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1、东北林业大学硕士学位论文季节性冻融环境下软土地基沉降分析姓名：李洪峰申请学位级别：硕士专业：道路与铁路工程指导教师：单炜20050301摘要摘要随着东北地区基本建设的发展，柏：软上地基上兴建高等级公路F 1 益增加。尔，电卜的软土地基沉降除了具有变形大、小均匀沉降大、沉降稳定历时较长的特点外，曼J 世顼和气候因素影响也较大，这极大地影响了道路的长期稳定和安全使用，使得东北地卜近路建设的难度加大。因此，季节性冻融环境下软土地基沉降问题的研究对东I L S i L!Z I x，?路建设十分重要。本文首先研究了软i：的特性和软土地基沉降的特点，对软土地J，i 4 洲埽j，析所涉及的部分理论进行介绍，
2、对照东北地区的特殊地质和气候环境，有针对。m h 划软土地基沉降机理、应力应变f】I、影响凶素等进幸亍深入分析；其次，本文研究了软H 韭I：部分计算理论、计算方法和软土地基的处理方法，对比分析了塑料排水板在东北J!、I i _用研究的町行性和必要性，根据实测数据，找到了适合用于本文实例推求软l：地J i 蛐i?j沉降量和推算沉降规律的三种计算方浊；最后，本文结合塑料板排水法在东北球j 等级公路软上地基处理中的应用研究课题利用哈尔演绕城高速公路软土地綦D C 阶观渺j 资料，分析了影响沉降的主要原因，利川三种计算方法对软土地基进行沉降计算J 2r|J沧分析，得出较为符合工程实际的结论。在研究谍燧
3、对于计算方法的选择，认为分J 二，心和法、双曲线法和对数曲线法均能满足L：程需要。认为塑料板排水法在东北寒|1(：_ 一h _ 川j有徽广阔的前景。关键词软土地基，沉降，零节性冻融，塑秘排水授，沉降速率A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to ff u n d a m e n t a Ic o n s t r u c t i o nl nN o r t h e a s ta r e am o r eh i g h l e v e lr o a d sa r ec o n s t r u c t e do nt h eg r o u n
4、d w o r ko fs o f ts o i l S e d i m e n t a t i o no f s o f ts o i lg r o u n d x、o r ki l lt h i sa r e ah a st h ef e a t u r e so f b i g g e rt r a n s t b r m a t i o n,s e r i o u su n e v e ns e d i m e n t a t i o na n dl o n g e l。s t a b l es e d i m e n t a r yp e r i o d，a n da l s om
5、o r ei n f l u e n c e sf r o mg e o l o g ya n dc l i m a t e T h e s ei j a t u r e gs e r i o u s l ya f f e c tt h el o n gs t a b i l i t yo f t h er o a d sa n di t ss a f eu s e，a n dm a k ei tm o r ed i f f i c u l tf O l t h ec o n s t r u c t i o n i n N o r t h e a s t a r e a T h e r e f
6、 o r e t h er e s e a r c h o n t h es e d i m e n t a t i o n o f s o f ts o i ld l _ l l。i n gt h ep e r i o do f s e a s o n a lf r e e z et h a w i n gi Sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ec o n s t r u c t i o no f r o a d si 1 1l h i s。l l c aT h et h e s i sf i r s ta n a l y z e st h ec h a r
7、 a c t e r i s t i c so f t h es o f ts o i la n di t Ss e d i m e n t a r yg r o u n d、o l k c o n c e m i n gt h es p e c i a le n v i r o n m e n to fg e o l o g ya n dc l k m a t ei n 也i sa r e ai n t r o d u c e ss o m et h e o r i e sc o n n e c t e dw i t ht h er e s e a r c h，a n dm a k e sd
8、 e e pa n a l y s i sa i m i n ga ts e d i m e n t a r ym e c h a n i s m，s t r e s ss t r a i na n di n f l u e n t i a If a c t o r s；S e c o n d。t h et h e s i ss t u d i e ss o m eo f c a l c u l a t i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d so fs o f ts o i lg r o u n d w o r ka n dt h ew a y st od
9、e a iw i t h，h a sac o m p a r a b l ea n a l y s i so nt h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo ft h ea p p l i c a t i o no f p l a s t i cd r a i nb a r si nt h ec o h la l L C i i b a s e da tt h ep r a c t i c a ld a t af i n d so u tt h et h r e ew a y so f c a l c u l a t i o nw h i
10、c ha r eu s e f u jt Oa S C lY m。j i f】t h ef i n a la m o u n to fs e d i m e n t a t i o na n di t sr u l e s；f i n a l l y,c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c ho fa p p l i c a t i o no f t h em e t h o do f d r a i n a g ew i t hd r a i nb a r sd e a l i n gw i t ht h es o f ts o i lg r o
11、 u n d w o l ki nt h eh i g h-l e v e lm a d si nN o r t h e a s tc o l da r e a，b a s e d0 1 1t h eo l 挪a w a t o r ys e d i m e n t a r ym a t e r i a l so l、s o f ts o i lg r o u n d w o r ki nt h er i n gh i g h w a yo fH a r b i n,t h et t 黼i sa n a l y z e st h em a i nr e a s o n sa f f e c t
12、 i n gs e d i m e n t a t i o n，c a l c u l a t e st h es d i m e n t a t i u no fs o f ts o i lg r o u n d w o r kw i t ht h et h r e ew a y sa n dm a k e sd i s c u s s i o n sa n da n a l y s i s a n dg e t sr e m i t sw h i c ha c c o r dw i t ht h ea c t u a lp r o j e c t s C o n c e r n i n g
13、、i t l lt h es e l e c t i o no f t h ew a y so f c a l c u l a t i o nt l l et h e s i si n d i c a t e sa l (1 rt h e mi n c l u d i n g l a y e r w i s es u m m a t i o nm e t h o d，d o u b l ec l l r v,em e t h o da n dl o g a r i t h mc u r、em e t h o dc a l lm e e tt h ed e m a n d so f t h ep
14、 r o j e e l s T h et h e s i si n d i c a t e sav e r yb r i g h tf o t u r ef 0 1-t h ea p p l i c a t i o no f t h ew a yo f d r a i n a g ew i t hd r a i nb a r si nN o r t h e a s tc o l da r e a K e y w o r d ss o f ts o i lg r o u n d w o r k s e d i m e n t a t i o n,s e a s o n a lf r e e z
15、 et h a w i n g p l a s t i cdJH l nb a r，s e d i m e n t a r ys p e e d秘绪论1 1 引言1 绪论我国幅员辽阔，地质情况复杂多样，软土在我国有着广泛的分布。软土足由天然含水量大，压缩性高，承载力低的淤泥沉积物及少量腐植质所组成的土，主要有淤泥、淤泥质土和泥炭。软t 的特点是含水量高、孔隙比大、渗透系数小、抗剪强度底、压缩性大、灵敏度高，在荷载的作用下，地基承载力低，容易发生事故。软土地区的许多民用建筑、道路和水利等工程常常不得不修在软土地基上，需要进行人工处理。软土地基沉降变形犬，不均匀沉降也大，而且沉降稳定历时较长，沉降
16、控制对于预估增加土方量、路堤底宽、顶坡和边坡变化情况；处理加固地基方法选用；预估工后沉降量、合理确定预压期和基层、面层施：时间有重要影响，季节性冻融环境下的软土地基沉降受气候、地质条件等影响较大，是个更为复杂的过程，是软地区道路修建的技术难题之一，关系着工程的安全、施工进度、工程质量、工程造价等重要的问题。随着北方地区大规模高速公路的修建，工程要求高速公路在软土地基上也有大量兴建，由于设计因素、施工因素和环境因素等的影响对软土地基的沉降分析和稳定性问题提出了更高的新的要求。在黑龙江省部分地区的很多工程都遇到了软土地基沉降问题(哈双高速公路、哈同高速公路、鹤伊公路【2 等)，严重影响了工程的进度
17、和质量，给设计和建设单位造成了很大的麻烦，给工程使用造成了很大的障碍，对我困季节性冻融环境下的软土地基的深入研究已经成为项追在眉睫的课题。我们应该对软土地基的沉降进一步加强认识，在计算理论、沉降分析、加固方法及施工工艺方磋加以改进。1 2 软土分类和工程特性1 2 1 软土的定义国内外对软土均无统一定义，我国铁路、港翻、建筑部门对软土的定义也不近相同。有的把软土视为软粘土的简称，有的把软土视为整个软弱土质(高压缩性的有机、可液化的砂土、软粘土等)的简称，有的则把软土视为软弱士的简称。我国交通部行业标准公路软士地基路堤设计与施工技术规范(J T J 0 1 7 9 6)将软士定义为“滨海、湖沼、
18、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒士”。1 1】其鉴定标准见表1 1。表I 一1 软土将别表：=：一：=一=：耋些型：奎塑：垫：堡鎏奎：!：!：=：=：=：=：1 2 2 软土的主要物理力学特征尽管翻外及国内各行业对软土的描述和指标各不相同，但归纳起来，天然软土具有以下特性4 l：l、含水量高淤泥和淤泥质土的含水量多为3 5 7 0，液限一般为4 0 6 0，天然含水量随液限的增大而增加。2、孔隙比大天然土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙比高出O 2 0 4 倍。3、渗透性小其渗透系数般在1 1 0-4 l 1 0“c m s 之间。而大部分淤泥和淤
19、泥质土地区，由于浚土层中夹有数最不等的薄层或极薄层粉砂、细砂、粉土等，故在垂直方向的渗透性比水平方向要小。4、压缩性高淤泥和淤泥质土的压缩系数口-z 一般为O 7 一1 5 M P a，最大达4 5 M P a，且随着土的液限和天然含水量的增大而增高。5、抗剪强度低软土的抗剪强度与加荷速度及排水固结条件密切相关。不排水三轴快剪所得抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关，即其内摩擦角为零，粘聚力一般都小于2 0 K P a；直剪快剪内摩擦角一般为2。5。，粘聚力为l O 1 5 影陬；排水条件下的抗剪强度随固结度的增大而增大，固结快剪的内摩擦角可达8 0 一1 2。，粘聚力为2 0 K P a 左
20、右。6、触变性由于软土的结构性在其强度的形成中占有相当重要的地位，所以触变性也是软土的一个突出的特点。软土的触变性是指土体强度因受到扰动而降低，又因静置而增长的特性。1 2 3 软土的分类和主要工程性质软土一般具有以上所提到的物理力学特性，但随着其成因类型的差异又有不同的特点【】鄙”。按淤泥和淤泥质土的形成和分布，我国软土基本上可以分成两大类别：第类是属于海洋沿岸的淤积；第二类是内陆、山区以及河、湖盆地和山前谷逾的淤积。大体上蜕，前者分布较稳定，厚度较大，后者常呈零星分布，沉积厚度较小，东北地区的软土属于后者。表l 一2 和表1 3 列出了软土的主要物理力学特征和我国软土的类型、特征及主要分布
21、概况。1 3 软土地基对高等级公路危害通过上面介绍，软土具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性高、抗剪强度低、触变性等不利的工程性质【，所以在软土地区修建高等级公路，因稳定性差、沉降过大，在荷载作用下常使高等级公路发生变形，功能受到破坏，同时还危害到通道、桥i 绪论表1 2 软土的主要物理力学特征天然容重古水量孔隙比有机质压缩系数渗透系数快剪强度标准贯含量口卜2入值类型r(g N m 2)()ek(c m，s 1函N 6 5()(M P a“)。(七R)软粘士 l0 3淤泥质土1 6 1 9跳 0，31 1 0 6 2 0(1 0。15 3l O S O(1 1 0-3 2，0 3 0 0
22、l O 5 01 x 1 0 2表1 3 我国软土的类型、特征及分布概况类型厚度(m)特，怔分布概况面积广，厚度大，常夹有砂层，授豌松，透水性滨海相6 2 0 0较强，易于压缩固结滨三角洲相分选性差。结构不稳定，粉砂薄层多。有交错层海5 6 0理，不摁则尖灭层及透镜体沿海地区沉泻湖相5 6 0颗粒极细孔隙比大，强度低，常央有薄层泥炭积溺咎相颗粒极细，孔隙比大，结构疏松，含东量亮，分布范【吾较窄湖相粉土颗粒占主要成分层理均清晰，泥嶷层多是澜庭湖、太湖、鄱刚5 2 5内透镜体，但分布不多，袁层多有小于5 m 的硬壳湖、洪泽湖周边陆河床相、河漫长江中F 游、珠扛下平滩相、牛轭湖 2 0成层情况不均匀
23、，以淤泥及软粘土为主，音砂与原相坭炭夹层游及河口、淮河平原、松辽平原i 山陲昝地相呈片状、带状分枕、各底有较大的横向坡，颗粒西南、南方山区或丘 0 5，孔隙比e 1 0，压缩系数倪l _ 2 1 0 0 0 0 k P a，C B R 2 5 2，凝聚力G 1 5 k P a 的表土层，可看成硬壳层。当其厚度火于1 5 m 时，才有利用价值。由于硬壳层的强度相对较高，自然就成了软基工程研究利用的目标。郭灿华(1 9 9 0)2 0 1 根据葶松公路软地基沉降测试资料提出，当表土层存在】5 3 O m的硬壳层，天然地基上的最佳填土高度为2 5 m 左右，即在此情况下可不对地基进行处理。金吉寅等人
24、(1 9 8 9)口l】针对上海地区软土地基的情况，将低路堤沉降较小的原因归结为三方面：一是由于地表以下4 O e m 土层处于超固结状态，超固结比有时可达8 左右：二二是由于粘土中的初始水梯度较大，当外荷载较小时，粘土中的超静水压力很难完全消失，所以沉降较小；三是由于硬壳层的存在，使其传到软弱下卧层的附加应力大大地减少。郝传毅等人(t 9 9 3)2 2 1 则认为，即使路堤填土高度较大时，硬壳层对地基沉降仍具有一定的影响，这是因为硬壳层的存在，使该层承担了更多的荷载，从而减小了软弱下卧层所承担的荷载比例。王善庆认为硬壳层处于超压密状态，提出2 3 米高的路堤不做处理，更不能因施工而扰动原地
25、基的观点。张留俊(1 9 9 9)根据石安高速公路试验工程指出：硬壳层在高路堤作用下，随着变形的增大对应力扩散作用在减小，但对路堤稳定作用不因其变形而丧失，变形后硬壳层起到反压护道作用。综上所述。大部分研究结果说明的问题可归结为硬壳层的扩散作用或支撑作用。尽管目前对硬壳层的作用机理以及对沉降的影响尚未取得一致意见，但硬壳层具有以下方面的作用I l o】：(1)硬壳层可以提高地基极限承载力并具有扩散应力作用。(2)硬壳层可以显著提高淤泥质软土的承载力，两对于硬壳层与软性质相近的一般软粘土，其作用不很明显。(3)硬壳层具有限制侧向变形的作用。(4)硬壳层在前期具有减小沉降的作用，但随着填土高度的增
26、加，这种作用在减小。因此软土地基施工应充分重视硬壳层的作用，充分保护硬壳层。2 1 6 软粘土地基塑性剪切变形软粘土具有明显的弹塑性，士粒间的相对变形可以分成可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形两种 1 0,2 3 j。软粘土地基的天然强度较低，在不太大的荷载作用下士体就会屈服，产生塑性剪切变形，从而使地基沉降量增大。如果地基的稳定系数较小，则由地基塑性变形引起的沉降将会很大。软粘土的抗剪强度来源于内聚力与摩擦力，大小取决于剪损前的密度、含水量、剪切方式、剪切时排水排气等条件。土的颗粒愈细，塑性愈大，则内聚力所起的作用愈大。例如东陇海铁路连云港中云车站附近一段路堤，填土高3 9 m，路堤顶宽仅
27、7 0 m，软土层厚约1 2 O m，其压缩模量为1 7 M P a。经验算，该路堤的稳定系数为l。0左右，按单向固结分层总和法计算得地基最终沉降为7 0 O c m。路基施工完成时实测地基沉降为6 7 O c m，营运一年后达到9 6 1 c r m 路堤两侧采用搅拌桩进行了加固处理，经三年的观测，地基才基本达到稳定，但地基总沉降已达2 0 0 O c m 左右。在此期间，为了维持铁路行车，轨道不断抬离，道床不断加厚，最多处达2 O m 多，致使轨道两侧路肩消失。由此可见，由士体塑性剪切变形所引起的地基沉降十分明显，但按现在的常规沉降计算公式则无法预估。2 2 软土地基沉m t I 理分析2
28、 1 2 1 1 的变形原理土的变形性质，即土的压缩性，是土的工程地质性质中最重要组成部分之一，与】。程建筑物的稳定和J 下常使用关系极为密切。土的压缩性是指土在压力作用下发生压缩变形，体积变小的性质。土是一种多孔分散体系，土体积被压缩变小只有三种可能：1)士粒本身的压缩变形；2)孔隙中不同形2 软土地基沉降分折态的水和气体的压缩变形；3)孔隙中部分水和气体被挤出，土粒相互靠拢使孔隙体积减少1 2 4,2 5 。工程实践证明，在一般建筑物荷重作用下，土粒和水的压缩量极小，不及土体压缩量的1 4 0 0 通常认为是不可压缩的；气体的压缩性较强，在密闭的体系中，土的压缩是气体压缩的结果，但压力消散
29、后，土的体积基本恢复，即土呈弹性变形。自然界的土处于开启系统，孔隙中的水和气体在压力作用下不可能被压缩而是被挤出。因此，土的压缩变形主要是由于孔隙中的水分和气体被挤出，土粒相互移动靠拢，孔隙体积减少而引起的。这种压缩变形的过程与水和气体的排出速度有关，开始时变形速度较大，然后随着颗粒之间接触点的增加，变形逐渐减弱。对饱水土1 3 1 来说，孔隙全部被水充满，土的压缩主要是由于孔隙中的水被挤出，孔隙体积减少所致，压缩过程与排水过程相一致。压缩结果使土密度提高，含水率降低。饱和砂土粒间孔隙较大，但孔隙体积较小，透水性强，在压力作用下孔隙中水很快被排出，压缩很快完成，但压缩量较小；饱和的粘性土粒间孔
30、隙较小，孔隙体积较大，土粒周围存在结合水膜，透水性弱，在压力作用下孔隙水排出速度较慢，因此，压缩需要较长时间才能完成，压缩萤较大。非饱和土的压缩，首先是气体的外逸；随着时间的延续，士的饱和程度逐渐增大。当气体全部排出，土达到饱和状态后，其压缩过程与饱水土相同【2“。根据工程的不同特点，士的压缩变形可能在不同的条件下进行。如受压土的周围受到限制时受压过程中基本上不能向侧面膨胀，只能发生垂直向变形，称为无侧胀压缩或有侧限压缩f 2 7 1，基础砌置较深的建筑物地基士的压缩近似此条件。如受压土的周围基本上没有限制，受压过程中除垂直方向发生变形外，还将发生侧向的膨胀变形，这种情况称有侧胀压缩或无侧限压
31、缩，基础砌置较浅的建筑物或表面建筑(飞机场、道路)的地基土的压缩近似此条件。2 2。2 软土地基沉降特性在本章前面已经描述了软土地基在外力作用下的沉降经历3 个不同的阶段，表现为3种类型的沉降特征：瞬时沉降函，主固结沉降和次固结沉降盛。现在来分析各个阶段的沉降特性。瞬时沉降由于土没有任何体积变化的畸变的结果，所以它发生非常迅速。这是个理想的概念，尽管沉降不是立即发生的，仍可认为可忽略水从土体流出，其体积基本保持常数，土体只能发生形交而没有体变。许多文献报告中，把这种变形称之为剪切变形，按弹性变形计算。忽略瞬时沉降对工后的影响，工后沉降主要是由主固结及次固结组成的。荷载置于地基上后，随着时间的延
32、续，孔隙水从土体中流出，引起体积随时闻的减少，因而地基体系逐渐发生沉降。水流的速率受到土的孔隙压力、渗透性和压缩性的影响，该部分沉降称为主固结沉降。随着孔隙压力的消散，水流的速率将降低，最后孔隙压力消散基本完成，达到不交的有效应力状态。在主固结后，土表现出避一步的沉降与时间的关系，这就是次固结沉降或蠕变沉降。蠕交沉降的大小变化极大。般认为软弱的有机质粘土的沉降有很大的蠕变，而坚硬的粘土则主固结引起的沉降起主要的作用。在次固结过程中，实际上也有微小的超孔隙压力存在，驱使水在土粒之间流动。但是由于次压缩进行极馒，水的流动速度是很小的，上述超孔隙压力小到无法测量。国内学者陈宗基(1 9 5 8 年)
33、认为，造成次固结变形的时阿效应的机械作用有两个主要过程，即因剪应力而产生的滞流和因静水应力而产生的体积蠕变。由这两个过程而产生的时间效应还可受第三种过程的影响，即因固结和剪切变形而生的土骨架硬化。所有这些过程对时间效应的产生起着重要作用。每一过程所起作用的影响大小要看土体本身的性质、外荷载盼大夸及粘土层边界条件而定 2 7 1。B u i s m a n(1 9 3 6 年)通过分析长期的变形观察资料，发现次固结阶段的变形与时间对数成接近线性关系，由此引出次固结系数。这种经验方法得到不少学者支持，而且在各种教科书中也被广泛采纳。P C o l g t 2(2 2)t l式中o 半对数曲线上直线
34、段的斜率，称为次压缩系数；t 一相当于主固结达到1 0 0 的时间；f z 需要计算次固结的时间。上述次固结系数G 的大小主要视士的种类而定，表2 1 提供了各种土类G 的典型值。从表中可看出。若地基土由可塑性大的土或有机土组成，次固结沉降必定占地基总沉降中很可观的一部分。一般来讲，次固结相对于固结沉降而言较小，实际中对般1：程可不考虑，但对重要的工程则不可忽略。一般认为软弱的有机质粘土的沉降有很大的蠕变，而坚硬的粘土则主固结引起的沉降起主要作用。因此对于不同的软土地基可能在工后沉降表现程度上会不同i 对于估算工后沉降的方法也应有所区别，关键在于对该工程地基软土性状描述的正确性。袭2-1 周结
35、系数C：的典型值土类e正常同结粘土0 0 0 5 0 0 2塑性大的士：有机土0 0 3超固结土(超固结比P。P o 2)。；对于欠固结土，由予p l p c，旷比山，更大；对于欠固结七，由予P I。球，可能小于或等于，。以上分析表明，对于正常固结和欠固结土，根据室内压缩曲线计算土体变形的结果将会偏小；而对于超固结士，则可能偏大，若假设A=I 矿一曲l，则如图2 5 可见，当P 2 与弘接近时，值较大；随着P 2 的增大，值逐渐减小。这说明，当地基上的外荷载较小时，根据室内压缩曲线计算土体变形所引入的误差更大。如图2 2 所示，根据室内压缩曲线的直线段可得出另一条近似曲线a b d 或a b
36、e d。这条近似曲线一般是不难确定的。若与原始曲线相对照，采用这条近似益线计算地基沉降，显然比采用室内压缩曲线带来的误差小，且沉降计算方法也比较简便。这说明，当地基土的原始压缩曲线不能准确得出时，即使采用图2 2 中a b d 或a b e d 所示的近似曲线也比室内压缩曲线更合理。(a)超捌结土(b)正常嗣结土(c)欠固结_ 土图2 2 土体不同固结状态下的一维压缩曲线2 3 1 2 土体的一维应力应变关系根据以上的分析，下面采用地基土的原始压缩曲线建立土中一点任意时刻的有效应力与竖向应变的关系。图2 2 中(a)(c)表明，对于正常固结土和欠固结土，原始压缩曲线的方程可表示为：。，e；P。
37、一C。1 0 9 三(2-3)p c式中：口，。一土中一点在某一时刻的竖向有效应力：p。一对于正常固结土，p c=盯。图2-2(b)表明，对予超固结士，原始压缩曲线的方程为8=&G l o g 业(p。-p O Iu 旺P J式中：C 一土的回弹指数。设P e 为图2-2(b)所示在正常固结线上与白对应的等效固结压力，G 1 0 9 竺=G 1 0 9 垒d nP e勒。：p。(坐)一詈仃a将式(2 5)弋入式 2 4)得，P=岛G l o g 业(p t。0，且随着应力比竺的增大而增大。由图2-4 可知，随超仃矗固结比O C R 的增大而减小。图2 3 和2 4表明，土体变肜的非线性对固结速
38、率具有相当大的影响，对于正常固结土和欠围结土的影响则更为明显。4 03 02 01 0O00 20 40。6081U t剧3-3O C R=l 时，一u，曲线图2 5 为窦宣等人 3 5 (1 9 9 2 年)给出的离心试验结果与G i b s o n 3 6】(1 9 8 1 年)的有限线性应变固结理论及T e r z a g h i 一维固结理论进行比较的曲线。图中，固结度为按变形定义的。T e r z a g h i 理论的固结度等于按应力定义的固结度。其计算所需参数系按常规固结试验求得，C c=0 9 2，e。=1 7 7(参考孔隙比)，试样的初始固结应力为5 0 k P。，G=1 2
39、 3 x1 0。2 m 2 d。有限线性应变圆结理论计算所需参数系由常规固结试验结果推算而得。离心试验模拟的土层等效厚度为2 4 m，试样的等效初始届结应力为5 0k 只，土屡为双面排水。对于以上情况，O C R=1；取竺=l盯嚣近似关系为亓l o g o+u)l 0 9 2式中：吼，西一试样的平均应变固结度和应力固结度。A(0 0)函的变化曲线即为图2 5 中4 0T e r z a g h i 理论曲线。因此，由式(2 1 7)可换算得瓦的变化曲线，仍示于图“2 5 中。该图表明，根据式(2-1 7)计2 0算得的口。，的变化曲线与离心试验结果及1 0有限线性应变理论的曲线较接近。这说明由
40、T e r z a g h i 理论算得的固结度若按本文计算公式换算，则所得结果将会更接近于实际 3 7,3 8 1。O美o5 0蛰辐匡1 0 0l O O1 0 0 01 0 0 0 0圈结时间l 昏(d)图2 5U-t 关系曲线(引自窦宜等人，1 9 9 2 年)P则R=2。于是由式(2 1 4)呵得(2 一l7)一圈2 4 1 翌-2 0 时，一U，曲线-F，毁ll a g p图2 6 土体各向等压缩曲线2 3 2 软粘土的体积变形分析2 3 2 1 土体体积应变与平均有效应力的关系根据各向等压固结试验，土体孔隙比与平均有效应力之间的关系曲线可用图2 6表示。对于正常固结土或欠固结土，各
41、项等压试验曲线的方程为P：e o C。l o g 业(2 1 8)p“式中：对正常固结土，肋2 盯一对于超固结土，各向等压试验曲线的方程为P：P o C。l o g 堕(p。，p。)8：F。一G I o g 堡竺一C o l o g 坐(p。，册)O c r np“(2 一1 9)设R，为图3 6 所示在正常固结土与e 口对应的平均等效固结应力p m=0+Z k。)p d 3，则G I o g 丝；G I o g 丝仃一皿一(2 2 0)将式(3-2 0)代入式(3 1 9)得e；e 0-G l o g 业(p。Is 舯)O c mP：e。一G l o g 坐(p m t 舯)p”(2 2 1
42、)对于正常固结士或欠固结土，册=加，将式(2-1 8)与式(2-2 1)比较可知，当P。，p。时，不同固结状态下的实验曲线方程可统一表示为P=口。一C。l o g 坐(p 耐p 硎)胁(2 2 2)于是，由式(2-2 2)可得士中一点的体积应变为跏一C。cl o g 字(pr。：p。)(2 2 3)1+e o口册将式(2-2 0)中的P m t 代入式(3-2 3)，得一羔崦 型掣。：叫，式中：盯可2(盯一一p 一)+d w。若设上中任一点的应力固结度为u。：!竺!肇2!=!：!：l 兰：兰：!：尘(2-2 5)l(Y c r n p“J+仃m。则可将式(2 2 4)整理为旦l。一丝尘!丝业l
43、(2 2 6)1+e oJp 州l式(2-2 4)及式(2-2 6)为根据三轴等压固结试验得出的土中一点在任意时刻的2 软土地基抗降分析体积应变与有效应力的关系式。若用q 表示广义剪应力，则对土体等应力比q p,m,的固结试验，不同应力比的匝缩或回弹e-l o g p n 曲线为平行的直线(R o s c o e 3 9 1，1 9 6 8 年；A t k i n s o n，1 9 6 8 年；窦宦等，1 9 9 2年)。因此，土体的有效应力与体积应变的关系仍可用式(2 2 4)或式(2 2 6)表不。对于士体应力比q p m t 在固结过程中变化的情况，谢康和t 删(1 9 8 7 年)根
44、据三轴固结试验结果，提出了如下的应力应变关系：羔窨+良 古一坛)式中：P。一土体初始平均固结应力：bs 一剪缩指数，由试验确定；M。一士体初始圆结完成时的q p 舶t 值。根据剑桥本构模型，土体的有效应力与体积应变的关系为(R o s c o e，1 9 6 8 年)熹1e 0 警J(射PG 等P 沪：。，+l 吖l JM r“式中：M 一土体破坏时的q p m。值。若取瓜：上C o-C 1+e oM(2 2 9)并对式(2 2 7)微分后，与式(2 2 8)比较可知，式(2 2 7)与式(2 2 8)表示的关系式基本相同。谢康和(1 9 8 7 年)、张曙光(1 9 9 3 年)及其他许多人
45、的实验结果表明，一般软粘土在固结变形期间具有伸缩性。因此，由式(2 2 7)得出的体积应变一般将大于按式(2 2 3)得出的结果。2 3 2 2 土体体积与竖向应变的关系公路路堤的受力状态与土坝有些相似。刘祖德等人【4 1】(1 9 8 2 年)的研究认为，土坝中一些代表性单元，在施工工程中主应力比的变化不大，它与等应力比试验的应力路径比较接近。据此，张曙光(1 9 9 3 年)根据杭甬高速软土地基原状土样，进行了等增量应力比三轴试验研究。图2 7 给出了等增量应力比三轴排水试验的轴向应变自与体应变囟之间的关系曲线。该图表明，不同等增量应力比的5 1 与凸及6 1 与6 3 的关系曲线几乎在同
46、匿2 7 等增应力比捧水剪时试验翻o 凸的式系(引自张曙光，1 9 9 3 年)坨K。唾。妒、P末北林韭大学颈土学位论文一条线上，并且基本不受初始固结应力口。=盯，的影响；随着应变的增大，占t 与西关系曲线的斜率将减小，但当轴向应变占l，J、于一定值(约l o)时，扪与踟之间可近似为直线关系，并且随着等增量应力比的增大以及初始固结应力的增大，近似妻线段的范豳将有所增大。龚晓南(1 9 8 4 年)根据软粘土的固结三轴排水试验，给出了轴向应变t与体应变的关系曲线，如图2 8 所示。该图表明，初始固结应力不同的土样，占t 与占s 的关系曲线基本相同；s 1 与s 关系曲线的斜率随翻的增大而增大；但
47、当o a l 小于一定值(约1 0)时，8 1 与8 3 之间可近似为直线关系。由于o a，=e l(1+2 竺)，故6 1 与s，之间也可近似为直线们关系。对于路堤、土坝等工程，其基底中轴线下土中的竖向应力近似等于大于主应力。因此，图2 8 固结三轴排永试验口与囟的关系(引自黄晓南，1 9 8 4 年)结合对图2 7 及图2 8 的分析，当地基具有较大的安全系数时，基底中轴线下土体在固结期间的竖向应变o a r r|与体应变翻之间可近似用如下关系式表示：K c=s：f o a w(2 3 0)式中：5 w 由式(2 2 4)或(2 2 6)计算；K c 一待定系数，可根据土体固结完成时的竖向
48、应变8：m 与体应变F 一之比确定，即五Fs=*凸*。结合式(2 2 7)及图2 7 不难看出，土的剪缩性以及F 一与占“之间关系的线性化假定，对式(2-3 0)的影响有一定的互补性。因此，在地基沉降计算中，采用式(2 3 0)是可行的。2 4 压缩屡厚度的确定压缩层厚度的确定一般应满足以下两个条件：1、以压缩层底部1 米的压缩层范围内压缩量的2 5 来控制，即：A S h=o 0 2 5 y S i(2-3 1)百式中：A S h 一压缩层底部1 米的压缩量；y 一压缩层范围内总压缩量。百这种方法的优点是将压缩层的厚度同压缩量联系起来，理论上比较严谨，但工作量大。需要试算。2、以附加应力A
49、p 与自重应力P o 之比来确定辞l n(2-3 2)，p。n 介于0 1 到O 2 之间，此法考虑了原始应力的影响，实质上也间接反映了变形的影2 软土地基沉降分析I 哟。在实际计算中应注意以下几点：(1)当软土地基成层不均匀时，会出现软、硬层分布。这样在遇到压缩性较小的土层时，公式醐n=o 0 2 5 S i 可能会满足，但若其下还存在较软层时，再向下检验该条百件可能又不能满足：(2)如硬层埋藏较浅，硬层顶面的应力或其上土层的压缩量不满足以上两个条件对，也只能计算到硬层顶为止；(3)通过对不同地区高等级公路软土地基沉降量的计算，可知在考虑地下水浮力作用下，以比值冬。o 1 控制的压缩层厚度，
50、大约为填筑高度的l O 倍，在比值等名。O 1 5 控制的压缩层厚度，大约为填筑高度的8 5 倍t”1。2 5 本章小结本章介绍了软土地基沉降分析所涉及的基本理论：(一)影响软土地基沉降的各种因素。根据本文需要，介绍了温度、工程施工及排水处理、施工加载方式、时间变化、地表硬壳层、软粘土剪切变形对软土地基沉降的影响，给出了适用于本文试验路段分析的冻结深度计算公式。(二)对软土地基沉降特征进行介绍，对瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降的特征和发生时间进行了对比分析。(三)从土中一点任意时刻的变形条件出发，对软土地基的应力应变关系进行探讨。主要包括以下几方面内容：1、根据牯土的一维压缩实验曲线，建立土