2007年第3期(总第8l期) 严仁高.软土路基砂井固结理论的进一步分析与探讨 量体积与微分体的体积压缩相等,即Aq- ̄v,可以 在工程实践中,为了加速粘性土的固结速 度,在软土层里没置排水砂井,如果水平向的渗 推导出单相固结微分方程: =争=丝Ot(推导过 流是对称地流向中心的排水砂井,则称为三向固 程略)。 式中: .结的轴对称问题,上面的公式便可写作c ( r 07" Cv= 0,称为土的竖向固结系数,cm2/ + )+ 粤)= (其中r为砂井有效圆筒周 1r Or"0 ‘0 年;其中 ——土的渗透系数;cm2/ ̄;e 『__一土 层固结过程中的平均孔隙比; _一水的比重 界面的半径),这是一个第三类的贝塞尔方程,又 名汉克尔(HanKe1)方程。它的解不仅不能用初等 o.oolkg/ ̄m3;广土的压缩系数;MPa~, 卜一 单位换算系数。 这是一个第一类的贝塞尔方程,或称亥姆霍 兹( fm Itz)方程,应用傅立叶级数可以求解。 固结度 的定义为地基在荷载作用下,经历时间 t的沉降量s,,与最终沉降量s之比值,则经历时 间t所完成的固结程度为 =S ,对于微分体有 U= 一St= 蔼 超静汞压万面稹l霉篷蒜粟篆 _ 一=,一 ; 则对于任 川。上 一时刻t和任意位置 的该微分体的固结度可表 l示为(1~ )。 在建立单相固结微分方程的过程中,采用了 三个基本假定: 1.假定孔隙水的流动完全服从达西的渗透定 律,由于粘性土中不仅有自由水,而且还有结合 水,水膜的移动并不服从达西定律; 2.假定土的体积变化完全服从压缩定律,并以 附加应力作为起始孔隙水压力,前者所引起的误 差一般不大,后一假定与实际情况有较大出入; 3假定孔隙水的排除量与体积压缩量相等,这 个假定忽略了水中有气泡及粘性土气体体积变化 引起的影响,这只能从定性上进行分析和探讨。 以上3点,下面会进一步探讨。 三、三向固结理论的概念及砂井理论 分析 假定孔隙水渗流的方向除了竖向外还有水 平方向,而且竖向的渗透系数 与水平向的渗 透系数 不相等,则固结微分方程为c r + 出‘ + = 。式中: 为水平向固结系数。 函数表示,而且也不能应用高等级数求解,在具 体的工程计算中常引入所谓贝塞尔函数的渐近 公式来得到它的近似解,其解的物理意义表示为 孔隙水压力的在三向固结过程中是渐近稳态的。 虽然这样的理论曲线存在水平的渐近线,但大量 国内外试验表明,大多数的试验曲线并不存在水 平的渐近线。也就是说实际情况并不符合稳态的 沉降固结过程。但是即使这样,为了工程上汁算 方便起见,还是把砂井有效圆筒形的周界面看作 是—个不透水层,如图2所示。 图2 界面以内的水流入中心砂井,界面以外的水 流入其它砂井,因此假定砂井有效圆筒形的界面 上的水的流速为零,亦即 =0,这就是所谓辐射 oq" 向砂井固结理论的外周边界件;而内周边界条件 是砂井与土的界面,此处是完全透水的边界条 件,即t>0,ix=O。而竖向固结的边界条件与上述 的单向固结理论相同。这样,在上述边界条件下, 就可以把轴对称问题的固结微分方程用分离变 量法分解为两个的微分方程。 设竖向渗流引起的分量为 ,辐射向为 ,则 上面这个汉克尔方程分解为下面两个的方程: 8Uz—r a2Uz. Ot一 ’ 宴 :c ( +OT- r 宴 ) 。 第一个方程同单向固结微分方程,而第二个 维普资讯 http://www.cqvip.com
南京市政 2007年第3期(总第81期) 方程为第二类贝塞尔方程,或称牛曼方程,它的解 提到,而砂井施工对地基土透水l生能的改变等情 同样不能用初等函数表出,它的通解非常复杂,是 况,不是本文论述的重点。在—般隋况下,井距的缩 个与 线性相关的通解与另一个与 线性无 小对加固速度的影响较显著,但井径加大则影响不 关的特解构成,但也是静态的。这样把—个稳态的 多;被加固土层的厚度对加固速度的影响很小;土 一汉克尔微分方程分离为二个静态的微分方程。 因此,根据三向固结微分方程的理论解,砂 井地基的平均固结度可以根据下式给出: U.:l-(1-u0)(1- 式中: 为垂直向固结度; 为辐射向固结 度;( _一砂井地基平均固结度。 已知 值和地基最终变形值s后,有砂井 的地基在加荷后历时t时的变形s 可按s Un 确定。地基最终变形值s仍按天然地基计算,可 以不考虑砂井的影响。工程实践中,对砂井地基 的固结计算,其目的在于通过计算求出在给定的 预压荷载,预压力时以及路基的容许沉降量等条 件下的井径和井距。 对于未打穿整个受压土层的砂井(如图3), 图3 地基的总平均固结度可按下式计算:u=pu而+ 一 pjUv 。 式中: 一为地基总平均固结度; 一为打砂井部分土层的平均固结度; 一为砂井以下部分土层的固结度,可按竖 直向固结理论计算,计算时可将砂井底部平面作 为排水面; p--为砂井打入深度与整个压缩层厚度之比 值,即p=百 ,H1--为砂井长度,H2--为砂井 下压缩层范围内土层的厚度。 一般情况, 与 相差很小,这就是说在G 很小, 很大的情况下,垂直向固结度 常可忽 略不计。上述的基本计算方法,只考虑到了土层中 附加压力均匀分布的渗透固结。至于道路条形附加 压力分布较为复杂的晴况,在下面论述中会进一步 的c /c 的比值愈大,砂井的功效愈为显著。 四、三向砂井固结理论问题的进一步 分析 从上面分析中我们可以看出,三向砂井固结 理论是假设在把砂井有效圆筒形的周界面看作是 —个不透水层,即把固结微分方程中的一个齐次 项假设为零。这样才能用分离变量法把三向轴对 称固结理论问题分别分解为—个竖向固结理论问 题、一个辐射向的固结理论问题,并且都是静态 的。但实际情况并非如此,其实并没有所谓的不透 水层,只是为了方便计算罢了。事实上微分方程 ( r 07"+ dr )+ oz‘ = Ot 是不能分离的,因为竖 向固结和辐射向的固结是同时进行的。 如果不考虑不透水层,土的实际固结速度应 该更快,但在工程实践中,土的固结速度远比我 们理论计算得到的要慢,沉降却比我们理论计算 得到的要快。这又是为什么呢?我们不得不对单 向固结理论的基本假设作进一步的分析。 1、土中孔隙水的流动并不完全服从渗透定 律,笔者认为不服从达西定律的这一部分固结应 该是次固结部分,它与土中的主固结同时存在的。 2、以附加应力作为起始孔隙水压力是工程 实践有较大出入。我们知道道路荷载相对软土路 基是一个均匀的条形荷载。如果假设条形均布荷 载P下的地基是一个弹性半空间体,根据弹性力 学的原理,我们可以解得 与深度z的关系是线 性变化的,即口 一 J。其中 为土的容量。 而更为复杂的是根据弹性力学半空问体在边 界上受法向集中力时的解, 不仅仅是 的函数, 而且与其在平面上的位置 ,Y也有关,即 = , , ),并且是非线性的。也就是说起始孔隙水压力 不仅仅是 与t的函数,而且也是其本身 的函 数,即 ,t, )。这样,我们不得不引入土中本身 应力固结的概念,笔者认为它与第—个假设中的 不符合渗透定律的次固结概念应当是吻合的。 3、至于第三个假定中忽略了土中有气泡及气体 体积变化的 向,笔者认为它应该是属欠固结土理 维普资讯 http://www.cqvip.com
2007年第3期(总第81期) 严仁高.软土路基砂井固结理论的进一步分析与探讨 45 沦讨论的范畴。同样在超固结土中也极有可能有某 些化学性质的气体被固体化了。因此,这个假定对正 常固结的土来说,笔者认为是应该可以忽略的。 从中我们可以看出,为什么软土路基的固结 时问比我们以前计算的要慢。 让我们再分析一下上面的这个固结微分方 五、砂井三向固结理论问题的进一步 探讨 程: ( +o )+ 粤+ : O o dO" = 。这是一个 o 虚宗量的贝塞尔方程,土中孔隙水压力 的解是 动态的,它随变量时问t的变化而变化,这就是为 根据上面分析,土中水的起始孔隙水压力肚= 什么软土路基长时问不断沉降固结的原因,少则 几年,多则十几年。单向固结微分方程的解是静态 ,t, ),由于 = ,Y, ),因此起始孔隙水压力 可以写成 = ,t,cr),cr即为微分体中土的 ,Y, 方向上不同的应力。这样,固结微分方程可以写 成以下形式: ( +等)+ + = 式中: 的概念与 匝一样,为土的自身应 力固结系数。同样根据磐=0的假设,其三向固结 轴对称课题公式便可写作为: 辐射向:Ch( +dr r} ) Crr +C 争 o【7一dt 竖向: 磐+dz 磐:单 0o-‘ 优 应力固结系数:c 其中: 土层固结过程中动态平均弹模值; G.厂一土层固结过程中动态平均剪切弹性模 量值; 其它物理概念与土的竖臣曦向固结系数—样。 同样如果我们理论上假设土在外荷载和自 身应力作用下的次固结与土的主固结是分离进 行的。则这样这个复杂的微分方程可以分离成三 个的简单微分方程如下: ① = 磐 ② = 磐 ③ = (等÷ ) 因此,可以根据理论假设,砂井地基的平均 固结度可以通过公式给出: =1一(1一 )(1一 (1- ) 其中:U 即为土中应力自身次固结度;其它 物理量同前。 的;而三向砂井固结微分方程的解是稳态的。 从笔者理论上的肤浅探讨中可以看出,动态 的三向固结微分方程同时考虑了主固结与次固 结,而实际上主固结和次固结是同时进行的,不 能分离的,因此动态的固结理论才是比较符合我 们工程实践的。 土中应力自身次固结度 的引入,可以解释 我们以前的工程实践中为什么理论计算的实际 沉降量总是比实际测定的最后沉降量要小,实测 的沉降速度远比计算的理论值要快但固结的速 度却比理论计算的要慢的原因。 概括地说, 值对于压缩I生较大的软基,计算 值往往小于实测值;对于压缩性较小的软基,则 恰恰相反。总之,与土的压缩性指标有关。 土在历史上曾经承受过的最大的有效应力 称为前期固结压力p 。用原状土的室内试验测定 前期固结压力的方法主要有二种:压缩试验法和 强度试验法。压缩试验法是用小荷载开始,小增 量多级加载的方法进行的慢固结试验,并加到比 较大的荷载,如10~16kg/cm 。 若将试验结果用e—lgp曲线(见图4)表示:在 P较小的时候,曲线接近水平线;在前期固结压力 附近,曲线急剧地下弯,并且在P较大时接近于 一根直线。直线部分的斜率Cc= _二 。 图4 称为土的压缩指数。其中e为土样的孔隙 比,分别在试验过程中用室内压缩试验(或称固 维普资讯 http://www.cqvip.com
南京市政 2007年第3期(总第8l期) 结试验)测定。就是把土样装在金属环刀内,在不 ,能侧向膨胀的条件下加以压缩。所用的仪器称为 地分解为三个静态的固结微分方程,笔 固结仪,试验前土样的原始状态,可以通过测定 者认为最后计算得到的固结沉降值与实际测定 土样的容重r,土颗粒的比重G及土的天然含水 的固结沉降值还是会有出入的,但应该比稳态的 量 等指标来求得。从下式可以求得土样的孔 固结理论精度要高。 隙比 一1。压缩指数e大的软土,沉 r 七、关于正常固结、超固结和欠固结的 降决,固结慢,反之,沉降慢,固结快。因此从这个 概念分析 侧面也反映了土的固结沉降过程是动态的。 从固结理论三个基本假定中可以看出,即使 六、应力固结系数的概念分析与探讨 在正常固结的条件下,还有相当长的一段固结过 程并不符合渗压固结理论,即笔者提出的稳态固 应力固结系数 ,它与土的动弹模值 及动 结理论,虽然其理论曲线存在水平的渐近线,但大 剪切弹模值G 有关,根据弹性模量是应力与弹性 量试验表明,大多数的试验曲线并不存在水平的 应变之比,可用下式表示: ,而动剪切弹模值 渐近线。因此笔者在本文中引入了动态固结的概 念,即同时考虑主固结与次固结,以区别于符合稳 G 可换算为G z+t竽 。这里的 为动泊松比。I1弘J 态固结理论的主固结部份,上面已经提到它是一 个虚宗量的贝塞尔方程,它与软土中的自身应力 土的物理状态,固结压力及应变数量级等因素 固结效应有关。次固结通常用结合水膜的作用来 对土的弹陛模量都有十分显著的影响,其弹模值随 解释。由于粘土颗粒表面的巨大引力,使得结合水 土的密度增加而增大,并且也随土的压缩模量增大 膜中的水分子失去了液态的某些特性,并且不服 而增大,而对于相同土质条件,固结压力 越大, 从水力学的渗透定律。结合水以粘滞流动的特点 弹模值也越大,在野外条件下表现为弹模值随土层 缓慢移动,水膜的厚度相应地发生变化,使整个土 的埋深而增大,因此引入动弹性模量值 的概念。 骨架产生蠕动,这就是在超静水压力虽已基本消 对于动剪切弹性模量值G ,关键在于动泊松比 值 散,但由于土中的自身应力使土的体积变化仍在 的测定。到目前为止国内还是比较困难的。一般可 继续发展的原因。因此动态固结理论是比较符合 用现场实测土层剪切波的波速来确定。 实际情况的,但笔者认为仍有深入探讨的余地。 根据国内外已有的经验,对于某个既定的土 超固结土是指土层超过目前自重压力的荷载 样而言,由于动应力0"d与动应变 的关系是非 固结形式的土,即该土层历史上曾经受过大于现有 线性的,大量的国内外试验证明可用近似的双曲 覆盖土重的前期固结压力。历史上最高地面比目前 线方程来描述这个非线性关系,即 =—÷L,地面高很多,后因多种原因(包括水流冲刷[冰川作 a+Oo ̄d 式 用及人类活动等),搬运了相当厚的沉积物,将地面 中n和b为待定系数,由具体土样的试验资料确 降至目前标高。因.此超固结土亦可称为已经完成了 定。因此可得:Ed= = + crd,因 =一o-d ̄,4 固结的土,在路基工程中虽有碰到,如原来的村庄口 a+O ̄d a a 道路地基等,但毕竟是少数。欠固结土是指土层在 G 云 = o-d 。这里 为动泊松比。 目前的土重下,还没有达到完全固结的程度,土层 实际固结压力小于现有的土层自重压力。例如江河 因此,应力固结系数实际上是一个十分复杂 口新沉积的粘陛土或河道人工回填粘陛土等,由于 的变量,它使得动态固结偏微分方程变得更加复 时间不长,在土的自重作用下还没有达到固结。这 杂,为使它成为一个常量,计算时均采用平均动 类土称为欠固结土,在外荷载作用下的瞬时压缩主 弹模量值或平均动应力和平均动剪切弹模值或 要是土中的封闭气泡造成的,而固结理论的基本假 平均动应变。因此把动态的固结微分方程既虚宗 定中并不考虑气泡的作用,欠固结土在路基工程中 量的贝塞尔方程: (粤+ )+e粤+ 粤= 也常有碰到,—般需要重新处理。 (下转第11页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
2007年第3期(总第81期) 南京市政 胶粉改性沥青 析漏试验 飞散试验 用油比% 析漏率试验值% 技术标准% 飞散率试验值% 技术标准% 0.09 l1.7 5.7 0.066 ≯0.1 10.6 ≯l5 0.026 l3.2 渗水系数、纹理系数、冻融劈裂、动稳定度试验 表12 \检测项目 渗水系数 纹理系数 冻融劈裂 动稳定度(次/mm) 用油比 、\ mL/arin (mm) (%) MPa 变形mm 14.9 0.97 86 l646.003 3.114 3,510 5.7 l5.2 0.94 89 1641.857 3.1l4 3.5ll 17.9 0.99 85 1482,52 l 2.045 2.485 平均 16.0 0.97 87 平均:满足>1500次/mm的要求 通过试验段的铺筑,验证SMA一13混合料生 1 0小结 产配合比的合理性,验证了拌和一摊铺一压实连 续生产的可靠性。在摊铺施工过程中和易性也明 以上检测数据结果表明,GTR—TOR一沥青改 显好于其它改性沥青混合料,便于施工。在一定 性具有良好的路用性能,满足规范要求,尤其是与 程度上来讲橡胶沥青改性应用获得成功。 集料粘附性的改善最为显著,能直接解决酸性集 TR—TOR一沥青可以替代纤维稳定沥青,从而降 料粘附性差的问题。采用干拌法生产方式的 低建设成本,也攻破了废橡胶颗粒干法改性沥青 SMA一13GTR—TOR沥青混合料骨架形成嵌挤结 混合料存在力学强度不高、压实困难的难题。由 构,混合料沥青薄膜层明显增厚,热拌制过程并无 于我们这次使用的原材料都是普通的基质 橡胶粉结团现象。马歇尔试验、稳定度能力验证 AH一70沥青和石灰石集料,如果以后换用改性沥 和路面构造检测均反映出混合料具有良好的高 青和强度大的石质材料进行掺用橡胶粉研制生 温性能和水稳定性能。检测试验结果符合设计及 产,那效果会更加明显,性能会更好。 规范要求。 (上接第46页) 抛高量;而对于压缩指数c 较低的软土路基,还 是通过原来的堆载预压法进行处理,这样才是比 八、小结 较符合科学的施工方法。 通过上面对软土路基砂井固结理论的进一 参考文献: 步分析与探讨,使我们认识到仅仅考虑到土的主 固结部分是不够的,也就是说稳态的砂井三相固 [1】同济大学土力学与基础工程研究室等.土质学 结理论虽然有其合理性的一面,但实践证明次固 及土力学.北京:人民交通出版社,1982. 结部分同样重要,必须同时考虑主固结和次固 [2]南京工学院数学教研组.数学物理方程与特殊 结,建立动态的砂井三相固结理论,才能准确计算 函数(第二版).北京:高等教育出版社,1983. 出最终的固结沉降量,为软土路基工程的设计与 [3】天津大学,西安冶金建筑学院,哈尔滨建工学院 施工提供较为科学的数据。随着科技的进步,现 等.地基与基础 匕京:中国建筑工业出版社,1980. 在涌现出许多软土路基处理的新技术、新方法、新 [4]陈希哲.土力学地基基础.北京:清华大学出版 工艺,但都没有扎实的理论依据,最后结果还有待 社,1997. 实践检验,这也是笔者撰写本文的目的之一。 [5】徐芝纶.弹性力学简明教程.北京:高等教育出 笔者认为,对于压缩指数c 较高的软土路基 版社,1984. 的处理还是以换填一定深度的塘渣(5m一6m),在 [6沈林方.6】浅论上三高速公路上虞段的软基处理. 挖掉上面5m左右的软土后,再打砂井,换上塘渣 公路运输文摘,2003(5). 进行预压,并可用作结实的路基,计算出一定的
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