一种堆载预压塑料排水板地基侧向变形预测方法

本发明属于软土地基处理，尤其涉及一种堆载预压塑料排水板地基侧向变形预测方法。

背景技术：

1、预压荷载下，塑料排水板地基快速固结的同时，往往伴随有较大的变形。堆载预压下，塑料排水板地基一般发生向外膨胀的侧向变形，而地基过大的向外侧向变形会挤压、破坏临近结构，或导致路堤坍塌破坏。因此，有效预测堆载预压下排水板地基的侧向变形，对工程设计和施工具有重要的指导意义。

2、然而，现阶段关于堆载预压下排水板地基侧向变形的预测方法，仅能估算地基的最大侧向变形，无法预测地基不同深度处的侧向变形，不能分析获得地基的侧向变形，进而也未能确定地基最大侧向变形的出现深度。发明人前期公开的专利号为cn202310286028.5，名称为真空联合堆载预压排水板地基侧向变形预测方法的专利，虽然可以预测排水板地基侧向变形预测，但上述专利依然存在如下不足：首先是适用范围较窄，仅适用于真空堆载联合预压的工况，无法推广应用于堆载预压下排水板地基侧向变形的预测计算；其次，关键计算步骤较繁琐，在计算地基土单元体应力比时，需先计算特征参数，进而参照应力比与特征参数的关系图，反向计算得到土体应力比；影响因素考虑不够全面，未考虑地基内水平附加应力这一关键因素对排水板地基侧向变形的影响，一定程度增加了预测结果的不确定性。

3、综上，开发一种能够预测堆载预压排水板地基侧向变形的方法是目前亟待解决的一个技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种堆载预压塑料排水板地基侧向变形预测方法，该方法以堆载预压过程中土体代表性应力比和土体水平应变/一维压缩应变之比与土体代表性应力比/静止土压力系数之比的定量关系图为主体，可快速计算出堆载预压下塑料排水板地基的侧向变形轮廓，为堆载预压处理排水板地基的相关设计提供参考。

2、为此，本发明提供的堆载预压塑料排水板地基侧向变形预测方法，包括如下步骤：

3、s1、计算堆载预压过程中土体的代表性应力比ke*

4、根据竖向附加应力ps、水平附加应力ph、堆载加载速率lr、地基土初始竖向有效应力σv0′、地基土初始水平向有效应力σh0′、和排水板地基固结排水的相关参数，通过下式计算得到堆载预压过程中土体的代表性应力比ke*：

5、

6、

7、式中，ch为土体的水平向固结系数，rs为排水板涂抹区半径，rw为排水板的等效半径，re为排水板单元体的等效半径，qw为排水板单位时间的排水量，kh为非扰动区土体的水平向渗透系数，ks为涂抹区土体的渗透系数，l为排水板长度，μ为排水板地基固结分析相关的无量纲参数，pa为标准大气压强；

8、s2、计算土体一维压缩条件下的参考竖向应变εv1，如下式：

9、

10、式中，e0为土体的初始孔隙比，cc为压缩指数，σv0′为土体初始竖向有效应力；

11、s3、根据已知的土体静止土压力系数k0计算比值ke*/k0，并参照εh/εv1-ke*/k0定量关系图，按照下式计算得到εh/εv1：

12、f(x)＝245.83e(-x/0.10223)+0.02943   (4)

13、式中，εh为土体侧向应变，f(x)代表εh/εv1的值，x代表比值ke*/k0；

14、式(4)是本发明方法建立的针对堆载单独预压塑料排水板地基侧向应变得计算公式，填补了既有方法中相关公式无法计算堆载预压下排水板地基侧向应变的不足。

15、s4、根据步骤s2计算得到的一维压缩条件下的竖向应变εv1及步骤s3计算得到的εh/εv1值，计算三轴试验条件下土体的侧向应变εh；

16、s5、根据εh值和堆载预压区的宽度b，按下式计算地基的侧向变形：

17、δ＝0.5bεh   (5)

18、式中，δ为土体的侧向变形。

19、具体的，代表性应力比ke*以理想瞬时加载条件下的代表性应力比作为基本项，将包含加载速率及土体固结特性的参数α作为修正项联合获得；其中，

20、

21、

22、

23、式中：为理想瞬时加载条件下的代表性应力比，tr为径向固结的时间因子；pa为标准大气压强；t为时间；μ为考虑涂抹效应及井阻效应的无量纲因子。

24、具体的，针对平面应变工况时，需将三轴条件下的侧向应变转换成平面应变条件下的侧向应变，基于弹性理论平面应变条件下的侧向应变可通过下式由三轴条件下的侧向应变转换得到：

25、εhp＝(1+ν)εh   (9)

26、式中，εhp为平面应变条件下的土体侧向应变，εh为三轴试验条件下的土体侧向应变，ν是土体的泊松比。

27、具体的，计算代表性应力比ke*时，竖向附加应力ps为最大设计堆载作用下，预压区中心位置各深度处土体所受的竖向附加应力，根据土力学中的地基竖向附加应力计算方法计算得到；ph为距离预压区中心1/8路堤宽度位置各深度处土体受到的水平向附加应力，根据土力学中的地基水平向附加应力计算方法计算得到。

28、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

29、1.本发明方法直接建立堆载预压工程中排水板地基土单元体的代表性应力比ke*与各主要影响因素的关系，无需超孔隙水压力参与计算，简化了计算步骤，且关系图和关系式简洁明了，使得本发明方法计算代表性应力比ke*更简便快捷；

30、2.本发明方法针对堆载预压的工况，考虑了水平附加应力ph这一关键因素的影响效应，增加了代表性应力比ke*及地基侧向变形预测结果的准确性；

31、3.本发明方法针对堆载单独预压的工况，基于堆载预压固结阶段超孔隙水压力中值点分析土单元体的代表性应力比ke*，并综合考虑各主要影响因素的作用效应，建立直接计算堆载预压下排水板地基代表性应力ke*的表达式(即式(1))，相对于真空堆载预压下排水板地基侧向变形的预测方法，本发明方法选取的应力比代表值更加符合工程实际，有利于增加预测结果的可靠性。

32、4.本申请以堆载预压过程中土体的代表性应力比ke*和εh/εv1(εh为侧向应变，εv1为土体一维压缩条件下的参考竖向应变)与ke*/k0(ke*为堆载预压过程中土体的代表性应力比，k0为土体的静止土压力系数)定量关系图为主体，可快速计算出堆载预压下排水板地基的侧向变形轮廓，为堆载预压处理排水板地基的相关设计提供参考。

33、综上，本发明方法填补了既有方法无法预测和计算堆载单独预压下排水板地基侧向变形轮廓的不足，而且以堆载预压固结阶段，塑料排水板地基超孔隙水压力中值点对应的应力比，建立应力比的计算式，更具有代表性，计算地基土应力比时，无需根据特征参数反推，可直接计算得到堆载预压过程中地基土的代表性应力比，简化了计算过程和步骤，此外还综合考虑了包括水平附加应力在内的各主要影响因素的作用效应，预测结果更加准确可靠。

技术特征：

1.一种堆载预压塑料排水板地基侧向变形预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的堆载预压排水板地基侧向变形预测方法，其特征在于：代表性应力比ke*以理想瞬时加载条件下的代表性应力比作为基本项，将包含加载速率及土体固结特性的参数α作为修正项联合获得；其中，

3.根据权利要求1或2所述的堆载预压排水板地基侧向变形预测方法，其特征在于：针对平面应变工况时，需将三轴条件下的侧向应变转换成平面应变条件下的侧向应变，基于弹性理论平面应变条件下的侧向应变通过下式由三轴条件下的侧向应变转换得到：

4.根据权利要求1或2所述的堆载预压排水板地基侧向变形预测方法，其特征在于：计算代表性应力比ke*时，竖向附加应力ps为最大设计堆载作用下，预压区中心位置各深度处土体所受的竖向附加应力，根据土力学中的地基竖向附加应力计算方法计算得到；ph为距离预压区中心1/8路堤宽度位置各深度处土体受到的水平向附加应力，根据土力学中的地基水平向附加应力计算方法计算得到。

5.根据权利要求1或2所述的堆载预压排水板地基侧向变形预测方法，其特征在于：利用公式(5)获得地基不同埋深处的侧向变形后，利用获得的不同埋深处的侧向变形，即可获得堆载预压下塑料排水板地基的侧向变形轮廓。

技术总结
本发明公开了一种堆载预压塑料排水板地基侧向变形预测方法，包括计算堆载预压过程中土体的代表性应力比、计算土体一维压缩条件下的参考竖向应变、计算代表性应力比与静止土压力系数的比值、计算侧向应变与土体的一维压缩应变的比值、计算土体的侧向应变以及计算地基的侧向变形几个步骤。本申请以堆载预压过程中土体代表性应力比和土体水平应变/一维压缩应变之比与土体代表性应力比/静止土压力系数之比的定量关系图为主体，可快速计算出堆载预压下塑料排水板地基的侧向变形，为堆载预压处理排水板地基的相关设计提供参考。

技术研发人员：徐方,杨俊芳,吴其长,门小雄,杨奇,叶新宇
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/24