软土地基的变形与稳定性分析综述_童毅涛

软土地基的变形与稳定性分析综述

收稿日期:2008-04-07

作者简介:童毅涛(1967-),男,工程师,江西省投资集团,江西南昌 330000

胡小华(1966-),男,工程师,江西通威公路工程建设集团有限公司,江西赣州 341000

童毅涛 胡小华

摘 要:对软土地基路堤变形和稳定性分析进行了较为系统的归纳和总结,探讨了软土地基路堤变形和稳定性的预测,

从而为软土地基的变形与稳定性分析提供了理论依据。关键词:软土地基,变形,稳定性,预测,路堤中图分类号:T U 471.8

文献标识码:A

1 软土地基路堤变形分析1.1 解析法

基于弹性理论的路堤最终固结沉降量的计算公式已有很多种。如e )p 压缩试验曲线或压缩模量E 或压缩系数建立的分层总和法公式,考虑在土体应力影响的情况下按e )log (p )压缩曲线建立的公式,弗洛林、Egor ovl 、黄文熙、Davis 和Poulos 以及魏汝龙等许多学者根据广义虎克定律得出二维(平面应变问题)和三维沉降计算公式,L ambe,M arr 等提出的应力路径法,Skempton 和Bjerum 提出的用三轴不排水条件下得出的三维孔隙水压力计算最终固结沉降的方法等。此外,还有根据半无限均质线弹性体推导得出的弹性理论公式。上述这些公式中的土中应力都需根据线弹性理论进行计算。目前,工程中采用一维固结沉降公式计算地基的最终固结沉降较为普遍。但是,当可压缩土层是很厚的软黏土时,采用这种方法将会引起很大的误差。

1.2 数值分析法

太沙基一维固结理论计算地基沉降随时间而发生的变化,这一方法具有概念明确,计算简便等特点,从而成为许多教材和规范推荐的方法。

Rendulic 将T erzag hi 的一维固结理论推广到二维和三维的情况,得出T erzag h-i R endulic 固结理论。这种理论未考虑应力与应

变需要满足的相容条件,最后得出的固结方程只含孔隙压力一个变量,其形式与热传导方程或扩散方程一致,称为拟三维固结理论。Biot 直接从弹性理论出发导出了三维固结理论方程,确保了土中应力与应变所满足的相容条件,被称为真三维固结理论。以后的发展除了考虑骨架变形的流变性、非线性和大变形等复杂化的因素外,并无实质性的不同。

二维或三维固结理论或Biot 固结理论结合多种本构模型建立数值分析法。关于地基沉降的数值分析方法,国内外学者也做了大量研究工作。计算机技术的飞速发展,使一些能较真实地反映地基土体的应力应变特征及变形)时间特征的本构模型(如Duncan -chang 模型、Cam -clay 模型、各种粘弹塑模型)和固结模型(Bio t 理论)在数值分析中得到了运用。

1.3 经验推算法

根据实测沉降时间过程,采用不同的数学方法模拟和预测地基沉降随时间而变化的过程的方法有双曲线法、指数曲线法、三点法、新野法和二次多项式法等。近来又出现了建立在模糊数学基础上的时间序列法、神经网络法等。

1.4 存在的问题

以上几种方法互为补充,已成为地基沉降计算的主要手段。

而且随着工程实践的发展,尚在不断地创新。然而,由于土体本身具有的复杂性,以及各种工程条件的不确定性,从工程建设的发展和要求来看(尤其是对高速公路这类对沉降计算要求精度高的情况),现有沉降计算方法还有许多问题有待研究。

而对路堤工程来说,水平位移的研究不可忽视。一维太沙基理论和基于实测沉降时间过程线的各种经验推算法只考虑沉降问题,不能计算路堤的水平位移,而数值分析法一般能计算路堤的水平位移。

2 软土地基路堤稳定性分析

目前多用圆弧滑动法为代表的极限平衡法来验算其稳定性,也有不少学者采用滑移线法分析地基承载力和稳定性。陈庆中等结合有限元法、极限平衡理论和常微分方程的数值解法等,提出用于土坡稳定的滑移线数值分析法,该方法考虑土的应力应变关系和土坡失稳的破坏形式,从分析土坡应力分布的变化入手,直接确定临界滑裂面的位置,进而计算土坡总体安全系数。

随着近代计算技术的发展,用有限元法来分析土坡的应力和应变,以及用有限元法结合圆弧法进行稳定验算的方法也日益增多。O.C.Zlenklewicz 分别采用相适应的流动法则和不相适应的流动法则进行路堤的有限元分析,并且考虑了时间效应,他们假定土的内摩擦角U 为常值,然后逐步减小粘聚力C 值,以求各结点的应力和位移,这样可以得到路堤破坏时所需的最低粘聚力,再进行圆弧分析,发现两者得到的结果非常接近。杨小礼等在上限定理的基础上,将路堤离散为三角形单元,在单元中构造线性速度场,根据相关联流动法则以及边界条件建立约束方程,引入数学规划方法寻求路堤承载力的上限解。

总体而言,软土地基路堤的稳定性分析采用上述极限平衡分析法和有限元等数值方法,但这些方法都未能充分考虑填土的加载过程。软土地基路堤的稳定性和施工时的加荷速率有密切的关系,加载过程中,一方面地基土的强度因固结而提高,另一方面剪应力也在增大。另外,目前加筋路堤得到广泛应用,但采用极限分析法和数值法在分析加筋路堤稳定性方面还有很多工作要做,因为目前分析加筋路堤的稳定系数与未加筋情况提高无几,而工程实践却表明加筋后路堤的稳定性提高很多。

3 软土地基路堤变形和稳定性的预测3.1 变形预测

在软土地基路堤填筑施工中,变形监测起着很重要的作用。

由于路堤填筑施工时现场监测的时间序列数据中蕴含着系统演化的信息,所以期望能从这些数据中找出其蕴含的规律,并用已知的观测数据来预测系统未来的发展动态,即利用施工中监测的

基于有限元法的CFG 桩复合地基工作性状分析

收稿日期:2008-04-07

作者简介:吴志煌(1973-),男,工程师,福建省莆田市城乡规划设计研究院,福建莆田 351100

吴志煌

摘 要:运用AN SYS 有限元程序,分析了CF G 桩复合地基在竖向荷载作用下,桩土应力比、桩身轴向应力、沉降等随荷载不同、垫层厚度不同等因素变化的分布规律,以便于更好的指导工程实践。关键词:CFG 桩复合地基,有限元,工作性状中图分类号:T U 473.1

文献标识码:A

0 引言

水泥粉煤灰碎石桩简称CF G 桩(Cement F lyash Gravel),是由

碎石、石屑、砂石和粉煤灰掺适量水泥加水拌和,采用各种成桩机械在地基中制成桩。因此CFG 桩的工作机理,受力特点相对于一般预制桩,灌注桩都要复杂的多,基于此本文结合有限元软件A NSYS 对影响CFG 桩复合地基承载力的各种因素进行分析。

1 有限元计算假定及模型介绍1.1 有限元计算假定

1)假定土体,褥垫层均为Dr ucker -Pr ag er 理想弹塑性体。2)假定桩体,承台为线弹性体,符合广义虎克定律。

3)假定在垂直荷载作用下,荷载面与垫层之间在变形过程中始终保持接触。

4)假定桩、土、褥垫层都为均质,各向同性。

1.2 有限元模型介绍

文中采用有限元分析,采用非线性接触模型。桩以及土体,褥垫层分别采用Solid42单元模拟,采用的有限元计算参数见表1。在接触算法选择方面:由于桩的刚度比土体大很多,所以认为桩表面为刚性面采用T arget169单元模拟;土体表面为柔性面采用

信息来预测可能变形和稳定性等信息。

但缺点就是预测模型一旦确立,模型参数保持不变,另外与前期实测沉降的数据也有很大关系,从而可能导致沉降预测精度不高,这就存在着模型选择和辨析数据代表性的问题。且采用上述方法对路堤水平位移和稳定性的预测还鲜有人做过。

3.2 反演分析法在变形和稳定性预测上的应用

反演分析以工程现场的量测值(如位移、孔压)作为基础信息反求实际岩土的力学参数、初始地应力、结构荷载等,为理论分析特别是数值分析提供符合实际情况的基本参数。A.Asao ka 等提出一个沉降预测的逆分析方法,把一维固结沉降过程用普通的差分方程表示,对该方程进行重新组构表示成反方程,从而可以利用沉降观测值来确定方程的未知参数,并利用确定的参数预测将来的沉降。龚晓南将Duncan -Chang 模型和Biot 固结有限元方程相结合,建立了一个具有四参数的非线性弹性方程组,然后根据地基固结过程中测得的位移值和孔压值反算地基土的非线性弹性参数和渗透系数。K.Arai 等采用共扼梯度优化方法和双曲线本构数值模型,根据量测位移值反分析土的变形模量。另外也有杨林德等著的有关反演分析理论的著作中全面系统地介绍了反演分析的计算理论与应用技术。

采用反演分析方法对路堤稳定性预测需要控制(临界)标准。行业标准JT J 017-96公路软土地基路堤设计与施工技术规范中对路堤稳定性的控制标准是:沿路堤中心线地面沉降速率不宜大于10mm/d;坡脚水平位移速率不宜大于5mm/d 。JT J 033-95公路路基施工技术规范对此也作了同样的规定。根据工程实践经验,对砂井或塑料排水板地基,中心地面沉降速率可放宽至1520mm/d 。松尾和河村提出了路堤稳定性预测的经验公式,该公式包含路堤中心地面的沉降量S 和路堤坡脚处的水平位移量S ,是一个不同应力水平下D /S 与S 之间的统计关系。杭甬高速公路试验段观测结果分析表明,某一时段内坡脚下路基内最大水平变形增量$D max 和路堤中心地面垂直变形增量$S 比值与路堤稳定性成正比关系。

4 结语

由以上分析可见,软土地基变形、稳定性的分析和预测一直以来就是工程研究人员和相关学者的研究热点。文中对研究进展以及存在的问题进行了较为系统的概括。参考文献:

[1] 徐长节,蔡袁强,吴世明.任意荷载下成层弹性地基的一维

固结[J].土木工程学报,1999(4):123-124.[2] 李冰河,应宏伟.考虑土体自重的一维大应变固结分析[J].土木工程学报,2000(3):67-68.[3] 赵均海,马淑芳,魏雪英,等.基于统一滑移线场理论的边坡稳定分析[J].长安大学学报(建筑与环境科学版),2003,20

(4):1-4.[4] 杨小礼,李 亮,李克坤,等.上限有限元法及其在路堤稳定性分析中的应用[J].长沙铁道学院学报,2002,20(1):167-168.

Deformation of soft soil foundation and stability analysis

TONG Y-i tao HU X iao -hua

Abstract:It makes a systemat ic summary of the deformation of soft soil foundation and stability analysis,and discusses its forecast,which pro -vides a theoretical basis for the deformation of soft soil foundation and stability analysi s.Key words:so ft soil foundation,deformation,stability ,forecast,embankment