舒夢雪
(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430050)
路基沉降預測方法[1]可以分為3類:傳統(tǒng)預測方法、數(shù)值計算法和根據(jù)實測沉降資料預測法。傳統(tǒng)預測方法以土力學為基礎,數(shù)值計算方法以本構理論為基礎,根據(jù)實測沉降資料的預測方法則更多地依賴實測沉降數(shù)據(jù)。根據(jù)實測沉降資料的預測方法包括雙曲線法、指數(shù)曲線法、時間對數(shù)擬合法、泊松曲線法、Asoaka法、三點法等,本文將選取修正后的指數(shù)曲線法預測路基工后沉降量,從而對地基處理加固效果進行評價。
指數(shù)曲線法[2]是軟土路基沉降預測中一種常用的方法,該法又稱指數(shù)曲線外推法或簡單外推法,是指對符合指數(shù)增長規(guī)律的一組觀測數(shù)據(jù),建立指數(shù)曲線方程,并據(jù)此作為預測的數(shù)學模型來推算路基的沉降量。
指數(shù)曲線法是假定下沉平均速度以指數(shù)曲線形式減少的一種經(jīng)驗推導法。假設從填土開始到任意時間t的沉降量,按指數(shù)曲線法沉降關系模式見圖1。
圖1 沉降關系模式
根據(jù)太沙基的固結理論,超孔隙水壓力隨時間變化過程呈指數(shù)曲線關系[3],地基固結度U的計算式為
式中:α,β為計算參數(shù),可根據(jù)固結排水條件求得,其中取α=1。
在t時刻的固結度U還可表示為
式中:St為地基在荷載作用下t時刻的沉降量;Sd為瞬時沉降量;S∞為最終沉降量。
根據(jù)式(1)與(2),可以得到任意時間t的沉降量St,其表達式為
最終沉降量S∞可按式(4),參數(shù)γ可按式(5)求得。
式中:Sd為瞬時沉降量;S∞為由沉降曲線推算的最終沉降量;γ 為 計 算 參數(shù);S1,S2為St-t 曲 線 上時間t1,t2分別對應的沉降量;t為沉降觀測時間;Δt為時間間隔,Δt=t2-t1。
式(4)與(5)僅適用于路基填土時期瞬時施加荷載的施工情況,但作用于地基上的荷載往往不是瞬時施加的,而通常是在路基填土施工期內(nèi)逐級加載到最大值。因此,計算路基沉降時必須對沉降曲線加以修正,修正指數(shù)曲線法沉降關系模式見圖2。
圖2 修正指數(shù)曲線法沉降模式
對沉降曲線進行修正時,假定荷載是在開工后1/2施工期時瞬時施加到地基上的,故St-t曲線中的沉降觀測時間t都應減去1/2施工期;瞬時沉降Sd很難確定,一般假定Sd=0。為了消除瞬時沉降Sd對計算任意時間t沉降量St的影響,以及瞬時沉降Sd對沉降量St的影響,避免給最終沉降量S∞帶來的誤差,通常采用簡易公式計算,其計算公式為式中:γ為計算參數(shù),γ;η為計算參數(shù),;S∞為最終沉降量,S∞=S1+(S2-;S1,S2,S3為St-t 曲線上時間t1,t2,t3分別對應的沉降量。
實際計算表明,用式(6)計算出的S∞比按式(5)計算值小一些,但若沉降觀測歷時較長,就不會有較大誤差。該簡化公式還假定荷載是在路基開工后1/2施工期瞬時施加到地基上的,因此,St-t曲線中的沉降觀測時間t都應減去1/2施工期。
某高等級公路采用一級公路技術標準,設計速度為120 k m/h,路基形式為整體式路基斷面,路基寬度為24.0 m。經(jīng)地勘調查得知,K59+900~K60+700路段地基分布在低洼地帶,路基填土高度約為5.0 m,地下水位較高。場區(qū)內(nèi)地貌以濱海相沉積為主,陸相、河口三角洲沉積為輔,受地形影響,分布在泥質海岸,水下地形平緩向海中傾斜,場地內(nèi)地層變化較大,表層為淤泥、淤泥淤質土及腐殖土層,土體呈灰黑色,流塑狀態(tài),層厚為3.20~6.50 m;第二層為粉砂混土,分布不均勻,橫向縱向變化不大,層厚為1.6~1.8 m;第三層為砂混淤泥,層厚為2.0~3.5 m;第四層為淤泥質粘土層,含大量細砂和粉砂,呈松散狀態(tài),層厚為3.5~5.0 m,淤泥質粉質粘土容許承載力非常低。軟弱地基土體含水量較高,工程力學性質極差,不能滿足一級公路路基強度和變形的要求。
在施工中對K59+900~ K60+800路段的軟弱地基采用了粉噴樁加固處理[4],該方法是將水泥或水泥粉和地基土原位攪拌形成圓柱狀、格柵狀或連續(xù)墻式的水泥土墻體,形成復合地基以提高地基承載力,減小路基的沉降。在地基加固處理后,加鋪一層雙向土工格柵和增設反壓護道,并在其上填筑層厚為50 c m的砂墊層。粉噴樁處理軟土地基橫斷面見圖3。
圖3 粉噴樁處理軟土地基橫斷面(單位:m)
軟土路基在填筑施工過程中和填筑完成后,通過埋設沉降板,在 K60+000、K60+200、K60+400、K60+600設置了4個監(jiān)測斷面共12個觀測點,對軟土路基的沉降量實施了現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測。根據(jù)軟土路基沉降觀測,可以得到在各段時期內(nèi)每個監(jiān)測斷面中填土厚度-沉降量與時間關系曲線的實測數(shù)據(jù)。
從軟土沉降觀測第120 d的時候開始計算,則初始計算時間為t0=120 d。采用修正指數(shù)曲線法的簡易公式(6)進行計算,求得4個監(jiān)測斷面預測沉降量的參數(shù)計算見表1。
表1 各監(jiān)測斷面的修正指數(shù)曲線法參數(shù)的計算
利用修正指數(shù)曲線法計算出各測點的沉降量曲線,與實測的沉降數(shù)據(jù)曲線進行擬合,得出各測點的擬合曲線見圖4~7。
圖4 斷面K60+000擬合曲線
圖5 斷面K60+200擬合曲線
圖6 斷面K60+400擬合曲線
圖7 斷面K60+600擬合曲線
由以上擬合的曲線圖可見,利用修正指數(shù)曲線法的預測值與實測值間誤差較小,該方法對濱海地基沉降進行預測,具有一定的可行性。預測值與實測值曲線擬合的不均勻性較大改進了未修正前指數(shù)曲線法不能直接計算斷面的前期沉降量,修正后能計算全時期的沉降量,而且可以得到很好的預測效果。由此可知,修正指數(shù)曲線法具有一定的工程應用價值,可以用該方法來預測軟土路基的工后沉降量。
由表1可知,4個監(jiān)測斷面 K60+000,K60+200,K60+400,K60+600的工后沉降ΔS均小于設計容許工后沉降,固結度都超過94%,K59+900~K60+700路段路基土體已基本固結穩(wěn)定。同時表明,設計中采用粉噴樁、加鋪雙向土工格柵和增設反壓護道的軟土地基處理方案合理有效,能很好地減小工后沉降,提高地基承載力。
采用修正指數(shù)曲線法[5]的預測值與實測值較接近,具有很高的擬合度,預測效果較好。因此,修正指數(shù)曲線法被廣泛用于實際的工程建設施工中,研究較為成熟。該項目由于前期預測擬合效果不太好,要求使用恒載后的觀測數(shù)據(jù)來預測軟土路基的沉降量。
本文采用修正指數(shù)曲線法分析了某一級公路軟土路基沉降的變化情況,計算了軟土路基的工后沉降量,并對設計采用的地基處理加固效果進行評價,得出了如下的主要結論:
(1)利用修正指數(shù)曲線法的預測值與實測值間誤差較小,該方法對濱海地基沉降進行預測,具有一定的可行性。
(2)修正指數(shù)曲線法的預測值與實測值擬合度很高,并克服了修正前指數(shù)曲線法不能直接計算斷面前期沉降量的缺點,修正后能計算軟土路基全時期的沉降量,并得到很好的預測效果。
(3)修正指數(shù)曲線法的預測結果表明,設計中采用粉噴樁、加鋪雙向土工格柵和增設反壓護道的軟土地基處理方案科學合理,能有效地減小軟基的工后沉降,提高地基承載力。
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