舒夢雪

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢 430050）

路基沉降預(yù)測方法［1］可以分為3類：傳統(tǒng)預(yù)測方法、數(shù)值計算法和根據(jù)實(shí)測沉降資料預(yù)測法。傳統(tǒng)預(yù)測方法以土力學(xué)為基礎(chǔ)，數(shù)值計算方法以本構(gòu)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)測沉降資料的預(yù)測方法則更多地依賴實(shí)測沉降數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)測沉降資料的預(yù)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(diǎn)法等，本文將選取修正后的指數(shù)曲線法預(yù)測路基工后沉降量，從而對地基處理加固效果進(jìn)行評價。

1 修正指數(shù)曲線法的計算原理

指數(shù)曲線法［2］是軟土路基沉降預(yù)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(yù)測的數(shù)學(xué)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(yàn)推導(dǎo)法。假設(shè)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(guān)系模式見圖1。

圖1 沉降關(guān)系模式

根據(jù)太沙基的固結(jié)理論，超孔隙水壓力隨時間變化過程呈指數(shù)曲線關(guān)系［3］，地基固結(jié)度U的計算式為

式中：α，β為計算參數(shù)，可根據(jù)固結(jié)排水條件求得，其中取α＝1。

在t時刻的固結(jié)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(dá)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(yīng)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?xí)r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(guān)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(jìn)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(yīng)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(yīng)的沉降量。

實(shí)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(yīng)減去1／2施工期。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

某高等級公路采用一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)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(diào)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(zhì)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(zhì)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(zhì)粘土層，含大量細(xì)砂和粉砂，呈松散狀態(tài)，層厚為3.5～5.0 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(xué)性質(zhì)極差，不能滿足一級公路路基強(qiáng)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(fù)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(shè)反壓護(hù)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）

2.2 沉降計算分析

軟土路基在填筑施工過程中和填筑完成后，通過埋設(shè)沉降板，在 K60＋000、K60＋200、K60＋400、K60＋600設(shè)置了4個監(jiān)測斷面共12個觀測點(diǎn)，對軟土路基的沉降量實(shí)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(guān)系曲線的實(shí)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(jìn)行計算，求得4個監(jiān)測斷面預(yù)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(diǎn)的沉降量曲線，與實(shí)測的沉降數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合，得出各測點(diǎn)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(yù)測值與實(shí)測值間誤差較小，該方法對濱海地基沉降進(jìn)行預(yù)測，具有一定的可行性。預(yù)測值與實(shí)測值曲線擬合的不均勻性較大改進(jìn)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(yù)測效果。由此可知，修正指數(shù)曲線法具有一定的工程應(yīng)用價值，可以用該方法來預(yù)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(shè)計容許工后沉降，固結(jié)度都超過94%，K59＋900～K60＋700路段路基土體已基本固結(jié)穩(wěn)定。同時表明，設(shè)計中采用粉噴樁、加鋪雙向土工格柵和增設(shè)反壓護(hù)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(yù)測值與實(shí)測值較接近，具有很高的擬合度，預(yù)測效果較好。因此，修正指數(shù)曲線法被廣泛用于實(shí)際的工程建設(shè)施工中，研究較為成熟。該項目由于前期預(yù)測擬合效果不太好，要求使用恒載后的觀測數(shù)據(jù)來預(yù)測軟土路基的沉降量。

3 結(jié)論

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(shè)計采用的地基處理加固效果進(jìn)行評價，得出了如下的主要結(jié)論：

（1）利用修正指數(shù)曲線法的預(yù)測值與實(shí)測值間誤差較小，該方法對濱海地基沉降進(jìn)行預(yù)測，具有一定的可行性。

（2）修正指數(shù)曲線法的預(yù)測值與實(shí)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(diǎn)，修正后能計算軟土路基全時期的沉降量，并得到很好的預(yù)測效果。

（3）修正指數(shù)曲線法的預(yù)測結(jié)果表明，設(shè)計中采用粉噴樁、加鋪雙向土工格柵和增設(shè)反壓護(hù)道的軟土地基處理方案科學(xué)合理，能有效地減小軟基的工后沉降，提高地基承載力。

［1］ 鄭長安，黃 斌.公路路基沉降與穩(wěn)定觀測技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］ 高燕希，莫志兵，魏金勝.指數(shù)曲線法在軟土地基沉降預(yù)測中的優(yōu)化與應(yīng)用［J］.交通科學(xué)與工程，2011（2）：1-5.

［3］ 金智濤.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟土路基最終沉降量的分析研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

［4］ 龔曉南.高速公路軟土地基處理技術(shù)［M］.上海：上海大學(xué)出版社，1998.

［5］ 陳善雄，王星運(yùn)，許錫昌，等.路基沉降預(yù)測的三點(diǎn)修正指數(shù)曲線法［J］.巖土力學(xué)，2011（11）：3354-3360.