大面積堆載作用下軟土地基變形特性

1、第24卷 第6期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) Vol.24 No.62005年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ，2005收稿日期：20030819；修回日期：20031208作者簡(jiǎn)介：金宗川(1971 ，男，碩士，1994年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢 ，現(xiàn)任上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院巖土技術(shù)中心總工，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、地基處理及環(huán)境治理方面的研究工作。E-mail ：sgidi。大面積堆載作用下軟土地基變形特性金宗川1，顧國(guó)榮1，韓黎明2，郭春生1，陳 杰1(1. 上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上海 200031

2、；2. 中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，北京 100101摘要：通過(guò)在大面積堆載場(chǎng)地設(shè)置監(jiān)測(cè)儀器，進(jìn)行歷時(shí)3 a 的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)大面積堆載作用下軟土地基的變形特性和加載條件、地層條件、排水條件、時(shí)間效應(yīng)等的相關(guān)性進(jìn)行分析研究，揭示了大面積堆載作用下軟土地基變形特性不同于常規(guī)荷載作用下軟土地基變形特性的規(guī)律，總結(jié)了在不同邊界條件下軟土地基變形和固結(jié)沉降的規(guī)律，為軟土地基的固結(jié)沉降分析計(jì)算提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞：土力學(xué)；大面積堆載；監(jiān)測(cè)；變形特性中圖分類(lèi)號(hào)：TU 441+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10006915(200506105605DEFORMATION PROPERTIES OF SOFT

3、 SUBSOIL UNDERLARGE-SCALE PRELOADJIN Zong-chuan1，GU Guo-rong1，HAN Li-ming2，GUO Chun-sheng1，CHEN Jie1(1. Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute，Shanghai 200031，China ；2. Airport Plan and Design Institute，Beijing 100101，China Abstract ：An in-situ monitor was installed on large-scale

4、 preloading field ，where the field monitoring was preformed and lasted for three years. With the help of the date analysis of field monitoring，the paper presents the correlations among subsoil deformation, preloading construction，subsoil properties，permeability coefficient，and time period. It is fou

5、nd that deformation properties of soft subsoil under large-scale preloading are different from these under common loading，and the deformation and consolidation laws of soft subsoil with different border conditions during the period of preloading are obtained. The achieved results can provide a basis

6、 for the analysis and calculation of consolidation and settlement for soft subsoil.Key words：soil mechanics；large-scale preloading；monitoring ；deformation property1 引 言大面積堆載場(chǎng)地系近期圍海造地形成，長(zhǎng)約6.5 km，寬約0.5 km，地表土層主要為灘地，局部有漁塘和耕地；地基土層在10 m以下有厚約20 m的飽和軟粘土，沿長(zhǎng)度方向有一條寬約500 m 、最大深度達(dá)65 m的古河道貫穿場(chǎng)地。堆載預(yù)壓前原始地面標(biāo)高一般在3.5

7、m ，設(shè)計(jì)吹砂體頂面標(biāo)高為7.2 m 。施工分2個(gè)階段完成：第1階段堆至5 m 標(biāo)高，第2階段堆至7.2 m標(biāo)高。堆載體采用吹填砂，預(yù)壓時(shí)地基土中不設(shè)置砂井和塑料排水板等豎向排水措施。眾所周知，堆載預(yù)壓可以基本消除淺層土的不均勻沉降、特別是深層軟土地基的固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。大面積堆載作用下地基土的應(yīng)力分布基本呈矩形，但大面積堆載的影響深度、地基土隨歷時(shí)的固結(jié)沉降規(guī)律、地基土的變形和排水條件的關(guān)第24卷 第6期 金宗川等. 大面積堆載作用下軟土地基變形特性 1057 系，以及地基土的側(cè)向變形和土性的關(guān)系等需要通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)進(jìn)一步分析研究。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖1。本文主要對(duì)I ，II 斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反

8、映的變形規(guī)律進(jìn)行分析。2 土層分布和土層特性地基土層按其宏觀特性可分成3個(gè)層組。淺部層組(深度為010 m：以粉性土為主，夾層厚不均的飽和軟粘土；該層組土層結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均勻，有較高的水平向和垂直向的滲透系數(shù)，但由于層狀粘性土的隔水作用，因而不利于土體豎向排水固結(jié)。中部層組(深度為1065 m：以粘性土為主，具有高含水量、大孔隙比、低強(qiáng)度、高等壓縮性以及低滲透系數(shù)等特點(diǎn)，不利于土體排水固結(jié)；該層組在附加應(yīng)力作用下是產(chǎn)生主、次固結(jié)沉降的主要層組。深部層組(深度為65 m以下 ：以砂性土為主，中密密實(shí)，具有中低等壓縮性。各土層的主要物理力學(xué)特性見(jiàn)表1。3 堆載作用下軟土地基變形特性及分析163.

9、1 軟土地基變形與時(shí)間、排水條件的關(guān)系圖2中地表沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線呈“緩變型”變化，無(wú)明顯的加載初期陡降段和固結(jié)趨于穩(wěn)定的水平段。從曲線特征分析，加載初期由于吹砂施工是采用慢速堆載，且伴隨大量水進(jìn)入砂體，故實(shí)際堆積的荷載較小，土體的變形不明顯。但相比較而言，在吹砂剛完成的一段時(shí)間內(nèi)(2001年212月 ，地表沉降曲線相對(duì)較陡，沉降速率為0.71.0 mm/d。而在2002年112月以后的堆載維持期內(nèi)，地表沉降曲線較為平緩，沉降速率為0.40.5 mm/d，且在逐漸減小，但不明顯。至2003年4月沉降速率為0.30.4 mm/d，隨堆載時(shí)間的延長(zhǎng)，土體的變形仍在繼續(xù)?！熬徸冃汀钡乇沓两登€和

10、慢速加載、地基土屬排水不暢的飽和粘性土的特征相吻合。 圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置Fig.1 Arrangement of monitoring points表1 土層主要物理力學(xué)特性 Table 1 Mechanical properties of subsoil固結(jié)快剪峰值強(qiáng)度 滲透系數(shù) /105 cm s 1 土層 分組土層名稱(chēng)含水量 /% 孔隙比壓縮系數(shù)/MPa1c /kPa /(° K v K h 固結(jié)系數(shù) （200400 kPa） /105 cm 2s 1十字板強(qiáng)度/kPa 高壓固結(jié)OCR 靜探P s /MPa 2層粘質(zhì)粉土35.5 1.01 0.40 8 27.0 14.4 5.

11、46 18.70 0.57 3層砂質(zhì)粉土 31.3 0.89 0.18 5 30.5 13.9 25.90 15.80 2.04 1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土39.4 1.12 0.63 12 22.5 0.22 0.78 9.13 22.0 0.55 淺部 層組 2層砂質(zhì)粉土 30.9 0.91 0.15 5 29.5 17.3 32.90 17.60 2.01 1層淤泥質(zhì)粘土52.0 1.47 1.15 14 11.0 0.03 0.05 1.15 25.8 1.05 0.59 11層粘土 38.8 1.09 0.58 15 14.0 0.02 0.17 6.65 39.0 1.15 0.85 中部

12、 層組 12層粉質(zhì)粘土 37.4 1.10 0.50 17 16.0 0.05 0.60 10.10 1.20 1.23 深部 層組層砂質(zhì)粉土30.90.850.14331.514.207.241058 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005時(shí)間/年. 月 時(shí)間/年. 月(a I 斷面 (b II 斷面圖2 I，II 斷面地表沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Curves between surface settlement and time in section I and II圖3為I ，II 斷面地表沉降曲線圖。從曲線特征分析可知：軟土地基的變形和排水條件密切相關(guān)，相同土層滲透系數(shù)情況下，排水路徑

13、越短，土體的沉降量越大。I 斷面上邊緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的排水路徑短，位于中心位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)排水路徑最長(zhǎng)，因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量為邊緣大，中間小，曲線形狀呈“馬鞍形”。這一曲線形狀和土力學(xué)中的柔性基礎(chǔ)、均布荷載下的地基變形特征不吻合?！榜R鞍形”的地基變形特征是大面積堆載作用下，場(chǎng)地排水路徑足夠長(zhǎng)，基礎(chǔ)假定為完全柔性，且土體排水條件不暢情況下的特有特征。假定堆載時(shí)間足夠長(zhǎng)，或土體的排水條件足夠通暢的條件下，地基土的變形為一個(gè)“馬鞍形”到“拋物線形”的變化過(guò)程。II 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本位于場(chǎng)地中心，排水路徑的長(zhǎng)度基本相同，其沉降量大小僅反映土體的不均勻性，其中SII11點(diǎn)因場(chǎng)地預(yù)先堆土的緣故，沉降量最小。3.2 軟土

14、地基變形隨深度的變化規(guī)律軟土地基變形在深度方向的規(guī)律可通過(guò)分層沉降來(lái)揭示，圖4為分層沉降散點(diǎn)圖。從圖中可以看出：經(jīng)擬合后分層沉降的特征曲線是一個(gè)“開(kāi)口向下的拋物線”；堆載預(yù)壓作用下所產(chǎn)生的沉降量在淺部土層最大，其衰減量亦最大；隨開(kāi)口的增大，沉降量減小，其衰減變緩。上述變化和土層特性密切相關(guān)，在淺部層組，土體以粉性土為主，土體滲透性相對(duì)較大，故土體的變形量最大。在中部層組，以飽和粘性土為主，土體滲透系數(shù)小，無(wú)豎向排水通道，水平排水距離長(zhǎng)，排水條件差，故其排水固結(jié)速度極其緩慢，土體的變形量小。在深部層組，土體基本為不可壓縮土層。不同土層的分層沉降量見(jiàn)圖5。3.3 地基土變形和孔壓、土壓力的關(guān)系圖6

15、為超孔壓、土壓力歷時(shí)變化曲線。從圖中可以看出：超孔壓、土壓力變化經(jīng)歷了3個(gè)階段，即初始值階段、第一超孔壓增量階段和第二超孔壓增量階段，2次超孔壓增量對(duì)應(yīng)了2次施工加載量，(a I 斷面(從上至下依次為2001年12月、2002年6月、 (b II 斷面(從上至下依次為2001年12月、2002年6月、2002年12月、2003年4月沉降曲線 2002年12月、2003年4月沉降曲線圖3 I，II 斷面地表沉降曲線圖Fig.3 Curves of surface settlement with different time in section I and II沉降量/m m沉降量/m m沉降量

16、/m m沉降量/m m第24卷 第6期 金宗川等. 大面積堆載作用下軟土地基變形特性 1059 圖4 分層沉降散點(diǎn)圖Fig.4 Settlement scatter scheme of various subsoils withdepth increasing 圖5 分層沉降量柱狀圖Fig.5 Total settlement column of various subsoils其土壓力增大反映了施工的2次加載過(guò)程，且土壓力隨時(shí)間在緩慢增大，這主要是由于地下水位的降低，使得堆載體的有效荷載在緩慢增加。孔壓、超孔壓隨深度的變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖7。由圖7(a可知，孔壓在040 m 深度基本呈線性關(guān)系，

17、在40 m以下和深度無(wú)線性關(guān)系。超孔壓隨深度的變化關(guān)系曲線(圖7(b類(lèi)似于雙向排水條件下的超孔壓分布，但是從地層條件分析，實(shí)際排水接近單面排水的條件，在深部土層超孔壓較小或接近于零是因?yàn)槎演d的影響深度有限，且深部層組以砂性土為主。在大面積堆載作用下，淺部層組產(chǎn)生的超孔壓較大，一般為4065 kPa，隨著時(shí)間的推移，超孔壓緩慢消散，但由于受地表降水補(bǔ)給等因素影響，超孔壓消散呈年周期性變化。中部層組產(chǎn)生的超孔壓最大，其值一般為6075 kPa ，由于中部層組以粘性土為主，其排水條件差，孔壓積聚難以消散，故隨時(shí)間的推移，中部層組超孔壓消散不明顯。深部層組的孔壓增量很小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從超孔壓消散

18、來(lái)分析土體的變形規(guī)律可知：在淺部層組，土體的滲透性較好，伴隨超孔壓消散，土體的有效應(yīng)力不斷增加，地基土變形以垂直向的壓縮固結(jié)變形為主；在中部層組，土體的滲透系數(shù)小，超孔壓積聚難以消散，地基土變形是土體的固結(jié)變形和蠕變變形的疊加，且土體蠕變變形在這一階段更大。但是，假定土體的豎向排水條件足夠通暢，超孔壓消散時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，中部層組的變形應(yīng)以壓縮固結(jié)變形為主。 3.4 地基土側(cè)向變形特性由圖8可知：I 斷面的XI 1和XI 2點(diǎn)土體最大側(cè)向位移分別發(fā)生在深度18，14 m 處；最大側(cè)向位移分別為110，140 mm，最大側(cè)向位移點(diǎn)發(fā)生在土體最軟弱的層飽和軟弱粘性土層中。最大側(cè)向位移與排水條件和土層條

19、件有關(guān)，由于XI 2點(diǎn)的排水條件優(yōu)于XI 1點(diǎn)，而地基土層條件差于XI 1點(diǎn)。因此，XI 2點(diǎn)的最大水平位移大于XI 1點(diǎn)的最大水平位移。土體條件差，且排水條件好的地層，最大滑移點(diǎn)相應(yīng)上移。 圖6 超孔壓、土壓力歷時(shí)變化曲線Fig.6 Time history curves between ultro-pore pressure and preload1060 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005 (aI ，II 斷面孔壓散點(diǎn)圖 (b I ，II 斷面超孔壓散點(diǎn)圖圖7 孔壓、超孔壓隨深度的變化關(guān)系曲線 Fig.7 The variation curves between pore and ultra-

20、porepressure with different depths(a XI 1 (b XI 2圖8 土體側(cè)向位移曲線Fig.8 The side deformation curve of subsoil3.5 地基土變形的最大影響深度分層沉降、超孔壓和地基土側(cè)向位移的觀測(cè)結(jié)果顯示，在大面積堆載作用下最大影響深度為4045 m。如此大的影響深度表明，大面積堆載作用下地基變形的影響深度超出常規(guī)荷載作用下的影響深度，因此在沉降計(jì)算時(shí)應(yīng)引起注意。4 結(jié) 語(yǔ)(1 大面積堆載作用下軟土地基地表沉降量與時(shí)間關(guān)系曲線呈“緩變型”變化，無(wú)明顯的加載初期陡降段和固結(jié)趨于穩(wěn)定的水平段。(2 在一定的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，

21、軟土地基變形在地層排水條件差，排水路徑長(zhǎng)短不一的監(jiān)測(cè)斷面上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量呈現(xiàn)邊緣大、中間小的“馬鞍形”。(3 軟土地基在深度方向分層沉降的特征曲線是一個(gè)“開(kāi)口向下的拋物線”，分層沉降量大小與土性和排水條件有關(guān)。(4 從超孔壓的消散來(lái)分析土體的變形規(guī)律可知：在淺部層組，以粉性土為主，地基土變形以垂直向的壓縮固結(jié)變形為主；在中部層組，以飽和軟粘性土為主，地基土變形是土體固結(jié)變形和蠕變變形的疊加。(5 土體最大側(cè)向位移發(fā)生在土性最弱的土層，且排水條件好的一側(cè)。最大位移點(diǎn)在深度上隨排水和土層條件的變化而變化。(6 大面積堆載作用下地基變形的影響深度超出常規(guī)荷載作用下的影響深度。 參考文獻(xiàn)(References：1陳仲頤，周學(xué)星，王洪瑾. 土力學(xué)M. 北京：清華大學(xué)出版社，1995.(Chen Zhongji，Zhouxuexing ，Wang Hongjin. Soil MechanicsM. Beijing ：Tsinghua University Press，1995.(in Chinese 2陳小平，白世偉. 軟土蠕變固結(jié)特性及計(jì)算模型研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(5：728734.(Chen Xiaoping，Bai Shiwei. Research on creep-consolidation characteristics