韓君良 趙 巖

（西安公路研究院1） 西安 710054） （長安大學公路學院2） 西安 710064）

0 引 言

高速公路高路堤建設期的側(cè)向位移觀測是路基穩(wěn)定控制中的主要內(nèi)容之一，也是評價和控制路基穩(wěn)定性的重要依據(jù)．實踐表明，路堤自身沉降包含了較大比例的側(cè)向位移產(chǎn)生的附加沉降．

我國學者對此進行了深入的研究．1994年馬時冬［1］對路堤下軟土的側(cè)向位移作了觀測分析并詳細介紹了F．A．Tavenas的觀點．張誠厚等（1995年）［2］在滬寧高速公路建設中研究了剪切變形引起的附加沉降量，得出了附加沉降量占總量14%～30%的結(jié)論．劉增賢，湯連生［3］根據(jù)廣珠高速公路靈山段實際觀測資料，分析計算了其側(cè)向擠出沉降量占總沉降量1／4以上．1998年，廣珠高速公路某標段 在填筑路堤時土的側(cè)向擠出將距坡角7 m處的直徑1．2 m的混凝土灌注樁擠偏了26 cm［4］．研究側(cè)向位移與沉降的關系，對深入了解沉降特性與構(gòu)成具有理論價值和實踐意義．

1 側(cè)向位移沉降模型

由于路基中的土樣受力狀態(tài)與在固結(jié)儀中不同［5］，見圖1．原來作用于土樣上的垂直和水平方向上的壓力是σ1和σ3，開始加荷的瞬時，增加了附加應力Δσ1和Δσ3．

圖1 土體的側(cè)向變形

對于瞬時彈性變形，如圖1a），土塊雖然變形了，但體積改變ΔV＝0．這時垂直和水平方向有效主應力為

式中：ΔU為孔隙水壓力增量．

當土體完全固結(jié)時ΔU＝0．其有效應力為

從式（1）與（2）的比較中顯然可以看出：σ′3在固結(jié)過程中比σ′1的值增加的更多（σ1＞σ3）．所以土體在水平方向先是膨脹，在垂直方向，固結(jié)過程使土體進一步壓縮．因此，在變形計算中應考慮水平側(cè)向變形的影響．

本文按等體積變形的思想建立路堤側(cè)向位移沉降模型，假設以下條件：（1）路堤單位高度的橫截面可看作矩形截面，側(cè)向變形后仍為矩形；（2）壓縮過程中土體作等體積變形；（3）沿路線方向無形變，僅橫向有形變，且兩側(cè)形變相同．

由條件（2）（3）可得，單位土體的變形為等面積變形．側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降可以用圖2c）來表示．圖中陰影部分為土體，空白部分為沉降量．

圖2 沉降構(gòu)成分解圖

根據(jù)體積不變，圖2c）中單位厚度空白部分與被擠出的c寬度的陰影部分面積相等，可以得出如下關系

由式（3）可以解出如下式

式中：H為填土高度；L為半幅路基寬度；h1為固結(jié)沉降量；h2為側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降；c為單側(cè)側(cè)向位移量．

式（4）反映了在模型假設條件下，側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降量h2與填土高度H、側(cè)向位移量c、路基寬度L（半幅）之間的關系．

本模型確定的方法簡便易行，不需要建立基于彈性理論和固結(jié)理論上的復雜的公式，且不需要通過室內(nèi)試驗來確定各個參數(shù)，從而避免了因參數(shù)選取不當帶來的誤差．式（4）建立在現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的基礎上，能夠較真實地反映實際情況．

2 工程實踐

蘭考至許昌高速公路是國家級重點建設項目日（照）南（陽）高速公路的重要組成部分［6］．途徑黃河古道區(qū)多處分布有軟土層．天然含水量36．10%～50．40%；孔隙比1．005～1．483；快剪指標c＝2．2～48．0 kPa，φ＝3．5°～14．0°．一般軟土層頂板埋深（單元土層層頂距地面的深度）為1．80～15．00 m，個別達20．50 m，厚度一般不大于2 m，個別達3．8 m，呈規(guī)模不大的層狀或透鏡狀．

在沿線試驗路段選取典型橫斷面進行了長期的路基沉降及側(cè)向位移觀測［7］．試驗采用沉降板進行沉降觀測，采用側(cè)向位移樁（也稱邊樁）對進行側(cè)向位移觀測．本文對K30＋600觀測斷面的側(cè)向位移進行分析．填土與側(cè)向位移隨時間關系曲線見圖3．

圖3 K30＋600觀測斷面?zhèn)认蛭灰茍D

從圖中可以看出：（1）側(cè)向位移呈現(xiàn)與填土進程良好的相關性．填土初期側(cè)向位移量隨著填土高度的增加而增大，且基本呈線性發(fā)展，填土荷載對側(cè)向變形有直接的影響．（2）填土停止后，隨著時間的推移側(cè)向位移雖然沒有完全停止，但所增加的幅度很小，即后期的側(cè)向位移較?。?/p>

以K30＋600斷面為例，觀測期末側(cè)向位移量為23．3 cm，根據(jù)式（4）和沉降觀測數(shù)據(jù)及側(cè)向位移觀測數(shù)據(jù)對側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降量進行了計算．

其他斷面的填土基本完成期數(shù)據(jù)計算結(jié)果見表1．作為對比，填土完成后整個觀測期計算值見表2．

表1 填土基本完成期側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降量計算

表2 填土完成后整個觀測期側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降量計算

由表1可見，填土期側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降量占觀測沉降量的比例沒有太大差異，均占稍高于20%；表2為觀測期內(nèi)的計算值，也在20%左右．

通過上面的分析，對沉降的構(gòu)成，尤其是瞬時沉降部分有了深入的認識：瞬時沉降的實質(zhì)并非在于“瞬時”，而在于“不排水的側(cè)向擠出而產(chǎn)生的位移變形沉降”，而且路堤側(cè)向位移的觀測資料也表明，側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降并非瞬時完成，而是延續(xù)相當長的時間．

3 結(jié) 論

通過對側(cè)向位移沉降模型的建立和工程檢測數(shù)據(jù)計算及分析得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)等體積法建立的路堤變形模型和推導的側(cè)向位移沉降量計算公式，能準確簡便的計算出沉降組成中側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降量．同時，也揭示了瞬時沉降不僅是由土體自身的壓縮組成，側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降也是其中一部分．

2）瞬時固結(jié)過程中沒有孔隙水的排出，但將路基土看成彈性體而認為其導致的變形是瞬時完成的看法是片面的．在沉降預測中，應充分考慮側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降對模型的影響．

3）側(cè)向擠出產(chǎn)生的沉降也并非瞬時能完成，也能延續(xù)相當長的時間．結(jié)合側(cè)向位移觀測數(shù)據(jù)采用本文導出公式計算發(fā)現(xiàn)，因側(cè)向位移產(chǎn)生的沉降量約占總沉降量的20%．

［1］馬時冬．路堤下軟粘土地基的側(cè)向位移［J］．華僑大學學報：自然科學版 ，1995，16（2）：165－167．

［2］張誠厚，袁文明，戴濟群，等．公路地基問題的討論——滬寧高速公路昆山試驗研究成果［J］．水利水運科學研究，1995，22（3）：270－283．

［3］劉增賢，湯連生．路堤荷載下軟土側(cè)向擠出沉降分析［J］．工程勘察2003（2）：1－4．

［4］宮曉飛，劉佑榮．高速公路工后不均勻沉降造成的病害及危害特點［J］．西部探礦工程2004，100（9）：193－195．

［5］錢家歡，殷宗澤．土工原理與計算［M］．北京：中國水利水電出版社，2000．

［6］趙 巖．蘭許高速公路路基穩(wěn)定性分析［D］．西安：長安大學公路學院，2006．

［7］劉曉曦，岑國平，王 旭，等．路堤下涵洞沉降監(jiān)測及有限元計算［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（3）：507－510．