基于三向应力分层总和的真空预压沉降变形分析

第43卷第11期 山西建筑VoL43No.ll2 0 1 7 年 4 月 SHANXI ARCHITECTURE Apr.2017 •73•文章编号：1009-6825 (2017)11-0073-03基于三向应力分层总和的真空预压沉降变形分析李均宏(深圳市龙华区公共资源交易中心，广东深圳518000)摘要:考虑真空预压过程中土体的真实三向受力状态，基于分层总和的思想,提出了考虑真空预压过程中土体侧向变形对沉降 变形影响的三向应力分层总和法,通过工程实例分析结果表明，该法较真实地反映了真空预压过程中软土地基的沉降变形特性, 其预测结果仅存在较小的误差。

关键词：三向应力，分层总和，真空预压，沉降变形中图分类号:TU432 文献标识码:A软土广泛分布于沿海和三角洲等经济发达的地区，具有含水 量高、稳定性差和变形大等特点，通常需要一些排水固结的方法 对其进行处理，减少土体内部的水分，降低土体颗粒间的间隙，使 形成土体骨架的颗粒排列更加紧密，才能作为建筑物的地基[1]。

真空预压法作为软土地基排水固结处理的主要方法之一，可一次 性加载进行地基处理而不会导致软土地基失稳变形过大的现象，具有耗材少、工期短、施工场地干净整洁等优点[2]。

已经广泛应 用于港口建设[3]、高速公路[4_6]、工民建和机场[7,8]等地基处理工 程中。

然而，目前仍然没有可靠的理论方法计算真空预压的沉降 变形，主要仿照堆载预压的理论成果进行计算。

堆载预压是在单一竖向荷载的作用下进行排水固结，在竖向 荷载的挤压作用下，软土地基的侧向变形呈现向外发展的趋势[9];而真空预压的排水固结过程中，除了受到真空负压致使竖 向压力之外,真空负压对侧向土体具有“吸引”的作用，使侧向土 体具有向内发展的变形趋势[w]。

因此，真空预压与堆载预压在物 理加固机理上存在本质区别，简单仿照堆载预压的理论成果来推 算真空预压处理下土体的沉降变形，可能导致不可忽视的误差。

岑仰润认为膜下真空度可等效为相同大小的荷载作用在地基表 面，真空预压加固地基固结沉降计算可沿用分层总和法的思想[11]。

此方法认为荷载作用下地基中的附加应力场是根据半无 限空间各向同性体理论计算的，土体压缩性是根据一维压缩试验 测定的。

实际上，地基土体受到真空荷载后，不像固结仪中简单 地沿一个垂直方向压缩，而会发生侧向变形。

土体侧向变形不仅 直接影响周围建筑物地基的应力分布及受力情况,而且还会影响 地基沉降变形的评估[12]。

比奥固结理论是基于超孔隙水压力消 散与多维变形完全稱合的理论，计算的沉降变形特性与实际的土 体变形规律比较接近，能够相对真实地反映地基过程中的侧向变 形及其对沉降变形影响[13]。

但准确确定理论中的相关参数，以及 实现理论仿真复杂地基的变形特性是个复杂的过程，因而比奥固 结理论应用于真空预压的沉降变形分析并不被多数工程师采纳。

因此，有必要进一步研究真空预压的沉降变形特性，使真空预压 的沉降变形预测更加符合实际情况，且便于工程预测。

本文基于土体的三向受力状态,提出了考虑侧向变形的三向 应力沉降计算方法。

此法不同于膜下真空度可等效为相同大小 的荷载作用在地基表面的方法，而是将加固区域内各点的负压等 效为荷载作用在整个区域内，能够相对真实地描述软土地基真空 预压地基处理过程中的受力和变形状态。

因此，基于三向应力的 真空预压沉降变形分析方法更好地反映了真空预压地基的沉降 变形机制，更加准确地体现了真空预压地基的沉降变形状况。

1三向应力的真空预压变形计算1.1 模型建立考虑到真空预压与堆载预压的加固机理存在本质区别，真空 预压是三维球应力，而堆载预压是二维应力，仿照堆载预压的方 式计算真空预压地基的沉降变形，必然难以真实反映土体实际变 形状况。

基于此，假设某一地基为完全饱和的各向同性介质的真 空预压场地如图1所示，在真空荷载的作用下，计算区域内的所 有点P(')呈三向受力状态。

1_ 2理论推导根据上述软土地基模型和假设，以三向应力弹性理论为基 础，结合真空预压的荷载机理，可获得真空预压地基的应力、应变 及沉降的积分方程。

为便于分析，假设z水平面上超静空隙压力 积分中值近似按单井排水轴对称估计问题中该水平面上平均超 静压力\理论解计算。

对于厚度为的土层，固结变形的压缩 量根据弹性理论得出土体的沉降变形公式：= ~ f^uA^)^i(^)dv(1)J q乜〇其中，vk(z) =Sk v djdx,(k=x,y,z) 〇J-n J-h而各个方向的应变可通过Lee氏比拟法由相应的弹性解 答得到[14]，如下：£：=6^)+ (3 -4^(；3+/) "2/⑵收稿日期=2017-02-06作者简介:李均宏（1981-)，男，硕士,工程师• 74 •第43卷第11期2 0 1 7年4月山西建筑其中，= /(^-^)2 + (r -/)2 + (^-^)2尺2 =~x p )2 + (y -f )2 + (z +^)2(1 -2从）（1 +从）(3)O (l ^)4tt ( 1 -fi )⑷其中#为泊松比;£。

为变形模量均为积分点坐标;^， / ,/均为计算点p 的坐标。

1 • 3理论求解式（1)中i (z )表示真空预压过程中真空负压的位置函数，可通过有限元模拟单井的孔隙水压力沿深度变化而得到。

由此，在位置坐标和/以及泊松比M 已知的情况下可通过以下 积分公式获得：1/*(ip h __sk =-~Er \ [ I uz (z )ek v djdxdz £,〇J 〇 J -aJ-b由此，应变可以通过式(5)进行确定：dSkSk =^¥其中，d v kf a f b 如:' J _J _, ~d ¥'类似于沉降变形计算，在位置坐标，，/和/，以及泊松比M已知的情况下，&是的函数，可以通过以下积分表达式进行确定：j [以:)，/，/)咖 （5)v ~d y 6x(6)mf > —r)pjd y tk d s-i>〇kf应力可根据弹性胡克定律进行确定，如下：(7)I I[〇[/)]-1^-,(8)其中，[D Y(9)由广义胡克定律导出三向应力分层总和法的沉降公式如下：Skl hAH,了[ (f 7:_1 + 〇■:)-/a ； ( cr *'1 + crl + a~' +cr *.)](10)其中，i 为第i 层土体;cC 1，《4_1和0■厂1分别为第卜1层土 中；方向的应力;〇■:,〇■丨和〇■:分另！J 为第i 层土中;t ,y ，z 方向的 应力;校为第（层土的变形模量;A 尽为第i 层土的厚度。

公式中 的应力均为抽真空后地基各点的附加有效应力，即负压的变化值。

2实例分析2.1 工程概况某工程位于广州南沙区的龙穴岛，场地分为原有淤泥质土和吹填土两层。

吹填土是在原有滩涂地通过吹填淤泥、中细砂形成 3 m ~ 6 m 厚的软土层，含水率高达80%以上;下部原地基主要为 淤泥和淤泥质土，深度约为16 m [15]。

两层软土都具有含水量高、 压缩性大、强度低、稳定性差等特点，通过打设塑料排水板进行真 空预压的方法进行软土地基排水固结处理,提高软土地基的承载 力和稳定性。

塑料排水板打设的平均深度约为24 m 。

在真空预 压过程中，真空栗在额定功率下持续工作一个星期后，地基处理 场地的膜下真空压力基本保持在-85 kPa 以上，并在这样的真空压力条件下持续85 d 。

整个地基处理场地的总施工面积为 57万m 2,采用分块处理的方式将整个地基处理场地划分为小场地，每个场地的面积约4万m 2。

本文选取其中的一个区域作为工程实例，面积为150 m X 100 m 。

2.2计算参数根据岩土工程勘察报告，在排水板作用范围内主要为淤泥，相关的土层物理力学指标按如下选取:泊松比取为0.40,压缩模 量£：, = 2. 6 MPa (换算成变形模量为S 。

= 121 MPa )。

2.3计算结果与分析为展示三向应力分层总和法预测结果的可靠性，根据上述工 程实例和计算参数分别计算了三向应力分层总和法、规范分层总 和法和岑仰润分层总和法。

取上述工程案例的土层深度为20 m 作为计算加固区域，把整体土层以0.5 m 为单元进行分层。

计算 结果如表1所7K 。

表1沉降变形结果对比方法沉降■量/m误差/%实测值（平均）0.7310二向应力法0.66211规范法0.45737.5岑仰润法0.16288.8从表1中可以看出，三向应力分层总和法预测真空预压地基 沉降变形的结果与实际监测结果最为接近，预测结果与实测结果 的偏差明显小于规范推荐的分层总和法和岑仰润分层总和法与 实测结果的偏差。

这里进一步对三向应力分层总和法预测结果与实际监测结 果的偏差进行分析，偏差产生的原因可能主要源于以下几个方面:实际工程中，塑料排水板的施工周期基本维持在20 d 左右，前 期施工完成的塑料排水板将在软土地基内形成良好的排水通道， 在塑料排水板的施工过程中，土体的自重和施工荷载将使软土产 生固结排水，这导致了一定的沉降量，实际沉降量包含这一部分 的沉降。

根据文献[16]资料所述，台州地区深厚软土真空预压前 施工塑料排水板期间，由于已经施工的塑料排水板提供了良好的 排水通道，砂垫层的铺设及施工机械的行走，使真空预压前期的 沉降量相当可观。

文献[17 ]报道，在抽真空前，施插塑料排水板 期间沉降量基本上达到60 cm ~ 80 cm 。

这说明三向应力分层总 和法的计算结果存在一定误差是符合实际的。

由于计算加固区 域深度采用了理想边界条件，简单以20 m 深度作为真空预压加 固区域来计算软土地基的沉降变形，未考虑20 m 以下软土的沉 降变形，而在实际工程中20 m 以下的土层也可能在真空固结的 作用下产生沉降变形。

3结语本文基于真空预压排水固结的本质特征，明确指出了真空预压固结过程中三向受力状态;基于真空预压固结过程中的三向受 力状态提出了三向应力分层总和分析方法，此方法不仅考虑了土 体的侧向变形的特征对应力分布及侧向受力的影响，而且直接反 映了土体侧向变形对沉降变形的影响。

并且对工程实例进行了 分析，将三向应力分层总和法、规范推荐分层总和法和岑仰润分 层总和法的预测结果与实际监测结果进行了对比，由此得出了以 下结论:三向应力分层总和法预测真空预压地基的沉降变形仅存在 较小的误差，对真空预压的工程设计具有较好的理论指导意义。

参考文献：[1] 沈珠江.软土工程特性和软土地基设计[J ].岩土工程学报， 1998,20(1) ：100-111,[2]陈远洪，洪宝宁，龚道勇•真空预压法对周围环境影响的数值第43卷第11期 山 西建筑VoL 43No.ll 2 0 1 7 年 4 月SHANXI ARCHITECTUREApr . 2017• 75 •文章编号：1009-6825 (2017) 11-0075-03硫酸盐渍土机场盐胀破坏试验研究刘小川1吴爱红2刘俊红2周奇3(1.中国航空港建设第九工程总队，四川成都611430;2.南部战区空军勘察设计院，广东广州510000;3.东战区空军勘察设计院，江苏南京210000)摘要:通过室内试验，模拟研究了机场浸水条件下不同压实度、不同硫酸钠含量的土质区与道面区盐渍土的膨胀性，分析了压实度、含盐量、水分、荷载对硫酸盐渍土机场破坏的影响，结果表明,压实度、含盐量越大，膨胀量亦越大,压实度、含盐量不均匀是机场破坏内因；水分、荷载是道面破坏的外部因素，水分对膨胀影响很大;道面区的膨胀比土质区要小得多，道面结构层自重荷载对 膨胀有较好抑制作用，但25 kPa 还不足以抑制膨胀。