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因沉降過大而導(dǎo)致橋頭跳車、路面開裂等。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)延長公路修建周期以穩(wěn)定沉降。其中準(zhǔn)確預(yù)測過渡期路基沉降特征以確定合理的二期路面鋪筑時(shí)間是亟待解決的問題。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對路面分期修建未作專門規(guī)定，僅有一些原則性的意見。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，一級初期交通量較小的公路可一次設(shè)計(jì)、分期修建；條文說明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。該文以臨海高等級公路分期路面工程為背景，通過數(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，路基范圍為動荷載邊界。路基表面設(shè)置為動荷載邊界，模擬大型貨車經(jīng)過時(shí)路基的動力響應(yīng)，軸載為150 kN(大型貨車)，加載頻率為1 Hz，加載模式為半正弦波，動荷載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)動靜三軸等室內(nèi)試驗(yàn)測定。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。地下水位線在地基表面。

如圖2所示，行車荷載作用下，路基中心線左、右側(cè)共21 m范圍內(nèi)車輛動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)行對比，二者的計(jì)算結(jié)果較為接近。這為后續(xù)動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 動荷載作用下路基下土體的應(yīng)力分布(單位：kPa)

2 過渡期地基沉降計(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)間的變化見圖4。

圖4 不同路基高度的沉降歷時(shí)曲線

由圖4可知：路基荷載引起的沉降分為快速增長、緩慢增長和趨于穩(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，但上升幅度越來越??；48個(gè)月后，路基本身靜載引起的沉降漲幅越來越??；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)動變形

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

通過第一節(jié)有限元計(jì)算可得到不同類型車輛在拋石層以下(路面以下4 m)動應(yīng)力比CSR[CSR=σd/(2σ′c)，σd為動力條件下附加應(yīng)力，σ′c為有效自重應(yīng)力]，得出動應(yīng)力比隨深度的變化關(guān)系。根據(jù)車輛振動次數(shù)及CSR，基于Monismith的指數(shù)型動應(yīng)變增長模型計(jì)算各深度的動應(yīng)變[見式(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)行車動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放交通15年內(nèi)交通荷載引起的路基沉降見圖5。

圖5 3種填土高度下開放交通15年內(nèi)交通動荷載引起的沉降

由圖5可知：3種填土高度下，開放交通15年內(nèi)交通動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，地基沉降增長緩慢；隨后土體沉降隨時(shí)間緩慢增長，趨于穩(wěn)定。填土高度并未對沉降趨勢產(chǎn)生影響，但同一開放交通時(shí)長，行車荷載產(chǎn)生的沉降隨著填土高度的增加而減小。

3 動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。不同填土高度下動靜荷載引起的路基中心地基變形見表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)月的迅速增長階段、20～72個(gè)月的緩慢增長階段、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)間為過渡路面鋪設(shè)后3年。

4 結(jié)論

針對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，通過數(shù)值計(jì)算和理論分析，對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、緩慢增長和趨于穩(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)展趨勢和連云港當(dāng)?shù)囟温访媸┕ひ螅话懵范味温访驿佒r(shí)間為過渡路面工后3年。