87考虑结构性沉降算法(扰动土,扰动度30%)0.5881.301.722.092.316附加沉降理论预测值 =-0.2950.5050.510.470.446按Es法计算（不修正） 1.76实测沉降 =沉降值/此时固结度0.5/0.9=0.556 1.686/0.8=2.11扰动使竖井区地基的总沉降增大扰动使竖井区地基的总沉降增大扰动及其对沉降的影

15、响扰动及其对沉降的影响次固结沉降次固结沉降 (Ss)(Ss)3.3 3.3 地基沉降组成地基沉降组成 瞬时沉降瞬时沉降 (Ss) 不排水条件下，地基土体侧向变形形成的沉降 主固结沉降主固结沉降 (Sc)(Sc)孔压消散，有效应力增加，地基固结产生的沉降 次固结沉降次固结沉降 (Ss)(Ss)土骨架上有效应力不变情况下，土体蠕变引起的沉降总沉降：总沉降：S = Ss + Sc + SsS = Ss + Sc + Ss 固结沉降和次固结沉降与时间有关3.4 3.4 沉降随时间的变化（固结理论，沉降随时间的变化（固结理论，ScSc）有效应力小于结构屈服应力时，结构性软土的固结系数基本为一常数；当有效

16、应力接近屈服应力时，固结系数迅速降低；当有效应力大于结构屈服应力时，固结系数又趋于一常数。 结构性软土大面积荷载一维固结理论结构性软土大面积荷载一维固结理论结构破坏结构未破坏2VVCC 1VVCC Z0Zm底面不排水底面不排水固结系数和渗透系数简化模型固结系数和渗透系数简化模型和和Terzaghi Terzaghi 固结理论比较固结理论比较10100100010000100000100806040200 Consolidation degree, Ut(%)Time t , day the result of this study Terzaghis theory(Cv=Cv1) Terzag

17、his theory(Cv=Cv2)Cv1=30-3cm2/sCv2=0.510-3cm2/sk1=1.210-6cm/sk2=0.410-6cm/s20151050020406080100120140160 Cv1=310-3cm2/sCv2=0.510-3cm2/sk1=1.210-6cm/sk2=0.410-6cm/sEffective stress, kPaS(t)|t=10S(t)|t=3 Depth, m effective stress,t effective stress,t=10 year effective stress,t=3 year yield stress effe

18、ctive weight地基有效应力随时间变化地基有效应力随时间变化地基中的孔压及其消散地基中的孔压及其消散201510500204060Cv1=3 Cv2=0.5 k1=1.2 k2=0.4 s(t)Pore water pressure, kPa Depth, m the result of this study Terzaghis theory(Cv=Cv1) Terzaghis theory(Cv=Cv2)201510500204060Cv1=3 Cv2=0.5 k1=1.2 k2=0.4 s(t)Pore water pressure, kPa Depth, m the result

19、 of this study Terzaghis theory(Cv=Cv1) Terzaghis theory(Cv=Cv2)T T3 3年年 t t1010年年结构性软土砂井地基固结理论结构性软土砂井地基固结理论 径向和竖向组合排水条件下，地基中平均超静孔隙水压力分布12jj +1j -1n当 ；取pczoP1hhCC 1vvCC 12) 12 (sin12141mtBhtreHzmmUvTmmvteHzmmU4)12(1222) 12(sin) 12(1412)(8deDFCBhrtHCTvv22222) 12() 1(32nmnGD2)(wwhdlkkG .)3 , 2 , 1(m)4

20、11 (11)41)(1 (1143ln)ln(22222222nnkknskknsnnskksnFshshsh)1)(1 (1vthttUUU结构性软土砂井地基固结理论结构性软土砂井地基固结理论设 和 分别为土体达到其结构屈服应力时的临界固结度和临界固结时间，则 当 ：pczoPotUotpctzooPUPUzopctoott ,pctzoPU，1hhCC ，1vvCC )1)(1 (1vthttUUU，21)(8deDFCBhr，tHCTvv21 ott ,pctzoPU，2hhCC ，2vvCC 22111|hhvvhhvvoCCCCtCCCCtUU dtdtdUUUohhvvotttt

21、CCCCtt1122|=)(1otttU 结构性软土砂井地基固结理论结构性软土砂井地基固结理论结构性软土砂井地基固结算例分析结构性软土砂井地基固结算例分析101001000100001.00.80.60.40.20.0重塑土参数，理想井 G=100 G=5 G=0.5固结度时间 /天无砂井，考虑结构性原状土参数，理想井32 土结构性对砂井地基固结性状的影响明显，不容忽略，在固结过程中可以根据土结构性和加载条件对一定深度范围内的土体固结速率加以控制，使一定深度范围内土体在短期内达到较大的强度增长，起到调控地基承载力和稳定性的作用，某深度土体的固结速率可依据公式 进行加载控制。随着加载时间的延长，

22、近地面处固结沉降渐趋于结束，沉降量减少，而下卧层固结还在持续发展，后期沉降中下卧层压缩将占较大比例。因此，准确预测下卧层的沉降发展规律，对以变形控制的深厚软基处理（尤其未打穿处理情况）具有重要的意义。pczoP工后沉降工后沉降 施工结束后未完成的沉降包括：部分主固结沉降和大部分次施工结束后未完成的沉降包括：部分主固结沉降和大部分次固结沉降固结沉降 工后沉降工后沉降 S Spostpost（1 1Ut) Sc + SsUt) Sc + Ss Ut Ut ： 施工期结束时地基的固结度施工期结束时地基的固结度时间有效应力应变瞬时压缩延迟压缩主固结次固结明显孔隙水压消散阶段无明显孔隙水压消散阶段时间00 瞬时压缩、延迟压缩与主固结、次固结比较（Bjerrum,1967）3.5 3.5 土体压缩性指标土体压缩性指标Keywords: clay, undrained shear strength, normally consolidated, overconsolidatedCPTCPT确定土体压缩模量确定土体压缩模量Ke