真空预压排水固结加固软基强度与地基承载力研究

摘要

真空预压排水固结法作为一种软土地基处理方法，具有诸多优点。随着我国大规模建设热潮，真空预压排水固结法进一步得到了广泛应用。真空预压排水固结法在机理研究、施工工艺、设计理论等方面得到了较大发展，但是同工程实践相比理论相对滞后，不少理论问题仍未能到圆满解决。不少学者对真空预压的固结机理、沉降规律、土体本构模型、数值模拟方法等方面进行了大量的研究，但对真空预压加固中软基强度及承载力规律的研究很少，制约了该方法的进一步推广与应用。本文在前人工作的基础上，通过室内试验、现场试验、理论分析和有限元模拟，对真空预压加固机理进行了进一步的研究，对真空预压加固中软基强度和承载力计算及规律性进行了深入的探讨。本文的主要工作及成果如下： (1)系统研究分析了各学者在真空预压排水固结方面的研究成果，对不足之处进行了验证说明。真空预压排水固结过程中地下水位的变化规律，目前仍有很大争执，有些学者认为地下水位降低，而有些学者认为地下水位上升或不变，观点不一致。本文采用自行设计的室内试验仪器进行了几组试样的室内试验，以研究真空预压固结过程中地下水位的变化情况。结果显示抽真空过程中地下水位是不断下降的，由工程实测数据表明，真空预压排水固结加固软基水位也是不断下降并逐渐趋于稳定的。真空渗流场理论支持了这一观点。通过室内试验及工程实测数据表明真空预压排水固结前后，饱和软粘土含水量下降，但饱和度基本不变，加固前后地基土体仍是饱和的。排水固结过程中随着同结度的增加，孔隙比e是逐渐减小的。 (2)详细研究了砂井固结问题的一般分析方法，对于真空预压固结度解答，形式上与堆载预压固结度解答相同，因此，在进行真空预压固结度计算时可以直接引用各种堆载预压砂井固结的解答。 (3)对软粘土的强度理论、有效应力法和有效固结应力法的各自特点进行了初步探讨，对真空预压地基中应力转化及有效应力增长过程进行了详细地研究分析。理论研究分析表明，真空预压加固软土地基的有效应力增长应由地下水位下降引起的有效应力增加与真空度传递引起的有效应力增加两部分组成，进而推导了真空预压下考虑水位下降的强度增长解析计算公式。 (4)对各计算软土地基承载力的经验计算公式进行了研究和分析，有现场十字板强度估算地基容许承载力经验计算公式、静力触探推求承载力经验计算公式、标准贯入试验推求承载力经验计算公式等，以及部分结果之间的关系。根据理论分析推导了考虑固结效应的地基承载力解析计算公式，分析说明了可以用该公式对真空预压加固工况下的地基承载力进行计算，计算结果是偏于安全的。 (5)对真空预压加固现场进行了详细的试验研究，对加固效果进行了认真细致的分析评价。结合现场实测资料对真空预压加固期间软基强度和地基承载力计算及规律进行了深入的分析研究，并对前面所推导的理论计算公式进行了具体的验证。结果表明真空预压加固软基技术在依托工程中的应用是成功的，达到了预期效果。预压后最大平均沉降量为622.21mm，地基平均固结度为93.94％。加固后的含水量、孔隙比比加固后前的含水量、孔隙比减少，加固后的密度及压缩模量比加固前增大。采用考虑地下水位下降的强度计算公式计算结果与实测结果较吻合。根据实测数据及解析公式计算结果分析，真空预压早期强度增长快，后期增长较慢。从理论解析计算公式计算的地基承载力值与采用经验公式计算的地基承载力值比较吻合，计算的结果揭示真空预压加固前期地基承载力增长迅速，后期增长缓慢。从增加地基承载力的角度看，继续抽真空地基承载力增长值及增长幅度已非常有限，且增氏速度将非常缓慢，对于继续采用真空预压增加地基承载力已无太大意义。 (6)使用ABAQUS有限元分析软件，采用赵维炳教授提出的考虑涂抹作用的砂墙地基平面应变有限元方法，将三维问题简化为二维平面问题进行计算；计算中土层采用修正剑桥模型，对南京威孚金宁有限公司第二联合厂房真空预压加固软基处理工程进行了有限元模拟分析，模拟分析结果表明有限元计算得出的沉降时程曲线与实测沉降时程曲线趋势一致，考虑地下水位下降计算的总沉降量约为60.44cm，计算结果同实测沉降资料较吻合。从有限元计算得出的强度增长趋势曲线可见，地基强度在真空预压前期迅速增长，真空预压后期，地基强度增长逐渐减缓，与实际检测地基强度增长趋势相符。数值计算结果得出的真空预压加固区地基承载力增长趋势曲线，地基承载力在真空预压前期迅速增长，真空预压后期，地基承载力增长逐渐减缓，与现场实际检测推算的地基承载力增长趋势一致。有限元模拟得到的强度和承载力趋势曲线均表明真空预压排水固结加固软土地基，地基的强度和承载力都不能无限增长，因此，对于地基承载力要求较高的工程应考虑结合或采用其它地基处理方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外软基处理研究现状

1.2.1历史回顾

1.2.2国内外地基处理技术的发展

1.3饱和土固结理论研究现状

1.3.1经典固结理论

1.3.2砂井固结理论

1.3.3混合物理论

1.4土体本构模型研究现状

1.5土的强度理论研究现状

1.6真空预压排水固结研究现状

1.6.1加固机理研究现状

1.6.2计算理论研究现状

1.7主要研究工作

第二章真空预压加固软基现场试验研究

2.1试验段工程概况

2.2试验段工程地质条件

2.2.1土层分布及其结构特征

2.2.2地下水位情况

2.2.3土层物理力学性质指标

2.3加固场地周围环境

2.4真空预压工程设计处理方案

2.5现场监测方案

2.6地基加固效果检验试验方案

2.7现场监测成果及分析

2.7.1膜下真空度的监测成果分析

2.7.2地表沉降的监测成果分析

2.7.3土体水平位移的监测成果分析

2.7.4地下水位的监测成果分析

2.7.5孔隙水压力的监测结果分析

2.8真空预压加固效果及分析

2.8.1加固前后室内物理力学指标的变化分析

2.8.2真空预压加固前后地基的原位试验强度分析

2.9本章小结

第三章真空预压排水固结机理研究

3.1排水固结法原理研究

3.2堆载预压排水固结法

3.3真空预压排水固结法

3.4室内抽真空试验研究

3.4.1试验装置介绍

3.4.2试验过程

3.4.3试验结果分析

3.5真空预压排水固结工程实例研究

3.6真空渗流场理论

3.7真空预压排水固结体饱和度研究

3.8真空预压法大气压力的作用分析

3.9真空预压有效应力分析

3.10真空预压固结计算理论的讨论

3.11排水固结中孔隙比e的讨论

3.12本章小结

第四章砂井固结理论及真空预压加固软基强度研究

4.1砂井固结问题的一般分析方法

4.1.1基本假定

4.1.2分析过程

4.2砂井固结问题解答分析

4.2.1纽曼-卡里罗(Newman-Carrillo)定理

4.2.2巴隆(Barron)解答

4.2.3汉斯波(Hansbo)解答

4.2.4赵维炳解答

4.2.5谢康和解答

4.2.6 Leo解答

4.2.7改进的太沙基(Terzaghi)计算方法

4.2.8改进的高木俊介计算方法

4.3砂井地基真空预压固结方程及解答

4.4软粘土的强度理论

4.4.1真强度理论

4.4.2总强度理论

4.4.3有效强度理论

4.5堆载排水固结强度增长计算方法研究

4.5.1有效应力法

4.5.2有效固结应力法

4.6已有真空预压强度增长计算方法分析

4.7真空预压地基强度增长计算研究

4.7.1真空预压地基应力转化原理

4.7.2真空预压加固地基应力分析

4.7.3考虑水位下降真空预压加固地基强度增长计算公式推导

4.8真空预压加固地基强度增长规律研究

4.8.1地基固结度计算

4.8.2地基强度增长规律分析

4.9本章小结

第五章真空预压加固软基承载力研究

5.1概述

5.2软土地基承载力计算分析

5.2.1强度指标的选择

5.2.2计算方法的选择

5.2.3软土地基承载力计算模式

5.2.4按塑性变形区的深度确定地基承载力分析

5.3计算软土地基承载力的经验公式研究

5.3.1十字板强度估算地基容许承载力经验公式分析

5.3.2十字板不排水抗剪强度的影响因素

5.3.3静力触探推求地基承载力经验公式分析

5.3.4标准贯入试验推求地基承载力经验公式分析

5.3.5根据土的抗剪指标确定地基承载力特征值

5.3.6载荷试验确定地基承载力经验公式分析

5.4考虑固结效应的地基承载力计算公式推导

5.4.1瞬时加载情况下考虑固结效应的地基承载力公式推导

5.4.2真空预压考虑固结效应的地基承载力理论计算公式

5.5真空预压加固地基承载力规律研究

5.5.1十字板剪切试验强度推算地基承载力分析

5.5.2静力触探试验结果推算地基承载力分析

5.5.3标准贯入试验结果推算地基承载力分析

5.5.4采用理论计算公式计算地基承载力及增长规律分析

5.6本章小结

第六章真空预压排水固结有限元模拟分析

6.1概述

6.2砂井的处理方法

6.2.1转化成天然层地基的方法

6.2.2转化为砂墙的方法

6.3修正剑桥模型分析

6.4有限元模拟分析

6.4.1 ABAQUS有限元软件简介

6.4.2模型的建立

6.5有限元计算结果及分析

6.5.1沉降计算结果分析

6.5.2侧向位移计算结果分析

6.5.3孔压计算结果分析

6.5.4地基强度和承载力计算结果分析

6.6本章小结

第七章总结与展望

7.1全文总结及主要结论

7.2主要创新点

7.3进一步工作的建议

参考文献

读博期间发表论文篇目

致谢