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塑料板排水法加固软土地基固结沉降变化规律研究

熊平华  
【摘要】:软土地基在我国分布广泛,对软土地基的沉降变形方面的研究在东部沿海诸省已经很多,而对于内陆尤其是西部地区软土沉降变形研究较少,本文结合遂资高速公路软土地基处理实体工程,主要对采用塑料排水板处理软土地基变形进行了研究。利用现场实测数据、室内试验、理论研究和数值分析相结合的方法,对采用塑料板排水预压的软土地基的固结沉降变化规律进行了深入的研究,主要在以下几方面展开研究工作: (1)软土室内试验研究揭示了软土孔隙比、压缩系数、压缩模量、固结系数随固结压力的变化规律:压缩系数随固结压力的增大而减小,压缩模量随固结压力的增大而增大,体现了软土具有的压硬性;两层软土固结系数Cv均随固结压力的增大而减小,与固结压力具有较好的相关性,且对两层软土固结系数与固结压力用幂函数拟合。在三轴流变试验中,孔隙水的排出量随着时间的增长不断增长,这说明土体的固结变形自始至终在发生,从不同的固结压力下主应力差与轴向应变的关系看出两层软土均表现出较强的非线性特性,第一层软土所能够承受的主应力差明显地低于第二层软土。 (2)遂资高速TJ1-11工区软土地基地表沉降过程表现出三个阶段:路堤在填筑前期地基沉降较小,土体主要发生弹性变形,是沉降的发生阶段;填筑中期沉降发展较大,此时随着路堤的不断加载,软土地基发生塑性变形,土骨架破坏后重新排列,是沉降的发展阶段;在路堤填筑末期以后,沉降继续发展,但是沉降速率逐渐减小,直到沉降速率趋于零。本试验段的软土压缩性较低,监测的累计沉降量只有软土厚度的1.9%。本试验段面路面的差异沉降并不明显。从软土分层沉降监测数据得到,软土深度在5.5m之前沉降比较大,占了整个沉降的70%左右,软土沉降主要以上部软土为主。在沉降理论计算时考虑每级加载后软土压缩模量的变化,更能与实测数据吻合。 (3)软土地基深度大于3.0m时,侧向水平位移随着深度的增加而减小,最大值发生在地表以下1-4m内,主要发生在软土区域。侧向位移在路堤加载初期发展较慢,最大侧向位移与路中沉降之比平均只有0.027~0.094;在填筑中期,侧向位移开始迅速发展,最大侧向位移与路中沉降之比平均增大为0.10~0.33;填筑末期,产生的侧向位移在慢慢变小,最大侧向位移与路中沉降之比平均仅有0.008~0.11。从总的变形来看,两个断面的最大侧向位移与竖向位移之比均为0.11。(4)软土孔隙水压力随着荷载、时间的变化而出现有规律的增长、消散。 当路堤加载速率较快时,孔隙增加是非常大的,由于塑料排水板的存在,加快了土层排水速度,软土地基有效应力增加较快,所以地基没有出现失稳现象。分级加载孔压系数随累积荷载的增长也呈现出三个明显的不同发展阶段:即在填土加载初期,主要是土骨架承担外荷载,形成的超孔隙水压较低,沉降速率较缓慢;在填筑中期,外荷载的增量大部分由孔隙水承担,超孔隙水压明显增大,此阶段的沉降发展也较快;而到填筑末期,由于孔隙水排出,软土有效应力增加明显,承担了主要外部荷载,超孔隙水压也在增加,但相对较小,随着超孔隙水压逐渐消散为零,沉降也渐渐收敛于一个稳定值。(5)路基在进入预压期后三个月,本试验段软土地基各层平均固结度基本 是一致的,达到85%以上。沉降量与软土厚度和填土高度乘积有很强的线性关系,用本论文统计关系式可以较准确地估计软土固结沉降基本完成时的沉降量。塑料排水板处理软土地基有助于工后沉降量的减少,从容许工后沉降量及平均固结度两个指标判定了本试验段处理软土的地基方式效果是明显的。(6)通过FLAC~(3D)对软土地基流固耦合分析,FLAC~(3D)数值模拟得到的路基 变形量总体上能够反映路基的实际变形发展趋势,能很好的反应软土地基沉降变化规律。计算时考虑设置塑料排水板及砂垫层的排水作用,与未设置排水板分别进行计算,得到设置排水板作用的沉降量偏大,而侧向位移偏小。设置塑料排水板计算值与实测值拟合度更好,而对两种情况下的沉降量计算值较实测值都偏大。浅层软土地基随深度的增加水平位移逐渐增大,在大约3米左右深度水平位移最大,之后随深度水平位移逐渐减小。最大水平位移随着路堤荷载的增加,位置由坡脚下深处向路堤中间方向发展。塑料排水板对加固软土作用是显著的,可以加快软土的固结,由于有塑料板的存在,固结过程中,塑料板附近的孔隙水一致往渗透系数高的塑料板移动,通过塑料板排水到砂垫层,可以看出塑料板附近孔隙明显集中现象,加快土体的固结,使得软土的沉降在加载期就基本完成。建议今后在塑料排水板处理软土地基变形计算时要考虑排水板的影响,而使路基变形的计算及预测预报更加准确,指导高速公路在路堤施工中软土地基的变形控制。


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