趙俊明， 陳琦， 劉垚， 鄧永鋒

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210017；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

江蘇連云港濱海相黏土發(fā)育范圍面積廣、深度大，在該地區(qū)修筑道路和橋梁往往會(huì)因沉降過(guò)大而導(dǎo)致橋頭跳車(chē)、路面開(kāi)裂等。從節(jié)約公路建設(shè)成本的角度出發(fā)，采取路面分期建設(shè)的措施，前期只鋪筑瀝青砼過(guò)渡性路面，待沉降變化穩(wěn)定在容許范圍后再加鋪二期路面，適當(dāng)延長(zhǎng)公路修建周期以穩(wěn)定沉降。其中準(zhǔn)確預(yù)測(cè)過(guò)渡期路基沉降特征以確定合理的二期路面鋪筑時(shí)間是亟待解決的問(wèn)題。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)路面分期修建未作專(zhuān)門(mén)規(guī)定，僅有一些原則性的意見(jiàn)。JTG B01-2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》總則1.0.8規(guī)定，公路分期修建必須遵照統(tǒng)籌規(guī)劃、總體設(shè)計(jì)、分期實(shí)施的原則，使前期工程在后期仍能充分利用。JTJ D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》總則1.0.4規(guī)定，高速公路、一級(jí)公路的瀝青路面不宜采用分期修建，軟土地區(qū)或高填方路基、黃土濕陷地區(qū)等可能產(chǎn)生較大沉降的路段，一級(jí)初期交通量較小的公路可一次設(shè)計(jì)、分期修建；條文說(shuō)明1.0.4規(guī)定，分期修的方案，由設(shè)計(jì)單位根據(jù)實(shí)際情況決定。該文以臨海高等級(jí)公路分期路面工程為背景，通過(guò)數(shù)值仿真研究不同填筑高度時(shí)一期路面鋪筑后靜荷載、交通荷載共同作用下總沉降的變化情況，研究合理的二期路面鋪筑時(shí)間。

1 數(shù)值模擬模型

采用GeoStudio軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。模型尺寸見(jiàn)圖1，寬度100 m，路基下部土層深度20 m，路基高度1～2 m。路基下部土層分為上部黏土層、下部黏土層和砂礫層，厚度分別為4、12和4 m。路基下部為1 m厚塊石拋填層。路基坡腳距離左側(cè)計(jì)算邊界42.5 m，距離右側(cè)計(jì)算邊界43 m。計(jì)算模型的邊界條件為：左側(cè)邊界、右側(cè)邊界和底部邊界X、Y方向的位移為零，路基范圍為動(dòng)荷載邊界。路基表面設(shè)置為動(dòng)荷載邊界，模擬大型貨車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)路基的動(dòng)力響應(yīng)，軸載為150 kN(大型貨車(chē))，加載頻率為1 Hz，加載模式為半正弦波，動(dòng)荷載Fy與時(shí)間t的關(guān)系為Fy(t)=-75sin(2πt-π/2)-75 kN。

圖1 路基計(jì)算模型示意圖(單位：m)

計(jì)算步驟如下：1) 計(jì)算路堤荷載作用下應(yīng)力和變形特征；2) 計(jì)算動(dòng)荷載引起的附加應(yīng)力分布；3) 根據(jù)附加應(yīng)力的變化計(jì)算交通荷載引起的沉降。

表1為各層位材料參數(shù)，其中土層參數(shù)由室內(nèi)動(dòng)靜三軸等室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定。路堤與塊石拋填層采用彈性模型，上部黏土、下部黏土和粉砂層采用彈塑性模型。地下水位線(xiàn)在地基表面。

如圖2所示，行車(chē)荷載作用下，路基中心線(xiàn)左、右側(cè)共21 m范圍內(nèi)車(chē)輛動(dòng)荷載引起路基下土體總應(yīng)力增加。將路堤荷載作用的Boussinesq解與1980年Doyle提出的動(dòng)應(yīng)力傳播經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合計(jì)算得到附加應(yīng)力分布與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者的計(jì)算結(jié)果較為接近。這為后續(xù)動(dòng)靜荷載共同作用下地基變形分析提供了基礎(chǔ)。

表1 初始狀態(tài)計(jì)算參數(shù)

圖2 動(dòng)荷載作用下路基下土體的應(yīng)力分布(單位：kPa)

2 過(guò)渡期地基沉降計(jì)算與模擬

2.1 靜荷載作用下路基沉降

將路基高度定為1.5、2.0、2.5 m進(jìn)行靜荷載下路基沉降計(jì)算，路堤結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 路堤結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

將軟土層進(jìn)行分層，每層厚度取1 m，計(jì)算基底中心軸線(xiàn)下各分層面(包括地下水位面)地基豎向自重應(yīng)力σc、基底中心軸線(xiàn)下各分層界面各點(diǎn)的附加應(yīng)力σz及地基各分層土的自重應(yīng)力平均值和附加應(yīng)力平均值。按σz=0.2σc確定計(jì)算深度，得到填土高度為1.5、2、2.5 m時(shí)壓縮層路基中心最終沉降量分別為172、265、322 mm。

路基中心地基沉降隨時(shí)間的變化用等速加載的一維固結(jié)理論計(jì)算。2 m路基填筑時(shí)間為60 d，地基平均固結(jié)度按下式計(jì)算：

(1)

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》對(duì)于天然地基的豎向排水固結(jié)條件，α=8/π2=0.816，β=π2×Cv/4H2=0.000 454(Cv=3×0.003 6=0.010 8 cm2/s；H為單面排水高度)，α/β=1 786.81。代入式(1)，計(jì)算得到固結(jié)沉降隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。

圖4 不同路基高度的沉降歷時(shí)曲線(xiàn)

由圖4可知：路基荷載引起的沉降分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。路基高度為1.5 m時(shí)，前48個(gè)月靜載作用下的沉降明顯上升，但上升幅度越來(lái)越??；48個(gè)月后，路基本身靜載引起的沉降漲幅越來(lái)越小；120個(gè)月后趨于穩(wěn)定。路基高度為2 m時(shí)，各階段轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)分別為60和132個(gè)月；路基高度為2.5 m時(shí)，各階段轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)分別為96和168個(gè)月。

2.2 交通荷載作用下地基沉降

2.2.1 累計(jì)動(dòng)變形

根據(jù)連云港臨海路贛榆段(和S204共線(xiàn))九里卡口2015年的交通量記錄得到各類(lèi)型車(chē)輛的月平均流量，流量最大的是中小客車(chē)，為6 534輛/月，其次分別為特大型貨車(chē)、大客車(chē)、中型貨車(chē)、小型貨車(chē)及大型貨車(chē)，進(jìn)而得到一年的平均車(chē)流量，然后轉(zhuǎn)化為車(chē)在地基土體同一位置上振動(dòng)的次數(shù)。交通流監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該路段行車(chē)速度為65～120 km/h。不同速度對(duì)應(yīng)不同的行車(chē)振動(dòng)頻率，假定特大型貨車(chē)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為0.1 Hz、大型貨車(chē)與中型貨車(chē)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為0.3 Hz、小型貨車(chē)與大客車(chē)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為0.5 Hz、中小客車(chē)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為1 Hz。

通過(guò)第一節(jié)有限元計(jì)算可得到不同類(lèi)型車(chē)輛在拋石層以下(路面以下4 m)動(dòng)應(yīng)力比CSR[CSR=σd/(2σ′c)，σd為動(dòng)力條件下附加應(yīng)力，σ′c為有效自重應(yīng)力]，得出動(dòng)應(yīng)力比隨深度的變化關(guān)系。根據(jù)車(chē)輛振動(dòng)次數(shù)及CSR，基于Monismith的指數(shù)型動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)模型計(jì)算各深度的動(dòng)應(yīng)變[見(jiàn)式(2)]，以分層總和法計(jì)算交通荷載累計(jì)路基變形沉降。

εp=a(CSR)m·Nb

(2)

式中：a、m、b為模型參數(shù)，由室內(nèi)試驗(yàn)獲得；N為振動(dòng)次數(shù)。

2.2.2 累積孔壓消散引起的固結(jié)沉降

交通荷載作用下，軟土產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，消散過(guò)程中再次引起軟土固結(jié)沉降。采用經(jīng)典的冪數(shù)型孔壓模型計(jì)算各土層的超靜孔壓：

u/σ′c=a(CSR)m·Nb

(3)

式中：u/σ′c為超靜孔壓與有效圍壓之比，即超靜孔壓歸一化。

基于太沙基固結(jié)理論計(jì)算各土層由動(dòng)荷載產(chǎn)生的固結(jié)沉降量：

(4)

式中：mvi為第i層土體的體積壓縮系數(shù)；hi為第i層土體的厚度；Ui為第i層土體的固結(jié)度；ui為第i層土體的孔隙水壓力。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)行車(chē)動(dòng)荷載累積變形和累積孔壓消散的沉降得出不同填土高度下開(kāi)放交通15年內(nèi)交通荷載引起的路基沉降見(jiàn)圖5。

圖5 3種填土高度下開(kāi)放交通15年內(nèi)交通動(dòng)荷載引起的沉降

由圖5可知：3種填土高度下，開(kāi)放交通15年內(nèi)交通動(dòng)荷載引起的路基沉降在第一年快速增加，地基沉降明顯；2～3年增加速率放緩，地基沉降增長(zhǎng)緩慢；隨后土體沉降隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)，趨于穩(wěn)定。填土高度并未對(duì)沉降趨勢(shì)產(chǎn)生影響，但同一開(kāi)放交通時(shí)長(zhǎng)，行車(chē)荷載產(chǎn)生的沉降隨著填土高度的增加而減小。

3 動(dòng)靜荷載相互作用下地基總沉降

地基總沉降是路基重量與交通荷載共同作用下引起的變形之和。不同填土高度下動(dòng)靜荷載引起的路基中心地基變形見(jiàn)表2。

由表2可知：交通荷載產(chǎn)生的路基沉降在總沉降中始終占據(jù)主導(dǎo)地位，靜荷載引發(fā)的沉降占總沉降的比例隨著時(shí)間而增加；在同一時(shí)間，靜荷載引起的路基沉降隨著填土高度的增加而增加，交通荷載引起的路基沉降隨著填土高度的增加而減少。地基及路基靜荷載的應(yīng)力分布隨著深度而增大，填土高度增加使壓縮層范圍增加，靜荷載引起沉降增加；交通荷載引起的附加動(dòng)應(yīng)力隨著深度而減小，有效圍壓增大。

表2 不同填土高度下動(dòng)靜荷載引起的路基中心地基變形

注：X為路基靜載引起的沉降比例；Y為交通荷載引起的沉降比例。

地基總沉降同樣分為3個(gè)階段，即前20個(gè)月的迅速增長(zhǎng)階段、20～72個(gè)月的緩慢增長(zhǎng)階段、72～180個(gè)月的趨于穩(wěn)定階段。根據(jù)該沉降變化特征和連云港地區(qū)二次路面施工沉降要求(一般路段10 cm)，一般路段適宜的二次路面鋪設(shè)時(shí)間為過(guò)渡路面鋪設(shè)后3年。

4 結(jié)論

針對(duì)連云港深厚濱海相軟土地區(qū)路面分期工程分期時(shí)間確定不明晰這一現(xiàn)狀，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和理論分析，對(duì)交通荷載和路基荷載作用下地基沉降變形進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

(1) 連云港地區(qū)低路堤公路未深層處理的地基總沉降中，交通荷載引起的沉降在15年內(nèi)始終占主導(dǎo)地位，但所占比例隨著時(shí)間和路基填土高度的增加而減小。

(2) 路堤荷載產(chǎn)生的沉降、交通荷載引起的沉降及總沉降的變化均分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和趨于穩(wěn)定3個(gè)階段，其中路堤荷載引起的沉降隨路基填土高度的減小而減小，而交通荷載引起的沉降隨著路基高度的增加而減小。

(3) 根據(jù)不同路基高度下沉降發(fā)展趨勢(shì)和連云港當(dāng)?shù)囟温访媸┕ひ?，一般路段二次路面鋪筑時(shí)間為過(guò)渡路面工后3年。