軟土地基路橋過渡段不均勻沉降計算分析

趙 杰 王新君 孫志勝

我國沿海廣泛分布軟土地基,在該地區(qū)修建道路極易出現(xiàn)工后沉降過大的病害。對于一般填土路段,一般表現(xiàn)為整體下沉,對路面結(jié)構(gòu)受力特征的影響并不顯著。然而,對于與結(jié)構(gòu)物(橋涵構(gòu)造物)相連的軟基段,則由于結(jié)構(gòu)物一般采用樁基進行加固處理,其工后沉降可視為零,從而與軟土地基段形成較大的差異沉降,造成路面呈現(xiàn)波浪起伏,嚴重影響交通舒適性及安全性。為了減小這種差異沉降,可采用排水固結(jié)法進行加固處理,然而,受施工工期的限制,再加之沿海地區(qū)軟土層深厚,工后沉降是不可避免的。因此,需要對路橋(涵洞)過渡段的差異沉降進行合理的預(yù)測,本文結(jié)合某具體工程,研究了砂井地基沉降計算方法及不同預(yù)壓高度對工后沉降的影響,對類似工程有較好的指導(dǎo)意義。

1 地基總沉降計算

采用袋裝砂井預(yù)壓處理時,其計算沉降的方法有很多,本文采用三維變形和單向壓縮法計算袋裝砂井預(yù)壓地基的最終沉降量。該法是將地基的變形和壓縮當作兩個獨立的部分。考慮變形時,假定土的體積不變,認為側(cè)向變形引起的地基沉降是在加荷后就立即產(chǎn)生的,亦即彈性變形。考慮壓縮時,則假定土層無側(cè)向變形,也就是在無側(cè)向變形的條件下的單向壓縮。

因此,對于正常固結(jié)或稍超固結(jié)的黏土,在附加荷載作用下,地基的最終沉降量S可用式(1)表示:

其中,Sd為由于地基側(cè)向變形所引起的沉降量;Sc為由于地基固結(jié)所引起的最終沉降量;e1為地基中各分層中點在自重應(yīng)力下相應(yīng)的孔隙比;e2為地基中各分層中點在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下相應(yīng)的孔隙比;Δhi為各計算分層的厚度。

采用沉降系數(shù)表示對側(cè)向變形及其他因素的地基最終沉降計算。可將式(1)改為:

其中,m為沉降系數(shù),與地基的變形特性、荷載條件、加荷速率等因素有關(guān),通常取 m=1.1～1.4。

2 砂井地基固結(jié)度的計算

1)豎向平均固結(jié)度的計算。

根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論有:

2)徑向平均固結(jié)度的計算。

如砂井的間距為d,則它的影響圓的間距de為:

當?shù)冗吶切闻帕袝r:

當為正方形排列時:

根據(jù)巴隆固結(jié)理論有:

其中,dw為砂井的直徑。

3)砂井地基平均總固結(jié)度計算。

3 工程計算實例

結(jié)合某沿海高速公路結(jié)構(gòu)物(箱涵)下地基差異沉降進行分析。地基處理形式是砂樁,結(jié)構(gòu)物以下及超出結(jié)構(gòu)物2.0 m外的砂樁間距為1.2 m,一般布置為1.5 m,直徑為0.5 m,長度為15.0 m。砂樁的彈性模量為 2.1×105kPa,泊松比為 0.26。上部覆土高度為2.5 m,箱涵尺寸為2.0 m×4.0 m。底板厚度為0.4 m。

若采用袋裝砂井處理形式分析可能的差異沉降。袋裝砂井作三角形分布,直徑為0.07 m,間距為1.2 m,處理長度為12.8 m,沉降系數(shù)m=1.3。上部堆載預(yù)壓時間為兩個月,荷載為42 kPa。據(jù)統(tǒng)計,砂井部分的豎向固結(jié)系數(shù) Cv=1.78×10-3cm2/sec,水平向固結(jié)系數(shù)Ch=6.72×10-3cm2/sec。可知兩個月后固結(jié)度為96%,故可考慮此時已基本固結(jié)。根據(jù)分層總合法,得差異沉降 Δ=0.06 m。

合理確定覆土高度可以有效減小地基的差異沉降,覆土高度太大或太小都有可能使得差異沉降變大,因此,確定一個合理的覆土高度,對于減小上部荷載帶來的差異沉降有著較好的效果。通過計算可畫出覆土高度和差異沉降的曲線,見圖1。

從圖1可見,這個例子中,最佳覆土高度約為3 m,在這個高度可以更有效的減小荷載帶來的差異沉降。

4 結(jié)語

本文結(jié)合具體軟土地基采用砂樁及砂井處理方法,探討了差異沉降的形成機理及計算方法,提出了最佳覆土高度的概念,可為類似工程提供一定的借鑒意義。

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