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云计算-塑料排水板处理软土地基的计算分析.pdf
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云计算-塑料排水板处理软土地基的计算分析.pdf
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第一章
绪论
1.1引言
我国东南沿海和内陆广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱粘性土层,
这种土层的特点是含水量大、压缩性高、强度低、透水性差,并且在很多情况
下,其土层的埋藏深度很大。由于其压缩性高、透水性差,在建筑物荷载作用
下会产生相当大的沉降和沉降差,而且沉降的延续时间很长,有可能影响建筑
物的正常使用。另外,由于其强度低,地基承载力和稳定性往往不能满足工程
要求。因此,通常需要对这种地基采取处理措施,排水固结就是处理软粘土地
基的有效办法之一。该方法是对天然地基,或先在地基中设置排水板、砂井等
竖向排水体,然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载,或是在建筑物建造以前,
在现场先进行加载预压,使土体中的孔隙水排出,逐渐固结,地基发生沉降,
从而使强度逐步提高。
对沉降要求较高的建筑物,如高速公路、机场跑道等,经常采用预压法处
理地基[1
30待预压期间的沉降达到要求后移去预压荷载再建造建筑物。对于主
要应用排水固结法来加速地基土抗剪强度的增长、缩短工期的工程,如路堤、
土坝等,则可利用本身的重量分级施加,使地基土强度的提高适应上部荷载的
增加,最后达到设计荷载。
排水固结法由排水系统和加压系统两部分共同组合而成。
排水系统:设置排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件,增加孔
隙水排出的途径,缩短排水距离。该系统由水平排水垫层和竖向排水体构成。
当软土层较薄或土的渗透性较好而施工期较长时,可仅在地面铺设一定厚度的
砂垫层,然后加载,土层中的水竖向流入砂垫层而排出。当工程上遇到深厚的
透水性很差的软粘土层时,可在地基中设置砂井、排水板等竖向排水体,地面
连以排水砂垫层,构成排水系统。
加压系统:即是起固结作用的荷载,它使地基土的固结压力增加而产生固
结。
排水系统是一种手段,如果没有加压系统,孔隙中的水没有压力差,水不
会自然排出,地基也就得不到加固;如果只增加固结压力,而不是提供排水通
道缩短土层的排水距离,则不能在预压期间尽快地完成设计所要求的沉降量,
强度不能及时提高,加载也就不能顺利进行。所以上述两个系统,在设计时总
是联系起来考虑的。
1.2处理软土地基的垂直排水方法
1.2.1垂直排水加固软基的基本原理和发展过程
在软土地基上直接建造构造物和进行填土时,地基将由于固结和剪切变形
产生很大的沉降,甚至由于强度不足而产生破坏。但是,如果作用于地基的荷
载小于地基破坏荷载时,则在荷载压力的作用下软土层将产生固结从而提高其
强度。根据固结理论,粘性土固结所需的时间与排水距离的平方成正比,因此
要缩短固结的时间,减少排水距离是最有效的办法。垂直排水法就是以缩短固
结沉降所需的时间为目的,在软基中埋设许多垂直排水通道,如砂井、纸排水
板和塑料排水板,人为地形成固结排水通道的一种方法,其分类如下表:
表l-1软基处理垂直排水法的分类
方法名称
适用地基
最大处理深度 排水材料
振动打入
软粘土地基
30m
砂
砂井排水法
射水打入
软粘土地基
30m
砂
冲击打入
软粘土地基
30m
砂
袋装砂井法
超软粘土地基
30m
聚乙烯沙袋
纸板排水法
超软粘土地基
25m
厚纸板
塑料板排水法
超软粘土地基
25m
塑料板
绳索排水法
超软粘土地基
25m
特殊加工的麻绳
塑料板排水(Plastic
drainage
board
well)法是垂直排水法的一种,塑料板
是一种新型的复合型土工合成材料,它由塑料制成排水芯带,外包一层透水土
工织物滤膜组成,将其打入软土地基之中,作为排水通道,可使软土地基加速
排水固结。它是在砂井排水法和纸板排水法的基础上发展起来的。
人们最先使用30.50cm的砂井作为排水材料进行垂直排水法软基处理,并
且形成了较为实用的固结理论如:Barron的等应变理想井理论吃、33、Richart定
理¨3、高木俊介固结理论皓1等等。但是,当地基产生变形时,砂井易被截断,
不能保持砂井的连续性。对于这种情况,后来采用将砂填入透水的袋中形成连
续性良好的袋装砂井。
,
1936年瑞典土质学家Kjellman哺1首先研制了排水纸板,利用带沟槽的纸板
作为排水通道。最先,以瑞典及比利时为中心的纸板排水法主要在欧洲广为采
用,后来日本也采用这种方法。以美国为代表的美洲系统则多采用砂井排水法。
纸板排水法的先期效果较好,但是,纸板排水材料存在被堵塞、腐蚀、施打时
2
被截断,以及排水通道内水头损失随时间增大等许多问题,随后发展成塑料排
水板。我困于80年代初期开始引进此种材料,其应用发展很快,现己逐渐代替
砂井,广泛应用于海港、公路、铁道、水利、建筑等土木工程的各个领域。它
有如下优点”1:
(1)塑料排水板系工厂定型产品,质量均匀,排水效果良好。
(2)塑料具有一定强度和延伸率,随地基变形允许有一定的变形。
(3)重量轻,搬运方便,施工质量易控制和检查。
(4)插板机械较轻,在砂井不可能施工的超软土地基上也能施工。
(5)材料断面尺寸小,插板时扰动小,连续性好。
(6)施工速度快,劳动强度小,工程费用较低,施工场地清洁。
1.3塑料排水板法的研究现状和发展
塑料板排水施工的目的主要是尽快排除淤泥中的水,使软土地基固结,提
高土的承载能力。十几年来我国在塑料排水板应用方面积累了很多经验,用试
验法和固结计算方法可求得最终沉降量。但是,饱和土体受压后,一般都要经
历缓慢的渗流固结过程,压缩变形才能终止。工程设计中,除了要知道最终沉
降量外,往往还要知道沉降的变化过程。以及沉降与时间的关系。此外,在研
究土体的稳定性时,还需要知道土体中孔隙水压力有多大,特别是超静孔隙水
压力。这两个问题需依赖土体渗流固结理论方能得以解决。
塑料排水板是在砂井基础上发展起来的,设计中大多采用砂井的设计经验
和试验相结合的方法,计算中通常采用Terzaghi一维固结理论嗯3。
而实际上,塑料排水板打入软土层后加载预压,不仅存在竖直方向的排水,
而且存在水平方向的排水,因此采用二维和三维的固结理论才能与实际情况相
符合。目前,国内许多专家和学者采用二维的Blot固结理论对此作了研究,通
过建立非线性的固结模型、用有限单元法计算出沉降与时间的关系,一定程度
上取得了进展:
●
1991年,为了修建沪宁高速公路,南京水利科学研究院对塑料排水板软基
处理做了大量的现场试验研究,取得了一定的成果哼3。采用的方法是通过对比
试验来验证塑料排水板的处理效果,固结计算采用等效砂井的半经验公式计算,
出版了论文专集《高速公路软基处理》。在塑料板排水软基处理方面,这是我国
一项大型的试验研究,主要做大量的现场对比试验,为以后的理论研究提供了
依据。
1990.1992年,深圳市福田保税区的建设采用了大面积盼塑料排水板排水软
基处理工程,许多学者对此工程作了较为全面系统的研究,并出版了论文专集
一中深福田开发公司工程文集《福田保税区专集》[10
3
o这是深圳首次采用更大
规模的塑料排水板软基处理,研究者们主要从实验角度对此方法进行研究,为
深圳以后大面积地使用此方法作理论准备。
1986年,Gray
D
H,AI.RefeN
T[1l】对加筋土(软土层上铺盖土工格网)强度
模型进行了研究,从理论上探讨适合加筋土的应力应变模型。1992年,吴志雄、
赵乃茹”21利用煤炭科学基金对塑料排水板软基处理的应力应变模型进行研究,
在理论与实践研究的基础上,提出了一个改迸的加筋土强度模型,该模型能较
好的符合加筋土的应力应变特性。
.
1992年,Hird
C
C,Pyrah
I
C,Russell
Dtl31利用有限单元法对塑料排水板加固
软土堤坝进行了三维数值模拟。1994年李广信、陈轮、蔡飞…1对加筋土体的
应力变形的计算方法作了研究,找到了较为有效的计算方法。
1996年,南京市绕城公路二期工程板桥试验段采用土工织物和塑料板排水
联合处理地基,获得了很好的加固效果。河海大学赵维炳教授采用平面应变Biot
固结有限单元法,计算分析了此工程加固处理的固结过程‘1530计算中将塑料排
水板合理地简化成等效的排水砂墙,而且比较全面地考虑了土工织物加筋复合
体的应力应变特性。
以上是塑料排水板软基处理的研究现状,这些处理方法试验研究较多,应
该说,饱和土的现有固结理论是比较完善的,但是在某些实际应用中还存在一
定的问题,参数选择上研究较少,不少工程的固结计算结果与实际测量结果有
相当的差别,理论计算,特别是大型数值模拟较少。究其原因是目前各种计算
方法都对实际情况作不同程度的简化处理,计算结果与实测值有一定的差距,
存在一定的缺陷,还处于理论探讨阶段,远未达到成熟应用的地步。’
在塑料排水板处理软基工程设计中,在一定的岩土特性条件、一定的工程
要求下,有两个关键问题:排水板的间距为多大才合适:上覆载荷多大才能满
足要求。这是塑料排水板软基处理的本质问题和关键所在,而在计算中怎样模
拟排水板的排水效果是此项研究的主要内容和所要解决的问题。由于塑料排水
板固结机理的复杂性,人们首先想到的是通过实验方法来解决这两个问题,但
是实验方法有其不足之处,那就是要耗费大量的资金、浪费宝贵的时间。因此
4
在试验的基础上用计算机的手段来补充,这是一条可行的途径。也就是说,在
一定的地基固结度要求下,固结时间(工期)、塑料排水板的间距、上覆载荷的
大小三者之间的定量关系是塑料排水板处理软基的本质问题,弄清了三者之间
的定量关系,就可以固结时间的要求和现实情况来调节塑料排水板的间距和上
覆载荷的太小,降低地基处理成本,因此,在此基础上开展达方面的理论研究
是必要的。
1.4本文的主要工作:
1)以深厚软土地基为研究对象,选用能比较真实而全面反映固结过程的二
维平面固结理论一比奥固结理论,和修正后的非线性弹性模型~邓肯模型,对
软弱下卧层的沉降和固结进行计算和分析;
2)处理排水板边界时,不采用把塑料板等抉成砂墙的做法,而是把塑料板
处理成无厚度的界面,以更真实地模拟排水板的排水效果。
3)过对排水板不同设计方案加固地基的观测和计算,对沉降、位移和孔隙
水压力的实测值和计算值进行分析和对比。
.
4)以金丽温高速公路温州段工程为例,得出适合于该地基条件的排水板加
固处理方案,从而为在相同特性软土地基上修建高速公路提供经验。
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