8 湖南工业大学学报 8 年研究背景软土是一种近代水下沉积的饱和松软黏性土, 主要分布在我国沿海地带, 具有天然含水率高孔隙比大抗剪强度低压缩性高和渗透性差等特点 [] 因此, 在软土地基上修建铁路和公路路堤, 极易产生地基失稳和沉降过大等工程问题近年来, 大量的科学研究和工程实

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蛟咸
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1 第 32 卷第 6 期 8 年月湖南工业大学学报 Journal of Hunan University of Technology Vol.32 No.6 Nov. 8 doi:.3969/j.issn 罗光财, 王智超 2, 危春华, 张强 2, 雍邦 (. 中建五局土木工程有限公司, 湖南长沙 ;2. 湘潭大学土木工程与力学学院, 湖南湘潭 5) 摘要 : 为了更好地评价天然软土路基加固处理效果, 采用基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型, 表征天然软土地基的力学特性, 利用大型有限元软件 ABAQUS 建立模型, 模拟路堤分层填筑过程, 获取采用块石压填法处置后的软土路基承载力和变形特征分析了不同块石换填层厚度变形模量不同堆载荷载及填筑时长对软土路基的承载力以及工后沉降变形的影响特征结果表明 : 基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型能够有效地模拟软土路基的变形特征, 能用于复杂路基的工后沉降分析 ; 块石压填层的厚度以及变形模量均对地基承载力有显著影响, 块石压填层的厚度填筑时长以及堆载均对工后沉降有显著影响, 而块石压填层变形模量并不对工后沉降产生明显影响关键词 : 软基处理 ; 块石压填法 ; 弹黏塑性 ; 路基沉降中图分类号 :TU3 文献标志码 :A 文章编号 : (8)6-7-7 Sensitivity Parameter Analysis of Soft Soil Foundation Treated by Block-Stone Filling Method LUO Guangcai,WANG Zhichao 2,WEI Chunhua,ZHANG Qiang 2,YONG Bang (. CCFEB Civil Engineering CO., LTD.,Changsha,China; 2. College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan Hunan 5,China) Abstract:In order to better evaluate the treatment effect of the natural soft soil reinforcement, an elastoviscoplastic constitutive model based on super-subloading surface has been used to describe the mechanical characteristics of the natural soft soil foundation. By using finite element method software ABAQUS, a simulation can be achieved of the layer-filled process of embankment, thus obtaining the bearing capacity and deformation characteristics of the soft soil foundation treated by block-rock compaction method. An analysis has been made of the influence of different thickness, modulus of deformation, different loading and filling time on the bearing capacity of soft soil roadbed and and deformation. The results show that the elasto-viscoplastic constitutive model based on super-subloading surface can effectively simulate the deformation characteristics of the soft soil foundation, which can be used for analysis of complex subgrade. Thickness and modulus of deformation of rock fill have significant effects on the bearing capacity of foundation. Moreover, thickness, length of filling and surcharge of rock fill have significant effects on, while modulus of deformation of rock fill has no significant effect on. Keywords:soft foundation treatment;block-stone filling method;elasto-viscoplasticity;subgrade settlement 收稿日期 :7--8 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (53885), 湖南省自然科学基金资助项目 (6JJ233), 湖南省教育厅优秀青年基金资助项目 (7B26) 作者简介 : 罗光财 (979-), 男, 湖南长沙人, 中建五局土木工程有限公司高级工程师, 主要研究方向为土木工程施工管理, cqbccfeb@63.com

2 8 湖南工业大学学报 8 年研究背景软土是一种近代水下沉积的饱和松软黏性土, 主要分布在我国沿海地带, 具有天然含水率高孔隙比大抗剪强度低压缩性高和渗透性差等特点 [] 因此, 在软土地基上修建铁路和公路路堤, 极易产生地基失稳和沉降过大等工程问题近年来, 大量的科学研究和工程实践已逐步积累了多种行之有效的软土加固措施, 基本解决了地基稳定和工后沉降问题 [2] 然而, 随着高速铁路与高速公路建设等级与设计行车速度的不断提高, 对路基工后沉降的要求也愈加严格, 甚至达到毫米级因此, 如何合理地选择软基处理方法有效地计算和预测软土路基工后沉降, 消除路基沉降所带来的危害仍然是道路工程建设科技领域的一个重要课题目前, 常规的软基处理方法包括排水固结法 [3] 复合地基法 [] [5] [6] 轻质路堤法以及抛石挤淤法等不同的软基处理技术, 均具有一定的适用范围和各自的优劣势韩尚宇等 [7] 认为排水固结法处理软基过程中, 由于扰动了原土层的结构, 将导致设计结论与实际偏差较大复合地基法虽然对路基沉降以及路基稳定控制效果较好, 但其工程造价较高 [8-9] 轻质路堤法通过减小路堤荷载来减小地基沉降, 其施工周期方便控制, 且效果较为明显, 但易引起附加沉降 [] 抛石挤淤法在处理表层淤泥上具有独特技术价值, 是软土地基处理中常用方法, 但该方法在公路深厚软基加固工程中并不多见 [] 对于浅层软基而言, 块石压填挤淤方法相对于其他几种软基处置方法而言, 具有施工难度小处理效果明显工程造价低等优势, 但采用块石压填法进行软土地基处理时, 施工流程和速率都对地基的稳定性和施工安全有着十分重要的影响 [2] 目前针对该类方法的研究成果较多: 张明鸣等 [3] 通过颗粒流理论模拟抛石挤淤施工过程, 发现挤淤深度与抛填强度块石直径以及一次性抛石量均有关联 ; 杨光煦 [] 提出了以下卧淤泥极限承载力计算极限挤淤深度的方法 ; 闫澍旺等 [5] 利用土体极限平衡理论, 推导出抛石挤淤深度与抛石高度的关系上述研究侧重于抛石挤淤过程机理以及挤淤深度, 而对于在大面积抛填时的加载速率变形固结度增长以及土体强度和变形的变化规律没有较为深入的研究本研究采用已提出的基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型表征天然软土地基和路堤回填土的变形特征, 利用大型有限元软件 ABAQUS 建立模型, 模拟了块石压填方法处理后的软土路基的路堤分层填筑过程, 分析了不同块石换填厚度变形模量不同堆载荷载及填筑时长对软土路基的承载力以及工后沉降变形的影响特征, 以期为块石压填法处置软土地基的设计施工提供参考 2 天然软土地基的力学表征 2. 天然软土基本力学特征天然软土具有明显的结构性特征, 通常表现为大孔隙胶结以及组构等物理特性 [6] 考虑组构效应的解构示意图如图所示图中 e 为孔隙比,p 为坚向有效应力这些物理特性不仅使天然软土表现出蠕变和应力松弛等特性, 而且也使其具有明显的加载速率效应 [7] 结构性原状土与重塑土相比具有明显的结构屈服应力, 且在相同竖向有效应力作用下前者具有更大的孔隙比, 随着变形的发展原状土的结构性将逐渐丧失, 最终两者的性状趋于相同 2.2 天然软土的弹黏塑性本构模型本文为了描述天然结构性软土的变形特征, 采用了王智超等图考虑组构效应的解构示意图 Fig. Deconstruction diagram with the constructional effect [8] 构模型, 如图 2 所示 taken into consideration 提出的基于上下负荷面的弹黏塑性本 a) 一维压缩曲线

第 6 期罗光财, 等 9 R 和 R * 的演化规律为 : () 式中 α 和 β 分别为控制 R 和 R *

2 Relative overstress relation based on load surface

及率敏性 ( 土体随着应变速率的增加而产生过应力 ), 分别引入了当前动屈服面 f d 参考下负荷面 f u,

w ) 和分别为任意一通过原点 O 的射线与相应的参考下负荷面正常固结屈服面以及上负荷面的交点则有令通过 A

左右边界固定水平位移且不排水, 底部边界固定水平和竖向位移且不排水 ; 地基表面为排水边界此外,

和 3c 所示 a) 模型几何尺寸 b) 沉降变形分析模型 (2) 式中 : 初始 R 的倒数定义为超固结比, 记为

表明土体无结构性, 并随着 ζ 的减小, 土体的结构性逐步增强按照相对过应力思路, 以上下负荷面为参考屈服面,

为在临界状态时有效应力比 ;η 为偏应力比 ; σ m 为有效平均应力 ;λ 为压缩指数 ;κ 为回弹指数 ; e

Fig. 3 Finite element model of rockfill subgrade 3.

相关模型输入参数如表 ~2 所示参数类型 μ e M λ κ c /s - 表天然软土地基输入参数

3 第 6 期罗光财, 等 9 R 和 R * 的演化规律为 : () 式中 α 和 β 分别为控制 R 和 R * 的演化速率参数 3 有限元模型及参数 b) 动屈服面与参考屈服面图 2 基于上下负荷面的相对过应力关系 Fig. 2 Relative overstress relation based on load surface 为了正确描述土的超固结特性 ( 任何土只要承受卸载就进入超固结状态 ) 结构特性 ( 天然原状土必然有结构性 ) 及率敏性 ( 土体随着应变速率的增加而产生过应力 ), 分别引入了当前动屈服面 f d 参考下负荷面 f u, 参考正常固结屈服面 f s 及参考上负荷面 f w 点 M(p, q) 代表当前的过应力状态, 点 A(p w, q w ) 和分别为任意一通过原点 O 的射线与相应的参考下负荷面正常固结屈服面以及上负荷面的交点则有令通过 A B C 点的 3 个参考屈服面几何相似, () 其中, 参考正常固结屈服面到上负荷面的相似比 R * (<R * ) 以及参考下负荷面到上负荷面的相似比 R(<R ), 分别定义为 3. 有限元模型的建立考虑到路幅的对称性, 所建立的有限元模型为完整路幅的一半模型详细尺寸如图 3a 所示, 左右边界固定水平位移且不排水, 底部边界固定水平和竖向位移且不排水 ; 地基表面为排水边界此外, 为分析块石压填路基的承载力特征和变形特征, 采用有限元模型模拟了荷载板试验和路堤填筑过程, 分析模型分别如图 3b 和 3c 所示 a) 模型几何尺寸 b) 沉降变形分析模型 (2) 式中 : 初始 R 的倒数定义为超固结比, 记为 ω(ω ); 初始 R * 定义为结构性参数 ( 或称灵敏系数 ), 记为 ζ(<ζ ) 当 ζ= 时, 表明土体无结构性, 并随着 ζ 的减小, 土体的结构性逐步增强按照相对过应力思路, 以上下负荷面为参考屈服面, 则可得到结构性软土的动屈服准则函数为 : (3) 式中 : 为黏塑性体积应变率和为黏塑性偏应变率 ;M 为在临界状态时有效应力比 ;η 为偏应力比 ; σ m 为有效平均应力 ;λ 为压缩指数 ;κ 为回弹指数 ; e 为初始孔隙比 ;c 和 m 为材料时间相依性质相关的参数 c) 承载力分析模型图 3 块石压填路基的有限元模型 Fig. 3 Finite element model of rockfill subgrade 3.2 弹黏塑性本构模型的参数利用提出的基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型, 分析块石压填路段的承载力学以及变形特征, 相关模型输入参数如表 ~2 所示参数类型 μ e M λ κ c /s - 表天然软土地基输入参数 Table Input parameters of natural soft soil subgrade 参数值结构性软土参数 m α β ξ OCR k /s - P c /kpa 参数值

4 湖南工业大学学报 8 年表 2 块石压填层及路堤回填土的输入参数 Table 2 Input parameters of rockfill and embankment backfill 类型 μ E /kpa k /s - 块石压填层路堤回填土注 :μ 为泊松比,E 为变形模量,k 为渗透系数同时, 给出了按表参数输入不同深度的天然软土, 按加载速率. mm/min 的三轴不排水剪切试验的结果, 如图所示从图可以看出, 利用基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型能较好地表征天然软土应变软化的特征数值计算方案为了分析块石压填路基的承载力特征, 采用有限元方法, 重点针对块石压填层的变形模量以及厚度 2 个变量, 数值模拟了荷载板试验其中, 荷载板宽 3 cm, 弹性模量取为 2 GPa, 泊松比取为.3, 将其置于路堤中心, 沿竖向压入地基中, 累积 25 mm 对应的应力代表了地基的承载力特征值由于常规荷载板试验中每级荷载稳定标准为. mm/h, 可据此设定加载速率, 即加载速率一般应不低于. mm/h 即可在有限元模拟中, 累积加载量设为 3 mm, 加载时长设为 3 h 具体计算方案如表 3 所示表 3 承载力特征值试验方案 Table 3 Scheme of bearing tests a)p -q 曲线厚度 /m 变形模量 /MPa 3 b)ε -q 曲线图不同深度天然软土地基的不排水三轴压缩试验 Fig. Undrained triaxial test results of natural soft soil foundation of different depths 此外, 为了分析块石压填路基沉降变形的控制指标, 借助有限元方法, 重点模拟了不同的填筑时长块石压填模量块石压填厚度以及堆载等因素对路基工后沉降的影响, 为确定最优施工方案提供参考具体计算方案如表所示其中填筑时长有如下种方式, 方式 : 每层填筑时长为 d 方式 2: 每层填筑时长为 6 d 方式 3: 前层填筑时长为 6 d, 最后一层稳定 365 d 方式 : 前 3 层和最后一层填筑时长为 6 d, 第层稳定 365 d 表变形特征试验方案 Table Scheme of deformation tests 方案厚度 /m 填充方式堆载 /kpa 变形模量 /MPa 方案厚度 /m 填充方式堆载 /kpa 变形模量 /MPa 块石压填法影响因素分析 5. 块石压填层变形模量对承载力的影响取块石压填层厚度为.2 m, 其变形模量分别取为 2,, 3, MPa; 取块石压填层厚度为 m, 其变形模量分别取为 2,, 3, MPa, 对比地基的承载力特征值, 如图 5 所示

因此通过强夯等措施增加块石压填层的变形模量的方式并不可取 b) 块石压填区厚度为 m 图 5 块石压填层的变形模量对承载力特征影响 Fig.

5 第 6 期罗光财, 等 a) 块石压填区厚度为.2 m 5.3 块石压填层变形模量对路基沉降变形的影响填筑按 cm 一层, 共分 5 层填筑, 每层填筑时间取 d, 在路基下填筑 m 厚的块石压填层, 压填层的变形模量分别取 2,, 3,, 5 MPa, 对比它们的最终沉降特征如图 7 所示从图中可以看出, 通过增强块石压填层的变形模量并不能有效改善路基的工后沉降, 仅能抑制施工中的变形量, 但并不能减少工后长期沉降, 因此通过强夯等措施增加块石压填层的变形模量的方式并不可取 b) 块石压填区厚度为 m 图 5 块石压填层的变形模量对承载力特征影响 Fig. 5 The influence of rock fill deformation modulus on 从图中可以看出, 块石压填层厚度不同时, 地基承载力特征值均随着变形模量的增大而增大根据路基规范, 路基的承载力特征值需在 5 kpa 以上, 因此, 对于.2 m 厚块石压填层, 变形模量应不低于 MPa; 对于 m 厚块石压填层, 变形模量应不低于 MPa bearing capacity 5.2 块石压填层厚度对承载力的影响取块石压填层的变形模量为 MPa, 其厚度分别取为 2.,,.2,.8 m, 对比地基的承载力值, 如图 6 所示从图中知, 随着压填层厚度的增大, 地基承载力特征值逐渐增大, 块石压填层的厚度对其承载力特性敏感, 对于深度为 5 m 的软土地基, 其块石压填的厚度应在 m 左右, 能将块石压填的变形模量减少为 MPa 以内, 使得地基承载力特征值大于 5 kpa, 才有可靠在施工中得以实现图 6 块石压填层的厚度对承载力特征影响 Fig. 6 The influence of the thickness of rock fill on the bearing capacity characteristics 图 7 块石压填层不同变形模量对工后沉降影响 Fig. 7 The influence of rock fill deformation modulus on 5. 块石压填层厚度对路基沉降变形的影响块石压填层的变形模量取为 MPa, 按照 cm 一层, 前 3 层和最后层填筑时长 6 d 第层稳定 365 d, 堆载取为 3 kpa, 块石压填层厚度分别取为 m 和.2 m, 对比它们的最终沉降特征如图 8 所示图 8 块石压填层厚度对工后沉降影响 Fig. 8 The influence of rock fill thickness on 从图 8 可知, 块石压填层的厚度对路基工后沉降有显著影响, 随着块石压填层厚度的增大, 路基工后沉降量显著减小对于 5 m 厚的软土地基堆载 3 kpa, 块石压填厚度需为 m, 才能将工后总沉降控制在 3 cm 以内, 约为 28.2 cm 若软土地基厚度稍薄, 则块石压填的厚度也可适当减少 5.5 填筑时长对路基沉降变形的影响在路堤下填筑 m 厚的块石压填层, 压填层的变形模量取为 MPa, 按照 cm 一层, 每层填筑时间按 d( 方式 ) 6 d( 方式 2) 以及前层

9 The influence of embankment filling time on 从图中可以看出, 随着填筑时长的增大, 工后沉降量显著降低由此可知, 通过在施工期内适当增长填筑时长可以减少路基的工后沉降, 但还不能将总沉降控制在 3 cm 内因此, 还必须寻找其他途径来抑制路基的工后沉降 5.6 堆载对路基沉降变形的影响当路堤下填筑.

6 2 湖南工业大学学报 8 年 6 d 最后一层稳定 365 d( 方式 3)3 种填筑时长, 对比它们的最终沉降特征如图 9 所示从图 a 可知, 对于.2 m 厚的块石压填层, 通过在施工期内适当堆载 5 kpa 左右才能将工后总沉降控制在 3 cm 内, 约为 29.5 cm 从图 b 可知, 对于 m 厚的块石压填层, 通过在施工期内适当堆载 3 kpa 左右能将工后总沉降控制在 3 cm 内, 约为 27.5 cm 6 结论图 9 路堤填筑时长对工后沉降影响 Fig. 9 The influence of embankment filling time on 从图中可以看出, 随着填筑时长的增大, 工后沉降量显著降低由此可知, 通过在施工期内适当增长填筑时长可以减少路基的工后沉降, 但还不能将总沉降控制在 3 cm 内因此, 还必须寻找其他途径来抑制路基的工后沉降 5.6 堆载对路基沉降变形的影响当路堤下填筑.2 m 厚的块石压填层, 压填层的变形模量取为 MPa, 按照 cm 一层, 前 3 层和最后层填筑时长 6 d 第层稳定 365 d( 方式 ), 堆载分别取为, 3, 5 kpa; 当路堤下填筑 m 厚的块石压填层, 压填层的变形模量取为 MPa, 按照 cm 一层, 前 3 层和最后层填筑时长 6 d 第层稳定 365 d, 堆载分别取为,, 3 kpa, 对比它们的最终沉降特征如图所示本研究采用基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型对天然软土路基进行表征, 并构建了天然软土地基有限元模型, 针对块石压填法处置软土路基这一实际工程问题, 分析了块石压填层厚度变形模量堆载和填筑时长对天然软土路基承载力和变形特征的影响, 主要结论如下 : ) 压填块石的变形模量及厚度是影响路基承载力特征值大小的主要因素, 随着块石压填层变形模量以及厚度的增大, 地基承载力特征值增大建议施工中针对具体工况调整块石厚度和变形模量, 选取最佳配比方案 2) 块石压填层变形模量仅影响施工过程中的变形量, 并不能影响工后沉降因此, 通过增强块石压填层的变形模量并不能有效改善路基的工后沉降 3) 块石压填层的厚度填筑时长以及堆载等因素都会对路基的工后沉降产生显著影响通过增加块石压填层的厚度增加填筑时长以及在施工期内适当堆载, 能有效地减小工后沉降参考文献 : a) 块石压填层厚为.2 m b) 块石压填层厚为 m 图堆载对工后沉降影响 Fig. The influence of surcharge on [] 常士骠. 工程地质手册 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,992: CHANG Shibiao. Engineering Geologic Manuals[M]. Beijing:China Architecture & Building Press,992: [2] 魏汝龙. 软粘土的强度和变形 [M]. 北京 : 人民交通出版社,987:5-2. WEI Rulong. Strength and Deformation of Soft Clay[M]. Beijing:China Communications Press,987:5-2. [3] 邓礼久, 金亮星, 罗嘉金. 塑料排水板堆载预压法处理软基的固结效果 [J]. 铁道科学与工程学报,3, (3): DENG Lijiu,JIN Liangxing,LUO Jiajin. Consolidation Effect of Reinforcing Soft Soil Foundation by Preloading Accumulating Load Method with Plastic Drainage Plate[J]. Journal of Railway Science & Engineering, 3,(3): [] 雷胜友, 李肖伦, 李洋, 等. 高速铁路路基下复合

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01-0982.doc 第 32 卷第 7 期岩土工程学报 Vol.32 No.7 2010 年 7 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2010 沿海碎石回填地基上高能级强夯系列试验对比研究年廷凯 1,2, 水伟厚 3, 李鸿江 4, 杨庆 1,2, 王玉立 (1. 大连理工