软基地基设计细则设计计算方法解读.ppt

,公路软土地基路堤设计与施 工技术细则要点宣讲,重庆交通科研设计院,郑治 研究员 2013年05月,讲座大纲,一、软基设计步骤与 基础资料的准备 二、软土指标的鉴别 三、沉降与稳定计算 四、路堤设计,软基设计的基本步骤 接受任务-地质调查-道路设计-地勘工作-基础资料准备-处治原则的拟定-计算分析-确定处治技术方案-设计图纸与工程数量-施工技术交底-现场试验与工后服务.,一、软基设计步骤与基础资料的准备,路堤资料 地基资料 处治措施 其他资料,软基设计需要的基础资料,路堤资料,各段路基的高度； 路基断面形式； 填料类型； 填料的密度和填料的力学指标； 设计荷载； 施工工期,地基资料,地层分布、厚度； 地下水位高度，地下水的来源； 土的渗透性 ； 各层的物理、力学指标（和设计方法对应） (注意微地貌的识别和处治),处治措施,处治措施的技术指标 （碎石桩的摩擦角、容重； 搅拌桩的无侧限抗压强度指标； 气泡混合轻质土的技术指标； 加筋材料的力学指标。）,其它资料,当地的地震力度等 当地既有建(构)筑物的软土地基处治措施和经验等。,资料整理和分段,分段依据：设计资料、地勘资料 （平原地区一般桥头路基3050米，一般路基100300米。沟谷型软基常常以一个沟谷为设计单位）。 根据填方高度、地基土层分布等对地基进行分段（根据钻孔、根据软土的分布范围和分布规律，沿线微地貌与软土分布的关系） 通过分段确定各段的控制性设计断面，拟定地层参数（注意地基排水层的确定）。 确定工后沉降控制指标。,处治措施的计算与比较,分段计算天然极限填方高度。 根据结构类型、荷载大小、施工工期及使用要求（处理目的），结合地形地貌、地层结构、土质条件、地下水特征、周围环境和相邻建筑物等因素，考虑当地的施工经验，初步选定几种可供考虑的地基处理方案。进行方案的计算分析。,对初步选定的各种地基处理方案，应分别从处理效果、材料来源及消耗、机具条件、施工进度、环境影响等方面进行认真的技术经济分析和比较。根据安全可靠、施工方便、经济合理等原则，因地制宜地选择最佳的处理方法。 选取经济有效的软基处理方案是一项系统工程，要考虑土的特性、产生压缩变形的机理、加固方案的成熟性和质量检测的难易程度以及施工队伍的素质条件等，只有这样才能确定合理的加固方法 。,二、软土指标的鉴别,软土 Soft soil 天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。 软土一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低的一种软塑到流塑状态的粘性土。它一般是在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物、化学作用形成的。但含水量多少才谓之高、承载力多少才谓之低，国内外没有一个统一的标准，就连国内各部门之间也没有一个统一标准。,淤泥：淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。 淤泥质土：其天然含水量大于液限，天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的粘性土或粉土。 淤泥：有机质含量310% 泥炭质土：有机质含量1060% 泥炭：有机质含量大于60% 岩土工程勘察规范（GB50021-2001) 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002) 公路工程地质勘察规范（JTG C202011）,公路工程地质勘察规范(JTJ064-98）关于软土的标准。该文术语一章的2.0.16条对软土的定义为:滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量大于液限，天然空隙比大于或等于1. 0，压缩系数不小于0. 5MPa-1，不排水抗剪强度小于30 kPa的细粒土。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ 017-96）用天然含水量、天然空隙比和十字板剪切强度三个指标划分软土，见下表。,一些规范的规定,岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)，在第6.3条指出:天然空隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。 铁路特殊路基设计规范（TB10035-2006），软土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0，压缩性高（a0.1-0.2大于0.5Mpa-1 ，强度低（Ps=0.8Mpa）等特点的粘性土。,2011年颁布的公路工程地质勘察规范（JTG C202011）中8.5.1条，利用天然含水率、天然孔隙比、压缩系数、标准贯入试验锤击数、静力触探比贯入阻力、十字板抗剪强度6项指标鉴别软土，指标考虑比较全面。因此，本细则对软土鉴别标准与其靠近；考虑到软土勘察中标准贯入试验锤击数的指导意义不大，改用了快剪内摩擦角指标。天然孔隙比和天然含水率两项物理指标测试方便，且变异性小，可作为基本指标对软土鉴别。,表3.1.5 软土鉴别指标表,软土可按表3.1.5进行鉴别。当获得的指标不能完全满足表中情况时，可将天然孔隙比和天然含水率作为基本指标鉴别，经综合分析判定。,本细则规定,我国软基分布的特点,按形成环境来说，软基大概可以分为湖泊沉积、滨海沉积和河滩沉积和沼泽沉积和山区沟谷相沉积，沿海地区（如天津、广东）分布的主要软基类型是滨海相沉积软基，平原湖泊地区（如昆明、杭洲、江苏）则主要分布湖泊沉积软基。而在我国的丘陵和山区，还分布着大量的山区沟谷相沉积以及河滩相沉积的软土地基。,表1-1 五种软土的特征（按成因分类）,我国区域性软土特点比较,尽管软土地基都存在变形大、强度低的共性，但由于其地理环境、形成因素以及水文地质条件上的差异，其软基的特点、土性的参数也有较大的差异。 我国软土分布，基本符合“北强南弱，依次变化”的总趋势。在我国沿海，除山东部分地段外，大部分的海岸线为淤泥质海岸。在地质上属于第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的粘性土沉积物和河流冲击物，有的属于新近淤积物。大部分是饱和的，其天然含水量大于液限，孔隙比大于1.0。一般来说，滨海相沉积软基特点是组成颗粒细微、均匀，一般处于流塑状态，土层较为均匀、软基深度较深，土层变化不多、排水固结速率较慢，天然极限填土高度较低。湖泊沉积软基土层变化较为复杂、透镜体、间灭现象较多，和沼泽沉积一样，有机质含量高，呈现天然孔隙比高、含水量大的特点。,海相、湖相沉积的特点是天然含水量高，一般在35%100%，最大的含水量可达200%以上，天然孔隙比大，最大的可达到3以上，一般压缩系数=0.51.0Mpa-1，最大可达到4.5 Mpa-1；渗透系数小，一般约为110-6110-82/s。在荷载作用下，软粘土地基承载力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，而且沉降稳定历时比较长，一般需要几年，甚至十几年。 由于上述地区软基深度较深，强度低，较多采用了塑料排水板、搅拌桩、管桩、真空预压、土工合成材料加筋等措施。,沟谷相软土地基，天然含水量较高，一般在20%70%，略低于其他沉积软土；天然孔隙比一般在0.71.0之间，很少超过2.0以上，一般压缩系数=0.31.0Mpa-1；固结系数约为110-2110-2/s。软基天然含水量和快剪指标和其他软土差不多，但其后期固结快剪指标明显高于海相沉积和湖相沉积软土，软基天然强度明显好于东部，从四川、重庆的多条高速公路的沟谷相软基的土性指标看，软基的天然极限填高一般在8m以上，明显较海相、湖相沉积软土高。由于大部分路段的软基天然孔隙比一般在0.71.0之间，按照目前的软基分类标准，应该不属于软土，而属于软弱地基。,我国的沟谷相软基，大多分布在冲沟、谷地、河流阶地。山区沟谷相软基主要是由于当地的软岩风化物和地表的有机物质经过流水的搬运,沉积于地形的低洼处,并经过长时间的饱水软化,以及微生物的分解作用而形成。它在我国南部、西南部的山区或丘陵区的广泛分布，由于环境、成因等因素的不同，山区沟谷相软基呈现出自身的特点 。 根据西南地区沟谷相软基的特点，挖淤换填、清表后片石挤淤换填、片石盲沟、土工格栅加筋、反压护道、塑料排水板、碎石桩（包括CFG桩）等成为常用的处治措施。,山区沟谷相软基常常达不到软土标准，目前习惯上称为软弱土。 公路工程的软土地基需要进行处治，软弱土地基同样需要进行处治，处治的方法由公路工程的标准和构筑物的类型决定。,插入破坏图片,一些软基路堤破坏变形情况,三、路堤沉降稳定计算,在软土地基上修建公路会遇到路基不稳定、沉降过大、不均匀沉降等问题。 软基处治的主要目的 确保软基路堤的稳定，在营运期间不产生过大的沉降变形不产生过大的不均匀沉降。 软基路堤的控制指标 沉降指标 稳定指标,4.1 路堤沉降和稳定计算的一般规定,4.1.1 软土地基路堤应根据软土层厚度、土层强度以及路堤高度的差异，分段进行稳定验算与沉降计算。 4.1.2 稳定验算与沉降计算应按成层地基进行，不得简化为均质地基。 4.1.3 软土地基沉降应计算至附加应力与有效自重应力之比不大于0.15处。 4.1.4 稳定验算应按路堤施工期及道路运营期的荷载分别计算稳定安全系数。施工期荷载可仅考虑路堤自重；运营期荷载应包括路堤自重、路面的增重及行车荷载。地震力计算可仅考虑水平向地震力。 4.1.5 稳定验算时行车荷载可按静止的土柱作用考虑，换算土柱高度应选择路堤上车辆荷载最不利的作用位置计算。路堤高度小于或等于2.5m时，应考虑行车动荷载对沉降的影响。,插入软基地层,软基地质剖面示意图,4.2.6 当稳定安全系数小于表4.2.6规定的容许值时，应针对稳定性进行处理设计。,4.2 稳定验算,大量的实践证明，安全系数与所采用的计算方法及采用的抗剪强度指标有关，也就是说对不同的设计计算方法和强度指标应该采用不同的安全系数。本条中稳定安全系数容许值考虑了固结度的因素，实际上是对施工期和营运期给出了不同的安全系数。日本高等级公路设计规范中要求施工中的安全系数达到1.1，通车后的安全系数达到1.25；它认为快速施工中的路基为临时工程，破坏的可能性较大，1.1的安全系数即可。,边坡失稳破坏是一种复杂的地质灾害过程，边坡内部结构的复杂性和组成边坡岩石物质的不同，造成边坡破坏具有不同模式。对于不同的破坏模式就存在不同的滑动面，因此应采用不同的分析方法及计算公式来分析其稳定状态。目前用于边坡稳定性的分析方法包括工程类比法、图解法、极限平衡法、极限分析法及可靠度分析方法，其它如模糊数学分析法、分形分维理论、灰色理论分析法及神经网络分析法、信息优化处理法等，另外，还有地质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法等。,（一）、边坡稳定分析方法,1、定性分析方法 1）、自然（成因）历史分析法 2）、工程类比法 3）、图解法 2、定量分析方法 1）、极限平衡法 2）、数值分析法 3、边坡工程中的新理论及新方法 1）、可靠度评价法 2）、神经网络法,数值分析方法主要是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡的稳定性。 其中主要的方法有三种： 有限单元法 边界单元法 离散单元法,数值分析法,有限单元法是目前应用最广泛的数值分析方法。它由于部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考虑了岩体的应力应变特征，可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够接近实际地从应力应变特征分析边坡的变化破坏机制，对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利。,有限元法,无粘性土的土坡稳定,一般情况下的无粘性土土坡稳定,下滑力,抗滑力,极限平衡法,极限平衡法在工程中应用非常广泛。它是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理（即静力平衡原理）分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及边坡上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。 其基本原理是：设边坡的稳定安全系数为 F ，则当边坡土体材料的抗剪参数（摩擦因数 tan 和粘结力 c ）降低 F 倍后，边坡内某一最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态。,瑞典圆弧法 瑞典条分法 （有效固结应力法；改进总强度法） 毕肖普（简化毕肖普法） 简布普遍条分法。 斯宾塞法、摩根斯坦普赖斯法、沙尔玛法和不平衡推力传递法,（二）、瑞典圆弧法,这个方法首先是由瑞典的彼得森所提出，故称瑞典圆弧法。 1、基本假设：均质粘性土坡滑动时，其滑动面常近似为圆弧形状，假定滑动面以上的土体为刚性体，即设计中不考虑滑动土体内部的相互作用力，假定土坡稳定属于平面应变问题。 2、基本公式：取圆弧滑动面以上滑动体为脱离体，土体绕圆心O下滑的滑动力矩为Ms，阻止土体滑动的力 是滑弧ACR上的抗滑力，其值等于土的抗剪强度f与 滑弧ACR长度L的乘积。 安全系数K抗滑力矩/滑动力矩Mr/Ms1,(1)滑动力矩：,(3)安全系数：,当=0（粘土不排水强度）时，,(2)抗滑力矩：,W,1、其中圆心O及半径R是任意假设的，还必须计算若干组（O, R）找到最小安全系数 最危险滑动面。 2、该法适应于粘性土坡。后经费伦纽斯改进，提出的简单土坡最危险的滑弧是通过坡角的圆弧。 3、本方法适用于饱和粘土。,简单分析,（三）、瑞典条分法,当按滑动土体这一整体力矩平衡条件计算分析时，由于滑面上各点的斜率都不相同，自重等外荷载对弧面上的法向和切向作用分力不便按整体计算，因而整个滑动弧面上反力分布不清楚；另外，对于0的粘性土坡，特别是土坡为多层土层构成时，求W的大小和重心位置就比较麻烦。故在稳定分析中，为便于计算土体的重量，并使计算的抗剪更加精确，常将滑动土体分成若干竖直土条，求各土条对滑动圆心的抗滑力矩和滑动力矩，各取其总和，计算安全系数，这即为条分法的基本原理。 瑞典条分法也假定各土条为刚性不变形体，不考虑土条两侧面间的作用力。因此是条分法中最简单的一种方法。,图4.2.2 安全系数计算图,1、条分法的基本原理,Wi,hi,Pi,hi+1,Pi+1,Hi+1,Ni,Ti,Hi,第i条土的作用力:,稳定安全系数计算:,Ni方向静力平衡,滑动面上极限平衡,总体对圆心的力矩平衡滑动力矩=抗滑力矩,第i土条受力分析:,2、瑞典条分法计算步骤,2）.分条,3）.列表计算 li Wi i以及安全系数,1）.初选圆心O和半径R,5）.算至Fs最小结束,4）.变化圆心O和半径R，返回1重复步骤13,最危险滑动面的确定,（四）、有效应力法和总应力法,土体的抗剪强度参数的恰当选取是影响土坡稳定分析成果可靠性的主要因素。试验条件尽量符合土体的实际受力和排水情况，计算出的安全系数更可靠。 这样在瑞典条分法中，根据抗剪强度参数选用情况和后期强度增长情况不同，提出了有效应力法和改进总应力法。,改进总强度法是以=0法为基础发展来的，它是基于=0法利用原位测试资料（采用静力触探试验的贯入阻力（单桥探头）或锥尖阻力（双桥探头）换算的十字板抗剪强度或直接由十字板试验得到的抗剪强度）的优点，借用固结有效应力法计算地基强度随固结增加的思想，采用强度增长系数计算固结过程中强度的增量。采用该方法与静力触探试验相结合，为软土地基路堤稳定验算提供了一种高效可靠的途径。 一般=0法不考虑土基固结后土层强度的提高；改进的=0法则考虑固结度及地下水位对土基强度的影响。因式中U1是时间的函数，故F也是时间的函数。,固结有效应力法考虑了软土地基路堤施工的实际情况，即路堤荷载并非瞬间填到设计高度，而是按照一定的施工速率逐渐填筑。当遇到在强度很差的地基上需要修筑高路堤的情况时，可以按照这一计算模式对采取分期加载的方法逐渐使地基固结强度提高后的安全系数进行验算，以保证路堤填筑过程中的稳定满足要求。,试验指标与现场条件的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,稳定分析一般可以分为三类：不排水的稳定问题，以总应力法进行分析；排水的稳定问题，以有效应力法分析；部分排水的稳定问题以有效固结应力法分析。 有效应力法得出的安全系数往往偏高。而总应力法给出的安全系数则又大多偏低。比较合理的是采用有效固结应力法进行分析，它既能考虑土体在施工过程中有效应力增长的有利因素又不忽视不排水破坏过程中剪切引起孔压的不利影响。 弥补了上述两种方法的不足。,4.2.2采用有效固结应力法进行稳定验算时，稳定安全系数可按式(4.2.2)计算。,cqi、 地基土或路堤填料的黏聚力（kPa）和内摩擦角（），由快剪试验测得； 地基土的内摩擦角（），由固结快剪试验测得； 有效固结应力法地下水位以下土体采用浮容重。,4.2.3采用改进总强度法进行稳定验算时，稳定安全系数可按式(4.2.3)计算。,Sui十字板试验得到的抗剪强度（kPa），或由静力触探试验的贯入阻力（单桥探头）、锥尖阻力（双桥探头）换算的十字板抗剪强度,十字板剪切强度增长示意图,Sui,地基土层强度增长系数mi=tg(),抗剪强度包线,表4.2.3 地基土层强度增长系数mi,瑞典条分法的讨论,1.瑞典条分法假设圆弧滑裂面，与实际滑裂面有差别。忽略了条间力，所计算安全系数Fs偏小。 2.对于 =0或数值很小的软粘土，滑面底部的正应力对有效抗剪强度影响较小，用瑞典法求出的安全系数不一定比其它方法保守，但越大(条间力的抗滑作用越大)，计算的安全系数就偏小一些。 3。可以确定（测量、计算）孔隙水压力u的情况，应当使用有效应力指标c，. 而很多时候没有测定孔隙水压力，都是直接采用总应力法。 4.采用总应力指标时，应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同的总应力强度指标,1、原理与特点,假设滑裂面为圆弧 不忽略条间作用力 在每条的滑裂面上满足极限平衡条件 总体对圆心O力矩平衡,（五）、毕肖甫（Bishop）法,Wi,hi,Pi,hi+1,Pi+1,Hi+1,Ni,Ti,Hi,第i条土的作用力:,2、简化Bishop法,逐次逼近法计算Fs,设Hi=0（每条上作用力在y方向（竖直）上静力平衡） 简化Bishop法，忽略条间切向力对法向应力的影响,4.2.4 采用简化毕肖普法进行稳定验算时，稳定安全系数可按式(4.2.4-1)式(4.2.4-3) 采用迭代法计算。,分别地基土三轴试验测得的有效黏聚力（kPa）和有效内摩擦角（） 滑动面上的孔隙水压力（kPa）。,3、简化毕肖甫法计算步骤,1）.初选圆心O，半径R,2）.设Fs=1.0，计算 mqi、,3）.若满足,4）.若不满足，令 ,重复步骤2,5）.变化圆心O和半径R，返回1重复步骤14,6）.算至Fs最小结束,则进行步骤5,简化毕肖甫法忽略了切向条间力的影响，有研究表明，造成的误差在2%7%。,当边坡中存在明显的软弱夹层时，或在层面倾斜的岩面上填筑土堤、挖方中遇到裂隙比较发育的岩土体或有老滑坡体等滑坡将在软弱面上发生，其破坏面将与圆柱面相差甚远。圆弧滑动分析的瑞典条分法和Bishop法不再适用； 简布(N.Janbu)把圆弧滑动面土坡稳定性分析的条分法加以推广，应用于滑动面为任意形状的土坡计算，给出了任意形状滑动面土坡稳定性的分析公式，该方法被称之为简布普遍条分法，简称简布法。简布法是土坡稳定性分析中常用的、适应广泛的一种计算方法。,（六）、简布非圆弧普通条分法,简布法的3个假定, 在整个滑裂面上的稳定安全系数是一致的， 都等于沿整个滑动面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比 ； 每一土条上所有垂直向荷载的合力 ( 含坡顶均布力、坡顶集中力和土条自身重力) 的作用线和滑动面的交点与土条底面法向反力作用点重合； 假定土条间侧向推力作用点的位置已知。 该方法也考虑了各种可能受到的荷载，如坡顶均布堆载、竖向集中力、水平向作用力(如地震惯性力)， 甚至坡顶和坡角的水平向集中推力。,简布法中，认为条块的水平土压力呈三角形分布，其合力作用点位于土条底面以上1/3高度处，这些作用点连线称为推力线。这样减少了n-1个未知量，对每一土条在滑裂面切向、法向和土条水平向建立了三个力平衡以及对土条底面中点建立的一个力矩平衡共四个条件方程式，根据静力平衡条件和力矩平衡条件可以利用迭代法求得稳定性系数。,基本原理,Janbu普遍条分法,4.2.5 采用简布普遍条分法进行稳定验算时，稳定安全系数可按式(4.2.5) 采用迭代法计算。,土条两侧边界上的剪力增量，根据土条两侧边界上法向力作用点位置计算。,计算步骤,在简布模型中，K值出现于等式的两端，因此，计算K时先假定T=0，迭代计算求得近似K值，然后根据力的平衡方程,再求出条块侧界面上的法向力，并进一步求得T值。以此逐步迭代，以使前后K值差小于规定的计算精度，从而最终求得K值。,软土地基路堤的稳定验算宜采用圆弧滑动法中的有效固结应力法、改进总强度法，必要时可采用简化毕肖普法、简布普遍条分法。 简化毕肖普法和简布普遍条分法都是较精确的计算方法，简布普遍条分法还常用于非圆弧滑动面的稳定验算。由于两种计算方法采用有效抗剪强度指标，取样试验的工作量比较大，必须事先测定土层的孔隙压力或按渗流理论计算U。设计中全部采用这种方法计算有一定困难，可以在试验工程中或路堤的重点部位有选择性地应用。,前述各种方法，基本出发点是一致的，就是假定土体为理想塑性材料，把土条作为一个刚体，按照极限平衡的原则进行力的分析，完全不考虑土体本身的应力-应变关系，各种方法的最大不同之处仅仅在于相邻土条间的内力作如何假定，也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定问题。,条 分 法 比 较,各种稳定分析方法的比较,1、滑裂面问题 对于匀质的粘性土坡，采用圆弧条分法可以获得较为满意的结果，但对于不是匀质或一些特殊情况的边坡，滑裂面形状会发生很大变化，这就需要根据工程实际情况，采用多种方法或非圆弧滑裂面，进行计算比较。 2、强度指标选择问题 土体的强度指标测定与选用值是否适当，对土坡的稳定验算关系甚大，有研究表明，对同一种方法，采用不同试验方法得到的强度指标能使土坝竣工期稳定系数在1.11.9之间变化，误差大大超过了采用不同计算方法造成的误差。,关于计算方法的一些说明,3、建立在极限平衡基础理论上的条分法，计算方法较为完善、使用经验较为丰富。但是，方法本身没有考虑土体内部的应力应变关系计算，所得到的安全系数只是假定滑裂面上的平均安全系数，所求出的土条间的内力或土条底部反力并不就是滑动土体真实存在的力，因此，无法分析稳定破坏的发生和发展过程，更无法考虑局部变形对土坡稳定的影响。因此，数值分析方法在这方面显示了较大的优势。需要在以后工作中，采用多种分析方法，这些方法的相互印证，对极大的促进土坡稳定分析理论的发展。,土体产生压缩的原因： 1、固体颗粒的压缩； 2、孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解； 3、孔隙水和孔隙气体的排出；,水、固体颗粒的压缩量常可略不计； 土体压缩主要来自孔隙水和气的排出。,4.3 沉降计算,软基路堤沉降的组成 总沉降=地基总沉降+路堤沉降（压缩） 沉降计算包括： 总沉降计算、固结度与固结沉降计算、工后沉降计算,（一）、总沉降计算,地基总沉降可用以下两种方法表示： S=Sd+Sc+Ss S =msSc 其中，地基沉降又包括 以下几个部分： Sd：初始沉降 Sc：固结沉降 Ss：次固结沉降,初始沉降（瞬时沉降）Sd,土体在附加应力作用下产生的瞬时变形,固结沉降Sc,饱和与接近饱和的粘性土在荷载作用下随着超静孔隙水压力的消散土中孔隙水的排出土骨架产生变形所造成的沉降(固结压密),次固结沉降Ss,主固结过程(超静孔隙水压力消散过程)结束后，在有效应力不变的情况下，土的骨架仍随时间继续发生变形。称为次固结沉降,次固结沉降Ss,次固结变形为主固结变形完成后，土体的变形在时间上把主固结变形和次固结变形截然分开的意见在学术界看法是不一致的。 将地基沉降分成三部分是从变形机理角度考虑，并不是从时间角度划分的地基固结沉降和次固结沉降难以在时间上分开。,土的性质对沉降的影响,初始沉降是主要的，排水固结变 形在荷载作用后很快完成,固结沉降是主要的，需要很长时间才能完成,沉降计算方法,初始沉降,采用弹性理论求解,固结沉降,根据固结确定试验参数，采用分层总和法求解,次结沉降,根据相应试验确定参数， 采用分层总和法求解,砂土地基,饱和粘土地基,在实际工程中，常常采用计算出主固结沉降后乘以沉降修正系数的方法计算总沉降。,4.3.5最终沉降宜按式(4.3.5-1)计算,4.3.6 最终沉降也可由瞬时沉降Sd、主固结沉降Sc及次固结沉降Ss三者之和按式(4.3.6)计算。 =Sd+Sc+Ss,4.3.7 瞬时沉降Sd可按式(4.3.7-1)和式(4.3.7-2)计算。,4.3.8 次固结沉降Ss可按式(4.3.8)计算。,hi各土层的厚度（m）； tci主固结完成所需要的时间(d)； eci主固结完成时土的孔隙比； tA计算次固结变形所要求的总时间(d)； Iai次固结系数，可由土层取样进行室内高压固结试验得到的e-lgt曲线确定。,4.3.10 以上沉降计算方法在实际应用中，一般认为用压缩模量计算精度偏低，首选e-p曲线计算主固结沉降，最终沉降采用沉降系数计算。这是公路部门根据多年的实践，从方法的可靠性和实际的可行性综合选用的结果。,沉降修正系数,H 路堤中心高度(m)； 路堤填料的重度(kN/m3)； 地基处理类型系数, 用塑料排水板处理时取0.951.1,用水泥搅拌桩处理时取0.85，预压时取0.90； V加载速率修正系数,加载速率在2070mm/d之间时，取0.025；采用分期加载，速率小于20mm/d时取0.005；采用快速加载，速率大于70mm/d时取0.05； Y地质因素修正系数，当同时满足软土层不排水抗剪强度小于25 kPa、软土层的厚度大于5m、硬壳层厚度小于2.5m三个条件时，Y=0，其他情况下可取Y=-0.1。,（二）、主固结沉降计算,4.3.1 主固结沉降Sc应采用分层总和法计算，计算参数可采用由压缩试验得到的e-p曲线或压缩模量Es或elgp曲线。,4.3.2 采用e-p曲线计算时，主固结沉降Sc可按式(4.3.2)计算。,4.3.3采用压缩模量Es计算时，主固结沉降Sc可按式(4.3.3)计算。,elgp曲线计算沉降,eP 曲线计算沉降，不能反映土的压力历史。 当考虑土层的应力历史进行变形计算时，应进行高压固结试验，确定先期固结压力、压缩指数等压缩性指标，试验成果用e-lgp曲线表示。,hp,正常固结、超固结、欠固结这三种状态不是固定不变的，随着外界条件的变化可以从一种状态转化成另一种状态。,根据Pci划分土层,1)正常固结土 若天然土层经历了漫长的地质年代，逐渐沉积到现在的地面，在土的自重作用下已经达到固结稳定状态，则其先期固结压力pc等于现有的土自重应力P1(p1h），这类土称为正常固结土。正常固结土的超固结比OCR=1。,2)超固结土 若正常固结土受流水、冰川或人为开挖等的剥蚀作用而形成现在的地面，则先期固结压力Pchc(hc为剥蚀前地面下的计算点深度)就超过了现有的土自重应力P1。这类历史上曾经受到过大于现有覆盖土重的先期固结压力的土称为超固结土。超因结土的超固结比OCR1。 与正常固结土相比，超固结土的强度较高、压缩性较低，静止侧压力系数较大(可大于1)。软弱地基处理方法之一的堆载预压法就是通过堆载预压使软弱土成为超固结土，从而提高其强度，降低其压缩性。,3)欠固结土 欠因结土主要指新近沉积粘性土、人工填土及地下水位下降后原水位以下的粘性土等。这类土层在自重作用下还没有完全田结，土中孔隙水压力仍在继续消散，土的先期固结压力P c小于现有土的自重应力P1(这里P1指的是土层固结完毕后的自重应力)。欠固结土的超固结比OCR1。由于欠固结土层的沉降尚未稳定，因此当地基主要受力层范围内有欠固结土层时，必须注意其沉降问题。,e lgP 曲线,e,压缩指数,对直线段：,lgP,Cc 是无量纲系数，同压缩系数a 一样，压缩指数Cc值越大，土的压缩性越高。 虽然压缩系数a 和压缩指数Cc 都是反映土的压缩性的指标，但是两者有所不同。前者随所取的初始压力及压力增量的大小而异，而后者在较高的压力范围内却是常量，不随压力而变。,压缩系数与压缩指数,(1)土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形组成； (2)回弹曲线和再压线曲线构成一迴滞环，是土体不是完全弹性体的表征； (3)回弹曲线和再压缩曲线比压缩曲线平缓得多； (4)当再加荷时的压力超过b点，再压缩曲线就趋于初始压缩曲线的延长线。,再压缩试验时土体体积变化特征：,利用压缩、回弹、再压缩的e-lgp曲线，可以分析应力历史对土的压缩性的影响。,4.3.4采用elgp曲线计算时，主固结沉降Sc可分正常固结土、欠固结土和超固结土三种情况分别计算。 1 正常固结土、欠固结土的主固结沉降Sc可按式(4.3.4-1)计算。,Cci土层的压缩指数。,2 超固结土的主固结沉降Sc可按以下公式计算。 1）当ppc-p0时，,2）当ppc-p0时,式中：p0i地基中各分层中点的自重应力(kPa)； pci地基中各分层中点的前期固结压力(kPa)； Csi土层的回弹指数。,用elgp曲线计算试验工作量大，实施较为困难。在试验工程中或在路堤的重点部位可以有选择性地采用elgp曲线计算。,4.3.9 任一时刻地基的沉降，应考虑主固结随时间的变化过程，可按式(4.3.9)计算： St=Sd+ScU+Ss U地基平均固结度,（三）、固结沉降计算,（四）、地基固结度计算,4.4 地基平均固结度计算 4.4.1 软土地基固结应包括竖向固结与水平向固结两部分，可采用太沙基固结理论计算。,一维固结微分方程的建立 考察土层顶面以下Z深度的微元体dxdydz在dt时间内的变化,连续性条件 dt时间内微元体内水量的变化应等于微元体内空隙体积的变化,1,（2）根据达西定律：,（3）根据侧限条件下孔隙比的变化与竖向有效应力变化的关系（基本假设）得到：,（4）根据有效应力原理：,3,2,将2、3带入1，得到,上式即为太沙基一维固结微分方程，其中CV称为土的竖向固结系数,竖向排水,初始条件和边界条件如下：,应用傅立叶级数，可求得满足初始条件和边界条件的固结度计算公式,4.4.2 竖向固结条件下，地基竖向平均固结度Uv可按式(4.4.2-1)式(4.4.2-4)计算。,4.4.3 地基中设有砂井或其他形式的竖向排水体时，径向固结度Ur可按式(4.4.3-1)式(4.4.3-3)计算：,4.4.4 地基中设有砂井或其他形式的竖向排水体时，砂井区地基总的平均固结度U可按式(4.4.4）计算：,4.4.5 砂井底面以下地基的固结度应按Uv计算，Uv的排水距离可按式(4.4.5-1)和式(4.4.5-2)计算。,多级加载情况下固结度修正,在实际工程中，荷载总是分级逐渐施加的，因此，前面公式求得的固结时间关系必须加以修正，修正的方法有改进的高木俊介法和改进的太沙基法。 高木俊介法是根据巴伦理论，考虑变速加荷使砂井地基在辐射向和垂直向排水条件下推导出砂井地基的总平均固结度，其特点是不需要求得瞬时加荷条件下的地基固结度，而是可以直接求得修正后的平均固结。 改进的太沙基法得到的固结度仅是对本级荷载而言的，总固结度等于各级荷载增量作用下固结度的叠加，对总荷载还要按荷载的比例进行修正。,4.5 地基平均固结度修正 4.5.1地基平均固结度可采用改进的太沙基法或改进的高木俊介法修正。 4.5.2 采用改进的太沙基法时，多级等速加载下修正后的地基平均固结度可按式（4.5.2）计算,4.5.3 采用改进的高木俊介法时，多级等速加载下修正后的地基平均固结度可按式（4.5.3）计算。,pi第i级等速加载的荷载增量， 第i级荷载平均加载速率(kPa/d)； 参数，与排水固结条件有关。,（五）、工后沉降计算,4.3.11 工后沉降应按下式计算。 sp=so- scp so路面设计使用年限内地基发生的总沉降(m)； scp路基路面施工(预压)期沉降(m)。 4.3.12 当工后沉降不满足下表的要求时，应针对沉降进行处理设计。,路基沉降观察与工后沉降建议,笔者单位对四川成南公路沉降状况进行了长期跟踪观测，从路基填筑段落开始一直到通车后的3年的不间断沉降观测资料。观测时间跨度一般在6年左右。,K178+190实测沉降曲线,K178+190工后沉降观测曲线,表 各工点稳定期沉降发展一览表,成南高速公路各工点工后沉降与路面状况,泉厦高速公路对路面底基层施工铺筑时的路基沉降速率作出了如下规定： 一般路段连续两次月平均沉降小于8，桥头路段连续两次月平均沉降小于6。 沪宁高速公路，对路面各层次铺筑时间也进行了规定： 预压期填筑底基层的条件为:路床顶面的沉降速率连续两个月的观测值小于5/月；填筑沥青混凝土面层的条件为：基层的沉降速率连续两个月的观测值应小于3/月。 京沪高速铁路设计暂行规定对路基的工后沉降提出了严格的要求，明确规定工后沉降不应大于10、沉降速率应小于3/年的双指标控制标准。 从以上标准看，在铺筑路面面层时，一般要求月沉降速率小于34mm以下。,关于工后沉降的建议（供参考）,一、 淡化远期控制指标，工后沉降标准主要在软基设计中使用。提出近期工后沉降控制标准（如3年），提出实际施工中的沉降速率控制标准。 二、在路基设计规范中，也提出了铺筑路面的沉降速率控制标准。 三、 严格控制铺筑各层路面时的沉降控制标准（连续2月观测）。 底基层、基层铺筑要求：沉降速率不大于8mm/月； 油面铺筑要求：沉降速率不大于0.5cm左右/月； 油面上面层铺筑要求：沉降速率不大于0.30.4cm左右/月。 从这几条路与相关资料的实践证明，该沉降稳定控制标准是基本可行的，符合或严格按照上述标准进行控制铺筑的路面，一般不会出现较大的沉降问题。,软基处理包括地上、地下两个部分，在地下有塑料排水板、碎石桩、粉喷桩、管桩等处理技术，在地上，也有反压附道、堆载预压、轻质路堤、加筋路堤、筏基等处治技术，根据以往的成功经验，软基处治适宜采用综合处理，因地制宜的技术方案。,四 路堤设计,6.1.1软土地基段的路堤设计，应按照因地制宜、就地取材的原则，根据地基情况分段进行。宜采取经济合理的措施降低路堤自重，减小路基工后沉降。 6.1.2路堤设计的内容应包括路堤断面设计、路堤填料设计、堆载预压高度设计和预压期设计等。 6.1.3 路堤断面设计应考虑地基沉降、路堤顶面凹陷、顶宽和底宽收缩以及边坡变缓等因素。,6.1 一般规定,6.1.4 路堤宽度应适当超填，单侧的超填量d可参照图6.1.4按式(6.1.4)计算：,6.1.6 堆载预压宜采用等载预压；当工期紧时，可采用超载预压；二级以下(含二级)的公路可采用欠载预压。 6.1.7 沉降起控制作用的路段，预压期应根据要求的工后沉降确定；稳定起控制作用的路段，应根据地基固结度确定；沉降与稳定均为控制因素时，应选用两者中较长的预压期。地基采用竖向排水体处理时，预压期不宜小于6个月；采用复合地基处理时，预压期不宜小于3个月。,超载预压应考虑因地基沉降而增加的路堤填土荷重。因地基沉降而增加的填土，即沉入地基的那部分路基填土，在计算沉降时应考虑为荷重，否则计算的沉降值将偏小。 竖向排水体施工时，施工机械的振动及桩管的扰动，会破坏地基土的强度和透水能力，造成在施工后一段时间内，理论推算沉降与可能实际有较大差别，需要45个月后方可恢复正常，因此，需要限制预压期不能过短。日本高等级公路设计规范要求：预压施工时，原则上要在预压填土后放置6个月以上时间。从我国施工工期以及经济方面考虑，要求预压期不少于6个月。 粒料桩、加固土桩、水泥粉煤灰碎石桩、刚性桩加固的地基都属于复合地基，这些桩体施工时同样会造成地基的扰动，适当的预压期有利于地基强度的恢复和桩土相互作用的协调，因此，宜按不小于3个月控制预压期。,6.2 粉煤灰路堤,6.2.3 粉煤灰路堤应做好断面设计、结构设计和排水设计，保证路堤有足够的强度和稳定性。 6.2.4 粉煤灰路堤边坡和路肩应采取土质护坡等保护措施，护坡土宜采用塑性指数不低于12的粘质土。土质护坡厚度应根据道路等级、地理环境、自然条件、土质、施工条件等因素确定，水平方向厚度不应小于1m，并应碾压密实。 6.2.5 应在土质护坡上间隔一定的距离设置排水盲沟，排除粉煤灰路堤体内积水。排水盲沟宜设置于路堤的中下部，可设置12排，盲沟竖向间距宜为2m，水平间距宜为1015m。盲沟可采用土工布包裹碎石型式，断面尺寸宜为0.4m0.5m。盲沟深入粉煤灰路堤内部不应小于1.0m，排水横坡不宜小于3%。,6.2.6 粉煤灰路堤的上路床应采用无机结合料稳定材料，同时作为粉煤灰路堤的封顶层。 6.2.7 粉煤灰路堤底部应设置隔离层。隔离层可采用天然砂砾料、采石场碎块片石等透水性良好的材料填筑，也可采用工业废渣、炉渣、钢渣、矿渣等。隔离层厚度不宜小于0.3m，横坡不宜小于3%。,6.2.8 粉煤灰路堤边坡高度在5m以下时，边坡坡率应不陡于1：1.5；5m以上的路堤，上部边坡坡率应不陡于1：1.5，下部边坡坡率应不陡于1：1.75。展坡困难时可设置挡墙收缩坡脚。 6.2.9 粉煤灰与桥涵等混凝土结构、金属结构物接触处，宜在结构物表面涂刷沥青防腐。 6.2.10 粉煤灰路堤的稳定验算方法和沉降计算方法与土质路堤相同。稳定验算时，粉煤灰的黏聚力c和内摩擦角应采用饱水后测得的c、值，地基土各层