控制工后沉降地基处理技术的发展(赵维炳)

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NHRI1.1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。NHRI1.2工后沉降的概念及分类工后沉降指建筑物竣工至大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：chxhghhSSSS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：cjcxcxjxxxgjgxghVVSVVSVVSSNHRI1.3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。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。NHRI1.4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。层号土质名称厚度（m）含水率（%）孔隙比塑性指数（%）压缩系数（MPa-1）固结系数(103cm2/s）1耕植土0.7~1.22淤泥8.4~16.068.31.8020.41.860.873淤泥夹细砂3.4~6.430.80.768.70.444.234淤泥质粘土未穿透53.21.3716.61.0724.65堆载预压试验路段地基分层情况NHRI加固区主固结沉降下卧层主固结沉降下卧层次固结沉降∑沉降量(cm)97.188.033.8218.9占总沉降比例45％40％15％100％加固区固结下卧层主固结下卧层次固结∑固结度98%73%72%(次固结比)沉降量(cm)95.864.324.3184.4占总沉降比例52%35%13%100%加固区固结下卧层主固结下卧层次固结∑固结度100%99%95%(次固结比)沉降量(cm)1.322.67.731.6占总沉降比例4%72%24%100%计算最终沉降量施工期18个月结束时竣工15年后推论：①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；②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加固区固结下卧层主固结下卧层次固结∑固结度99%91%80%(次固结比)沉降量(cm)116.796.726.9240.3占总沉降量比例49%40%11%加固区固结下卧层主固结下卧层次固结∑沉降量(cm)0.89.36.516.6占总沉降量比例5%56%39%100%下卧层工后压缩量占总工后沉降次固结压缩比堆载预压18个月72%72%真空联合堆载12个月56%80%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：①用分层总和法计算各土层最终压缩量。②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。③计算地基工后沉降。④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。⑤验算地基的稳定性。NHRI1.5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：①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。②加固体与下卧层的固结度计算理论和方法。③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。NHRI1.6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10~15m，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NHRI2.1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沉降计算理论。⑴真空压力卸载的物理本质－土体有效球应力卸载⑵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0ppe0edddddddGσσBγγKσεε球应力卸载，既发生弹性体积应变，也发生塑性剪切应变。弹性体积应变的大小由弹性体积压缩模量e0K决定，e0K可通过压缩膨胀试验来求得。塑性剪切应变的大小与压硬模量G0有关，G0是应力状态的函数。研究土体球应力卸载情况下的变形，关键是确定压硬模量G0关于应力状态的函数关系，即确定），（τσGG00。结论NHRI⑶现有真空卸载回弹模量的计算方法按线弹性理论来考虑，并用广义虎克定律进行计算。假定卸除真空导致等量的有效球应力的减小，用压缩膨胀试验获得的回弹参数，计算出有效球应力的减小所产生的体积应变的改变。假定土体是各向同性的条件下，1/3体积应变就是回弹产生的竖向应变。常规单向压缩试验：绘制e—lgp曲线，得到压缩指数cc和回弹指数cs。在真空压力卸载回弹量的数值计算中就是取回弹指数cs作弹性参数；在没有试验实测的回弹指数cs时，也会根据经验取压缩指数的几分之一至十几分之一作为回弹的弹性参数。其应力状态与真空预压中的实际应力状态相比，相同之处是，单向压缩试验在加荷至原位自重应力以前是较好地模拟了原位地基土的k0应力状态，但由于单向压缩仪条件的限制，抽真空产生有效球应力的加载和卸载，单向压缩试验只能用k0应力状态下的加载和卸载来代替。用单向压缩试验得到的回弹指数cs进行计算，有可能导致计算回弹量与实测回弹量的差别。NHRI等向压缩试验：绘制e－lnp（或εv－lnp）曲线，求得表示压缩的参数λ和表示膨胀的弹性参数k。用k作为回弹量的计算参数时，缺陷是等向压缩回弹试验无法模拟地基土自重应力状态。用等向压缩膨胀试验得到的膨胀参数k进行计算，也可能导致计算回弹量与实测回弹量的差别。按上述方法计算的沉降改变量只是膨胀的弹性体变导致的部分。球应力卸载导致的沉降改变量还包括卸除球应力产生的塑性剪应变。考虑球应力卸除将产生膨胀的弹性体变和正的剪应变两部分变形，有可能使计算的真空压力卸载时地基沉降量与实测沉降量比较一致。结论NHRI⑷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表4-1-2各试样常规压缩回弹试验结果固结系数Cv/(10-3cm/s)土样编号取土深度/m压缩系数av/MPa压缩模量Es/MPa压缩指数cc回弹指数cs先期固结压力pc/kPa100kPa200kPa1#2.3~2.50.742.60.2650.02746.00.421.645#8.3~8.52.461.00.8470.06580.02.020.538#18.8~19.00.1412.60.1920.0082831.856.3010#27.8~28.00.189.00.1490.0102585.367.95正常固结状态下卸载膨胀时，回弹指数cs为压缩指数cc的几分之一到十几分之一。超固结状态下卸载膨胀时，回弹指数cs为压缩指数cc的十几分之一到几十分之一。NHRI等向压缩试验结果表4-1-35#土样等向压缩回弹试验结果试样编号λεvkεvcccscc/cs5#-10.1110.012500.6520.07348.95#-20.1250.015700.7340.09228.05#-30.1170.009670.6870.057012.1常规单向压缩和等向压缩试验，两种试验模拟的应力路径有一定差别，但得到的压缩指数cc和回弹指数cs的值大体相当；常规压缩试验和等向压缩试验分别确定的参数用于计算，结果不会相差太大，而等向压缩试验的难度和耗时远大于常规压缩试验，因此，一般工程中，用常规压缩试验代替等向压缩试验是可行的。卸载过程发生了弹性体积变形，用试验测得的回弹参数，按照虎克弹性理论计算的卸载体积变形，是比较准确的。在只有球应力作用下，也就是在没有剪应力作用或剪应力水平为0的情况，球应力的卸载只会产生弹性的体积应变，不会产生塑性剪应变。NHRI00.050.10.150.20246Ln(p/kPa)εv/%图4.1.6试样5#-2等向压缩回弹试验的pvln曲线典型试验曲线图4.1.11#土样e-logp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NHRIb.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应力状态表4-1-4考虑土体不等向性的体积压缩模量和体积回弹模量试样编号球形压力加卸载前的应力状态（σ1，σ2，σ3）/kPa体积压缩模量Ec/MPa体积回弹模量Es/MPaEs/Ec3#-1(100,50,50)0.7928.69611.03#-2(150,75,75)1.9199.0914.73#-3(200,100,100)1.9510.4175.3NHRI0.002.004.006.