用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法

摘要

本发明提供一种用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法，对任意给定的附加压力，先取单一竖向排水体的作用影响范围作为单元面积，计算分析地基土的原始竖向通水能力和人工排水体竖向通水能力，确定单元面积内的总通水能力；再计算分析设定的主固结时间内单元面积土体的主固结量，即可得到保证地基稳定条件下软基快速固结处理的沉降速率控制量。本发明操作简单，能较好地用于软基快速固结处理；且该方法能较准确地计算出设定主固结时间内单元面积土体的主固结量，较好地控制软基的沉降速率，在保证地基稳定的同时得到科学安全的最优沉降速率，克服各种标准和规范存在的缺点，大大提高施工效果，并可有效缩短工期、降低工程成本。

说明书

技术领域

本发明涉及地基工程技术，特别涉及一种用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法。

背景技术

在进行软土地基处理的过程中，通常需控制地基的沉降速率，以保证地基的稳定性。目前关于沉降速率的控制存在多种标准，所以关于沉降速率的控制标准状态也较为混乱，具体表现在：

(1)对于地基处理的预压法，不同规范有不同要求，如：①建筑地基处理技术规范JGJ79-2002中“5.3.5对堆载预压工程在加载过程中应进行竖向变形、边桩水平位移及孔隙水压力等项目的监测，且根据监测资料控制加载速率。对竖井地基最大竖向变形量每天不应超过15mm，对天然地基最大竖向变形量每天不应超过10mm；……”；②广东省地基处理技术规范DBJ 15-38-2005中“6.4.5对加载预压法，当观测结果出现下列情况时，应采取措施(加强观测、控制加载速率、停止加载、卸载等)防止地基破坏：1)天然地基竖向位移速率大于15mm/d；2)设置竖向排水体地基位移速率大于15～20mm/d；……”。对比上述两种规范，可以明显看到后者比对应的前者至少大50％。

(2)对于其他的处理方法，由于没有相应的规范，在设计及施工时通常都采用上述规范。

目前，为了使地基稳定，保证工程质量，一般都是按照上述规范对软土地基沉降速率进行控制，然而，上述规范带来一些明显的缺点，主要为：

①在排水条件足够好(如设置了人工排水体)时，上述关于沉降速率的规定或要求就限制了应有的沉降量及其速率(大量原位监测表明：在一定排水条件与地基稳定的条件下，沉降速率可达100mm/d以上，可超过规定约10倍)，若按上述规范进行处理，则极大降低了施工效果、大大提高了工程成本。

②对于其他的处理方法，由于没有相应的规范，所以容易造成无章可循，其结果可能造成沉降速率过小或过大，当沉降速率过小时，容易降低施工效果、提高工程成本；当沉降速率过大时，容易造成地基整体不稳定并被破坏，致使工程失败。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法，该方法能较准确地确定软基快速固结的沉降速率控制量，能在保证地基稳定情况下，取得科学控制的沉降速率，从而提高施工效果、降低工程成本。

本发明通过以下技术方案实现：用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法，该方法是对于任意给定的地基土顶面附加压力条件，考虑地基土的原始竖向通水能力和人工排水体竖向通水能力的共同作用，在保证地基稳定的条件下，确定软基快速固结沉降速率控制值，具体包括以下步骤：

(1)取单一竖向排水体的作用影响范围作为单元面积(对作用影响范围的定义可参考中国电力出版社2006年7月出版的李彰明著作《软土地基处理的理论、设计与工程实践》ISBN 7-5083-4417-0中7.4.1.1节301～302页)，分别计算分析地基土的原始竖向通水能力和人工排水体竖向通水能力，然后确定单元面积内的总通水能力；

(2)根据单元面积的总通水能力，计算分析设定的主固结时间内单元面积土体的主固结量，得到软基快速固结处理的沉降速率控制值。

所述步骤(1)具体为：

(1-1)通过以下公式计算得到地基土的原始竖向通水能力：

q_s＝k_siF_s；

式中，k_s为地基土竖向渗透系数，通过对地基土取样测量得到；i为水力梯度，通过先测量地基土顶面的附加压力P(该压力P包括作用在地基土水位线以上地基土覆盖层本身压力和地基表面荷载)，然后由该附加压力除以深度一米的静水压力与两点间流程得到，即i＝Δh/ΔL＝(P/10)/ΔL，Δh为水头差(长度单位m)，ΔL为形成水头差的两点之间流程(长度单位m)，P是作用在地基土水位线处的等效静态附加应力(应力单位kPa)，深度一米的静水压力按10kPa计；F_s为单元面积对应的地基土土体断面面积。

(1-2)对人工排水体竖向通水能力的计算：

根据排水体的规格型号查表，得到人工排水体中材料允许的竖向通水能力q_a；

通过公式

q_h＝2k_h(t+w)H或q_h＝k_hπdH

计算得到人工排水体的水平渗流供给能力q_h，其中公式q_h＝2k_h(t+w)H用于断面为矩形的人工排水体，公式q_h＝k_hπdH用于断面为圆形的人工排水体；式中，k_h为地基土水平渗透系数，t为人工排水体的有效排水厚度，w为人工排水体的有效排水宽度，H为人工排水体的竖向长度，d为人工排水体的断面直径；

(1-3)比较人工排水体中材料允许的竖向通水能力q_a和人工排水体的水平渗流供给能力q_h，在q_a和q_h中取小值，然后通过公式

q_w＝{q_a，q_h}_min+q_s

得到单元面积内的总通水能力q_w。

所述步骤(2)中对软基快速固结处理的沉降速率控制值(即在设定的主固结时间Δt内的最大沉降量)的计算为：先设定主固结时间，然后通过主固结沉降控制方程

S_max＝Δt({q_a，q_h}_min+q_s)/F_s＝(Δt·q_w)/F_s

计算得到；

方程中，S_max为设定的主固结时间Δt内的最大沉降量，也就是软基快速固结处理的沉降速率控制量，即为设定的主固结时间内单元面积土体所允许的最大主固结量；Δt为设定的主固结时间；q_w为单元面积内的总通水能力；F_s为单元面积对应的地基土土体断面面积。

步骤(2)中计算分析得到所述软基快速固结处理的沉降速率控制值后，可进一步分析评估人工排水体的水平布置(即各排水体的间距)对于地基土沉降速率的影响，进行该分析后，可进一步定量分析预测上述技术方案的总体最终效果，如可推测在要求的固结度(即沉降量)下所需的地基处理工期等，其分析过程具体为：先测量人工排水体之间的距离L，然后得到该距离L对应的水平方向排水路径的最大值a(在人工排水体均匀布置下a＝L/2)，同时在勘察报告中查表得到地基土水平渗透系数k_h，通过公式

t＝a/k_h

计算得到水平渗流时间t，该时间t越大，表明沉降速率越小，地基处理所需工时越长。

计算得到的水平渗流时间t表示控制主固结所需的一种排水渗流时间，而地基处理的工后沉降由两部分组成：一是在地基处理期间尚未完成的主固结沉降量，二是由流变作用导致的次固结沉降量；当地基处理总工期确定时，该渗流时间t越大，地基排水时间越长，导致尚未完成的主固结沉降量也就越大。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法，其操作简单，能较好地适用于科学地实施软基快速固结处理；同时，本控制方法能较准确地计算及分析得到设定的主固结时间内单元面积土体的主固结量，较好地控制软基的沉降速率，在保证地基稳定的同时得到科学、安全的最优沉降速率，克服各种标准和规范存在的缺点，大大提高施工效果，并可有效缩短工期、降低工程成本。

具体实施方式

下面通过多个实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本实施例一种用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法，该方法是地基土顶面附加压力一定时，考虑地基土的原始竖向通水能力和人工排水体竖向通水能力的共同作用，在保证地基稳定的条件下，确定软基快速固结沉降速率控制值，具体包括以下步骤：

(1)取单一竖向排水体的作用影响范围作为单元面积(对作用影响范围的定义可参考中国电力出版社2006年7月出版的李彰明著作《软土地基处理的理论、设计与工程实践》ISBN 7-5083-4417-0中7.4.1.1节301～302页)，分别计算地基土的原始竖向通水能力和人工排水体竖向通水能力，然后确定单元面积内的总通水能力；具体为：

(1-1)通过以下公式计算得到地基土的原始竖向通水能力：

q_s＝k_siF_s；

式中，k_s为地基土竖向渗透系数，通过对地基土取样测量得到(k_s值可参考规范《土工试验方法标准》GB/T50123-1999)；i为水力梯度，通过先测量地基土顶面的附加压力P(该压力P包括作用在地基土水位线以上地基土覆盖层本身压力和地基表面荷载)，然后由该附加压力除以深度一米的静水压力与两点间流程得到，即i＝Δh/ΔL＝(P/10)/ΔL，Δh为水头差(长度单位m)，ΔL为形成水头差的两点之间流程(长度单位m)，P是作用在地基土水位线处的等效静态附加应力(应力单位kPa)，深度一米的静水压力按10kPa计；F_s为单元面积对应的地基土土体断面面积。

(1-2)对人工排水体竖向通水能力的计算：

根据排水体的规格型号查表(可参考规范《公路工程土工合成材料塑料排水板(带)》JT/T521-2004)，得到人工排水体中材料允许的竖向通水能力q_a；

通过公式

q_h＝2k_h(t+w)H或q_h＝k_hπdH

计算得到人工排水体的水平渗流供给能力q_h，其中公式q_h＝2k_h(t+w)H用于断面为矩形的人工排水体，公式q_h＝k_hπdH用于断面为圆形的人工排水体；式中，k_h为地基土水平渗透系数，t为人工排水体的有效排水厚度，w为人工排水体的有效排水宽度，H为人工排水体的竖向长度，d为人工排水体的断面直径；

(1-3)比较人工排水体中材料允许的竖向通水能力q_a和人工排水体的水平渗流供给能力q_h，在q_a和q_h中取小值，然后通过公式

q_w＝{q_a，q_h}_min+q_s

计算得到单元面积内的总通水能力q_w；

比较上述计算过程中的地基土的原始竖向通水能力q_s和人工排水体中材料允许的竖向通水能力q_a，当发现q_s比q_a小得多时，在工程的计算中q_s也可以忽略不计。

(2)根据单元面积的总通水能力，计算设定的主固结时间内单元面积土体的主固结量，得到软基快速固结处理的沉降速率控制值；其中对软基快速固结处理的沉降速率控制值(即在设定的主固结时间Δt内的最大沉降量)的计算方法为：先设定主固结时间，然后通过主固结沉降控制方程

S_max＝Δt({q_a，q_h}_min+q_s)/F_s＝(Δt·q_w)/F_s

计算得到；

方程中，S_max为设定的主固结时间Δt内的最大沉降量，也就是软基快速固结处理的沉降速率控制量，即为设定的主固结时间内单元面积土体所允许的最大主固结量；Δt为设定的主固结时间；q_w为单元面积内的总通水能力；F_s为单元面积对应的地基土土体断面面积。

步骤(2)中计算得到软基快速固结处理的沉降速率控制值后，可进一步分析评估人工排水体的水平布置(即各排水体的间距)对于地基土沉降速率的影响，进行该分析后，可进一步定量分析预测上述技术方案的总体最终效果，如可推测在要求的固结度(即沉降量)下所需的地基处理工期等，其分析过程具体为：先测量人工排水体之间的距离L，然后得到该距离L对应的水平方向排水路径的最大值a(在人工排水体均匀布置下a＝L/2)，同时在勘察报告中查表得到地基土水平渗透系数k_h，通过公式

t＝a/k_h

计算得到水平渗流时间t，该时间t越大，表明沉降速率越小，地基处理所需工时越长。

计算得到的水平渗流时间t表示控制主固结所需的一种排水渗流时间，而地基处理的工后沉降由两部分组成：一是在地基处理期间尚未完成的主固结沉降量，二是由流变作用导致的次固结沉降量；当地基处理总工期确定时，该渗流时间t越大，地基排水时间越长，导致尚未完成的主固结沉降量也就越大。

为方便计算，不失一般性，本实施例的排水体在水平面按正三角形布置，其间距均为等值量L：

若L＝1m，则对应的水平方向排水路径最大值a为50cm(平均路径长为25cm)，

当k_h＝10^-7(cm/s)，则渗流时间为：t＝50(cm)/10^-7(cm/s)＝5×10⁸(s)＝5787(d)，即渗流时间需要5787天；

当k_h＝10^-6(cm/s)，则渗流时间为：t＝50(cm)/10^-6(cm/s)＝5×10⁷(s)＝578.7(d)，即渗流时间需要578.7天；

当k_h＝10^-5(cm/s)，则渗流时间为：t＝50(cm)/10^-5(cm/s)＝5×10⁶(s)＝57.87(d)，即渗流时间需要57.87天；

若L＝1.4m，则对应的水平方向排水路径最大值a为70cm(平均路径长为35cm)，

当k_h＝10^-7(cm/s)，则渗流时间为：t＝70(cm)/10^-7(cm/s)＝7×10⁸(s)＝8102(d)，即渗流时间需要8102天；

当k_h＝10^-6(cm/s)，则渗流时间为：t＝70(cm)/10^-6(cm/s)＝7×10⁷(s)＝810.2(d)，即渗流时间需要810.2天；

当k_h＝10^-5(cm/s)，则渗流时间为：t＝70(cm)/10^-5(cm/s)＝7×10⁶(s)＝81.02(d)，即渗流时间需要81.02天；

由上述几种情况可见，在地基的排水快速固结中，如何改善地基土水平渗透系数是相当关键的；这也是“少击多遍”的实质原因——因为水出不来，击多了不仅不管用，而且可能在地基土体内产生能量饱和；其中，“少”——即要给出合适的能量或水头差，“多”——即要保持较为恒定的能量或水头差；此外，由于地基土体在处理过程中会不断改善，所以渗流时间较上述的计算结果也会有所缩短。同时，通过上述几种情况的计算结果可以很好地解释设置人工排水体后，地基会产生工中沉降大、工后沉降也大的现象——由于排水条件的改善，自由水较易排出，因而工中沉降大，但由于地基土水平渗透系数不够大，所以在有限的工中时间内自由水还只能部分达到排水体边界，因此也就需占用工后时间，同时人工排水体在工后仍有一定功效，故工后沉降也大。

通过上述方法，在本实施例中，取k_h＝10^-7(cm/s)，采用B型塑料排水板[其q_a≥30(cm³/s)，取q_a＝30(cm³/s)](q_a取值时可查规范《公路工程土工合成材料塑料排水板(带)》JT/T521-2004)，通过公式

q_h＝2k_h(t+w)H＝2×10^-7×(0.3+10)×1000＝20.6×10^-4(cm³/s)

计算得到人工排水体的水平渗流供给能力q_h，由于q_h≤q_a，所以{q_a，q_h}_min＝q_h；若要集水30cm³，则需时间30/q_h＝14563s≈4h；而单元面积F_s(＝1.0m²)的排水体每天可集水q_h×3600×24＝20.6×10^-4×3600×24≈178cm³，所以与q_h对应的沉降量为178(cm³)/10000(cm²)＝0.0178cm，即q_h产生的主固结沉降量为0.178mm/d；

取k_s＝10^-7cm/s，其水力梯度i＝Δh/ΔL＝(40/10)/1，其中Δh为作用在地基土水位线处的等效静态附加应力，设为40kPa，深度为1米的水压力为10kPa，ΔL为单位流程；其单元面积对应的地基土土体断面面积F_s＝1.0m²＝10000cm²(排水板断面积仅0.04×1＝0.04cm²，相对极小，可忽略而不计)；所以q_s＝k_siF_s＝10^-7×4×10000＝4×10^-3(cm³/s)，单元面积的软基土每天可集水q_s×3600×24＝4×10^-3×3600×24＝345.6cm³，所以与q_s对应的沉降量为345.6cm³/10000cm²≈0.03456cm，即q_s产生的主固结沉降量为0.346mm/d；

通过主固结沉降控制方程计算每天的总沉降量：

S_max＝Δt({q_a，q_h}_min+q_s)/F_s＝(Δt·q_w)/F_s＝0.178+0.346＝0.524mm/d，

式中，F_s＝1.0m²。

实施例二

本实施例用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法与实施例一相同，但本实施例中，取k_h＝10^-6(cm/s)，采用B型塑料排水板[其q_a≥30(cm³/s)，取q_a＝30(cm³/s)]，通过公式

q_h＝2k_h(t+w)H＝2×10^-6×(0.3+10)×1000＝20.6×10^-3(cm³/s)

计算得到人工排水体的水平渗流供给能力q_h，若要集水30cm³，则需时间30/0.0206＝1456s≈0.4h；而单元面积的排水体每天可集水q_h×3600×24＝20.6×10^-3×3600×24≈1780cm³，所以与q_h对应的沉降量为1780cm³/10000cm²＝0.178cm，即q_h产生的主固结沉降量为1.78mm/d；

由于取k_s＝10^-7cm/s，所以本实施例的q_s产生的主固结沉降量也为0.346mm/d；

通过主固结沉降控制方程计算每天的总沉降量：

S_max＝Δt({q_a，q_h}_min+q_s)/F_s＝(Δt·q_w)/F_s＝1.78+0.346＝2.126mm/d，

式中，F_s＝1.0m²。

实施例三

本实施例用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法与实施例一相同，但本实施例中，取k_h＝10^-5(cm/s)，采用B型塑料排水板[其q_a≥30(cm³/s)，取q_a＝30(cm³/s)]，通过公式

q_h＝2k_h(t+w)H＝2×10^-5×(0.3+10)×1000＝20.6×10^-2(cm³/s)

计算得到人工排水体的水平渗流供给能力q_h，若要集水30cm³，则需时间30/0.206＝145.6s≈0.04h；而单元面积的排水体每天可集水q_h×3600×24＝20.6×10^-2×3600×24≈17800cm³，所以与q_h对应的沉降量为17800cm³/10000cm²＝1.78cm，即q_h产生的主固结沉降量为17.8mm/d；

通过主固结沉降控制方程计算每天的总沉降量：

S_max＝Δt({q_a，q_h}_min+q_s)/F_s＝(Δt·q_w)/F_s＝17.8+0.346＝18.146mm/d。

式中，F_s＝1.0m²。

实施例四

本实施例用于软基快速固结处理的沉降速率控制方法与实施例一相同，但本实施例中，取k_h＝10^-4(cm/s)，采用B型塑料排水板[其q_a≥30(cm³/s)，取q_a＝30(cm³/s)]，通过公式

q_h＝2k_h(t+w)H＝2×10^-4×(0.3+10)×1000＝20.6×10^-1(cm³/s)

计算得到人工排水体的水平渗流供给能力q_h，若要集水30cm³，则需时间30/2.06＝14.56s≈0.04h；而单元面积的排水体每天可集水q_h×3600×24＝20.6×10^-1×3600×24≈178000cm³，所以与q_h对应的沉降量为178000cm³/10000cm²＝17.8cm，即q_h产生的主固结沉降量为178mm/d；

通过主固结沉降控制方程计算每天的总沉降量：

S_max＝Δt({q_a，q_h}_min+q_s)/F_s＝(Δt·q_w)/F_s＝178+0.346＝178.346mm/d。

式中，F_s＝1.0m²。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。