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1、控制工后沉降地基处理技术的发展,赵维炳,南京水利科学研究院,水 利 部 交 通 部 电力工业部,NHRI,报告内容,控制工后沉降新一代地基处理技术的发展 软土特性和竖井固结理论研究 超软路基排水预压固结法试验研究 CFG桩复合地基加固高速公路深厚软基技术研究 排水固结加固软基新型排水材料应用研究 预制预应力管桩复合地基加固深厚软基技术研究 砼芯砂石桩复合地基加固深厚软基技术研究 SMW工法的设计理论与计算方法研究,NHRI,第一部分 控制工后沉降 新一代地基处理技术的发展,1.1 前 言 1.2 工后沉降的概念及分类 1.3 按控制工后沉降进行设计及带来的影响 1.4 排水固结加固按控制工后沉
2、降设计 1.5 柔性桩复合地基加固按控制工后沉降设计存在的问题 1.6 结 语,NHRI,1.1 前言,工程实践中，人们认识到建筑工程仅仅保证稳定 性和安全还不够，对变形的要求不断提高； 按照稳定性要求进行工程设计时设计位移也远 小于地基达到极限平衡状态对应的极限位移，有时地 基的允许承载力直接根据允许位移来确定； 因此，工程实践提出了设计以位移（多数情况 下是工后位移）作为控制目标的新要求，它隐含了稳 定性的要求。 虽然目前已有控制工后沉降和沉降速率的设计标 准，但实际设计中执行不严且计算粗糙，误差较大，亟 待解决的问题很多。,NHRI,1.2 工后沉降的概念及分类,工后沉降指建筑物竣工至大
3、修或报废止一段时间内发生的沉降。它直接关系到建筑物的使用效果和安全，而再以后和施工期的沉降并不对上部结构产生危害，因此工程设计以工后沉降作为控制目标是合理的。 工后沉降Sh按其产生的原因可划分为加固体工后主固结压缩量Sgh，下卧层工后主固结压缩量Sxh、加固体和下卧层工后次固结压缩量Sch三部分，即：,而每一部分工后压缩量又可写成对应的总压缩量S*与变形比增量V*=V*x-V*j之乘积。*表示以上三部分中的一种，x表示大修或报废时，j表示竣工时。因此工后沉降又可表示为：,NHRI,1.3 按控制工后沉降进行设计 带来的影响,控制工后沉降进行设计将带来许多重要的变化，主要包括： 设计方法的变化。
4、 变形和固结计算方法的进步。 计算范围扩大。 处理深度加大。 加固新型施工机械和施工工艺的发展。 测试技术和工程质量检验技术的发展。,NHRI,1.4 排水固结加固 按控制工后沉降设计,为便于对问题有清晰的认识，先讨论两个实例。 例1 京珠高速公路广珠东线堆载预压试验段软土厚度40m以上，长 353.43m，地基分层见下表，设计路堤高度为3.85m，实际填土高度 5.18m(超载1.33m)。袋装砂井梅花形布置，间距1.5m，直径7.0cm， 长度15.0m，砂垫层厚度70cm，内铺两层土工布。,堆载预压试验路段地基分层情况,NHRI,计算最终沉降量,施工期18个月结束时,竣工15年后,推论：
5、 下卧层和次固结工后压缩量是造成工后沉降过大的主要原因； 在软土地基深厚的情况下，地面下15m软土层的压缩量在地基最终总沉降中是主要的。,NHRI,例2 北京珠海高速公路广珠东线软基真空联合堆载预压试验路 段长255m，地基分层见表4-2，设计路堤填筑高度在4.8m。实际真空压力80kPa，填土5.0m。砂垫层厚70cm，袋装砂井梅花形布置，间距1.5m，直径7.0cm，长度20.0m。,真空联合堆载预压试验路段地基分层情况,NHRI,施工期12个月结束时,竣工15年后,真空预压除可缩短工期外，还能有效减小下卧层工后主固结沉降和次固结沉降。,NHRI,控制工后沉降设计排水固结可按以下步骤进行：
6、 用分层总和法计算各土层最终压缩量。 初定加固深度和间距等，分别用巴隆公式和太沙基公式等，计算施工期和大修期加固深度内和下卧层固结度；按次固结理论计算次固结变形比。 计算地基工后沉降。 校核工后沉降是否在规定的值以内，超出时加大加固深度重新设计。 验算地基的稳定性。,NHRI,1.5 柔性桩复合地基加固 按控制工后沉降设计存在的问题,对于柔性桩复合地基，按控制工后沉降设计的方法与排水固结方法中类似，但以下问题亟待研究解决： 对加固体研究的重点应转移。 过去：加固体（如水泥土）的力学等方面的性质及加固体压缩量的计算； 按控制工后沉降设计：重点研究解决地面荷载随深度的应力扩散和加固体 底部的附加应
7、力计算问题。只有解决了这个问题后，才能解决下卧层压缩量的计算问题。,加固体与下卧层的固结度计算理论和方法。 必须开发和应用加固深度能达到25m左右的新的复合地基处理方法。,NHRI,1.6 结 论,通过以上讨论，我们可以得到以下结论： (1)地基处理以控制工后沉降为目标是发展的必然，一些新的地基处理技术将得到开发应用，真空联合堆载法和CFG桩复合地基法等现有方法也将因其在工后沉降小等特点而得到广泛应用。 （2）地基处理以控制工后沉降为目标将带来科研、设计、施工及监测等方面许多重要变化。 (3)对深厚软土地基，下卧层主固结和整个地基次固结工后压缩量在地基工后沉降中占很大比例。应加强对下卧层主固结
8、和整个地基次固结的最终压缩量及变形比随时间变化的计算理论和方法的研究。 (4)为保证地基稳定性和控制总沉降，目前对软土地基进行处理时加固深度一般定为1015m，在软土较厚情况下加固深度不够，导致下卧层工后压缩量和地基工后沉降过大，因此加固深度必须加大。,NHRI,第二部分 软土特性和竖井固结理论研究,真空压力卸载软土地基变形规律 考虑软土卸载再加载特性、流变性等改进软土本构模型 竖井未打穿、粘弹性、成层地基固结理论 非线性流变结构性软粘土弹塑性固结理论,NHRI,2.1 真空压力卸载软土地基变形规律,研究目的：软土在球应力卸载情况下变形的影响因素、变形规律和变形计算模式，改进软土本构关系模型和
9、沉降计算理论。,真空压力卸载的物理本质土体有效球应力卸载,卸载变形计算的基本理论,土体复杂性,三相散粒体；剪胀性；压硬性；,NHRI,球应力卸载 应力应变,结 论,NHRI,现有真空卸载回弹模量的计算方法,NHRI,结 论,NHRI,软土真空卸载变形规律的试验研究,试验类型,常规单向压缩试验,等向压缩试验,不同应力路径、应力状态的压缩回弹试验,NHRI,常规单向压缩试验结果,NHRI,等向压缩试验结果,NHRI,典型试验曲线,NHRI,不同应力路径应力状态压缩回弹试验,a. 试验仪器 南京水科院土工所 CKC三轴仪,NHRI,b. 考虑土体不等向性的等向压缩和膨胀试验 模拟天然地基的K0应力状
10、态,NHRI,在球形压力卸除时有明显的体积回弹，但轴向应变减小却很小； 如果只按线弹性理论来计算真空卸除的沉降回弹量是偏大的。,NHRI,c. 考虑不等向性的等向压缩和不同剪应力水平条件下的 等向膨胀试验 模拟真空和真空联合堆载预压加固软基时的真空卸载,在球形压力卸载段，体积应变减小的同时轴向应变反而继续增大，验证工程现象，即在卸除真空压力时地面沉降继续发展。 真空卸载过程中，随着卸载时剪应力水平的提高，地面沉降将继续增大，而这种现象只可能在真空联合堆载预压中出现。,NHRI,NHRI,试验研究综合结论,NHRI,2.2 考虑软土卸载再加载特性、流变性等改进 软土本构模型,1.建立卸载阶段的应
11、力应变关系； 2.建立再加载阶段的应力应变关系； 3.考虑土体流变性； 4.考虑土体损伤；,建立改进的软土本构模型及有限元计算方法,NHRI,建立竖井未打穿软土地基下卧层的近似计算方法。 将现有竖井地基固结理论推广到竖井打设区和下卧层均为 多层的情况，给出固结解答，并编制应用程序，供工程应 用。 竖井打设区固结速度明显快于下卧层。 考虑土体粘滞性影响时，下卧层平均固结度均比线弹性情 况下有所降低，下卧层下降幅度则更大。 下卧层尚未完成的主固结沉降和整个土体的次固结沉降是 引起工后沉降的主要原因，设计时应引起足够重视。,2.3 竖井未打穿、粘弹性、成层地基固结理论,NHRI,2.4 非线性流变结
12、构性软粘土弹塑性固结理论,研究意义土结构性和流变性对固结有重要影响；土应力应变曲线、孔隙水压力应变曲线、固结压缩曲线和强度包线等都与土结构性有显著关系。,对Yin&Graham时间线模型进行修正，用修正后的模型建立一维固结方程，并给出成层地基一维弹粘塑性固结问题半解析解，得出地基平均固结度计算表达式：,研究成果,NHRI,根据Yin&Graham时间线模型，建立非线性流变和结构性软土一维弹粘塑性固结模型，通过建立合理假设推导考虑土结构屈服应力的屈服准则，新建模型考虑结构屈服应力应变率效应、固结引起屈服压力增加和连续或多级加载条件有效应力、应变和应变速率变化等。 根据Schertmann和Nag
13、araj等人实验成果，建立结构性软性土三段式压缩曲线。利用改模型选择合理结构屈服应力及压缩性指标，提出扰动及结构性影响软粘土及砂井地基固结度计算方法。,NHRI,第三部分 超软路基排水预压固结法试验研究,研究内容：,深厚高含水量软基中有效减少真空压力沿深度传递损失和提高深层加固效果的竖向排水技术； 真空联合堆载预压法减少工后沉降加固机理； 真空联合堆载预压加固深厚软基的荷载传递和工后沉降变化规律； 真空联合堆载预压加固深厚软基下卧层固结度计算方法和工后沉降设计计算方法。,NHRI,依托工程及设计方案：,NHRI,3.1 不同竖向排水体真空度传递规律、地基 变形规律和加固效果,不同竖向排水体 真
14、空度沿深度 衰减实测曲线,NHRI,NHRI,不同竖向排水体地表沉降实测曲线,NHRI,不同竖向排水体地基深层沉降实测曲线,NHRI,不同竖向排水体地基侧向位移实测曲线,NHRI,真空度从膜下到竖向排水通道的传递过程中会逐渐衰减，其衰减程 度与竖向排水体类型和材质、竖向排水通道与上部砂垫层的联结方式以及 打设质量有关。 袋装砂井中插设一定长度小直径软管可将真空度有效传递至地基深 处，这种方案对于减少真空度的传递损失，提高地基深层的真空压力具明 显的功效。 C型排水板和150mm宽塑料排水板本身的结构和材质优于普通B型排水 板，通水性能较强，地基深层板内真空度衰减较小，宜在深厚软基加固中推 广使
15、用。 竖向排水通道不同，真空压力的深层传递损失不同，从而地基深层 竖向位移和侧向位移规律不同，软基的加固效果也就不同。150mm宽塑料排 水板在有效消除地基沉降，提高软基深层加固效果，减少地基工后沉降方 面要明显优于其它竖向排水体。,研究结论,NHRI,3.2 真空联合堆载预压工后沉降规律研究 京珠高速广珠东线的试验研究,NHRI,NHRI,1. 排水预压法减少工后沉降机理,从土体单元压缩方面进行解释； 从地基沉降方面的解释。,2. 原有设计计算方法：分成总和法,缺 点,3.3 控制工后沉降实用设计计算方法研究,NHRI,3. 改进后考虑的因素,考虑土体的非线性，采用双线性模型，考虑土体结构性
16、损伤； 考虑压缩特性及平均固结度沿深度变化的影响； 考虑施工过程的影响； 考虑真空预压和堆载两种不同预压方式的影响 ；,4. 改进的工后沉降计算方法,选择计算剖面；地基土分层；确定荷载施加方式及预估补方高度； 计算预压作用下各土层的有效应力增量及最终荷载作用下的有效应力增量； 各级荷载作用下各土层的平均固结度计算； 计算t时刻的沉降量和工后沉降量；,NHRI,5. 根据实测沉降推求工后沉降的方法,基于成层竖井地基固结理论的工后沉降预测方法,NHRI,简化工后沉降预测方法,NHRI,NHRI,第四部分 CFG桩复合地基 加固高速公路深厚软基技术研究,NHRI,研究内容：,深厚高含水量软基中CFG桩成桩施工技术及加固效果验证； CFG桩复合地基减少工后沉降加固机理； CFG桩复合地基荷载传递规律和工后沉降变化规律； CFG桩复合地基固结理论和工后沉降设计实用计算方法。,依托工程及设计参数：,江苏省淮盐高速
