結(jié)構(gòu)性軟土沉降計(jì)算-浙江大學(xué)

1、高等基礎(chǔ)工程學(xué)高等基礎(chǔ)工程學(xué)陳仁朋陳仁朋浙江大學(xué)巖土工程研究所浙江大學(xué)巖土工程研究所一、緒論一、緒論二、土的基本特性二、土的基本特性三、沉降三、沉降四、承載力四、承載力五、基坑工程五、基坑工程六、樁基工程六、樁基工程七、地基處理七、地基處理目目 錄錄一、緒論一、緒論二、土的基本特性二、土的基本特性三、沉降三、沉降四、承載力四、承載力五、基坑工程五、基坑工程六、樁基工程六、樁基工程七、地基處理七、地基處理目目 錄錄三、沉降三、沉降3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 地基中的應(yīng)力地基中的應(yīng)力3.3 3.3 沉降組成沉降組成3.4 3.4 沉降隨時(shí)間變化沉降隨時(shí)間變化3.5 3.5 土體壓縮性指

2、標(biāo)確定土體壓縮性指標(biāo)確定3.1 3.1 概述概述沉降原因：沉降原因：（1 1）地基中產(chǎn)生附加應(yīng)力；（）地基中產(chǎn)生附加應(yīng)力；（2 2）土體具有壓縮性）土體具有壓縮性3.1 3.1 概述概述種類：種類： 總沉降，不均勻沉總沉降，不均勻沉降，傾斜，局部?jī)A斜降，傾斜，局部?jī)A斜危害：危害：（1 1）影響使用功能；影響使用功能；（2 2）引起結(jié)構(gòu)開裂引起結(jié)構(gòu)開裂不同建（構(gòu)）筑物對(duì)沉不同建（構(gòu)）筑物對(duì)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應(yīng)力增加，產(chǎn)生沉降應(yīng)力增加，產(chǎn)生沉降例如：水位下降例如：水位下降

3、2m2m，引起地，引起地基有效應(yīng)力增加基有效應(yīng)力增加20kPa20kPa，相當(dāng)，相當(dāng)于地面堆載于地面堆載1m1m鄰近建筑物荷載引起既有建筑不均勻沉降鄰近建筑物荷載引起既有建筑不均勻沉降膨脹性土的影響膨脹性土的影響土體中粘粒含量多土體中粘粒含量多土體性質(zhì)受含水量影響大土體性質(zhì)受含水量影響大塑性指數(shù)和液限指數(shù)大塑性指數(shù)和液限指數(shù)大膨潤(rùn)土的微結(jié)構(gòu)及雙電層膨潤(rùn)土的微結(jié)構(gòu)及雙電層p3.2 3.2 地基中的應(yīng)力地基中的應(yīng)力 自重應(yīng)力：土體自重引起的應(yīng)力，通過骨架傳遞 附加應(yīng)力：外荷載作用所引起的應(yīng)力，如基礎(chǔ)荷載 施工應(yīng)力：施工擾動(dòng)引起的應(yīng)力，如打樁擠土等czhAz基巖hczz預(yù)制樁0 xczxKDpBou

4、ssinesqBoussinesq解和解和MindlinMindlin解解 （單相介質(zhì)）（單相介質(zhì)） 豎向集中力下的地基附加應(yīng)力豎向集中力下的地基附加應(yīng)力作用于地基表面（Boussinesq解）作用于地基內(nèi)部（Mindlin解） 地基表面作用集中力示意圖OzrQ (r, z) P 地基表面作用集中力示意圖rzQ (r, z)PO豎向應(yīng)力分布等值線豎向應(yīng)力分布等值線（a） 條形荷載 （b）方形荷載豎向應(yīng)力分布規(guī)律豎向應(yīng)力分布規(guī)律飽和土介質(zhì)飽和土介質(zhì) （兩相介質(zhì)）（兩相介質(zhì)） 點(diǎn)荷載作用下初始有效應(yīng)力，初始孔壓及位移解35332RzRzPz32RzPuO z r Q (r, z) P 飽和土中條形

5、荷載下初始解飽和土中條形荷載下初始解 條形荷載作用下的初值解222211mnmnnmmnpznmnmpu1arctanarctan式中：Bxm Bzn M (x, z)xzpo2B 飽和土中條形荷載下初始應(yīng)力和孔壓分布飽和土中條形荷載下初始應(yīng)力和孔壓分布-2.0B-1.0B0.0B1.0B2.0BBp-2B-1B0B1B2B-4B-3B-2B-1B0BBp超靜孔隙水壓力超靜孔隙水壓力豎向有效應(yīng)力豎向有效應(yīng)力初始孔壓和有效應(yīng)力沿深度分布初始孔壓和有效應(yīng)力沿深度分布0.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深度 / B應(yīng)力 / p 超靜孔隙水壓力 豎向有效應(yīng)力 豎向總應(yīng)力0

6、.00.20.40.60.81.02.01.51.00.50.0深度 / B應(yīng)力 / p 超靜孔隙水壓力 豎向有效應(yīng)力 豎向總應(yīng)力X=0 X=1/2BX=0 X=1/2B實(shí)例分析實(shí)例分析高速公路拓寬工程高速公路拓寬工程 填土填土4m4m，拓寬路堤，拓寬路堤4.5m4.5m，原路堤，原路堤13m13m超靜孔隙水壓力豎向有效應(yīng)力既有道路 拓寬道路l初始附加有效應(yīng)力決定瞬時(shí)沉降初始附加有效應(yīng)力決定瞬時(shí)沉降l初始孔壓決定固結(jié)沉降初始孔壓決定固結(jié)沉降l根據(jù)初始附加有效應(yīng)力和孔壓分布確定地基處理根據(jù)初始附加有效應(yīng)力和孔壓分布確定地基處理的范圍的范圍3.3 3.3 地基沉降組成地基沉降組成瞬時(shí)沉降瞬時(shí)沉降

7、(Ss) 不排水條件下，地基土體側(cè)向變形形成的沉降主固結(jié)沉降主固結(jié)沉降 (Sc)(Sc)孔壓消散，有效應(yīng)力增加，地基固結(jié)產(chǎn)生的沉降次固結(jié)沉降次固結(jié)沉降 (Ss)(Ss)土骨架上有效應(yīng)力不變情況下，土體蠕變引起的沉降時(shí)間有效應(yīng)力應(yīng)變瞬時(shí)壓縮延遲壓縮主固結(jié)次固結(jié)明顯孔隙水壓消散階段無明顯孔隙水壓消散階段時(shí)間00 瞬時(shí)壓縮、延遲壓縮與主固結(jié)、次固結(jié)比較（Bjerrum,1967）飽和地基瞬時(shí)沉降飽和地基瞬時(shí)沉降 (Ss)(Ss) 彈性地基瞬時(shí)沉降彈性地基瞬時(shí)沉降 瞬時(shí)沉降是由于加荷瞬時(shí)地基中的附加有效應(yīng)力產(chǎn)生的。 要計(jì)算瞬時(shí)沉降，只需對(duì)有效應(yīng)力引起的豎向應(yīng)變積分即可。傳統(tǒng)矩形面積或圓形面積荷載算法：

8、條形面積荷載算法： udEpBS21EpBCSdd21式中：241ln121DCd1ln11ln222mmmmm條形荷載作用下的瞬時(shí)沉降條形荷載作用下的瞬時(shí)沉降 軟土的壓縮性軟土的壓縮性 土的結(jié)構(gòu)性是指土顆粒在長(zhǎng)期沉積過程中形成的物理和化學(xué)膠結(jié)作用。 成因：風(fēng)化、淋洗、卸荷、次固結(jié)及離子反應(yīng)等因素。 由于成因的不同，結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱程度及其穩(wěn)定性也有所差異。 絕大多數(shù)的天然沉積土都具有一定程度的結(jié)構(gòu)性。軟粘土的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)軟粘土的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 固結(jié)壓縮試驗(yàn)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的過程鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的過程 鉆孔 取樣儲(chǔ)藏推土 制樣 試驗(yàn)正常固結(jié)粘土取樣后的應(yīng)力路

9、徑正常固結(jié)粘土取樣后的應(yīng)力路徑 固結(jié)壓縮試驗(yàn)固結(jié)壓縮試驗(yàn)初始孔隙比：薄壁土樣1.9，普通土樣1.7薄壁土樣存在明顯的屈服點(diǎn)固結(jié)試驗(yàn)固結(jié)試驗(yàn) 固結(jié)系數(shù)：原狀土是擾動(dòng)土的515倍。02004006008001000012345固結(jié)系數(shù) 10-3cm2/s固結(jié)壓力 /kPa 原狀土 重塑土pc室內(nèi)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)室內(nèi)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)軟土結(jié)構(gòu)性： 主應(yīng)力差達(dá)峰值 結(jié)構(gòu)破壞 殘余應(yīng)力十字板試驗(yàn)十字板試驗(yàn) 0510152025020406080 100原位十字板強(qiáng)度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0510152025020406080 100原位十字板強(qiáng)度(kPa)深度(m)打排水板前打排水板后0

10、510152025020406080100原位十字板強(qiáng)度(kPa)深度(m)打十字板前打十字板后 圖圖2 2- -5 5 1 1# #測(cè)測(cè)孔孔 圖圖2 2- -6 6 2 2# #測(cè)測(cè)孔孔 圖圖2 2- -7 7 3 3# #測(cè)測(cè)孔孔 塑料排水板施工導(dǎo)致土體強(qiáng)度平均降低45%l 根據(jù)柱孔擴(kuò)張理論計(jì)算得到施打排水板引起地基處理區(qū)的擾動(dòng)程度約為30%左右l 日本學(xué)者奧村指出土體的結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)破壞短期內(nèi)很難恢復(fù)的l Akagi(1981)試驗(yàn)分析了砂井施工擾動(dòng)對(duì)土體十字板強(qiáng)度的影響，指出砂井施工擾動(dòng)程度為20%40%，國(guó)內(nèi)學(xué)者的工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)擾動(dòng)及其對(duì)沉降的影響擾動(dòng)及其對(duì)沉降的影響*%1

11、00%uuurSSSDSSuS*uSrS， 分別為擾動(dòng)前后的十字板剪切峰值強(qiáng)度重塑土的十字板剪切峰值強(qiáng)度 土體結(jié)構(gòu)擾動(dòng)程度的評(píng)價(jià)方法土體結(jié)構(gòu)擾動(dòng)程度的評(píng)價(jià)方法 SD擾動(dòng)度 l 擾動(dòng)程度越大，壓縮曲線越向下移l 不同擾動(dòng)程度的土體，其壓縮曲線最終交于 0.42e0點(diǎn)軟土壓縮曲線的校正方法軟土壓縮曲線的校正方法SchmertmannSchmertmann（19551955）方法）方法軟土壓縮曲線的校正方法軟土壓縮曲線的校正方法SchmertmannSchmertmann（19551955）方法）方法軟土壓縮曲線的校正方法軟土壓縮曲線的校正方法Nagaraj (1990)Nagaraj (1990)

12、方法方法BAenlogl 沒有表現(xiàn)土的結(jié)構(gòu)性變化過程l 試驗(yàn)要求的固結(jié)壓力過大，很難實(shí)現(xiàn)，且校正曲線不便于工程應(yīng)用11.11.21.31.41.51.61.71.81.9101001000壓力，k P a孔隙比，e重塑土樣薄壁土樣CDE0zpc校正曲線AB壓縮曲線由四段組成 1.水平段（AB）；2.彈性壓縮段(BC)； 3.結(jié)構(gòu)破壞突降段 （CD）；4.重塑壓縮段(DE)，最終交于0.42e0點(diǎn)。結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力比 結(jié)構(gòu)性軟土壓縮曲線校正結(jié)構(gòu)性軟土壓縮曲線校正p結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的軟土采用四折線法結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的軟土采用四折線法pc壓縮曲線由三段組成 1：水平段（AB）2：彈性壓縮段(BC) 3：重塑壓縮段(CE

13、)，最終交于0.42e0點(diǎn)。p結(jié)構(gòu)性弱的軟土采用三折線法結(jié)構(gòu)性弱的軟土采用三折線法ABC(D)E0zpc結(jié)構(gòu)性軟土壓縮曲線校正結(jié)構(gòu)性軟土壓縮曲線校正zopc042.0eplog0ee重塑土原狀土結(jié)構(gòu)性軟土地基沉降計(jì)算方法結(jié)構(gòu)性軟土地基沉降計(jì)算方法siCciCzopcpf042.0eplog0ee重塑土擾動(dòng)土原狀土擾動(dòng)土的壓縮曲線擾動(dòng)土的壓縮曲線siCciCzof0)%)(1 (zzopcpfSD0%)1 (zzofSD擾動(dòng)土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力與表觀自重應(yīng)力sfCcfC042.0epplog0ee重塑土擾動(dòng)土原狀土rede0SrSdS擾動(dòng)產(chǎn)生附加沉降示意圖擾動(dòng)產(chǎn)生附加沉降示意圖 擾動(dòng)土地基的沉降及附

14、加沉降計(jì)算擾動(dòng)土地基的沉降及附加沉降計(jì)算p溫州電廠溫州電廠2#堆煤場(chǎng)中心點(diǎn)沉降計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果堆煤場(chǎng)中心點(diǎn)沉降計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果上覆壓力(kPa)3676106136156考慮結(jié)構(gòu)性沉降算法(原狀土,擾動(dòng)度=0%)0.2930.7951.211.621.87考慮結(jié)構(gòu)性沉降算法(擾動(dòng)土,擾動(dòng)度30%)0.5881.301.722.092.316附加沉降理論預(yù)測(cè)值 =-0.2950.5050.510.470.446按Es法計(jì)算（不修正） 1.76實(shí)測(cè)沉降 =沉降值/此時(shí)固結(jié)度0.5/0.9=0.556 1.686/0.8=2.11擾動(dòng)使豎井區(qū)地基的總沉降增大擾動(dòng)使豎井區(qū)地基的總沉降增大擾動(dòng)及其對(duì)沉降的影

15、響擾動(dòng)及其對(duì)沉降的影響次固結(jié)沉降次固結(jié)沉降 (Ss)(Ss)3.3 3.3 地基沉降組成地基沉降組成 瞬時(shí)沉降瞬時(shí)沉降 (Ss) 不排水條件下，地基土體側(cè)向變形形成的沉降 主固結(jié)沉降主固結(jié)沉降 (Sc)(Sc)孔壓消散，有效應(yīng)力增加，地基固結(jié)產(chǎn)生的沉降 次固結(jié)沉降次固結(jié)沉降 (Ss)(Ss)土骨架上有效應(yīng)力不變情況下，土體蠕變引起的沉降總沉降：總沉降：S = Ss + Sc + SsS = Ss + Sc + Ss 固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降與時(shí)間有關(guān)3.4 3.4 沉降隨時(shí)間的變化（固結(jié)理論，沉降隨時(shí)間的變化（固結(jié)理論，ScSc）有效應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)性軟土的固結(jié)系數(shù)基本為一常數(shù)；當(dāng)有效

16、應(yīng)力接近屈服應(yīng)力時(shí)，固結(jié)系數(shù)迅速降低；當(dāng)有效應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，固結(jié)系數(shù)又趨于一常數(shù)。 結(jié)構(gòu)性軟土大面積荷載一維固結(jié)理論結(jié)構(gòu)性軟土大面積荷載一維固結(jié)理論結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)未破壞2VVCC 1VVCC Z0Zm底面不排水底面不排水固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)簡(jiǎn)化模型固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)簡(jiǎn)化模型和和Terzaghi Terzaghi 固結(jié)理論比較固結(jié)理論比較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地基有效應(yīng)力隨時(shí)間變化地基有效應(yīng)力隨時(shí)間變化地基中的孔壓及其消散地基中的孔壓及其消散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年年結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)理論結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)理論 徑向和豎向組合排水條件下，地基中平均超靜孔隙水壓力分布12jj +1j -1n當(dāng) ；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結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)理論結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)理論設(shè) 和 分別為土體達(dá)到其結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)的臨界固結(jié)度和臨界固結(jié)時(shí)間，則 當(dāng) ：pczoPotUotpctzooPUPUzopctoott ,pctzoPU，1hhCC ，1vvCC )1)(1 (1vthttUUU，21)(8deDFCBhr，tHCTvv21 ott ,pctzoPU，2hhCC ，2vvCC 22111|hhvvhhvvoCCCCtCCCCtUU dtdtdUUUohhvvotttt

21、CCCCtt1122|=)(1otttU 結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)理論結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)理論結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)算例分析結(jié)構(gòu)性軟土砂井地基固結(jié)算例分析101001000100001.00.80.60.40.20.0重塑土參數(shù)，理想井 G=100 G=5 G=0.5固結(jié)度時(shí)間 /天無砂井，考慮結(jié)構(gòu)性原狀土參數(shù)，理想井32 土結(jié)構(gòu)性對(duì)砂井地基固結(jié)性狀的影響明顯，不容忽略，在固結(jié)過程中可以根據(jù)土結(jié)構(gòu)性和加載條件對(duì)一定深度范圍內(nèi)的土體固結(jié)速率加以控制，使一定深度范圍內(nèi)土體在短期內(nèi)達(dá)到較大的強(qiáng)度增長(zhǎng)，起到調(diào)控地基承載力和穩(wěn)定性的作用，某深度土體的固結(jié)速率可依據(jù)公式 進(jìn)行加載控制。隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，

22、近地面處固結(jié)沉降漸趨于結(jié)束，沉降量減少，而下臥層固結(jié)還在持續(xù)發(fā)展，后期沉降中下臥層壓縮將占較大比例。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)下臥層的沉降發(fā)展規(guī)律，對(duì)以變形控制的深厚軟基處理（尤其未打穿處理情況）具有重要的意義。pczoP工后沉降工后沉降 施工結(jié)束后未完成的沉降包括：部分主固結(jié)沉降和大部分次施工結(jié)束后未完成的沉降包括：部分主固結(jié)沉降和大部分次固結(jié)沉降固結(jié)沉降 工后沉降工后沉降 S Spostpost（1 1Ut) Sc + SsUt) Sc + Ss Ut Ut ： 施工期結(jié)束時(shí)地基的固結(jié)度施工期結(jié)束時(shí)地基的固結(jié)度時(shí)間有效應(yīng)力應(yīng)變瞬時(shí)壓縮延遲壓縮主固結(jié)次固結(jié)明顯孔隙水壓消散階段無明顯孔隙水壓消散階段時(shí)間00 瞬時(shí)壓縮、延遲壓縮與主固結(jié)、次固結(jié)比較（Bjerrum,1967）3.5 3.5 土體壓縮性指標(biāo)土體壓縮性指標(biāo)Keywords: clay, undrained shear strength, normally consolidated, overconsolidatedCPTCPT確定土體壓縮模量確定土體壓縮模量Ke