动力排水固结耦合沉降控制计算在路基处理中的应用.pdf

第l l 期 2 0 年玎月 广东 土木与 建筑 GU AN GD0NG ARC HI I EC T URE CI VI L ENGI N EER I NG No ． 1 l N O V 2 o o 7 动力排水固结耦合沉降控制计算在路基处理中的应用 胡 志成 ( 鹤 山市工程建设监理有限公司 广东江门 5 2 9 7 0 0 ) 摘要 ： 在介 绍动力排 水固结的基本原理及沉 降计算 方法的基础上 ． 提 出一种适合动 力排 水 固结沉 降计 算的动 静耦合沉降计算 方法 ， 为软土地基 处理在 方案选择和沉 降预控方面提供 理论依据 。 关键词 ： 动 力排水 固结 ：耦合 沉降 ：沉 降计 算 1 概 述 随着经济 的发展 ．各地公路建设项 目不断兴 建 ， 地基沉降计算 已成为公路工程设计方案选择和 质量控制的一个关键依据 ． 而且长期以来都是岩土 工程界的热点课题 ． 地基沉降计算结果直接影响工 程设计方 案的选择 和工程造价的控制 ． 特别在我国 沿 海 和 内 陆 沿 河地 区 广 泛 分 布 的 软 土 地 基 的处 理 方面尤显突出 虽然 目前对地基沉降计算 的研究已 取得 了长足的发展．然而从工程建设 的发展和需求 来看 ．还需要对现有的地基沉降计算方法作进一步 的研 究 和探讨 动力排水 固结法作 为近年发展起来 的一 种较 新 的软土地基处理技术 ，但 至今 尚未有一套成熟 、 完善的理论和设计计算方法 ． 对道路工程设计和投 资决策缺乏依据 ．理论 的欠缺也阻碍 了工法 的发 展 ， 有必要进行有关的理论和设计计算研究 2 动 力排 水 固结原 理 动力排水 固结荷载结合 了强夯动荷载和堆载 预压静荷载 ， 先在软土地基设 置排水 系统 、 回填预 压静荷载 和强夯动荷载加载系统 ， 在动 、 静荷载耦 合作用下 ， 形成高孔隙水压力梯度 ， 通 过改善的排 水系统使土体中孔隙水快速排出， 孔隙体积减小 ， 有 效应力增大 ， 实现软土地基的快速固结。 动力排水 固 结吸收了动力 固结和静力固结 的优点 ． 是一种动静 耦合 ． 适合加 固饱和软土的复合型地基处理方法。 动力排水 固结加固机理主要包括 土体结构重 塑 、 土水势排水效应 、 排水系统 的完善 、 再 固结效 应 、 压密效应等 ， 其中再 固结效应较明显 ， 就是在外 部荷载作用下 ． 结合水膜被激活并向 自由水转化的 过程。土体的再固结变形是在超孔隙水压力消散后 土体的固结变形 ，与孔隙水压力有很大 的相关性 ， 排水条件越好则再固结效应越为明显。 3 动 静耦 合沉 降计 算方 法 动力排水固结是动静相互耦合的工法 ． 地基沉 降计算时 ， 根据耦合思路划分为强夯动力荷载作用 下的沉降 |s 和堆载预压静力荷载作用下的沉 降 | s 两部分 ， 最终地基总沉降量可用下式计算 ： s = S 1 + ( 1 ) 式中： 、 为考虑动静耦合作用时动静荷载相互影 响 的经验 系数 3 ． 1 利用平均再 固结压缩指标 的沉降计算 由于动力排水固结机理的复杂性 ．动力荷载作 用下地基沉降 |s 的精确解很难获得 ， 沉降 |s 的计算 是建立在室 内试验经验公式上的 为此 ， 要进行较 详细 的冲击荷载作用下土体再 固结性能试验研 究 和理论探讨 ， 在室内试验得出 - l o g ( u ／ ) 曲线的 基础上， 参照已有的计算公式总结出计算模型 再 固 结压缩指数表示残余孔压消散引起土体再 固结性能 的指数， 在 c v- l o g ( u ／ ~ ) 对数坐标上表示有效应力 增量变化引起的孔隙 比变化 ： 平均再固结压缩指数 表示残余孔压 完全 消散后 的再 固结压缩指数平均 值 ， 即： = - 而 a e = ( 2 ) l o g ( 1 一 u ／ 3c )一 式中： M为残余孔压 ； 为有效固结围压 ； △e为残 余孔压完全消散后的孔隙 比变化。 结合上述推导． 土体再 固结体应变为： = 一 [ ( 1 + e 。 ) ] l o g ( 1 一 M ／ t 3e ) ( 3 ) 2 5 维普资讯 2 o 0 l7 年l 1 月 第l l 期 胡志 成： 动 力排 水固 结 耦合沉降 控制 计算在 路基处 理中 的 应用 N O V 2 O O 7 N o ． 1 l 最终沉降为体积应变乘 以土层总厚度 ， 即： e — l g P曲线计算所得的沉降未考虑土体侧 向变 S l 占 H i ( 4 ) 式 中： J s 为强 夯动力荷 载作 用下第 i 层 土的沉降 ； 占 为第 i 层土的应变； 日 为第 i 层土的厚度 动力荷载作用下的地基沉降 Js 为 ： Js 。 = ∑Js 。 ( 5 ) l 3 ． 2 静力荷载作用下 的沉降 Js ， 该沉降量 Js 包括瞬时沉降 Js 、 主固结沉降 Js 和 次固结沉降等3部分 ．其 中次 固结沉降是土体孔隙 水排除后在 固结压力不变的情况下土体颗粒的流 变性造成 ． 故 只占沉降 的很小一部分 ， 计算 中可忽 略不计 ： 瞬时沉降采用弹性理论计算 ， 主 固结 沉降 采用 e — l 曲线欠固结 土分层总和法汁算 ，最后在 考虑土体侧向变形的基础上 ．用司开普顿一 贝伦参 数进行修正 。瞬时沉降弹性理论计算公式为 ： Js d = c d q B ( 1 一 2／ E ) ( 6 ) 式 中： 为考虑荷载面积形状和沉降计算点位置的 参数 ，可查表求得 ： 口为均布载荷 ； 为载荷面积的 直径或宽度 ： E为土体的弹性模量， 可用计算范围内 土体弹性模量的加权值 ： 为土体的泊松 比。 主 固结 沉 降 Js 采 用分层总和法计算各层 土的沉降 ．动力排水固 结加固的主要对象是欠 固结土体 ．故以欠 固结 土为例 ( 如图 1 ) ： I 、 ： 、、、 f 尊、 一 、 、： 、 、 ＼ 、 q 。 ‘ S c = _ i _ HI eoi △e ( 7 ) 图 1一 欠 固结 I ． - 压 缩 曲 l + 圈 二 ^ ： 回结 J 主堇 I百固觋 欠固结土 的前期固结压力 小于土体 自重 P 0 ， 其沉降包括附加荷载引起的沉降和 自重作用下的 沉降 ． 故孔 隙比的变化也包括附加有效应力增量引 起的变化和 自重作用下进一步压缩引起的变化 。 Ae j! =Ae + Ae ” - g g ] = l g ( ( 8 ) 式中： 为还原到原始压缩曲线上的各层土体压缩 指数。 总固结沉降采用下式计算 ： Js ， = Hi g ( ]( 9 ) 形的影响 ， 故必须对其进行修正： S = C S 式中 ： C 为司开普顿一 贝伦修正系数 ， 可查表求得。 综上所述 ， 静荷载作用下的沉降计算公式如下 ： 3 2 Js d + c 毒 H i g ( P- ) ] 4工程 实例 我市某新建市政道路工程位于 旧河道河漫滩 地带 ， 全长 3 7 6 8 m， 宽 7 5 m， 高 2 ． 7 0 m， 地下水位埋深 0 ．5 6 m， 场地土岩层 自 上而下分别为： ①人工填土层： 厚 1 ．5 m； ②人工填砂层： 厚 1 ．2 m， 以中粗砂为主。 松 散～ 稍松散， 稍湿～ 饱和； ③淤泥质粘土层： 厚 3 ．5 5 m， 饱和， 流塑； ④砂质粘性土层： 厚8 ． 1 5 m， 粘土， 稍湿， 可塑， 含有石英。其中， 软弱淤泥层的物理力学参数 如下 ： 含水率 7 6 ． 6 ％， 孔隙比 1 ． 9 5 。 液性指数 1 ． 5 1 9 ， 压缩系数 1 ． 8 4 7 MP a - ． 压缩 模量 1 ． 8 4 MP a ． 三轴排水 剪切 强度 C ： 1 4 ． 6 k P a ． A= 1 0 ． 7 o 对淤泥层 的沉降进行了计算 ． 并将计算结果与 实际淤泥层分层沉降观测资料进行了对 比 在室 内 土工试验提供参数和查阅少量经验参数表 的基础 上 ． 用动静耦合沉降计算思路得出了淤泥层沉降计 算 结果 如下 ： ① 动荷载沉降计算结果： S ~ = 4 6 8 m m； ② 静载荷沉降计算结果：瞬时沉降S ~= 8 6 m m． 初始固结沉降 Js c r = l 3 0 mm： 用司开普顿一贝伦修正系 数 ( C ~ - - O ． 8 5 ) 修正后 S o = 1 1 l m m， 故 Js 1 9 7 m m： ③ 总沉降量 ： 根据相关经验 ， 可取耦合系数 = 0 ． 8 ， = 1 ． 0 ， 故总沉降量 Js = 5 7 1 mm， 最终总沉降量 占 淤泥层厚度的 1 6 ％， 这与一般的经验数据是吻合的 动力排水固结施工后淤泥层沉降量达 2 8 7 ． 5 mm． 占 总沉降量的 5 0 ． 3 ％．路面交付使用后 目前总沉降量 为 5 1 5 m m。 可认 为这是实测的最终沉降 ． 与计算 沉 降量 5 7 1 m m相比是较为接近的 5 结论 动力排水 固结是一种动静耦合 的地 基处理方 法 ． 在沉降计算 中应用耦合的思路在理论上应是可 行 的。 ( 下转第 3 1 页) 维普资讯 2 0 年l 1 月 第l l 期 广东土 木与 建筑 N O V 2 O 0 f7 N 0 ． 1 l 公式( 6 - 3 ． 5 — 1 ) 计算 ， 第 层复合地基压缩模量为： 艮 =m + ( 1 - m) 本 工程 当桩 距 为 1 ． 8 mx 1 ． 8 m 时 ．钻孑 L Z K 0 9处 s 2 7 ． 9 mm o ( 2 )桩身压缩量法 在荷载作用下复合地基加固区的压缩量也可通 过计算桩身压缩量来得到 ． 即根据作用在桩上的荷 载和桩体变形模量计算 。见《 广东省建筑地基基础 设计规范》 公式( 1 0 ． 2 ． 1 2 — 1 ) ： S 2 = L ／ E 本 工 程 当桩距 为 1 ． 8 mx 1 ． 8 m 时 ．钻 孑 L Z K 0 9处 s 2 = 2． 8 mm 。 褥垫层变形 s 根据现场复合地基载荷试验 资 料得出． 桩顶褥垫层变形值约 2 0 mm 因此 ， 钻孑 L Z K 0 9处地基变形值 s 1 + s 2 + s 3 = 0 + 7 ． 9 + 2 0 = 2 7 ． 9 m m：地基的主要沉降是基础底面褥垫层的 变形 ， 其余钻孑 L 点的计算方法同上 ( 略) 。计算结果 表明采用 推荐的地基基础方案 ． 桩 的间距和沉降量 均较为合理 6沉降 变形 简析 在本工程上共埋设 4 0个沉降观测点 ．进行 了 1 5次沉降观测 ． 结果表明各点沉 降量均较小 ， 累计 沉降量最大为 7 ． 4 6 m m． 位于 A 7栋( 楼高 8层 ) 电梯 井角点 ； 最小为 4 ． 2 7 mm， 位于 A 5栋 ( 楼高 l 8层 ) 的 角点 ； 最大沉降差为 3 ． 1 9 m m， 沉降较均匀 ， 所有观测 点的平均沉降量为 6 ． 0 m m．各相邻观测点累计沉降 差均小于 0 ． 0 0 2 L． 最后两次观测间 ( 间隔 3 7 d ) 沉降 量最大值一 0 ．0 8 m m， 沉降速率为一 2 ．2 x l 0 - 3m m ／ d 根据以上观测数据 的分析 ．可以判断本工程的 基础承载力较高且沉降渐趋稳定， 从沉降总量． 沉降 差及末期沉降速率三方面考察 ， 均能满足规范要求 ． 可以判定基础沉降已稳定 ． 达到了验收标准 本工程 已于 2 0 0 6年竣工 ． 现已投入使用 7结束语 在土洞 、 溶洞发育 的石灰 岩地 区， 采用“ 复合地 基+ 筏板基础 ” 的地基基础方案 ． 比采用其它地基基 础形式具有明显的优势 ．不仅可满 足规范和安全可 靠的基本要求 ． 还达到了经济适用 的目的 对某一具体工程是否采用复合地基技术 ．应根 据荷载的大小 、 地基土层工程地质状况、 建筑物沉降 量要求等方面进行综合分析后加以确定 参考文献 [ 1 ]龚晓南．复合地基设计和施工指南 [ M] ． 北 京 ： 人 民交通 出版 社 ． 2 0 0 3 [ 2 ]阎明礼 ， 张东刚．C F G桩 复合地基技术及工 程实践 [ M] ． 北京 ： 中国水利水 电出版社 ． 2 0 0 1 [ 3 ]G B 5 0 0 0 7 — 2 0 0 2 建筑地基基础设计规范[ S ] [ 4 ]D B J 1 5 — 3 1 — 2 0 0 3 广东省建筑地基基础设计规范[ S ] [ 5 ]J G J 7 9 — 2 0 0 2 建筑地基处理技术规程 [ S ] [ 6 ]李椋京 ， 化 建新 ． C F G桩复合地 基问题 [ J ] ．岩土工程 技 术 ． 2 0 0 4 ( 6 ) c 每c 每c 每c 每c 每c 每c 每c 每c 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 每 ( 上接第 2 6页) 把动力荷载作用下土体再 固结 指数指标得 出的沉 降与传统分层沉降计算 方法计算 堆载预压沉 降相 互耦合 ． 该沉降计算方法与动力排水 固结 的思路在 本质上是一致 的 本文利用工程实例对计算方法进 行 了验证 ． 计算结果 与实测结果大致 吻合 。 说 明动 静耦合沉 降计算思路在动力排水 固结 中进行沉降 计算是可行的 ． 为道路工程设计 中软土地基处理方 案的选择和沉降预控方面提供 了理论依据 参考文献 [ 1 ]哲学森．软土上地基沉降计算[ M] ． 人民交通 出版社 ， 1 9 9 8 [ 2 ]龚 晓南 ．土工计算 机分析 [ M] ．北京 ： 中国建筑 工业 出 版 社 ． 2 0 0 0 [ 3 ]钱家欢． 土工原理与计算 [ M] ． 中国水利 电力出版社 ， 1 9 9 6 [ 4 ]丘建金等．动力排水 固结法浅析 [ J 1 ． 土工基础． 1 9 9 7 ( 1 ) [ 5 ]白冰．软土工程若 干理论与应用 [ M] ．中国水利水 电出 版 社 ． 2 0 0 2 [ 6 1白冰．冲击荷载作用后 软粘 土的再 固结 [ J ] ．长江科学院 院报 ． 1 9 9 8( 3) 31 维普资讯