考慮軟粘土流變特性的高速公路路基沉降變形分析

摘 要:本文對高速公路路基軟粘土的變形規(guī)律進行了詳細分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高速公路工程實例，對影響路基穩(wěn)定的沉降、側(cè)向位移、工后沉降及土體穩(wěn)定進行了分析，并對實測的資料進行分析比較，從而闡述了軟粘土地基進行變形分析時考慮土體流變性的必要性。

關(guān)鍵詞:高速公路;軟粘土;流變性;路基變形;軟土路基

中圖分類號:U416.01

文獻標識碼:B

文章編號:1008-0422(2009)07-0197-02

1前言

隨著我國的經(jīng)濟迅速發(fā)展，國內(nèi)高速公路路網(wǎng)正在形成，高速公路已成為城市發(fā)展的主動脈，在施工實踐中，大量的軟土地基需要處理，處理效果直接影響到公路的質(zhì)量，影響高速公路軟土路基穩(wěn)定和施工后沉降的軟粘土流變性是軟基處理中需要考慮的重要因素，結(jié)合工程實例，運用粘彈性本構(gòu)模型進行一些分析。

2高速公路路基軟粘土的變形規(guī)律分析

高速公路路基軟粘土土體具有明顯的彈塑性，土粒間的相對變形可以分成可恢復(fù)的彈性變形 和不可恢復(fù)的塑性變形 兩種，如土體具有流變性，則粘滯變形又包括粘彈性變形

和粘塑性變形 ，相應(yīng)地稱 、 為瞬時彈性變形和瞬時塑性變形，因此，土體的總變形 可以用下式表式:

(1)

(1)對 、 文獻中已有較深入的研究，對 用Merchant模型反映為:

= (2)

式中:——彈性應(yīng)力增量張量;

——應(yīng)力增量張量;

——泊松比;

——/3;

△p——球應(yīng)變增量;

時， =1;時， = 0;Go;G1;

——計算參數(shù)

(2)粘塑性應(yīng)變速率可以用下式求得

=1/ (3)

式中: ——粘塑性應(yīng)變速率;

kp ——塑性粘滯指數(shù);

F ——屈服函數(shù)。

3 粘彈性本構(gòu)模型參數(shù)G1、Kp的確定

3.1粘彈性參數(shù)G1的確定

取應(yīng)力水平為10%，根據(jù)G1=G ′( ) ，取松泊比 =0.3在不同圍壓且低應(yīng)力水平下進行一系列三軸流試驗。在試驗中 ，

并將結(jié)果繪在logG1～P/Pa。坐標紙上，即可確定參數(shù)G′和 兩個參數(shù)，從而確定G1。

3.2粘塑性Kp的確定

取應(yīng)力水平為50%，體積膨脹很小，近似認為與彈性壓縮應(yīng)變相抵，則 即:

Kp= (4)

; ;k、m、M1、PV確定方法同文獻[1]

4工程實例分析

4.1工程概況

湖南某高速公路經(jīng)過多處軟土地段，其中部分軟土深達20m，計算斷面為17.2m。并在三個不同深度范圍內(nèi)分布著三種不同含水量的軟土，施工順序為先進行表層清淤，然后回填80cm砂墊層，再打設(shè)φ為7cm、間距為2m， 為13m的袋裝砂井，砂井按正方形進行布設(shè)。接著進行路基填筑，路基填筑分兩期進行，第1期填土d為2.2m，第2期填土d為1m，然后進行真空堆載預(yù)壓，并同時進行觀測，經(jīng)過半年的預(yù)壓和觀測得到大量的觀測資料。

4.2真空堆載預(yù)壓施工要點

排水主管和濾管及其管接均采用PVC管，濾管上必須打濾眼，濾眼直徑8mm，間距4cm，濾管上用無紡?fù)凉げ?300g/m²)包裹，主管之間用三通連接，濾管之間用直通連接，主管與濾管之間用四通連接。

1)真空射流泵選用7.5kw的真空泵，抽真空能力≥95kPa，每臺泵控制加固面積800-1200m²。

2)砂墊層上依次覆蓋土工布和密封膜各兩層，為保證抽吸真空的效果，預(yù)壓區(qū)四周開溝筑土圍堰，并回填粘土密封。密封溝深度≥1.5m，一般應(yīng)挖至滲透系數(shù)較小的土層為止，密封溝開挖坡度1:1。真空密封膜的大小按加固區(qū)向四周各延伸5m確定。

3)真空抽吸必須確保壓力≥80kPa且持續(xù)30天以上，以上條件滿足后方可拆除設(shè)備，進行堆土預(yù)壓。

4)當土體沉降量達到設(shè)計所要求的連續(xù)三個月小于0.008M/月，既可卸載土方進行下一道工序的施工。

4.2某一時段(△t)內(nèi)粘彈性的模擬

軟基處理施工完成后，根據(jù)△t/2時段地基中各點的應(yīng)力狀態(tài)，求得、、G1、Kp，并求出:

(5)

(6)

按初應(yīng)力力法進行計算(見表1)

4.1砂井在平面應(yīng)變有限元分析中的處理

根據(jù)不考慮井阻的等效關(guān)系式:

B/R={3/2[In(n/s)+k/ks.Ins-3/4]}1/2 (7)

式中: B——砂井等效成平面砂墻的間距

R——1/2砂井布設(shè)間距

——井徑比n=Rt/Rw，Rt為砂井的影響半徑，對四邊形布設(shè)的砂井Rt =1.128

Rw——為砂井半徑

Ks，K——涂沫區(qū)內(nèi)外的滲透系數(shù)

S= Rs/Rw( Rs為涂沫區(qū)半徑)

對本工程砂井的平面布設(shè)為正方形，間距為2m，Rw=7cm，則n=Rt/Rw=1.128/0.07=16.11，取K/Ks =7.0，s=Rs/Rw，代入式(7) 求B/R=2.165，實際計算時考慮到單元劃分的可能性，取B= 4m，為達到固結(jié)等效，將土體的滲透系數(shù)按下式進行放大:K′= K×( 4/2.165)2=3.145KK′為計算中采用的滲透系數(shù)。

5計算結(jié)果分析

5.1沉降對比

在不考慮土體粘滯性和考慮土體粘滯性的兩種情況下計算路基的沉降，并將結(jié)果繪制成荷載、時間、沉降曲線與實測的路基中心地面沉降過程線進行比較 (如圖1)，即可知道，不考慮粘滯性計算結(jié)果小于實測結(jié)果，而考慮粘滯性后計算結(jié)果與實測結(jié)果較為接近。

5.2側(cè)向位移的比較

將考慮和不考慮粘滯性兩種情況的計算結(jié)果和實測的路基坡腳垂線的側(cè)向位移繪成圖進行比較(如圖2)，可發(fā)現(xiàn)考慮粘滯性的計算結(jié)果與實測結(jié)果比較接近。

5.3孔壓增量的對比

實測孔壓資料表明，在第2期填土施工期內(nèi)，路堤中心線地面以下10cm處有25kPa孔壓增量產(chǎn)生，不考慮粘滯性計算孔壓增量為20kPa?？紤]粘滯性計算孔壓增量為24kPa，計算結(jié)果與實測結(jié)果比較接近。

5.4路基穩(wěn)定比較

圖3、4分別為第一期填土結(jié)束考慮和不考慮粘滯性計算中心所得應(yīng)力水平等值線圖，可見圖4中的應(yīng)力水平的量值和變化梯度均明顯大于圖3，且圖4已有局部區(qū)域應(yīng)力水平1.0即破壞，而工程實施過程中也有接近失穩(wěn)的預(yù)兆，因此考慮粘滯性在穩(wěn)定方面也較為符合實際。

5.5對施工后沉降的影響

本工程的允許施工后沉降量為20cm，路面結(jié)構(gòu)層d為70cm，容重為22kN /m³，運用上述粘彈塑性本構(gòu)模型和不考慮流變性的本構(gòu)模型分別進行施工后沉降的預(yù)估，計算結(jié)果如圖5所示，不考慮粘滯性的計算結(jié)果為14cm<設(shè)計值，因此路基的施工不采用特殊措施其結(jié)果達到設(shè)計要求的預(yù)壓期即可進行路面結(jié)構(gòu)層的施工而不致引起結(jié)構(gòu)層的破壞，而考慮土體的流變性的計算結(jié)果為30cm>設(shè)計值，這必然影響高速公路建成后的正常運行。

6結(jié)束語

通過對本工程的沉降、穩(wěn)定性分析可知，在軟土地基上興建高速公路時，尤其是在流變性比較明顯的地方，考慮土體的流變性的影響是非常必要的。特別是在公路路基填土各階段施工后沉降的控制方面，給予足夠的預(yù)壓荷載強度和預(yù)壓時間，以保證竣工后實際發(fā)生的工后沉降滿足規(guī)范要求和確保公路的正常運營。當工程投資許可的情況下，在流變性的軟基上采用水泥攪拌樁或水泥粉噴樁加固軟基可以取得良好的效果，又可以加快工程進度，速短工期，不污染環(huán)境?？梢?，在軟土地基興建公路應(yīng)對土體的流變性有充分的認識，否則，由于工后沉降較大將直接影響車和帶來不良的影響。

參考文獻:

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[2] 公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范.JTJ017-96.[S]，北京:人民交通出版社.

[3] 王曉謀，彭懷宇.高等級公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4] 劉玉卓.公路工程軟基處理[M].北京:人民集體出版社，2002.

[5] 趙維炳，詹美孔，顧吉.軟粘土的一種雙屈眼面粘彈性本構(gòu)模型及參數(shù)確定[J].武漢全國青年巖土工作者學(xué)術(shù)研討會，1994