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        黃土路基沉降機(jī)理及預(yù)測模型研究

        2022-12-07 07:52:18
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年34期
        關(guān)鍵詞:填方側(cè)向黃土

        何 蓉

        (青海嘉業(yè)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,青海 西寧 810001)

        約束條件是影響黃土路基變形的一個(gè)重要因素,不同的約束條件對差異沉降的形式有著顯著的影響,準(zhǔn)確計(jì)算出最終沉降量對于公路工程建設(shè)至關(guān)重要[1-3]。本研究基于某一級公路實(shí)體工程,采用現(xiàn)場沉降監(jiān)測的方法對典型斷面進(jìn)行監(jiān)測,分析黃土路基沉降的影響因素和變形特點(diǎn),基于黃土路基沉降規(guī)律建立黃土路基沉降預(yù)測模型,在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析不同層位黃土路基的土單元的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與其泊松比關(guān)系的作用規(guī)律。

        1 工程概況

        該一級公路實(shí)體工程位于溝壑縱橫,地貌形態(tài)復(fù)雜的山西黃土丘陵溝壑,因?yàn)闇喜鄯植驾^廣且邊坡較為陡峭等原因,不良地質(zhì)現(xiàn)象偶爾發(fā)生,這給該地區(qū)的公路工程建設(shè)增加了一定難度。對所處地區(qū)風(fēng)積黃土進(jìn)行檢測,結(jié)果表明該地區(qū)黃土主要由粉土和粉砂組成,其中粉砂含量占大部分,占比在78%以上。并通過試驗(yàn)對其物質(zhì)組成進(jìn)行分析,結(jié)果表明:所處區(qū)域內(nèi)的黃土具有輕微濕陷性或無濕陷性,可以進(jìn)行路線設(shè)計(jì)。

        2 黃土路基沉降機(jī)理分析

        路基土單元真實(shí)狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不同于室內(nèi)試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),土單元在上部受力產(chǎn)生的側(cè)向變形將會(huì)使路基的實(shí)際沉降量增大[4-5]。對于在側(cè)向上受到剛性約束的填土與巖質(zhì)邊坡、擋土墻交界處等情況,其變形因?yàn)橥馏w受到剛性約束,所以在一定程度上受到限制,具體表現(xiàn)為在豎向上的變形增量變小[6-7]。

        對黃土路基的現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到結(jié)論:黃土路基在橫向上符合盆式沉降規(guī)律,在縱向上的沉降最大值點(diǎn)位于填方的中間位置處。

        樁號(hào)K25+658 處,分別從路基橫斷面的縱向和橫向上分析填方土體的沉降特點(diǎn)。在縱向上,填方土體頂面的沉降量自填方體邊上向填挖交界面處遞減;在橫向上,填方土體頂面的沉降量自填方土體約束處向臨空側(cè)的路肩遞增,其沉降量最大值點(diǎn)出現(xiàn)在臨空側(cè)路肩位置處。

        綜合以上對路基不同位置處沉降量的分析得出結(jié)論:填方路基差異沉降容易受到路基土所處約束狀態(tài)的影響。當(dāng)受到土體的側(cè)向約束時(shí),沉降增加量減小,約束對路基土側(cè)向變形的影響與距離約束的距離呈負(fù)相關(guān)。填方路基沉降規(guī)律同樣受到路基形式的影響,沉降最大值點(diǎn)的位置有著明顯的作用規(guī)律,即沉降量最大值點(diǎn)傾向于朝向遠(yuǎn)離約束的方向移動(dòng),當(dāng)約束在橫斷面上左右對稱時(shí),其沉降量最大值點(diǎn)出現(xiàn)在約束中心位置處。

        3 黃土路基沉降預(yù)測模型

        3.1 基于曲線擬合的黃土路基沉降預(yù)測

        由于該省道位于山西黃土高原地區(qū),地形地貌復(fù)雜且溝谷縱橫,這就使得道路修建的難度大大增加,公路建設(shè)必須要解決填方路基沉降的問題,因此對工后沉降進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測于公路建設(shè)而言意義重大。本研究通過對比研究預(yù)測模型中常用的幾種數(shù)學(xué)模型,例如指數(shù)、雙曲線、Logistic 模型等,建立了3 種沉降預(yù)測模型,并結(jié)合黃土路基的變形規(guī)律,通過室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)監(jiān)測等手段,建立黃土路基沉降預(yù)測模型。

        3.2 沉降預(yù)測模型的建立

        對樁號(hào)K25+658 處的2#監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)分別使用指數(shù)、雙曲線、Logistic3 種模型進(jìn)行擬合,理論上相關(guān)系數(shù)R2越接近于1 說明模型的擬合程度越好,因此以相關(guān)系數(shù)R2作為指標(biāo),選出擬合效果最好的預(yù)測模型。對各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的擬合曲線見圖1,通過計(jì)算分析3 種模型的R2,發(fā)現(xiàn)指數(shù)模型的R2最接近于1,因此將指數(shù)模型用于后續(xù)預(yù)測模型的研究。

        3.3 參數(shù)的確定

        根據(jù)3.2 的比選結(jié)果,確定沉降預(yù)測模型為指數(shù)函數(shù),方程為:

        即最終沉降量的預(yù)測為s0+s1+s2,該方程能較為精確地預(yù)測壓實(shí)黃土的沉降量。由預(yù)測方程可知,路基填方工后沉降在時(shí)間上由初始沉降階段、減速沉降階段和穩(wěn)定沉降階段3 個(gè)階段組成。在沉降初期階段沉降量主要來自s1,當(dāng)時(shí)間T 較大時(shí),s1貢獻(xiàn)值漸漸變小,路基沉降量更多來自s2。

        3.3.1 t1的確定

        將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)代入到指數(shù)方程中,通過計(jì)算R2大小判斷模型的擬合程度并對擬合參數(shù)進(jìn)行分析,通過分析得到結(jié)論:t1決定快速沉降持續(xù),t2決定穩(wěn)定沉降開始時(shí)間。

        t1與快速沉降持續(xù)時(shí)間相關(guān)度較大,因此可對實(shí)測沉降曲線的快速沉降階段進(jìn)行分析。在處理沉降曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)初始快速沉降的持續(xù)時(shí)間與t1在大小上相差無幾,所以利用沉降曲線可提取t1的近似值,具體操作如下:通過作圖法即先利用監(jiān)測數(shù)據(jù)繪出S-T 曲線,然后在此基礎(chǔ)上畫出路基初期線性增長階段的直線,最后提取線性增長階段的最后一點(diǎn)的坐標(biāo)值(T1,S1),此時(shí)T1便是所求的t1。

        3.3.2 s0、A1、t2、A2的確定

        S2對沉降量的貢獻(xiàn)主要在穩(wěn)定階段,可以忽略掉S2,因?yàn)槠鋵τ诼坊鶊D沉降量的貢獻(xiàn)較小。取快速沉降階段的較平滑實(shí)測曲線上的點(diǎn)(T1,S1)、(T2,S2)兩點(diǎn)和減速沉降階段的點(diǎn)(T3,S3)、(T4,S4)聯(lián)立方程組,通過計(jì)算即可求出s0、A1、t2、A2。

        4 預(yù)測模型的驗(yàn)證

        以樁號(hào)K25+658 位置處,路基中線左12 m 深5.6~15.4 m 路基土沉降監(jiān)測S-T 曲線為例。

        4.1 t1 的確定

        利用沉降曲線可提取t1的近似值可以得到t1為11.76。

        4.2 s0、A1、t2、A2 的確定

        選取并挑選線形較為平滑的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù),例如樁號(hào)K25+658 路基中線左12 m 深5.6~15.4 m 處監(jiān)測數(shù)據(jù),見表1。

        表1 計(jì)算點(diǎn)的選取

        將上述計(jì)算點(diǎn)數(shù)值代入下式(3):

        所選點(diǎn)帶入式(3)解得:S0=-1.25,A1=7.09,t2=130.98,A2=10.67。

        因s2貢獻(xiàn)較小,因此可將s2項(xiàng)忽略,求得s0=-1.25,A1=7.09 后再求取t2=130.98,A2=10.67,得預(yù)測方程(4):

        通過代入數(shù)據(jù)對方程(4)進(jìn)行驗(yàn)證,得到路基土沉降量隨時(shí)間的變化曲線。如圖2 所示,可以看到方程的預(yù)測結(jié)果較好。

        參數(shù)A1、A2以沉降曲線第一次轉(zhuǎn)折點(diǎn)為界,在快速沉降階段A1、t1對路基沉降量貢獻(xiàn)較大,在沉降速率減緩后A2、t2所貢獻(xiàn)值更大。本次監(jiān)測位置處的外部條件保持相同,可通過比較各參數(shù)之間的關(guān)系,分析約束條件對黃土路基沉降規(guī)律的影響,各參數(shù)之比情況見圖3(a)、圖3(b)。

        通過分析各擬合參數(shù)可知,路基土的沉降量受約束條件影響顯著。1 側(cè)約束、2 側(cè)約束、3 側(cè)約束側(cè)下,A1、A2之比分別在0.70、1.9、1.50 附近。由此可見,參數(shù)A1與A2的比值與約束的個(gè)數(shù)呈正相關(guān),t1與t2的比值與約束的個(gè)數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

        5 結(jié)論

        綜上,本研究主要采用室內(nèi)土單元試樣壓縮試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場沉降監(jiān)測的研究方法,探究了土單元變形特征對黃土路基沉降的影響規(guī)律和機(jī)理。并進(jìn)一步分析現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

        (1) 在其他條件保持一定的情況下,由路基土側(cè)向變形引起的沉降與黃土路基差異沉降的產(chǎn)生密切相關(guān)。

        (2) 差異沉降的差生主要是因?yàn)槁坊馏w受到側(cè)向約束,側(cè)向土體無法自由變形,所產(chǎn)生的沉降量減小,而遠(yuǎn)離約束的黃土路基土受到的約束作用小,產(chǎn)生的沉降量較大。

        (3) 黃土路基沉降最大值點(diǎn)位置的分布與約束條件密切相關(guān),沉降最大值點(diǎn)通常出現(xiàn)在遠(yuǎn)離往約束的位置。

        (4) 通過計(jì)算對比不同預(yù)測模型的R2,指數(shù)模型的擬合程度最好,最符合黃土路基的沉降規(guī)律。

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