（岩土工程专业论文）大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度的确定.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 黄土的湿陷性作为影响工程建设的不利因素一直是人们研究的热点和重点之 一。为了消除黄土湿陷性对工程的危害，国内外很多学者和工程人员在探索和工 程实践中发明和总结了很多方法，总的来说分为两类，一类是穿越湿陷性土层的 桩基础；另一类是对地基土进行改良或加固的地基处理。垫层法、强夯法、挤密 法和预浸水法等都是处理湿陷性黄土地基的有效方法。对于湿陷性土层厚度不大 的场地，上述方法处理后的地基土湿陷性消除、承载力提高、变形减小，可以满 足工程要求；但对于湿陷性土层厚度比较大的场地，要达到国家规范要求消除的 湿陷性土层的深度，上述方法( 预浸水法除外) 在许多情况下或技术上很难实现 或经济上很不合理。 随着国家经济的发展和西部大开发战略的实施，黄土地区的建设项目日益增 多，规模越来越大，工程建设由低阶地向高阶地发展，湿陷性黄土层厚度增大， 使得大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度很难达到规范要求这一问题日益突出。 解决这一难题，一方面可以从地基处理方法上着手，寻求一种处理大厚度湿陷性 黄土地基的经济而有效的方法；另一方面，大厚度湿陷性黄土是否一定要彻底消 除其湿陷性这一问题更值得研究，当地基处理达到一定的厚度后，剩余的未处 理湿陷性土层一旦浸水，对处理地基( 人工地基) 的危害有多大? 地基处理 深度是否存在界限值，使得地基处理的深度在技术、安全、经济上最合理? 而 后者的解决，对大厚度湿陷性黄土场地地基处理措旖来说更现实、更可行、 更经济。 本文在系统、深入地从分析湿陷性黄土场地地基处理理论的基础上，从室内 模型试验和数值模拟计算两个方面对大厚度湿陷性黄土场地地基处理合理深度进 行分析，提出单一的以剩余湿陷量作为地基处理深度的控制标准而与处理厚度没 有直接关系，在经济上是不合理的。一定厚度的处理土层( 即人工地基) 所具有 的刚度是有抵御湿陷引起的变形能力的，在确定地基处理深度时应考虑人工地基 i 兰州大学硕士学位论文 的“架越 作用，发挥其可能利用的潜力，以减少不必要的处理深度，为工程设 计计算提供参考，解决大厚度湿陷性黄土场地地基处理后剩余湿陷量仍不能满足 规范要求这一难题。 关键词：大厚度湿陷性黄土；合理处理深度；室内试验：数值计算 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ea d v e r s ei m p a c to fc o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，l o e s sc o l l a p s i b i l i t yi so n eo ft h e s t u d yf a c t o r st h a th a v eb e e ni s s u e da sak e yp o i n t i no r d e rt oe l i m i n a t el o e s s c o l l a p s i b i l i t ya g a i n s tt h ep r o j e c t ，b o t ha th o m ea n da b o a r d ，m a n ys c h o l a r s a n d e n g i n e e r si n v e n t sa n ds u m m a r i z e sm a n yw a y si nt h ep r o c e s so fe x p l o r i n ga n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ew h o l ew a y sc a nb ed i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，o n ei s t h r o u g ht h el o e s ss o i lo ft h ep i l ef o u n d a t i o n ，a n dt h eo t h e ri st oi m p r o v et h es o i lo r f o u n d a t i o nt r e a t m e n tr e i n f o r c e d c u s h i o nm e t h o d ，d y n a m i cc o m p a c t i o n ，c o m p a c t i o n a n dp r e s o a k i n gm e t h o da r ee f f e c t i v ew a y st oc o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o n a st ot h e s i t ew h i c ht h et h i c k n e s so fl o e s ss o i li sn o tl a r g e ，a f t e rt h ea b o v e m e n t i o n e dw a y s ，t h e f o u n d a t i o ns o i lc o l l a p s i b i l i t yr e m o v e d ，t h ec a p a c i t yi n c r e a s e da n dt h ed e f o r m a t i o n r e d u c e ，w h i c hc a nm e e tt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s h o w e v e r ，t h es i t ew h i c ht h e t h i c k n e s so fl o e s ss o i li s l a r g e ，i no r d e rt o a c h i e v et h en a t i o n a l r e g u l a t o r y r e q u i r e m e n t so fe l i m i n a t e st h ed e p t ho fc o l l a p s i b l es o i l ，t h ea b o v e m e n t i o n e dm e t h o d s ( e x c e p tf o rp r e - s o a k i n gm e t h o d ) a r ev e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v et e c h n i c a l l yi nm a n yc a s e s a n de c o n o m i c a l l yv e r yu n r e a s o n a b l e 。 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m i ca n ds t r a t e g yo fw e s t e r np a r to f c h i n a ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fl o e s sr e g i o nc o n s t r u c t i o np r o j e c t si si n c r e a s i n ga n d g e t t i n gm o r ea n dm o r ei ns c a l e t h ec o n s t r u c t i o np r o j e c th a sb e e nd e v e l o p i n gf r o m l o w - l e v e lt oh i g h e n d t h ei n c r e a s eo fc o l l a p s i b l el o e s sl a y e rt h i c k n e s si s s u ei s b e c o m i n gp r o m i n e n t t os o l v et h i sp r o b l e m ，f i r s t l y , i t c a na p p r o a c hf r o mt h e f o u n d a t i o n ，w h i c hs e e k i n ga ne c o n o m i ca n de f f e c t i v em e t h o dt od e a lw i t ht h et h i c k c o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h ei s s u eo nw h e t h e rt h ec o l l a p s i b i l i t y o ft h i c kc o l l a p s i b l el o e s ss h o u l db e t o t a l l ye l i m i n a t e d l o e s st h i c k n e s si si t r e a l l y n e c e s s a r ya n dw o r t hs t u d y i n g o n c et h ef o u n d a t i o ni sd e a l tw i t hac e r t a i nt h i c k n e s s ， a n dt h er e m a i n i n gu n t r e a t e dc o l l a p s i b l el o e s sl a y e ri ss o a k e db yw a t e r h o wh a r m f u li s i tf o rt h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n t ( a r t i f i c i a lg r o u n d ) ? w h e t h e ri st h e r eat h r e s h o l de x i s t e d f o rt h ed e p t ho ft h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n tt om a k ei tm o r er e a s o n a b l eo nt e c h n i q u e ， e c o n o m ya n ds e c u r i t y t h el a t t e rs o l u t i o ni sm o r er e a l i s t i c ，f e a s i b l ea n de c o n o m i c a l i nt h i sp a p e r ，a f t e rt h es y s t e m a t i ca n di n d e p t ha n a l y s i so ft h ec o l l a p s i b l el o e s s f o u n d a t i o nt r e a t m e n ts i t eb a s e do nt h et h e o r y ，w ea n a l y s i st h er e a s o n a b l ed e p t ho f l a r g et h i c k n e s so fc o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o nt r e a t m e n ti nt w oa s p e c t sf r o mt h e i n d o o rm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a d v a n c e st h a tt a k i n gt h er e m a i n i n g c o l l a p s i b l ea m o u n ta st h ec o n t r o ls t a n d a r d so ft h ed e p t ho fg r o u n dt r e a t m e n ta r en o t d i r e c t l yr e l a t e dt ot h ed i s p o s et h i c k n e s sa n di ti sa l s oe c o n o m i c a l l yu n r e a s o n a b l e a c e r t a i nt h i c k n e s so fs o i l ( t h a ti s ，a r t i f i c i a lg r o u n d ) h a st h er i g i d i t yo ft h ew e t l a n d sc a n i r e s i s tt h ed e f o r m a t i o nc a u s e db ys u b s i d e n c e ，t h a ti s ，w h e nt h er e m a i n i n gv o l u m ei s s t i l lg r e a t e rt h a nt h er e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s ，t h ed e p t ho ft h ef o u n d a t i o nc a ns t i l l m e e tt h en e e d so fs e c u r i t y i tc a na l s op r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rp r o j e c td e s i g na n d c a l c u l a t i o n ，s o l v i n gt h ep r o b l e m o ft h er e m a i n i n gw e t l a n d sc a nn o tm e e tt h e r e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s a f t e rt h el a r g et h i c k n e s so fc o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o n t r e a t m e n t k e y w o r d s - c o l l a p s i b l el o e s s ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，r e a s o n a b l er e m n a n tc o l l a p s e ，l a b o r a t o r yt e s t , n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n h 一 兰州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其它个人或集体己经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已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： 日期：啦 兰州大学硕士学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校 保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后 发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单 位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 尹叼彳乏刁 叫 日期： 兰州大学硕： ：毕业论文 第1 章绪论 湿陷性黄土是一种以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，具有大孔隙，黄色疏松的第 四纪堆积物，不同于同期的其他沉积物。具有天然含水量的湿陷性黄土，未受水浸 湿时一般强度较高，压缩性较小，但在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，产生 显著附加下沉，强度也迅速降低，对建筑物危害很大。特别是大厚度自重湿陷性黄 土由于湿陷性土层厚度大，湿陷强烈，对建设工程带来的危害更大。世界许多国 家都有不同程度的湿陷性黄土和湿陷性黄土状土的分布，我国的湿陷性黄土分布很 广，约占世界黄土分布总面积的4 9 ，甘肃的中部和东部、宁夏南部、陕西的西北 部和中部、山西和河南的西部及其他一些地区都有分布。湿陷性黄土受各地区堆积 环境、地理位置、地质和气候条件的影响，其堆积厚度、土的工程特性( 如湿陷性等) 都有明显的差异，厚度从几米到四百多米，湿陷程度从轻微到很严重。厚度大于 1 5 m 以上的大厚度湿陷性黄土的分布也涉及到甘肃、陕西、山西等地区。 在湿陷性黄土场地上进行工程项目建设，必须消除或减轻湿陷性对工程的危 害，为此，广大科研工作者和工程技术人员从理论、方法及标准等方面进行了大量 的工作，四代国家标准湿陷性黄土地区建筑规范( 以下简称黄土规范) ( b j 6 2 0 - - 6 6 ) 、( t j 2 5 - - 7 8 ) 、( 6 b j 2 5 - - 9 0 ) 和( g b 5 0 0 2 5 _ 2 0 0 4 ) 的形成与发展，就 是我国对黄土湿陷性认识的深化和对湿陷规律掌握的反映。黄土理论的研究和以 地基处理为主，防水措施和结构措施为辅的场地综合处理措施的理念奠定了黄 土地基处理的重要地位，也促进了地基处理的进展。垫层法、强夯法、挤密桩 法、预浸水法等地基处理方法也得到大量研究。 近年来，随着国家经济的发展和西部大开发战略的实施，黄土地区的建设项目 日益增多，规模越来越大，也出现了需要解决的新问题。主要反映为工程建设由低 阶地向高阶地发展，湿陷性黄土层厚度增大，如宝鸡第二电厂地基的自重湿陷性黄 土厚1 8 2m ，蒲城电厂的湿陷性黄土层厚3 5 0m ，宁夏扶贫扬黄工程的自重湿陷 性黄土层厚3 6 0m 。这对地基处理方法提出了新的挑战和要求，而施工技术的滞 s 兰州大学硕士毕业论文 后和工程费用的过大，是解决大厚度湿陷性黄土场地地基处理问题的关键。因此， 加大对大厚度湿陷性黄土场地地基处理的深入研究，从安全可靠、技术可行和经济 合理等方面综合考虑解决方案非常必要。 1 1 湿陷性黄土场地地基处理常用方法和研究现状 由于湿陷性黄土的特殊的工程性质，其地基处理的目的在于破坏湿陷性黄土的 大孔结构，以便全部或者部分消除地基的湿陷性，从根本上避免或削弱湿陷现象的 发生。其地基处理的深度取决于黄土的厚度和湿陷性及建筑物的类别。黄土规 范对地基处理深度的规定为：甲类建筑应消除地基的全部湿陷量；乙类建筑，在 自重湿陷性黄土场地，不应小于湿陷性土层深度的2 3 ，且下部未处理湿陷性黄土 层的剩余湿陷量不应大于1 5 0 m m 。如基础宽度大或湿陷性黄土层厚度大，处理地 基压缩层深度的2 3 或全部湿陷性黄土层深度的2 3 确有困难时，在建筑范围内应 采用整片处理。其处理厚度：在自重湿陷性黄土场地不应小于6 m ，且下部未处理 湿陷性黄土层的剩余湿陷量不宜大于1 5 0 m m 。常用的地基处理方法有垫层法、强 夯法、预浸水法和挤密桩法等，每一种方法都有各自适应的处理深度，不同的处理 方法，在处理效果和经济指标方面也有所不同。 当湿陷性黄土厚度不大( 小于s i n ) 时，土( 包括素土和灰土) 垫层仍然是一种 经济有效的方法，它施工简单，质量容易控制，而且就地取材，比较便宜。但垫层 法需要开挖基坑，一般需要较大的堆料场地，当处理深度比较大时，需进行基坑支 护，费用增大：垫层法不宜于冬、雨季施工。 湿陷性黄土厚度相对较大( 1 0 m ) 且环境影响要求较低时，可选择强夯法。强 夯法根据夯击能量与土质的不同，处理深度可以达到8 l o m 。但它的有效性与夯 击的最佳击数( 9 - - 1 2 击) ，夯锤的底面积( 锤重1 0 - - 一1 5 t ，锤底面上静压力宜在2 2 5 t m 2 之间) ，以及基土的含水量( 最好为最优含水量附近) 有关。强夯处理深度( 以 消除湿陷性为标准) 估算的梅拉系数约为0 3 5 - - 0 5 0 左右。强夯引起的振动会影响 周围建( 构) 筑物。由于夯击动能最初消耗于土的压缩增密，故其振动与噪声随土 6 兰州大学硕士毕业论文 的逐击压密而逐渐增大，但振动的幅值却随夯源距的增大而急剧减小，故影响范围 仍然有限，夯击能量1 0 0 t m 时，6 度地震级的影响范围约为2 0 - - 一3 0 m 。此外，由 于强夯的振动周期约在0 1 s 左右，不会引起周围房屋( 自振周期为0 1 5 - - 0 2s ) 的 共振现象。 对于湿陷性黄土深度比较大的土层( 8 1 5 m ) ，真正有优势的方法是挤密桩法 ( 孔内填以灰土或素土) 。它是解决大厚湿陷性黄土地基现实经济有效的途径，对调 整地基的不均匀性和提高防水抗渗性能也有一定的优越性。挤密桩法具有施工速度 快、造价低廉、施工设备简单、技术可靠、社会效益好及处理厚度大等特点，得到 了越来越广泛的应用。但由于机械设备限制，处理深度最深不宜大于1 5m 。近年 来，挤密法与强夯相结合而出现的深层孔内强夯方法进一步拓展了挤密桩法的深 度，也为消除垃圾等废料( 作为孔内填料) 开阔了道路。此外，针对黄土的水敏性 而效法软土地基上的预压法而在黄土地基上采用预湿法处理也是一种好的思路。它 和其它方法( 垫层、强夯、挤密等) 结合应用，也是消除高、厚自重湿陷性黄土地 基有害变形的好方法。但它除了要求有充足的水源条件外，防止预浸水对周围建筑 及地下设施等产生不均匀沉降的危害是问题的另一个侧面，应用时需特别慎重。预 浸水法处理湿陷性黄土地基耗时较长( 根据消除湿陷性土层厚度决定) ，一般停水后 要1 0 0d 左右的时间才能使土层的含水量降低到最初状态，因此采用预浸水处理地 基时一般工期较长。从地基抗震角度看，预浸水法并不可取。 当湿陷性黄土深度大于1 5 m 以后，我们称为大厚度湿陷性黄土，此时，若要 处理全部湿陷性土层，或按规范对乙类、丙类建筑物地基处理深度的要求，一般处 理深度要大于1 2 m ，上述地基处理方法( 预浸水法除外) 就有点力不从心。高能 级强夯( 8 0 0 0 k n m ) 的处理深度一般在8 1 0 m ，超高能级1 5 0 0 0 k n m 强夯在庆阳 炼油厂扩建工程中的应用，处理深度达1 2 m ，但费用是8 0 0 0 k n m 级强夯的2 倍， 代价很高；挤密桩的优越性体现在1 2 米以内的处理深度，大于1 2 米由于成孔困 难，需要辅助以预钻孔，这会造成挤密效果的降低和成本的增加；孔内夯实挤密法 虽然在处理深度方面有优势，但同样会造成挤密效果的降低和成本的增加，而且地 7 兰州大学硕士毕业论文 基加固机制及计算理论方面还有待进一步研究与完善；预浸水法能够满足大厚度湿 陷性黄土处理深度的要求，但处理深度越大，耗时越长，对周围环境影响范围越 大，使得此方法的使用受到很大的限制。 可以看出，对于深度小于1 5 m 的湿陷性黄土场地的地基处理，方法多样且成 熟，施工可行且经济合理；但对于深度大于1 5 m 的湿陷性黄土场地的地基处理， 现有的方法或在技术上存在困难，或处理成本过大。随着我国的经济发展，河谷平 原地区或i 、i i 级阶地、湿陷性黄土层厚度相对较簿的建设用地已所剩无几，大量 的建设工程要选择在厚度比较大的高阶地( 如、级阶地) 上，特别是电厂、送 变电站、高速公路等基础建设。所以对大厚度湿陷性黄土场地地基处理措施的研 究，是非常必要且十分迫切的 1 2 湿陷性黄土场地地基处理措施的研究方向 黄土规范在地基处理原则中强调了以地基处理为主，防水措施和结构措施 为辅的场地综合处理措施，大厚度湿陷性黄土场地地基处理措施的研究可以从两 个方向发展。一是从地基处理方法上着手，寻求一种处理大厚度湿陷性黄土地基的 经济而有效的方法；- - 是不把全部湿陷性土层受到饱和浸水时的最大湿陷量作为黄 土地基研究和设防的目标，以技术、安全、经济的综合指标确定地基处理深度，并 辅助以防水措施和结构措施，这对于涉及面广的乙类、丙类建筑尤其重要。具体讲 应重视下述几个方面。 ( 1 ) 研制和引进地基处理新机械，提高各种工法的处理深度和施工能力。目 前，我们与国外有很大差距，因此不仅要重视引进国外先进机械，也要重视研制国 产先进施工机械，只有各种工法的施工能力有了很大提高，地基处理水平和经济效 益才能有较大的提高。 ( 2 ) 发展地基处理理论。地基处理实践的发展势必促进地基处理的进步，理 论的进步又将指导地基处理实践的进一步发展。理论方面的发展有两类：一类是各 种工法加固地基的机理以及设计计算理论，如强夯法的有效加固深度及影响范围分 r 兰州大学硕士毕业论文 析等。另一类是一般理论，如各类复合地基承载力和沉降计算理论，优化设计理 论，沉降控制设计理论等。 ( 3 ) 发展地基处理新技术。随着理论和材料、机械、工艺的发展，一定会产 生地基处理新方法。同时，发展新方法也是工程建设的需要。发展新技术还包括发 展地基处理新材料，如深层搅拌法特种水泥等。 ( 4 ) 发展地基处理为主防水措施和结构措施为辅的综合处理措施水平。当地 基处理技术还不能满足规范要求时，综合处理措施更能体现其经济性，关键问题是 要完善综合措施的优化理论上。 ( 5 ) 发展地基处理测试技术。地基处理测试技术包括地基处理工法本身的质 量检验，以及地基处理效果的评价。发展地基处理原位测试、现场试验、以及监测 技术对提高地基处理技术水平有非常重要的意义，应予以重视。 ( 6 ) 深化施工管理体制改革，重视专业化施工队伍建设。地基处理旌工是专 业性很强的行业，要加强专业分工。对每种工法的施工队伍不仅要求现场技术人员 需要掌握地基处理理论和实践知识，而且对技术工人也应有一定要求。技术工人需 要通过培训对加固机理、加固工艺有比较全面、系统的了解。通过定期考核，建设 一大批相对固定，有资质的专业化施工队伍。 1 3 本文研究的目的、意义、方法 1 4 1 研究的目的 ( 1 ) 弄清楚大厚度湿陷性黄土场地地基湿陷时人工地基中应力的大小及分 布、变化规律，并与理论分析、数值计算的结果做比较验证； ( 2 ) 通过对大厚度湿陷性黄土场地人工地基的模型试验分析，得到该地基变 形破坏特征和剪切带的形成、发展特征； ( 2 ) 分析大厚度湿陷性黄土人工地基在不同的处理深度下湿陷面积发生范围 对地基破坏的影响，得到一定的湿陷面积发生范围所对应的安全处理深度。 1 4 2 研究的意义 9 兰州大学硕i b 毕业论文 近年来，许多大型工程建设项目不得不建造在大厚度湿陷性黄土场地上，因而 地基处理的深度和难度越来越大。而现行湿陷性黄土地区建筑规范( g b 5 0 0 2 5 2 0 0 4 ) ( 以下简称黄土规范) 规定在湿陷性黄土场地上甲类建筑应消除地基的全 部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层；乙、丙类建筑消除地基部分湿陷 量，下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量乙类不应大于1 5 0 m m 、丙类不大于 2 0 0 m m 。当湿陷性黄土层不太厚时很容易满足上述条件，可是当湿陷性黄土层厚 度大于1 5 米，甚至更深时，上述地基处理方法( 包括高能级强夯和挤密法) 一般 只能消除基底下1 5 m 地基土的湿陷性，许多情况下即使处理深度大于1 5 m ，未处 理地基部分的剩余湿陷量也无法控制在1 5 0 2 0 0 m m 。甲类建筑的重要性要求消除 全部的湿陷量，而乙、丙类建筑物涉及面广，要满足规范的剩余湿陷量( 乙类建筑 不应大于1 5 0m m ，丙类建筑不应大于2 0 0 m m ) 要求，往往技术难度很大，费用也 很高，无法体现其技术和经济的合理性。因此，乙、丙类建筑物单一的以剩余湿陷 量作为地基处理深度的标准，经济上是不合理的，本文就剩余湿陷量、处理深度和 地基稳定性三者之间的关系进行研究，以确定大厚度湿陷性黄土场地地基处理的合 理深度，使得地基处理措施在技术上可行、经济上合理、安全上有保证。 1 4 3 研究的方法 土力学- - ! 3 试验性很强的学科，离开了试验和测试就无法开展。另一方面，土 工试验如果离开了理论的指导，也就失去了意义。二者是相辅相成的f u 。在土力学 的应力、应变分析中，模型试验是一种行之有效的方法，它能探索许多运用数学分 析方法不易解决的问题，诸如岩土体在弹性、塑性、粘性范围直到破坏的机理，以 及运动与动力学等问题，其参数选择具有可控性和灵活性，研究周期较短。它还能 够与有限元结合，既保存了模型试验固有的优点，又可充分发挥快速高效的数学计 算功能，减少重复进行模型试验的工作量。小比例的室内模型试验与实际工程不具 可比性，即并不能将其研究成果直接应用于某个实际工程实践。但在研究其变形过 程、破坏形态和变形机理等方面仍具有理论研究意义f 2 1 。 本文在相似理论的指导下，自行设计并完成模型试验模拟大厚度湿陷性黄土场 1 0 兰州大学硕：e 毕业论文 地基受荷后浸水变形直到破坏的全过程，测量并分析人工地基中不同点处的土压力 大小和分布规律、土体中各变形控制点的位移，观测剪切带的形成与发展过程、分 析地基变形破坏模式、承载机理并与相关理论、数学模拟计算结果作对比和验证。 兰州大学硕士毕业论文 第2 章整片处理地基模型试验 2 1 模型设计理论 2 1 1 模型的定义 可以援引我国著名学者华罗庚、宋健在模型与实体一文中提出的论述：模 型是对实体的特征和变化规律的一种定量的抽象，而且是对那些所要研究的特定的 特征的定量抽象。模型能在所要研究的主题范围内更普遍、更集中、更深刻地描述 实体的特征。通过建立模型而达到的抽象反映了人们对实体认识的深化，是认识论 的一个飞跃。模型的作用不在于也不可能表达实体的一切特征，而在于表达它的主 要特征，特别是表达我们最需要知道的那些特征。从这个意义上讲，模型又优于实 体，因为模型更深刻和更集中地反映客观事物的主要特征和规律【3 1 。 2 1 2 模型的相似原理 相似理论【4 】【5 j 是说明自然界和工程中各种相似现象相似原理的学说，由于其能 将工程实际与模型试验联系起来，揭示具体工程的实际问题，因此在试验理论学科 中得到了广泛应用。相似原理由3 个相似定理组成。这3 个相似定理从理论上阐明 了相似现象有什么性质，满足什么条件才能实现现象的相似。 第l 相似定理相似正定理：彼此相似的现象，单值条件相同，其相似判 据的数值也相同。这里的单值条件，指决定一个现象的特性，并使它从一群现象中 区分出来的那些条件。 第2 相似定理1 定律：当某一现象由n 个物理量的函数关系来表示，且 这些物理量中含有m 种基本量纲时，则能得到( n m ) 个相似判据；描述这一现象 的函数关系式，可表示成如下过程： 一般物理方程 兰州大学硕士毕业论文 f ( x 。，x ：，x ，x ) = 0 按第2 相似定理，可写成： 驴瓴，万2 ，万3 ，一，以一肺) = 0 ( 1 ) ( 2 ) 第3 相似定理一相似逆定律：现象的单值条件相似，并且由单值条件导出 来的相似判据在数值上相等，是现象彼此相似的充分和必要条件。 单值条件相同是指：该系统激活条件相似，在被研究过程中具有根本意义的物 理常数成正比例。 主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组成的判 据。 上述表明，支配研究对象的物理量越多，相应的相似条件也越多，模型与原型 相似的条件也愈严格，模型与原型的完全相似则愈难于满足。所以在模型设计中， 应根据任务明确试验研究具体目的，尽量保证满足主要物理量的相似条件，而对次 要物理量的分析以解析方法进行补充或将现象分割使其部分相似来综合。对此只能 通过不断改善试验条件在积累更多经验的基础上加以完善。 因此，模型设计不仅仅是模型本身尺寸比例的缩小或放大的问题，而是要考虑 为了使模型试验结果可以推算到原型上去，需对整个试验过程做周密的设计，如模 型试验对加载设备、量测仪器、模型制作材料等一系列问题的考虑。一般来讲，对 于研究弹性阶段应力状态的模型试验，模型材料应尽可能与一般弹性理论的基本假 定一致，即材料是均匀、各向同性，应力与应变呈线性变化，且有不变的泊松系 数。对于研究结构的全部特性( 即弹性和强度以及破坏时的特性) 的模型试验，通 常要求模型材料与原型材料的特性极相似，最好是模型材料与原型材料一致【们。 2 1 3 模型试验的相似准则 为了简化模拟技术，节省经费和时间，本项试验采用了缩尺结构( 几何比尺为 兰州大学硕士毕业论文 1 1 0 0 ) 和原形土进行试验。对于条形基础地基在荷载作用下的承载力和变形机理 来说，属于比较复杂的物理现象，除了受地基土的物理、力学性质影响，还与基础 埋置深度、加载方式和速率、应力水平、时问等因素有关，缺乏一个统一的物理方 程描述，因此目前只能从物理模拟的角度进行研究。本试验以条形基础地基为原 型，采用物理模拟方法，在以下方面进行模拟，以达到在与实际工程大体一致情况 下通过模型试验来研究条形基础地基： 1 材料相似。地基模型采用与原型相同的介质( 自重湿陷性黄土) ，故本构模 型具有天然的相似性。 2 几何条件相似。因相似现象必定发生在几何相似的空间内，故模型中地基 的几何形状应与实际地基相似，主要是长、宽和深度几何相似。 3 载荷相似。模型和原形在对应点所受的载荷方向一致、大小成比例。载荷 试验实质上是基础的模拟试验，最能体现地基在荷载作用下的真实状况。 4 边界条件相似。充分考虑到实际情况，模型的边界按半无限空间设计为： 横向柔性边界条件；纵向柔性边界条件。 5 起始应力条件相似。把土填至模型槽内预定高度后，用1 5 个沙袋装满细沙 预压4 8 小时，使之与土体在天然自重条件下的正常固结状态基本相似。可以看 出，由于影响地基应力、变形的因素很多，要在模型试验中满足所有相似条件很难 做到，部分条件只能近似满足，对此只能通过不断改善试验条件在积累更多经验的 基础上加以完善。最后，根据现有经验公式和理论分析，筛选出起决定作用的物理 量( 见表2 1 ) ，采用矩阵法推导相似准则方程，可写出如下函数式： 厂p ，s ，矽，c ，w ，厂，p ) = 0 ( 3 ) 用矩阵法求准则方程，列矩阵表( 见表2 2 ) 从表的上半部分可以列出各参 数指数间的代数方程： a + d + f + g = 0 2 a + b 一2 d 一3 f 一2 9 = 0 1 4 兰州大学硕士毕业论文 仅有2 个方程，但未知数有7 个，分别将1 ，2 ，兀3 ，玎4 ，5 之左侧值 带入公式求出f ，g 值： 表2 1 影响地基的参数 符号意义量纲 口 土体应力 【k n m 2 】 s基础沉降m 妒土体的内摩擦 【0 】 c土体的粘聚力 【k n m 2 1 w 含水率 ， 土体的重度 【k n m 3 1 p 基础的压力 【k n m 2 】 得到： 万。：里，万：；一s r ，万，妒，万，三，刀，；w w 万l2 一，万22 一，万，。妒，万2 一，刀，2 ppp 则地基沉降的准则方程为： 厂( 竺，里，妒，一1 7 ，w ) 。0 表2 2 矩阵表 序号 abc d e f g 参数 o s西cwr p 【f 】 l001011 【l 】 2102032 1 l00 o 0 o 1 兀2 o10o011 兀3 0000oo0 4 00 11 0 01 丌5 0 00o0100 ( 1 ) 由准= 里得：竺昌生即旦= 卫岷， ppp i o ipi ( 2 ) 由准：= s r ：一s r 昌监即旦昌卫即c ，= c ， pp p 。s 。r p ( 3 ) 由准则万，= ，由于采用原形土，故c = 1 兰州大学硕士毕业论文 ( 4 ) 由准则万。皇三得： p 生昌生即c = c 一昌三弭l j c= f p pp ( 5 ) 由准则石，= w ，由于采用原形土，即cr = 1 以上关系式中：加脚标m 者为模型参数，未加者为原型参数， c 。为相似比。 以上相似判据在本模型中较好满足，根据相似第3 定理，现象的单值条件相 似，并且由单值条件导出来的相似判据在数值上相等，故模型中的现象必与原型中 的现象相似。 2 2 黄土湿陷变形理论 2 2 1 土的本构模型概述 土的本构关系是材料性质从经验加以抽象化的数学表现。它不是凭空设想的， 而是在整理分析试验结果的基础上提出来的。但试验有一定的局限性，总是在某种 特定的条件下进行的，土体各点的受力状况，变形历史总是千变万化，无法在试验 中完全模拟出来。因此，要选择一种数学模型来全面、正确地反映这些复杂因素是 十分困难的，甚至是不可能的。目前的研究方法是针对不同的土类、不同的工程对 象和问题的特点，在简化的条件下，建立起最简单却又能反映主要特点的数学模 型，作为计算的基础。 几十年来，各国学者所建立的土体本构模型己达数百种。国际上比较著名的如 剑桥模型、d u n c a n c h a n g 双曲线模型、l a d e d u n c a n 弹塑性模型、空间滑动面模型 等；我国学者在这方面也取得了较好的成果，如清华模型、南水模型等。从连续介 质力学的观点来看，土的本构模型大体上可分为弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性 模型、内时塑性模型以及损伤模型等几类。近年来，沈珠江院士对7 0 年来土力学 的发展史进行了总结，提出了建立以本构模型为核心的现代土力学基本框架，并认 为今后的发展重点是结构性模型。随后他又提出了散粒体模型、复合体模型和堆砌 体模型三类结构性模型。 1 6 兰州大学硕士毕业论文 非饱和土的本构模型有三类：单应力变量理论，即用有效应力表示的本构理 论。典型代表是b i s h o p 提出的有效应力公式：j u a 切( u 。u w ) ，公式中引进了有 效应力参数x ，其大小与非饱和土的结构、应力历史、饱和度、问题的性质( 变形 问题还是强度问题) 等因素有关，其值为0 1 0 。陈正汉( 1 9 9 0 ) 从理性力学理 论出发，把非饱和土看作由固体颗粒、孔隙水和孔隙气三种物质组成的混合物，推 导了非饱和土变形问题的有效应力公式，该公式的特例就是t e r z a g h i 和b i s h o p 有 效应力公式；双应力变量理论，f r e d l u n d 在充分认识到有效应力原理在非饱和土 中的局限性后，通过理论和试验方法，将净应力p 】u 。吲和基质吸力( u 。- u w ) 唧作 为两个独立的应力变量来建立非饱和土的本构理论；应力和饱和或含水量的双变 量理论，即在一定条件下，吸力与含水量之间存在一一对应的关系，由此可用饱和 度或含水量代替吸力引入到本构方程中。 一个合理的本构模型应该综合理论上的严格性、参数上的易确定性和计算机实 现的可能性三个方面。 2 2 。2 湿陷性黄土的强度参数 我国黄土多分布在干旱半干旱地区，常呈非饱和状态，其强度特性受含水量影 响很大。黄土在力不变情况下仅因浸水产生变形而称其为湿陷。一般的粘性土因浸 水降低了模量也会产生力不变情况下的附加变形，但黄土浸水变形的特征是量大且 具有突变性。虽然，只有一部分黄土具有这种特性，但仅此就使黄土跻身于特殊土 的行列阴。研究表明，非饱和黄土的强度是随含水量的逐渐增大而连续降低的，其 强度参数，即粘聚力、内摩擦角。 国内外许多学者都通过试验研究证明粘聚力c 值随含水量的增加而明显下降， 而内摩擦角妒值的变化则较小。因此，本文略去含水量对内摩擦角的影响，用各含 水量的平均内摩擦角表示。 党进谦【8 】等对陕西关中地区的黄土进行了研究，指出在较大的含水量变化范围 内，各土样的粘聚力与含水量之间也呈幂函数关系，可用式( 2 5 ) 表示： 1 7 兰州大学硕士毕业论文 c ( ) ；a 。 ( 2 5 ) 式中：c ( ) 一一不同含水量下黄土的粘聚力( k p a ) ； a ，b 一一试验参数。 本文主要考虑人工地基的强度变化，故考虑含水量对粘聚力的影响。 2 2 3 湿陷性黄土的湿陷特性 我国丰富的黄土资源和飞速的建设速度，使我国对黄土湿陷特性的研究走在世 界研究水平的前沿。近年来，黄土力学的研究出现了由侧限压缩到三轴压缩，由常 规三轴应力路径到多种复杂应力路径，由浸水湿陷量到湿陷敏感性，由狭义的浸水 饱和湿陷到广义的浸水增湿湿陷，由单调的增湿变形到增湿减湿、间歇性湿陷变 形，由增( 减) 湿陷路径到增( 减) 湿陷路径与加( 卸) 荷路径的耦合，由湿陷性 到湿剪性以及由宏观特性分析到宏、微观结合的力学特性分析等诸多方面发展，大 大丰富了对黄土特殊变形强度性质的认识，缩短了黄土力学与工程实际应用之间的 距离。从目前的研究水平来看，对黄土湿陷特性的研究较多，而对湿陷计算方法的 研究相对不足【引。对黄土浸水与受荷载特性研究的目的是为了应用，应用的集中表 现为对不同应力与浸水路径作用下黄土湿陷量的计算，计算的核心是计算方法的可 靠性、不同工况的适用性和可推广性，本文从这个目标出发，分析黄土地基处理的 深度和湿陷面积的关系，虽然文献【1 0 】已经证明湿陷与土所受的应力状态有关，并 提出了考虑主应力比的相应算法，但本文的研究 c 从实用角度出发仍以侧限压缩的应力状态为基 础，并且认为黄土湿陷与浸水路径无关【1 1 l 。 实际中，黄土的增湿变形可以由地下水位上 升引起或是地表水的入渗引起。前者增湿自下而 上发展，浸水面积大，湿陷均匀；而后者增湿自 n 上而下发展，浸水局限在小范围内，浸水不均 图2 1 典型的湿陷性黄土变形曲线 兰州大学硕士毕业论文 匀，湿陷速率一般较大，变形过程较快。致使湿陷性黄土产生变形的作用有二：一 是力的作用，即在某个湿度下加荷产生加荷变形；二是水的作用，即在某个压力下 土的湿度增加而产生的增湿变形。 典型的湿陷性黄土变形曲线如图2 1 所示。a b 段为黄土原状结构的压缩变形 ( s 1 ) 阶段，随着外荷的增加发展为压密变形，是一种