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温州浅滩软土工程特性及固结沉降规律研究

吴雪婷  
【摘要】: 软土是近代在滨海、湖泊、沼泽、河滩及谷地等地区海相、湖相沉积形成的一种特殊土体,其工程性质差,天然含水量高、孔隙比大、渗透性差、压缩性大、抗剪强度低、固结时间长、灵敏度高、扰动性大,且流变性显著。在国内外,软土分布十分广泛,其主要分布在沿海地区,而这些地方正是城市、工厂、机场、码头、高速公路所在地,各类建筑特别集中,研究软土的工程特性,进行软土地基处理,也就成为岩土工程的重要内容之一。 软土地基处理中要解决的两个关键问题就是地基变形和地基稳定。对于深厚的软土地基,地基的沉降计算及工后沉降控制是该类地基处理的核心问题。由于软土的复杂性,对于软土地基的变形或沉降计算的准确性仍较差,目前,计算理论远远落后于工程实践,设计和工程实际之间的较大误差,往往会延误工期、造成工程事故和经济损失。因此,要使地基设计理论有新的进展,关键是要发展新的沉降计算方法,解决地基沉降变形的计算问题。此外,数值计算方法和基于实测沉降数据的沉降预测方法对软土沉降问题的解决同样起着重要的作用。对软土固结沉降特征、规律的分析研究离不开软土各项物理力学指标的正确选取,合理选取软土的计算参数、研究软土各项参数之间的相关关系,对软土地基处理设计具有决定性的作用,对类似工程也具有借鉴和指导意义。 温州浅滩是瓯江河口区域内发育较为完整、规模最大的滩涂资源。温州浅滩灵霓海堤整个工程的堤坝均座落在深厚的淤泥软土地基上,地基土含水量高、压缩性大、强度低、透水性差,不仅承载力很低,而且在堤身荷载作用下会产生相当大的沉降和差异沉降,且沉降变形持续时间很长,必须对地基进行有效的加固处理。温州浅滩灵霓海堤工程采用了塑料排水板排水固结法+抛石堆载预压方案。从海堤的施工填筑过程、目前的监测数据和海堤运营情况来看,前期的设计计算与实际情况之间存在一定的偏差。 在此背景下,本论文以温州浅滩淤泥软土及灵霓海堤软基处理工程为例,主要开展了以下几个方面的科学研究工作: (1)温州浅滩区域地质及工程地质条件研究 通过查阅文献、现场踏勘、对已有地质资料的搜集和整理,对温州浅滩区域地质概况、软土沉积环境、研究区工程地质、水文地质条件及软基处理概况进行了详细的分析研究。 (2)温州浅滩淤泥软土工程特性可靠性研究 依据温州浅滩工程的地质勘察资料和土工试验、原位测试数据等,对淤泥软土的各项物理、力学性质指标进行可靠性研究;基于Vanmarcke随机场理论,采用“递推空间法”求取淤泥的各项土性指标的自相关距离,进而将土性参数的“点特征”推广到其“空间特征”,并展开土性指标的“空间变异性”研究;对各项指标之间的相关性进行回归分析,求得典型指标之间的经验关系式;分析各项土性指标随土层深度的动态变化规律。 (3)温州浅滩软土地基固结沉降规律研究 利用温州浅滩灵霓海堤代表性断面(原位仪器观测断面)的现场监测资料,对淤泥在地基排水固结过程中的地表沉降、分层沉降、水平位移、孔隙水压力消散的变化规律进行详细的分析研究;根据实测孔压数据利用求解孔隙水压力的Barron解的变换形式对地基土层的平均应力固结度进行计算;利用室内试验数据处理的“时间平方根法”对地基土层的竖向和径向固结系数进行计算和统计分析;并基于现场实测沉降过程曲线,分别采用“指数曲线配合法”和本论文提出的“改进的门田法”对软土层的竖向和径向固结系数进行参数反演分析,并将反演结果与室内试验结果进行对比。 (4)温州浅滩淤泥软基沉降预测研究 首先对目前软土地基沉降预测的各类方法进行对比研究,然后对温州浅滩灵霓海堤代表性断面的实测沉降数据进行处理和分析,分别采用双曲线法、指数曲线法、Pearl曲线模型、灰色Verhulst预估模型和改进的BP人工神经网络算法(改进的BP-ANN模型)对其进行沉降预测分析,最后将预测结果与实测情况进行对比,得出各种预测方法的适用性和预测效果,提出最适合温州浅滩软基沉降预测的模型和方法。 (5)温州浅滩淤泥软基轴对称固结单向压缩沉降计算研究 围绕软土地基轴对称固结的单向压缩沉降计算问题,结合温州浅滩灵霓海堤工程实例的大量沉降监测断面资料,对软土地基固结度计算方法、主固结沉降计算方法、沉降计算深度控制标准、沉降经验修正系数取值、软土压缩性指标反演等课题进行大量的计算和统计分析工作。在此基础上,本论文提出软土地基沉降计算的“拟合公式法”和“坡脚迭代分层总和法”的计算公式、求解步骤,并进行实例验证。 (6)软土地基一维及三维固结沉降解析计算研究 从地基土中任意一点在任意时刻的应力-应变状态出发,考虑地基土体的先期固结状态(OCR)和应力历史的影响,利用土的割线模量-有效应力曲线,推导土体应力固结度与应变固结度之间相互换算的解析关系式;建立考虑地基土体先期固结状态(OCR)和应力历史影响的软土地基一维、三维固结变形(固结沉降)计算的一维压缩模量Es法、一维压缩指数Cc法、三维变形模量E法、三维压缩指数Cc法的理论计算体系;并利用灵霓海堤工程实例的计算结果和实测沉降值进行对比验证。 本论文在研究过程中,以大量详实、可靠的试验数据和原位监测数据为基础,通过系统的分析和研究,得出如下几个方面的结论和研究成果: (1)温州浅滩淤泥软土工程特性的可靠性研究结果表明: ①温州浅滩淤泥软土的主要工程特性可以概括为“四高二低”,即天然含水率高、孔隙比高、压缩性高、灵敏度高、渗透性低、抗剪强度低。 ②对于温州浅滩淤泥软土,根据室内土工试验指标推求的自相关距离明显大于根据原位测试指标推求的结果。为了减小取样扰动和取样间距对土体自相关距离的影响,可以采用静力触探试验(CPT)数据求解的自相关距离作为标准值,由此求得的淤泥土性的自相关距离均值为0.46m。 ③温州浅滩淤泥土层各项物理-力学参数指标的“空间”变异系数明显小于其“点”变异系数,因此变异性也大大降低。这说明,温州浅滩淤泥土层较均匀,土性参数变异性很小。 (2)灵霓海堤断面的监测资料分析表明: ①温州浅滩淤泥软基的地表P-S-t曲线和分层沉降过程曲线均具有明显的阶段性和阶梯状特征。地表最大累计监测沉降量达447.9cm,最小值为170.2cm,平均为311.9cm。地基各土层压缩率基本在0.005-0.268之间,淤泥层的沉降主要发生在塑料排水板处理区,其压缩量占总沉降量的80.4-87.4%,平均占84.7%;塑料排水板处理区以下土层的压缩量占总沉降量的12.6-19.6%,平均占15.3%。其中,淤泥表层4-8m范围内的土层压缩率最大。 ②孔隙水压力计测得的淤泥初始孔隙水压力的观测结果表明,温州浅滩原始天然地基基本属于正常固结的软粘土地基。软土地基中累积孔压-累积荷载曲线、分级加载孔压系数-累积荷载曲线呈现出三个明显的不同发展阶段(初期加载阶段、中期加载阶段、末期加载阶段)。 ③根据室内试验数据利用时间平方根法推求的软土固结系数表明,在相同荷载条件下,均有CvCh,且满足Ch=(1.04-1.27)Cv,平均为Ch≈1.18Cv。淤泥的固结系数Cv(Ch)和荷载P分别取对数后得到的双对数图(ln(Cv或Ch)-ln(P))在先期固结压力前后具有很好的分段线性关系。根据现场实测沉降资料反演的土体固结系数大于室内试验数据推算值,且Cv(反演值)≈1.43Cv试验值),Ch(反演值)≈1.35Ch(试验值)。利用实测沉降资料反演的固结系数的变异性较小,利用反演值可以对设计参数进行修正。 (3)灵霓海堤沉降预测的结果表明,5种沉降预测方法按预测精度由高到低的顺序排列为:改进的BP模型Pearl曲线模型灰色Verhulst模型指数曲线法双曲线法,其中前3种方法的预测精度相近。5种预测方法中只有改进的BP模型的预测值略小于实测沉降量,其余4种方法的预测结果均大于实测沉降量。从误差分析、曲线收敛速率分析来看,双曲线法、指数曲线法和改进的BP模型较适用于短、中期预测,而Pearl曲线模型和灰色Verhulst模型则适用于短、中、长期预测。且Pearl曲线模型和灰色Verhulst模型的预测效果也相近,这与两种预测方法均是基于S型曲线函数发展而来的有关。这正好证明了温州浅滩淤泥软土地基沉降随时间的发展趋势是呈“S”型变化的。 (4)对灵霓海堤63个监测断面一系列计算分析的统计结果表明: ①通过温州浅滩灵霓海堤软基实测沉降资料对软土的压缩性指标进行反演分析,得到了软土压缩模量Es、压缩指数Cc的室内试验值与反演值之间的线性回归方程,可以利用得到的经验公式对温州浅滩软土的压缩性指标进行修正。 ②对于温州浅滩灵霓海堤软土地基而言,当采用压缩模量Es法(e-σ'曲线法)计算地基主固结沉降时,沉降经验修正系数的平均取值约为1.62;当采用压缩指数Cc法(e-lgσ')计算时,沉降经验修正系数的平均取值约为1.44,这与地区经验取值1.4较吻合,建议采用Cc法进行计算。 本论文的研究还表明,地基最终主固结沉降量与最终总沉降量之间并非简单的比例关系,不能仅仅用沉降经验系数来进行修正,两者之间实际上具有相关性很高的线性关系。将主固结沉降量与总沉降量进行回归分析,本论文得到了计算温州浅滩软土地基总沉降量的线性拟合公式。“拟合公式法”计算的最终总沉降量一般略大于实测标准值,且两者差异较小,其计算结果更偏准确和安全。 ③本论文对传统的分层总和法进行改进,提出了一个计算软土地基最终总沉降量的新方法——“坡脚迭代分层总和法”。坡脚迭代分层总和法是一种考虑沉降增重的软土地基沉降计算方法,它利用路堤坡脚沉降量对路堤中心计算高度进行反复修正(即附加应力的修正),以达到减少沉降变形计算误差的目的。对于“坡脚迭代分层总和法”存在某个极限的迭代次数,使该方法的计算值与实测标准值最接近。 对温州浅滩灵霓海堤软土地基用上述新方法进行最终总沉降量计算的结果的统计分析表明:利用该方法进行软土地基总沉降的计算是准确的、可行的,且不同的主固结沉降计算方法下的最优迭代次数不等。当主固结沉降采用Es法计算时,进行4次坡脚沉降量的迭代后其总沉降量的计算值与标准值最接近;当主固结沉降采用Cc法计算时,进行3次坡脚沉降量的迭代后其总沉降量的计算结果与标准值最接近。 (5)软土地基一维、三维固结沉降解析计算的推导结论表明: ①本论文根据土中任意一点在任意时刻的应力-应变关系,考虑土体的先期固结压力对引起土体固结变形的有效应力的影响,利用土的割线模量-有效应力曲线,推导了不同超固结比OCR情况下,土体应力固结度与应变固结度之间相互换算的解析关系式。在地基土体固结开始和结束时,其应变固结度与应力固结度相等;而在固结过程中,恒有应变固结度大于应力固结度。且应变固结度与应力固结度之间的转换关系式与土体的先期固结状态、自重应力的大小、附加应力的大小、土体的压缩性指标有关。 ②从地基土中任意一点在任意时刻的应力-应变关系出发,利用虎克定律和广义虎克定律,考虑地基土体的先期固结状态(OCR)和应力历史,分别推导了软土地基在任意时刻用应力固结度和应变固结度所表示的一维、三维固结沉降量的解析计算公式,以及最终固结沉降量的解析计算公式。并建立了一维压缩模量Es法、一维压缩指数Cc法、三维变形模量E法、三维压缩指数Cc法的解析计算体系。 实例计算结果显示,温州浅滩淤泥软土地基的平均应变固结度比平均应力固结度约大0-15%左右。软土地基的一维沉降计算值与实测沉降值相差甚远。软土地基三维沉降-时间的关系曲线与实测沉降曲线的对比分析表明:软土地基三维沉降计算效果明显优于一维沉降计算值,且三维压缩指数Cc法的计算结果较三维变形模量E法更接近于实测值。


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