（岩土工程专业论文）塑料板排水预压法加固软基机理及沉降计算方法研究.pdf

摘要 塑料板排水预压法是在砂井排水预压法的基础上发展起来的，是一种行之有 效的软基加固方法。近年来随着国民经济的发展，广泛地应用于道路、堆场、港 口、机场等各类土木工程的软基加固中，并且取得了良好的加固效果，但该法的 加固机理及计算方法等诸多方面还存在明显不足和争议之处。 本文在前人工作的基础上，通过试验研究、理论分析、数值计算等手段主要 进行了以下几方面地工作： ( i ) 分析了大量现场观测成果及室内外试验资料，从经典力学和微观渗流 两个角度解释了塑料板排水真空一堆载联合预压法加固软基机理，总结了该法加 固的土体变形特点、孔隙水压力变化规律。 ( i i ) 根据实测资料，讨论了加固区形状对加固效果的影响；对塑料板排水 预压法适用的场地、土质条件以及塑料排水板的有效打设深度进行了探讨；提出 了该法卸载条件的计算方法，并结合实践工程进行了验证。 ( ) 在土体损伤理论的基础上建立了考虑结构损伤、排水板加筋作用的瞬 时沉降计算公式，分析了影响土体沉降的主要因素，提出了对按单向分层总和法 计算的固结沉降量进行体积应变、侧向位移、土体结构损伤三项修正的方法，以 上述三个修正系数取代原来单一的综合经验系数，使沉降计算值与实测值更接 近。分析了影响次崮结变形的主要因素，并提出了卸除超载后，软基在永久荷载 作用下的工后沉降计算方法。 ( i v ) 采用平面应变比奥固结有限元法对淮河入海水道某涵闸软基加固：c 程 进行了数值计算，通过对比数值计算结果、实测值及简化方法计算结果，证明了 本文提出的沉降计算简化方法的正确性和适用性，所得结论对于同类工程具有一 定的参考价值。 关键词：塑料排水板软土加固机理卸载标准损伤 沉降修正瞬时沉降简化方法有限元 a b s t r a c t a m o n g s o f t b a s ei m p r o v e m e n t m e t h o d s ，p r e f a b r i c a t e dd r a i np r e l o a d i n gi so n eo f t h em o s tp o p u l a rv e r t i c a ld r a l nm e t h o d s i ti sd e v e l o p e df r o ms a n dd r a i np r e l o a d i n g m e t h o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o u n t r ye c o n o m v t h em e t h o dw a su s e dw i d e l yi n s o f tg r o u n dr e i n f o r c e m e n to fs e v e r a lk i n d so fc i v i le n g i n e e r i n gp r o j e c t s ，s u c ha sr o a d ， p o r t a i r d r o m e ，a n ds oo n a n df a v o r a b l ee f f e c ti so b t a i n e d h o w e v e r , t h e r ea r es o m e f l a w sa n d d i s p u t ea b o u ti m p r o v e m e n tp r i n c i p l ea n dd e s i g nt h e o r y , b a s e do nt h ef 0 f i n e rr e s e a r c h ，s e v e r a lw o r k si nt h i sp a p e ri sl i s t e da sf o i l o w , w h i c hi ss t u d i e db ye x p e r i m e n tr e s e a r c h t h e o r e t i e a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t e ： f i r s t l y , b a s e d o n1 0 c a lo b s e r v a t i o na n d l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t r e s u l t c o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mo fv a c u u m s u r c h a r g ep r e l o a d i n gi sa n a l y z e df o r mt y p i c a l m e c h a n i c sa n dm i c r o s t r u c t u r e s e e p a g ef a c t o r ag r e a t d e a lo fo b s e r v e dd a d ai s e m p l o y e dt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i la f t e rb e i n gt r e a t e da n d v a r i a t i o nl a w o f p o r e w a t e r p r e s s u r e s e c o n d l y , t h es h a p eo f r e i n f o r c e m e n ta r e aw h i c hh a v ea g r e a ti n f l u e n c eu p o n t h e e r i e c ti sd i s c u s s e dh e r e e f f e c t i v ee m b e d d i n gd e i ) t ho fp l a s t i cd r a i nb o a r da n dt h e a p p l y i n g c o n d i t i o n sf o r p r e f a b r i c a t e d d r a i n p r e l o a d i n g m e t h o da r er e s e a r c h e d c o m b i n e dw i t h p r a c t i c ep r o j e c t ，an e wu n l o a d i n gc r i t e r i o ni sp r o p o s e d t h i r d l y , a c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fd i s t o r t i o ns e t t l e m e n ti se s t a b l i s h e d b y c o n s i d e r i n gs o i ls t r u c t u r ed a m a g ea n dp l a s t i cd r a i nb o a r dr e s t r a i n i n gd i s p l a c e m e n to f s o f t f o u n d a t i o n s t a r t i n gw i t hd i s c u s s i n g t h em a i nf a c t o r s a f f e c t i n g s e t t l e m e n to f c o n s o l i d a t e df o u n d a t i o n ，ar e a s o n a b l em e t h o dt om o d i f yt h ec a l c u l a t e ds e t t l e m e n to f s o f tf o u n d a t i o nb yl a y e r w i s es u n u n a t i o nm e t h o di s p r e s e n t e dh e r e w i t hc a l c u l a b l e c o e f f i c i e n t so fv o l u m ed e f o r m a t i o n 1 a t e r a ld i s p l a c e m e n ta n ds t r u c t u r ed a m a g et o m o d i f yt h es e t t l e m e n tw i l lb ec l o s e dt om e a s u r e rs e t t l e m e n t b a s e do ns t u d y i n gm a i n f a c t o r s a f f e c t i n gs e c o n d a r ys e t t l e m e n t am e t h o dt o e s t i m a t et h e p o s t c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n ta f t e rr e m o v a lo f s u r c h a r g ei sp r o p o s e d f o u r t h l y c o m p a r e d w i t hc a l c u l a t er e s u l t sf o r t y p i c a l s e c t i o no fac u l v e r t s o f t - b a s er e i n f o r c e m e n t p r o j e c ti nt h ew a t e rw a y t os e ao fh u a i h er i v e re n g i n e e r i n g b y t h ep l a n es t r a i nf e mb a s e do nb i o tc o n s o l i d a t i o nt h e o r y , m e a s u r e dd a t aa n ds i m p l e c a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h es i m p l ec a l c u l a t i o nm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sp r o v e dt o b er e a s o n a b l ea n dv e r i f i e d ，a n di sm o r er e f e r e n c e db yc o n g e n e r p r o j e c t k e yw o r d ：p l a s t i c d r a i nb o a r ds o f ts o i lm e c h a n i s m u n l o a d i n gc r i t e r i o n d a m a g e s e t t l e m e n tm o d i f i c a t i o nd i s t o r t i o ns e t t l e m e n t s i m p l em e t h o d f e m i i 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节研究课题的提出 软土是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的天然含水量高、压缩性大、抗 剪强度和承载力低的软塑到流塑状态的细粒土【1 。软土广泛分布在我国的沿海、 河流中下游地区及湖泊附近【2 】，如天津、大连、温州、宁波等地的滨海相沉积软 土，上海、广州等地的三角洲相沉积软土，闽江口平原的溺谷相沉积软土等。这 类土具有高压缩性、高含水量、大孔隙比、低密度、低强度、低渗透性、显著流 变性等特点。在这种软弱地基上修建各种建构筑物，会发生较大的沉降和差异沉 降，严重影响了建构筑物的正常使用，并且加载过程常出现稳定问题。目前常用 的软基加固方法：排水预压法，如堆载预压法、真空预压法及真空一堆载联合预 压法等：复合地基处理法，如粉喷桩、旋喷桩及碎石桩等。 这些软基处理方法各具优点o “”，同时也受限于使用条件：( i ) 堆载预压 易操作、经济，但软基的抗剪强度较低，限制了填土速率，在施工工期方面存在 明显不足，尽管作了一些改进，如薄层轮加法等，但成效不显著；( i i ) 复合地 基处理方法虽然能缩短施工工期，但费用较高，处理单价一般是堆载预压的2 3 倍3 ，而且成桩的质量难以控制，尤其是利用超长桩处理深厚软基时。 作为有效的软基处理方法之一，真空预压法哺。及真空堆载联合预压法加固 深度大，很好地解决了高填方土坡的稳定问题，并能缩短工期，经济效益明显。 随着施工工艺的成熟以及人们对加固机理的更深刻认识，近年来在高等级公路的 建设中得到了越来越广泛的应用。与此同时，在公路施工和运营期间对路基沉降 的预估与实测的沉降量存在不小的偏差，严重影响了高等级公路的正常运营。为 了适应我国高等级公路及其他土木工程对提高软土地基沉降计算水平的要求”1 ， 需对现有的软基沉降计算理论、计算方法进行深入研究，使预估的沉降量与土体 的实际沉降更为接近，从而更好的为工程建设服务。 第二节塑料板排水预压法研究现状 1 9 2 5 年美国工程师摩然( d j m o r a n ) 提出砂井排水预压法”“，该法是在 地基中打设砂井作为竖向排水体，以加快土体固结。经过7 0 多年的工程实践， 充分证明了砂井排水预压法是一种行之有效的软基加固方法，并在全世界被广泛 应用。在砂井技术发展过程中，人们逐步认识到“细而密”型的砂井具有更好的 排水固结效果，塑料排水板应运而生。作为排水预压法竖向排水体的塑料排水板 是继杰尔曼( k j e l l m a n ，1 9 3 4 ) 纸质排水板之后，由维格( 0 w e g e r ，1 9 7 1 ) 首 创的一种新型竖向排水材料，它由聚氯乙烯制成的透水芯带，外套无纺滤布制成。 第一章绪论 自1 9 8 0 年河海大学与南京塑料厂合作研制出了我国第一块塑料排水板，塑料排 水板由于具有性能好、质量可靠、施工方便、工效高、工程费用低、排水板的打 设对土的扰动小、可用轻型机具在超软土上施工等优点，在国内得到迅速推广， 主要应用于高速公路、港口、机场跑道、原料堆场、铁路路堤、填海造陆等工程 0 3 3 1 2 3 川4 153 1 6 3 的地基加固中，并且取得了良好的效果。 2 1 加固机理研究现状 塑料板排水预压法是垂直排水加固软粘土地基有效方法之一，按预压荷载不 同，分为塑料板排水堆载预压法、塑料板排水真空预压法及塑料板排水真空一堆 载联合预压法，后者是在堆载预压法和真空预压法的基础上发展起来的。国内外 学者对该法进行了一系列的室内外试验、数值模拟和理论研究，并取得了一定的 成果，如真空预压是一种降低边界孔隙水压力使土体固结的方法，软土在负压条 件下的排水和固结变形过程与正压条件下的固结过程是相似的，都是通过孔隙压 力的变化将荷载传递给土体骨架的过程，真空预压与堆载预压的区别在于孔隙水 压力的初始条件和边界条件不同，即塑料板排水真空及真空堆载联合预压属于 固结问题，可用各种固结理论进行计算“18 o 但是真空堆载联合预压的加固 机理、真空预压的有效加固深度、卸真空标准等诸多方面仍存在不足和争议之处， 具体表现在以下几个方面： ( i ) 塑料排水板的有效打设深度及真空度在塑料排水板中的传递规律。 ( 1 i ) 塑料板排水预压法加固区土体变形特点、孔压及地下水位变化规律。 ( ) 塑料板排水真空及真空堆载联合预压法和塑料板排水堆载预压法加固机 理差别的定性和定量研究。 ( i v ) 塑料板排水真空及真空堆载联合预压加固区形状对加固效果的影响。 ( v ) 塑料板排水真空及真空堆载联合预压卸真空标准的统一认识。 ( ) 目前对沉降及工后沉降预估的能力较差，尤其对打设了排水板的地基，沉 降预估值往往与实际沉降值有一定差别，缺乏简便、实用、针对塑料板排水预压 法的沉降计算方法来指导工程实践，过于烦琐的数值计算方法不适宜在实践工程 中广泛应用。 2 2 计算理论研究现状 目前塑料板排水预压的计算主要是套用技术较成熟的砂井计算理论，关于砂 井地基的真空预压及真空一堆载联合预压法的计算方法：一种是以轴对称固结理 论为基础的解析法，如b a r r o n 解19 1 、h a n s b o 解和曾国熙解口1 】 2 2 1 ；一种是半 解析法【2 3 】【2 4 1 1 2 5 】，孔隙水压力由解析解求出，位移则用数值解法计算；还有一种 是以t e r z a g h i 固结理论或b i o t 固结理论为基础的数值计算解法，如有限元法 2 6 1 2 7 1 【2 8 l 、边界元法【2 9 j 和差分法 3 0 】等。 河海大学硕士学位论文 2 2 1 解析法 真空预压的加固区中打设了砂井，就形成了砂井地基，解析解是在砂井理论 的基础上推导出来的。陈环【3 】最早提出了负压条件下的太沙基固结解，认为负压 条件下的固结问题与f 压条件下基本相同，只是边界条件有差异，因此仍可以用 太沙基固结方程求解，在其固结计算中，未考虑砂井的井阻、涂抹作用，实际将 真空预压处理的地基视为均质地基，此种分析方法与实际有较大差异。董志良 3 1 h 3 2 1 在单井理论的基础上，首次推导了单井在负压及正、负压联合作用下的 等应变解析解。解析法结果简单，便于工程应用，但是解析解分析的边界条件以 及采用的土体模型比较简单，对井阻、涂抹作用等因素不能较全面的考虑，无法 考虑固结过程中孔隙水压力与土骨架变形的耦合关系，无法对整个地基特别是加 固区边界的固结变形进行计算，解析解只能进行一维或轴对称分析。利用解析法 分析复杂的实际工程问题时，需要对分析的问题做出大量假设和简化，这样必然 带来很大的误差，因此解析法的应用受到了很大的限制。 2 2 2 半解析法 赵维炳等1 2 3 】【”1 1 2 5 】在考虑土体流变的基础上提出了砂井地基固结分析的简便 方法，孔隙水压力由解析法求出，而位移则用数值解法计算，所以称这种方法为 半解析法。半解析法计算比较简便，并且可以考虑比较复杂的情况，如土体的粘 弹性、井阻和涂抹的影响、三维固结和砂井群共同作用，对加固面积和砂井根数 无限制，该法具有占用计算机容量小、计算时间短、费用低等优点，但由半解析 解得到的孔压与实际的孔压变化规律往往不相符。 2 2 3 数值解法 数值解法能考虑土体变形的非线性、弹塑性和各向异性等特点。能解决无法 获得解析解的复杂边界条件下的固结与流变问题。 沈珠江【2 7 】首先用b i o t 固结有限元法对某真空预压法处理的工程进行了计算， 发现土体本构模型对计算结果影响较大，通过结合三种土体本构模型按比奥固结 理论进行计算，结果发现没有一种方法能与实测结果很好的吻合，总的来看南水 模型比较符合实际，但其计算工作量较大，他建议对一般的工程采用变弹性模式 即可。陈环等也进行了有限元和边界元在真空预压计算方面的应用，并将各种计 算方法所得的结果与实测平均固结度进行了比较，发现以比奥固结理论为基础的 有限元法和边界元法两者比较接近实测值，而以太沙基固结理论为基础的有限差 分法与实测结果偏差较大。 在计算时，陈环和沈珠江都把砂井视为砂墙，将空间问题转化为平面问题， 他们把砂井和砂垫层作为己知水头边界进行计算，陈环把砂井作为砂墙，沈珠江 则按砂墙间距放大系数的平方放大地基的渗透系数，陈环令砂垫层和砂井在初始 第一章绪论 时刻同时达到负的真空压力，沈珠江则根据部分实测结果对砂井孔压进行假设， 两者都没有考虑井阻的作用，实际上砂井中的孔压变化是很复杂的，它与膜下真 空度、砂井阻力、地基情况、加固时间和砂井间距等都有很大关系。如用实测结 果假设砂井的孔压，还需要有实测数据。此外，如果根据平均固结度相等的原则 把砂井地基等效成砂墙地基，则不能保证在同一时刻两种地基中每一点的孔压能 对应相等，包括砂井与砂墙中同一深度的点，其孔压一般也是不相等的，利用实 测值进行计算在理论上仍有问题。 为了考虑土的剪胀、剪缩和粘滞性对固结计算的影响，余志顽【2 目等用粘弹 粘塑性三维有限元分析方法对某工程进行了固结计算，计算结果和实测值吻合较 好。但砂井地基的三维有限元分析工作量巨大，不易为一般设计人员掌握，难以 在实际工程中推广应用。殷宗泽等【3 a 应用平面固结有限元进行分析，考虑土体的 粘性及土体损伤，并认为真正的水头边界只在地面，可以不需要考虑砂井中真空 度的分布情况。 第三节本文主要工作 结合当前的研究现状和存在问题，主要以淮河入海水道涵闸软基加固工程、 京珠高速公路等实践工程为背景，侧重研究以下几方面： ( i ) 在分析大量监测成果、原位试验和室内实验资料的基础上，从经典力 学和微观渗流两个角度解释了塑料板排水预压法加固软基杌理，总结了该法加固 的士体变形特点和孔压变化规律。 ( i i ) 对塑料板排水预压法的适用条件和排水板的有效打设深度进行了总 结和探讨。结合实践工程分析了加固区形状对加固效果的影响，并提出了该法卸 载条件的计算方法。 ( 1 r 1 ) 在土体损伤理论的基础上建立了考虑结构损伤、排水板加筋作用的瞬 时沉降计算公式。分析了影响土体沉降的主要因素，包括压缩层厚度的确定及硬 壳层对沉降的影响，讨论了真空预压时附加应力计算方法不同给沉降计算带来的 差异，提出了在设计阶段以按经验建立的真空压力沿深度衰减公式计算附加应 力，提出了比传统方法更可靠的沉降过程线的推求方法。提出对按单向分层总和 法计算的固结沉降进行体积应变、侧向位移、结构损伤三项修正的计算方法，以 上述三个修正系数取代原来单一的综合经验系数，使沉降计算值与实测值更接 近。分析了影响次固结变形的主要因素，提出了卸除超载预压后，软基在永久荷 载下的工后沉降计算方法。 ( i v ) 考虑软土的弹塑性、损伤，采用平面应变比奥固结有限元法对淮河入 海水道卢扬涵闸软基加固工程进行了数值计算，通过比较数值计算结果、实测值 及沉降计算简化方法得到的结果，证明本文提出的简化方法的正确性和适用性。 4 河海大学硕士学位论文 第二章塑料板排水预压法加固软基机理及试验研究 第一节塑料板排水预压法加固软基机理 塑料板排水预压法加固软基( 以真空一堆载联合预压为例) ，首先在地基中打 设塑料排水板，表面铺设约5 0 c m 厚砂垫层，其上覆盖密封膜。通过射流泵将膜 下土体间的空气抽出，形成相对负压，该负压传递到塑料排水板中，从而在排水 板和板周围土体之间形成压差，孔隙水在压差作用下渗流到排水板中并被吸出， 土体发生固结变形，真空度稳定t 2 周后可进行堆载施工，如图2 1 所示。 凄 淘 图2 一l 塑料板排水真空堆载联合预压加固软基示意图 1 i 加固机理的经典力学解释 1 1 1 堆载预压法加固机理 施加在软基上的外荷载开始全部由孔隙水压力承担，有效应力不变，在土体 内与边界上孔隙水压力“( 势) 不平衡作用下，孔隙水向排水边晃渗流，随着时 间的推移，孔隙水压力全部转化为有效应力，如图2 2 。由图2 3 堆载预压摩尔 圆变化示意可见，加固前土体处于固结状态，与其相应的强度可由 只= 1 2 ( j ，+ q l 所对应的强度r o 表示( 图中a 点) ，加固中由于吒盯。，莫 、， 尔应力圆直径变大，更接近强度包线，卸载后加固土体的强度沿超固结包络线 一退到口点，强度增长了f ，因此，经过预压加固后的土体强度得到了提高。 z 图2 2 堆载预压有效应力变化示意 图2 3 堆载预压摩尔圆变化示意 第二章塑料板排水预压法加固软基机理及试验研究 1 1 2 真空预压法加固机理 真空压力作用于砂垫层和排水板内孔隙流体，在短时间内砂垫层和排水板内 的孔隙水压力迅速降低，由于土的渗透系数小，土体在抽真空初始仍保持抽气前 孔隙水压力分布状态，这样土体内与作为边界的排水板和砂垫层间形成孔压差， 孔隙水在压差的作用下渗流排出并使“( 势) 降低，“( 势) 的不平衡逐渐由近 及远地向距离较远的点波及。根据太沙基有效应力原理，总应力不变的情况下， 孔压的降低即为有效应力的增加，从而使土体固结压密，直到土体内与边界上的 “( 势) 达到新的平衡为止c 3 5 ，该过程的有效应力变化如图2 - 4 。由于孔压是球 应力，所以真空预压时减少的孔压，即增加的有效应力是各向相同的，如图2 5 所示，地基中土体单元的莫尔圆大小并没有改变，只是发生向右的平移，加固后 剪应力大小没有改变，强度由变为r 。卸载后，被加固土体由正常固结状态变 为超固结状态，地基土的强度延超固结包络线0 t 4 退到曰点，和加固前相比强 度增加a r 3 6 2 。 鬈 窳7 ；力线 、 晚榧力线 z 图2 - 4 真空预压有效应力变化示意图2 5 真空预压摩尔圆变化示意 真空预压与堆载预压虽然都是通过减小孔隙水压力而使二e 的有效应力增加， 但两者的加固机理、应力路径是不同的。与应力路径密切相关的土体变形、强度 增长和孔隙水压力的变化也是不同，图2 6 给出了真空预压和堆载预压的应力路 径与变形、强度的关系。 堆载预压加固前土体中任单元体处在固结的m 点，如分三级加荷到岛 点，总应力路径( 脚) 为实线m b 3 ，有效应力路径( e 铲) 从m 经c l 、b 1 、 c 2 、b 2 、c 3 点后最终到b 3 点，可见堆载预压的e 铲一般在与知线间变动， 这就需分级加荷使最大剪切面上的剪应力始终小于土体的抗剪强度，以防止发生 地基的失稳剪切破坏。堆载预压时，荷载边缘区靠近地表的少部分土体单元， a u h k 仃，j ，应力路径指向k o 线的下方，侧向变形呈收缩趋势，其他各深度的 土体单元a u h 如，故真空预压比堆载预压加固效果好。 0 【一是战一 甏 獬 氨 毪 图2 - 6 真空预压与堆载预压的应力路径2 7 真空堆载联合预压有效应力变化 1 1 3 真空堆载联合预压加固机理 真空堆载联合预压具有真空预压和堆载预压的双重效果，根据达西渗透定 律o ”可以得到： v = k ( a h l 、 ( 2 1 ) 式中：- 9 一孔隙水的渗透速度；一渗透距离； k 一土的渗透系数； 一水头差； 土体中孔隙水的渗透速度与水力坡降( 驯) 成i e l ：v , ，增加水头差 和减少 排水距离工，均可加速土体排水圃结。真空预压的加固机理是通过降低土体中孔 隙水压力，也就是使加固区内形成负的超静孔隙水压力，加固区内外存在水头差， 使之形成渗流需要的水力梯度。堆载预压是依靠堆载产生正的超静孔隙水压力， 通过孔压的消散而使强度得到提高。两者联合作用，孔隙水压力的压差增大，也 就是增加水头差 。造成孔压消散更快，加固效果更好，真空一堆载联合预压有 效应力变化如图2 7 。 第二章塑料板 | 水预压法加固软基机理及试验研究 1 2 微观渗流场理论 利用排水预压法加固软基的目的是通过降低土体的含水量，使孔隙水压力转 换为有效应力，提高强度，含水量的降低是通过孔隙水的排出来实现的，土体是 一种多孔介质，土中的孔隙组成大小不一的孔道，孔道中充满了水和气，孔隙水 的排出与土体渗流是耦合的，即通过渗透固结来达到加固软基的目的”“。天然 状态下的地基如图2 8 中a 所示，地下水位线1 1 以上土体中的水、气以及地下 水位线以下的水都处于平衡状态，不存在流动现象。 ( i ) 真空预压初始阶段 砂垫层中的气体首先被抽走，形成真空，接着紧靠砂垫层的地基土中较大的 连通孔道中的水和气由于压差的作用被吸出，并逐渐在土体中较大的连通孔道 ( 塑料排水板可看作人工在土体中形成的特殊孔道) 中形成真空渗流场，该真空 渗流场的流动介质是以气体为主、水气混合的流体介质一“真空流体”，这种“真 空流体”作为驱动力在孔隙水中“开辟”出通路，在土体较大孔道中流动，形成连 通的网络。孔隙水通过这种网络发生渗流，但此时排出的主要是存在较大孔道中 的重力水和气，由于土颗粒间的支撑力、排斥力以及颗粒间结合水具有一定的抗 剪强度，土中有效应力并未变化，不产生通常意义的固结。渗流在地基土中较大 的孔道中扩散并形成连通的真空渗流场的同时，持续的抽真空作用会导致原有的 地下水位线由1 1 降到2 2 ，地下水位的下降改变了土层中的竖向自重应力，由 于上部土重的增加，使得土中更为细小的孔道中的水承受了超静孔压，并逐渐排 出，使土体产生固结变形，渗流过程见图2 - 8 中b 所示。 大气 医瞳醢璇叠釜盔r 翻 【t 刚群 1 地下水 7 7 7 7 7 7 r 7 7 r 7 7 r 7 r 7 7 _ ( a ) 医噬 探 毒 莽 x胡 4 、 u 鱼 l6 珥业 一f u ji、 地b 僦 7 7 7 7 7 _ 7 7 7 7 7 7 7 厂 ( b ) 甚 f 辱 毒 零 莽 盔翻 、 6 f # i i u u 飞 一 、霉 一 l 地r k 渗流 7 7 7 7 7 r 7 r 7 7 7 7 7 广7 7 _ ( c ) 图2 - 8 真空预压各阶段渗流变化示意图 ( i i ) 真空预压稳定阶段 经过初始的抽真空，在地基中形成了具有一定范围一定真空度分布的网络连 通体系，即真空渗流场，并使地下水位降到3 ，3 处，如图2 8 中c 所示。在真空 渗流场中较大孔道中流动的“真空流体”与较小孔道中的水存在压差，较小孔道中 的水在这种压差下被吸出，直到这种压差达到新的平衡为止。真空预压下固结过 程实质是“真空流体”在土体孔道中扩散的过程，而且在较大和较小孔道中同步进 河海大学硕士学位论文 行的，其结果是使土颗粒发生错位、填充、重新排列，产生二t 体压密，但真空压 力不足以使土颗粒发生破碎。真空渗流场不可能扩散到地下水位线3 3 以下的土 体中，即真空渗流场直接产生土体固结的范围仅限于降低后的地下水位以上，而 对于地下水位以下的土体，其有效应力的增加是水位下降土体浮容重与湿容重的 转化所增加的自重应力和抽真空引起有效应力的增加共同影响的结果。 ( ) 联合预压阶段 真空预压稳定后可施加堆土荷载，随着外荷载的增加和抽真空的持续，孔隙 中的自由水和抗剪强度较低的弱结合水在外力的作用下，通过“真空流体”形成的 渗流网络连通体系顺畅地排出，孔隙减小，外力由抗剪强度较高的弱、强结合水 以及粘粒共同承担，随着固结的延续，土颗粒发生错位、重新排列，外力使部分 细土粒发生破碎填充，土体得到进一步压密，土骨架受到的有效应力明显增大。 固结过程中土颗粒的微观变化如图2 - 9 所示。 所加的堆土荷载主要有两种方式们：加荷比a = 1 ；口 1 ( 加荷比即为所加 荷载与已有的作用于土体上的荷载之和的比值) 。 当口= l 时，现场监测和室内试验均发现实测的a u 小于理论值，孔压稳定 所需时间较长，即出现孔压滞后现象，而且这种现象随着荷载的增加更趋显著。 因为随着外荷载的增加，土体中j l 隙体积减小，颗粒之间接触面积增加，并逐渐 达到不可忽略的程度，此时有效应力大于理论上的有效应力，在总应力不变的条 件下，实测的孔压必然小于理论值：另外经过持续的抽真空作用后，土体得到压 密，具有了一定的结构强度，口= 1 时尽管所加荷载能克服前级荷载产生的结构 强度，但应力传递时间不断增加，导致孔压稳定的时间增加。 当d 1 时，实测的孔压值与理论的孔压值差别更大。主要因为当口 o 6 时效果良好，当r 0 时，固结渗流 就会发生，实际上真空渗流场不可能扩散到地下水位以下，地下水位以下的土层 由于上部土层竖向自重应力增加和抽真空引起有效应力增加的影响，水位以下一 定深度范围内土层也产生固结变形，属于排水预压 4 6 3 ，故加固影响深度往往较 大，尤其对深厚软基可以达到几十米。 河海大学硕士学位论文 有效打设深度是指在排水板的打入深度内，通过预压能提前完成较大部分固 结变形的土层深度。有效打入深度与填土的作用面积和高度、地基土层的结构、 软土的强度等因素有关，当有效打设深度与实际打设深度比值偏离l 较大时，会 造成浪费。表2 一1 4 、2 1 5 列出了芦扬涵闸两加固区分层沉降资料，可以看出单 位压缩量最大的土层是浅层土或l “2 4 磁环之间土层，都在地表以下8 m 范围内， 地基的压缩量主要集中在4 4 磁环以上的范围内，而6 4 磁环以下范围内的沉降很 小，9 0 9 5 的压缩量发生在2 1 2 2 m 深度以上土层内，可见苏北地区深厚软基 的排水板有效打设深度为2 1 2 2 m 。因此该地区的实际插板深度不应超过有效打 设深度过大，否则不但造成浪费，而且排水板的打设还会给深层土体带来扰动， 减慢固结速度，增加沉降量。 大量的工程实践证明，相同条件下加大排水板打设深度的处理效果不及缩小 排水板间距的处理效果明显，因此对软土层个厚度大、强度低且工后沉降要求 高的地基，可调改排水板的间距来满足工程要求。 表2 1 4 芦扬地龙典型断面分层沉降分析 表2 1 5 芦扬泵站典型断面分层沉降分析 第二章塑料板排水预压法加固软基机理及试验研究 第五节本章小结 在前人研究成果的基础上，对塑料板排水预压法机理进行了深入研究，并且 分析了大量现场观测成果、室内外试验数据，得出如下结论： i 通过对塑料板排水预压法加固软基应力路径分析，认为堆载预压使有效应 力增加同时剪应力也相应增加，而真空预压增加的是球应力，剪应力并未增加， 真空预压使土体产生向场地内的收缩变形。真空堆载联合预压加固过程中，真 空荷载使地基内部处于负压状态，堆载使地基产生正的超静孔压，两者共同作用 增大了地基土体的水头落差，从而加速了地基固结。 i i 通过对塑料板排水预压微观渗流场机理的分析，认为现场监测和室内试验 均发现孔压实测值小于理论值，主要因为随着外荷载的增加，土体颗粒之间接触 面积增加，并逐渐达到不可忽略的程度，此时有效应力大于理论上的有效应力， 实测的孔压必然小于理论值，此夕l , d n 固后的土体具有了一定的结构强度，所加荷 载要克服前级荷载产生的结构强度，使应力传递时间延长，导致孔压稳定时间增 加，出现孔压滞后现象。 通过现场观测，分析了塑料板真空一堆载联合预压加固软基土体变形特点、 孔压变化规律。根据试验结果，发现经该法加固后的软基抗剪强度和承载力均提 高o5 1 5 倍，物理力学性质指标有明显改善，总体加固效果上部土层好于下部。 从沉降速率、孔压变化、强度增长等方面分析了加固区形状对加固效果的 影响，认为在条件允许下，加固区面积要尽量大，避免不规则的加固区形状，场 地越接近正方形，加固效果越好。 v 根据工程本身的设计要求，提出针对不同条件的预压加固工程的卸真空标 准，即达到沉降稳定时速率计算公式。 分析了不适用真空一堆载联合预压法的场地条件，并提出了适当的处理措 旌以保证加固成功。 分析了加固影响深度与有效打设深度的区别，认为塑料排水板的实际打设 深度不应偏离有效打设深度过大，并且得出苏北地区深厚软基的塑料排水板有效 打设深度为2 1 2 2 m 的结论。 河海太学硕士学位论文 第三章塑料板排水预压法加固软基沉降计算方法 目前的沉降计算方法可归纳为两类：一类是以t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 经典土力 学为基础的理论公式法，由于其简便直观、计算参数少，在工程中得到了广泛 的应用，实际计算中常在主固结沉降的基础上乘以一个综合经验系数来考虑侧 向位移、瞬时沉降、次固结变形等因素，综合经验系数的选取依赖于设计人员 的经验，必然引起很大的误差【4 7 】【4 8 1 ；另一类是以有限元为代表的数值计算方法， 能考虑复杂的边界条件、土体应力应变关系的非线性特性以及水与土骨架的 应力耦合效应、能考虑侧向变形、三维渗流对沉降的影响、可以模拟现场逐级 加荷和处理超填土问题【4 9 】 5 0 1 ，但处理大变形固结问题时，计算结果偏离较大。 由于有限元程序复杂、计算模型所需要的参数不能由常规试验确定，难以为一 般工程设计人员接受，故在工程中不可能完全取代经典分析法【5 i 】【5 2 】。正如 b a i a s u b r a m a n i 姗吲所述，土体沉降计算理论尽管有了很大改进，但预估沉降与 时间关系的能力仍然相当差，预估的沉降量与实测值仍然存在不小的偏差。 第一节塑料板排水预压法沉降计算理论 1 1 固结理论 塑料板排水预压法的设计主要以b a r t o n ( 1 9 4 8 ) 3 考虑井阻和涂抹作用的 非理想井地基固结理论为基础。砂井地基的固结是竖向排水和径向排水的组合， 由于地基的径向固结系数大于竖向值，且径向渗径比竖向排水距离小得多，故 径向排水固结起支配作用。打设了塑料排水板地基的固结与砂井基本相同，因 此可将排水板折算成等效直径的砂井，按非理想井径向固结表达式计算打设排 水扳地基的固结度”“： 一 一善k u = 1 一p 厅+ “ ( 3 1 ) 式中= 瓦2 学 ： 庐冬； e = ( n 簿一书毛壬n 卦等六( ，一斟 k 。一地基径向渗透系数；k 一井料渗透系数；t 涂抹区渗透系数； 以一排水井的影响区直径：丸一排水板等效直径；d ，一涂抹区直径； n ：生；s ：生： f 一地基固结时间；g 一地基水平向固结系数： d 。d 。 日一软土层厚度，在有下卧排水砂层情况时取软土层厚度的一半； 第三章塑料板捧水预压法加固软基沉降计算方法 i 2 沉降计算方法 土体最终沉降量由瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分组成t 7 】： s 。= s d + s ! + s 。 t 3 - 2 ) 式中：西一瞬时沉降；瓯一主固结沉降：最一次固结沉降； 严格计算三种沉降比较困难，主要是计算参数难以准确确定、影响因素过于复 杂，主、次固结沉降的发生时间是交叉的，实际设计中常计算出主固结沉降量， 再按下式估算最终沉降量： 瓦= 豫s o ( 3 - 3 ) m 。一综合修正系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，取值范围较大； l ，3 影响沉降的主要因素 根据塑料板排水预压加固软基的工程实践，沉降计算值和实测值往往有一定 的差别，主要有以下几个方面的原因： ( i ) 土体应力路径和应力历史的影响：工程实践表明，软土地基通常由 多种土层组成，其中一些土层可能处于超固结或欠固结状态【5 ”，如我国沿海地 区的软土层上常有1 o 3 0 m 的超固结硬壳层，而近海地区的软土层往往处于欠 固结状态，应力历史对地基沉降、土体的固结特性有较大的影响。 ( i i ) 侧向变形的影响：软土变形中不仅包含弹性变形，也有塑性变形。 塑料板排水堆载预压过程中，随加载的进行，向场地外的挤出变形逐渐增大； 而塑料板排水真空及真空堆载联合预压过程中，往往发生向场地内的收缩变形 3 6 1 。地基的沉降不仅是主应力引起的排水固结产生的，还包括土体侧向变形 ， 侧向变形的大小与土的性质、软土层位置、填土高度、加载方式等因素有关【5 ”。 若在沉降计算中不考虑侧向变形，会使计算沉降量与实测值出现较大偏差 ”。 ( 1 t i ) 加载方式及加载速率的影响：实际施工中的加载方式变化很大，采 用不同的加载方式和加载速率，地基的沉降时间曲线会有显著的不同垮”。加 荷速率较小时，土中孔隙水能充分的排出，有充分的孔压消散和应力传递时间， 加荷速率过大，土体不能得到充分固结，地基往往产生较大的塑性变形量，使 总沉降量增加。 ( i v ) 施工扰动引起的损伤对沉降的影响：塑料排水板是由直径约】3 0 r a m 的钢管通过激震力插入到地基中，施工机具的震动、插板扩孔操作会对灵敏度 较高的软土地基产生不同程度的扰动，扰动程度与排水板间距、插板方式以及 土体性质有关，这种扰动使土体产生了结构损伤，土体的强度降低、压缩