沿海地區(qū)某高填路堤沉降規(guī)律研究

尹貫需 萬 省

(河北建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北保定 071000)

1 工程概況

某高速公路主線長63.673 km，連接線長1.309 km。主線采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，路基寬度34.5 m;全線共設(shè)互通式立交5座，分離式立交8座，天橋6座，特大橋1座、大橋9座、中橋33座、小橋30座、通道17座。由于全線地下水埋藏較淺，公路經(jīng)過地層大部分有軟土或軟弱土。

全線填高大于5 m的路段共有約18 km，在基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)，根據(jù)實(shí)際觀測可以看出沉降較大，平均達(dá)到了15 cm，有的路段最大沉降已經(jīng)達(dá)到了31.8 cm。

對(duì)截止2008年7月4日的沉降觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析見表1。

表1 沉降觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1)沉降不穩(wěn)定的斷面占39%，其中月沉降量大于9 mm的斷面數(shù)占22.5%。2)在填高不小于5 m的觀測斷面中，月沉降量大于9 mm的斷面數(shù)占27%。3)在填高小于5 m的觀測斷面中，月沉降量大于9 mm的斷面數(shù)占20%。由于工期緊，施工速度過快，填土速率未得到有效控制，施工中曾多次發(fā)生過路堤縱向開裂及滑塌。K39+790～K39+920段路基滑塌，滑塌路基最大坍塌高度達(dá)2.3 m，兩側(cè)便道向外側(cè)滑移達(dá)3.3 m，施工便道及外側(cè)葦塘均向上涌起1.0 m，K39+900涵洞中間沉降縫發(fā)生開裂，最大縫寬約40 cm，塌陷路段塑料排水板段為78 m，占塌陷路段60%，水泥攪拌樁段為52 m，占塌陷路段40%。

2 巖土工程條件

該分段微地貌形態(tài)屬于大陸停滯水堆積地貌(屬沼澤地)，地勢低洼，稍有起伏，地面高程在0.44 m～2.25 m之間，部分段落有地表積水，地下水位埋藏很淺。具體地質(zhì)情況如下:低液限粘土，土質(zhì)稍均勻，切面稍粗糙，含少量粉粒，褐黃色，軟塑狀，層厚0.7 m～3.3 m;下部為低液限粘土，土質(zhì)稍均勻，切面稍粗糙，含少量粉粒，褐灰色，軟塑狀。根據(jù)地質(zhì)鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、雙橋靜力觸探實(shí)驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，按其物理、力學(xué)指標(biāo)主要?jiǎng)澐譃榱鶎樱姳?。

表2 土層參數(shù)表

3 計(jì)算原理

本次沉降計(jì)算采用北京理正公司開發(fā)的理正巖土軟件，根據(jù)所給路段參數(shù)，對(duì)填高大于5 m的路段利用理正巖土軟件，運(yùn)用分層總和法原理進(jìn)行沉降計(jì)算。

3.1 分層總和法的基本假設(shè)

地基是均質(zhì)、各向同性的半無限線性變形體，可按彈性理論計(jì)算土中應(yīng)力。在壓力作用下，地基土不產(chǎn)生側(cè)向變形，可采用側(cè)限條件下的壓縮性指標(biāo)。

為了彌補(bǔ)假設(shè)所引起的誤差，取基底中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，以基底中點(diǎn)的沉降代表基礎(chǔ)的平均沉降。

3.2 單一壓縮土層的沉降計(jì)算

在一定均勻厚度土層上施加連續(xù)均布荷載，豎向應(yīng)力增加，孔隙比相應(yīng)減小，土層產(chǎn)生壓縮變形，沒有側(cè)向變形。土層豎向應(yīng)力由P1增加到P2，引起孔隙比從e1減小到e2，豎向應(yīng)力增量為ΔP，如圖1所示。

圖1 單—壓縮土層沉降計(jì)算

由于:

所以，

3.3 單向壓縮分層總和法

分別計(jì)算基礎(chǔ)中心點(diǎn)下地基中各個(gè)分層土的壓縮變形量Δsi，基礎(chǔ)的平均沉降量s等于Δsi的總和。

εi土的壓縮應(yīng)變:

其中，e1i為由第i層的自重應(yīng)力均值從土的壓縮曲線上得到的相應(yīng)孔隙比;e2i為由第i層的自重應(yīng)力均值與附加應(yīng)力均值之和從土的壓縮曲線上得到的相應(yīng)孔隙比。

4 沉降分析與計(jì)算

4.1 沉降計(jì)算

下面以唐曹高速K39+900剖面為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。此處路堤填料為粉煤灰。地下水位為－0.5 m，地基處理方式為攪拌樁處理，攪拌樁按正三角形布置，樁徑d=0.5 m，處理深度hV=8.5 m，處理長度 l=64 m，總長度 lt=20 644 m，處理寬度 hW=62.5 m，處理面積S=4 000 m2，樁間距 d0=1.2 m ～1.5 m，樁間距由密到疏進(jìn)行漸變，水泥摻入量為加固土體質(zhì)量的15%;水灰比0.5。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)勘測資料，將實(shí)際的地層進(jìn)行簡化，得到以下的地基原始參數(shù)(見表3～表5)。

表3 路堤填料參數(shù)表

表4 水泥攪拌樁參數(shù)表

表5 地基土層原始參數(shù)表

基準(zhǔn)期開始時(shí)刻:最后一級(jí)加載(路面施工)結(jié)束時(shí)刻?？紤]沉降影響后，路堤的實(shí)際計(jì)算高度為9.225 m。路面竣工時(shí)，地基沉降為0.075 m。基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.004 m?；鶞?zhǔn)期結(jié)束時(shí)，地基沉降為0.080 m。最終地基總沉降為1.200×0.235=0.283 m。

4.2 參數(shù)敏感性分析

4.2.1 路堤填料的參數(shù)敏感性分析

1)c值對(duì)路基沉降的影響。假定剖面的γ，φ值固定，改變c值，得到以下的沉降值(見表6)。2)φ值對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。假定剖面的γ，c值固定，改變?chǔ)罩?，得到以下的沉降?見表7)。3)γ值對(duì)路基沉降的影響。假定剖面的c，φ值固定，改變?chǔ)弥担玫揭韵碌某两抵?見表8)。

表6 c取不同值時(shí)所對(duì)應(yīng)的沉降值

表7 φ取不同值時(shí)所對(duì)應(yīng)的沉降值

表8 γ取不同值時(shí)所對(duì)應(yīng)的沉降值

4.2.2 地基土層的參數(shù)敏感性分析

地基土性質(zhì)比較復(fù)雜，影響因素眾多，我們只對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行分析:

1)壓縮模量對(duì)沉降的影響。假定剖面的γ，φ，c值固定，改變固結(jié)系數(shù)值，得到以下沉降值(見表9)。2)豎向固結(jié)系數(shù)對(duì)沉降的影響。假定剖面的γ，φ，c，水平固結(jié)系數(shù)、壓縮模量值固定，改變豎向固結(jié)系數(shù)值，得到以下沉降值(見表10)。3)水平固結(jié)系數(shù)對(duì)沉降的影響。假定剖面的γ，φ，c，豎向固結(jié)系數(shù)、壓縮模量值固定，改變水平固結(jié)系數(shù)值，得到以下沉降值(見表11)。

表9 不同壓縮模量所對(duì)應(yīng)的沉降值

表10 不同豎向固結(jié)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的沉降值

表11 不同水平固結(jié)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的沉降值

5 結(jié)語

根據(jù)沉降計(jì)算分析，可以看出影響地基沉降的因素有多種，包括土層的壓縮模量，固結(jié)系數(shù)，土層的性質(zhì)及各層土厚度，地基的處理方式及路基的填筑材料等。通過大量的計(jì)算及結(jié)果分析可以得出，路基填料的粘聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)路基沉降影響不明顯，而沉降隨填料重度的增加而逐漸增加。對(duì)于經(jīng)過排水板+預(yù)壓的地基，土層的固結(jié)系數(shù)對(duì)沉降的大小影響較為明顯。而對(duì)于攪拌樁、旋噴樁、沖擊碾壓及拋石擠淤處理的地基壓縮模量對(duì)其沉降的影響較為明顯，固結(jié)系數(shù)對(duì)沉降的影響不大。同時(shí)采用拋石擠淤方法進(jìn)行處理的路段沉降較大的樁號(hào)比例較高。

通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測的比較可以看出，沉降的計(jì)算值與觀測值基本吻合。但是由于工期緊，填土速率未能很好的控制，所以地基基準(zhǔn)期沉降僅為地基最終沉降量的50%左右，因此路基沉降很不穩(wěn)定。如果要在此基礎(chǔ)上施工，必須對(duì)不穩(wěn)定的路段進(jìn)行必要的處理，才能達(dá)到安全行車的要求。

［1］JTJ 017-96，公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［2］趙九齋.連云港軟土路基沉降研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000(22):8-11.

［3］張誠厚，袁文明，戴濟(jì)群.高速公路軟基處理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［4］M Lombardi.Optimization of uncertain structures using non-probabilistic models［J］.Computers ＆ Structures，1998，67(1):99-103.