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1、,结构性软土特性及 深厚软土地基处理技术,浙江大学岩土工程研究所,Zhejiang University, Institute of Geotechnical Engineering,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,2,汇报内容,一、研究背景 二、结构性软土的工程特性及固结和沉降理论 三、循环荷载作用下结构性软土的变形特性及长期附加沉降 四、结构性软土地基的稳定性 五、深厚软土地基处理技术 六、工程应用及效益 七、结论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,3,一、研究背景,高速公路,机场,大坝,高速铁路,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,4,软土的工程特点,软土含水量高、孔隙比大、
2、厚度深 50%， e=1.22.0， H=1550m 软土压缩性高 Cc=0.30.7，3m高的填土会引起1m的沉降 软土强度低 Cu=815Kpa，一次性堆填3m 高的路堤会引起滑坡 软土渗透性差 k=110-8 510-7cm/s 软土具有结构性，结构破坏后工程特性显著降低,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,5,软土地层分布,东南沿海很多地区软土厚度达60m,难以全断面处理,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,6,软土地基处理控制标准,以控制地基稳定为主 海堤（江堤），煤场，填土，水库大坝等 以控制变形为主 总沉降：建筑物等 工后沉降：道路，机场，电厂干煤棚等,结构性软土特性及深厚软
3、土地基处理技术,7,工程中存在的问题,温州机场跑道建成后4年沉降达16.6cm 杭甬高速公路运行10年后,沉降速率仍达到1.05.0mm/月 上海地铁一号线运行5年后,工后沉降达14.0cm,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,8,问题的解决方法,外荷载,土 （固体颗粒、水和空气三相体）,工程特性 （变形、强度、渗透、固结）,土工构筑物 (道路，堤坝，机场，建筑物),地基处理问题解决方法： 基本理论 + 试验 + 工程实践 （设计方法、施工技术）,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,9,岩土工程多尺度研究界定框架,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,10,多尺度认识土的特性,微观结构,单
4、元特性,宏观现象,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,11,三种尺度下土的反应及其试验,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,12,汇报内容,一、研究背景 二、结构性软土的工程特性及固结和沉降理论 三、循环荷载作用下结构性软土的变形特性及长期附加沉降 四、结构性软土地基的稳定性 五、深厚软土地基处理技术 六、工程应用及效益 七、结论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,13,工程背景温州机场,温州机场跑道超载预压 (1988) 控制工后沉降,工后沉降要求 总沉降 60 mm 差异沉降 30 mm,实际工后沉降 建成4年之后沉降 16.6cm,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,14,控制
5、总沉降 处理深度: 12.5 m 桩径: 500 mm 水泥含量: 0.15 置换率: 0.2,工程背景温州地区多层建筑深层搅拌法,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,15,长期沉降观测 (8 年),按规范计算总沉降25cm 实际沉降8.2cm,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,16,竖井扰动区土层性质,下卧层,部分打穿竖井或水泥搅拌桩地基,未扰动下卧层土层性质,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,17,结构性软土的压缩性及压缩曲线校正 结构性软土的固结系数及原位测试技术 施工扰动对强度的影响及预压地基强度的增长 结构性软土地基沉降计算方法 结构性软土地基一维固结理论 结构性软土竖井地
6、基固结理论 考虑屈服应力应变率效应的一维粘弹塑性固结理论,结构性软土的工程特性及固结和沉降理论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,18,温州软土固结压缩曲线,原状土和重塑土的压缩曲线 不同加压率下压缩曲线,原状土压缩曲线为前缓后陡的曲线形，而重塑土的压缩曲线近似为直线 加压率对原状土的压缩曲线影响较大，加压率越大，原状土压缩系数的峰值所对应的应力越小,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,19,压缩曲线由四段组成 1：水平段（AB）2：弹性压缩段(BC) 3：结构破坏突降段（CD）4：重塑压缩段(DE)，最终交于0.42e0点。 结构屈服应力y,结构性强的软土采用四折线法,结构屈服应力比：
7、 sy / sz=1.091.70,结构性软土压缩曲线校正（1）,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,20,压缩曲线由三段组成 1：水平段（AB）2：弹性压缩段(BC) 3：重塑压缩段(CE)，最终交于0.42e0点。,结构性弱的软土采用三折线法,结构性软土压缩曲线校正（2）,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,21,压力较小时，未扰动土的固结系数明显要比扰动土的固结系数大得多，大致是扰动土的315倍左右 在低于结构屈服应力的范围内，固结系数基本为一常数；当应力增加到结构屈服应力附近时，固结系数急剧降低，然后趋于重塑土的固结系数 试验扰动程度对固结系数影响很大,固结压缩试验,结构性软土的固
8、结系数及原位测试技术,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,22,以结构屈服应力位置为分段点将固结系数分为二段： 当 时，土体未进入结构屈服状态： ， ； 当 时，土体进入结构屈服状态： ， 其中，Cv1，Ch1分别为原状土的竖向和水平固结系数，Cv2，Ch2分别为重塑土的竖向和水平固结系数。 固结度的计算假定固结系数按分段模型变化；渗透系数kh，kw按比例变化，两者比值为常数；渗透系数kh，ks按比例变化，两者比值为常数。,径向固结系数简化模型,径向固结系数试验曲线,固结系数的简化分段模型,sy,sy,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,23,IFCO BAT 固结系数测试系统,固结系数测
9、试原理图,固结系数的现场测试,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,24,圆柱型空腔(透水元件位于探头侧壁时)：,球型空腔(透水元件位于探头端部时)：,初始孔压分布：Vesic理论（1972）,固结系数的现场测试,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,25,固结方程：,（圆柱型空腔）,（球型空腔）,初始条件：,（圆柱型空腔）,边界条件：,（球型空腔）,空腔壁处透水系数： =0为不透水边界； 0 为半透水边界； 为透水边界。,圆柱型、球型空腔固结理论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,26,杭甬高速公路试验点位置,淤泥质粘土,固结系数测试工程实例,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,27,
10、塑料排水板施工后十字板强度平均值减少11.8kPa，接近50%的原始强度,温州电厂2#堆煤场塑料排水板施工,施工扰动对强度的影响及预压地基强度增长,加固层 （扰动）,下卧层 （未扰动）,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,28,排水板施工前灵敏度在4左右，施工扰动后软土灵敏度降低到2,施工后 施工前,施工后 施工前,施工扰动对灵敏度的影响,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,29,杜湖水库大坝砂井排水固结 (1970年),砂井 (2997根) 直径: 0.42 m, 长度:1214 m 三角形布置 间距: 3 m,加载计划,预压地基强度增长,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,30,填筑
11、过程中土体强度指标(十字板)变化（10年）,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,31,扰动结构性软土地基附加沉降计算：,扰动土地基的沉降及附加沉降计算,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,32,结构性软土地基固结沉降计算：,结构性软土地基沉降计算方法,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,33,温州电厂2#堆煤场中心点沉降计算和实测结果,扰动使竖井区地基的总沉降增大,扰动及其对沉降的影响,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,34,结构性软土结构发生破坏时，各项力学指标发生突变， 提出新概念：移动边界 Z=S(t): 有效应力增量等于结构强度R 时刻t以后，固结继续进行，结构破坏面也相应下
12、移,未破坏区,破坏区,固结系数模型,移动边界,结构性软土地基一维固结理论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,35,与Terzaghi固结模型比较,结构性软土地基一维固结理论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,36,利用结构性软土的移动边界概念，将地基分为重塑土与原状土的双层地基 移动边界下移，再度利用双层地基竖井固结理论，计算固结度 经历了原状土地基重塑土与原状土的双层地基重塑土地基的变化过程 可以考虑砂井渗透系数随地基变形而减小,结构性软土竖井地基固结理论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,37,地基平均固结度随时间变化,砂井与土的孔压差随着深度减小,下部土体的固结时间远慢于上部
13、土体。,孔压沿径向分布,荷载越大，固结时间越长。,结构性软土竖井地基固结理论,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,38,210天孔压沿深度的分布,深厚结构性软土地基必须考虑: 结构性, 井阻的增大,15米深度孔压随时间的变化,结构性软土竖井地基固结理论：温州机场,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,39,结构屈服应力和应变率相关，应变率越大，结构屈服应力也越大 现场试验获得的结构屈服应力大于室内试验获得的结构应屈服应力 结构性软土粘弹塑性模型应考虑结构屈服应力及其应变率效应,考虑结构屈服应力应变率效应的一维弹粘塑性固结模型,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,40,弹性阶段变形计算： 屈
14、服破坏后变形计算：,考虑结构屈服应力应变率效应的一维弹粘塑性固结模型,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,41,实测值（Imai,1992) 计算值 主固结阶段各分层的孔隙比孔隙比随时间变化,能描述屈服应力的应变率效应 固结引起的屈服应力增加 连续或多级加载条件下有效应力、应变和应变率的变化,考虑结构屈服应力应变率效应的一维弹粘塑性固结模型,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,42,汇报内容,一、研究背景 二、结构性软土的工程特性及固结和沉降理论 三、循环荷载作用下结构性软土的变形特性及长期附加沉降 四、结构性软土地基的稳定性 五、深厚软土地基处理技术 六、工程应用及效益 七、结论,结构性
15、软土特性及深厚软土地基处理技术,43,上海地铁一号线,沉降变化实测结果,未正式通车前:总沉降量在26 mm； 投入运营后: 沉降速率急剧加大。 1995年底3060 mm，1999年累计最大140 mm。,研究背景,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,44,什么原因造成线路很大的工后沉降？ 长期沉降是由列车运行产生的动应力引起的吗？,研究背景,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,45,列车移动荷载下的轨道-地基分析模型 列车运行引起的地基应力分布 循环荷载作用下软土动力特性的试验研究 交通荷载作用下软土地基的长期沉降 小结,循环荷载作用下结构性软土的变形特性及长期附加沉降,结构性软土特性及
16、深厚软土地基处理技术,46,列车移动荷载,系列移动点荷载,双股钢轨,欧拉梁,地基,成层半空间,轨枕,周期性支承结构物,列车-轨道-地基相互作用模型,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,47,首先沿轨道方向进行波数变换处理； 同时对垂直轨道方向平面的轨道结构和地基进行有限元离散，其中每个有限元单元的节点有3个自由度( Ux. Uy. Uz )； 3D问题降为2.5D平面应变问题来分析,2.5维有限元方法,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,48,列车移动荷载,系列移动点荷载,轨道结构,欧拉梁,近场地基和路堤,2.5维有限单元,远场地基土体,薄层单元,轨道-路堤-地基在列车荷载作用下的2.5维有限元模型,结构性软土特性及深厚软土地基处理技术,49,列车移动荷载,系列移动点荷载,隧道结构,实体或壳体单元,临近地基土体,2.5D
