高速公路路基沉降預(yù)測研究

趙星宇

作為確保高速公路施工質(zhì)量以及后期運(yùn)營安全的重要環(huán)節(jié)，路基沉降的預(yù)測應(yīng)進(jìn)行科學(xué)合理的分析。高速公路路基沉降的準(zhǔn)確預(yù)測分析對于路基沉降速率的掌控至關(guān)重要，進(jìn)而影響著后續(xù)施工工藝，決定著高速公路的施工質(zhì)量。

路基沉降是影響高速公路施工質(zhì)量以及后期運(yùn)營安全的關(guān)鍵因素。為了嚴(yán)格把控路基施工質(zhì)量，應(yīng)對路基的沉降過程進(jìn)行全面掌控，并針對不同的沉降速率和大小進(jìn)行相應(yīng)處理。路基沉降預(yù)測不僅是指導(dǎo)施工的重要指標(biāo)，還是路面結(jié)構(gòu)施工的重要參考。隨著高速公路建設(shè)項目越來越多，路基沉降影響對于施工質(zhì)量至關(guān)重要。利用工程項目實際觀測的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行路基沉降的準(zhǔn)確預(yù)測，進(jìn)而掌握路基沉降的變化規(guī)律，對于提高高速公路運(yùn)營的安全性有重要意義。

一、高速公路路基沉降的影響因素

路基的沉降變形處治需要花費(fèi)大量人力、物力以及財力，并且會對路面造成破壞。引起路基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象的原因有很多，如路基填筑高度，填土壓實度，地下水位，土應(yīng)力，路基填筑材料等。導(dǎo)致路基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象的原因不盡相同，是不同因素相互作用的結(jié)果。在路基施工的過程中，人為因素或者相應(yīng)施工工藝也會使得路基出現(xiàn)沉降，如：

（1）路基填筑速度，在接近設(shè)計高度時不宜過快，應(yīng)加強(qiáng)此時的沉降監(jiān)測。（2）對于數(shù)據(jù)的分析處理應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)合理，剔除異常數(shù)據(jù)，進(jìn)而避免路基沉降分析不準(zhǔn)確，導(dǎo)致無法精準(zhǔn)計算沉降速率和施工后的沉降量。（3）在施工前應(yīng)對沿線工程地質(zhì)情況進(jìn)行充分了解，不同的地質(zhì)情況在受到相同荷載作用時，會出現(xiàn)不同的沉降。（4）在路基施工中，應(yīng)重視排水設(shè)施，避免水對路基的影響，進(jìn)而導(dǎo)致承載力降低，致使路基出現(xiàn)不均勻沉降。

二、高速公路路基沉降預(yù)測方法

1.雙曲線法

在路基沉降預(yù)測方法中，雙曲線法是依據(jù)實測沉降值推測發(fā)展趨勢的預(yù)測方法。雙曲線法中時間與路基沉降量的關(guān)系如式（1）所示：

對于式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后如式（2）所示：

式中：S0表示路基填筑到設(shè)計標(biāo)高的累計沉降值；St表示不同時刻的路基沉降。

2.指數(shù)曲線法

在指數(shù)曲線理論中，土體的固結(jié)度隨時間的變化趨勢呈指數(shù)形式。減少指數(shù)曲線法預(yù)測誤差是利用最小二乘法的原理，使得時間與沉降量的關(guān)系擬合曲線更為良好。土體沉降的指數(shù)曲線法計算公式如式（4）所示：

式中：t0表示任意觀測時刻；St表示預(yù)測沉降值；S0表示t0時刻的沉降值；S∞表示最終沉降量。

三、案例分析

1.項目概況

某高速公路全長56km，設(shè)計速度為100km/h，雙向四車道。項目所經(jīng)區(qū)域地貌為平原微丘區(qū)和沖積平原區(qū)。沿線分布大量軟土。該項目軟土斷續(xù)分布且厚度不均。本項目軟土路段主要采用袋裝砂井或塑料排水板+超載預(yù)壓，時間大于6個月。

為了充分了解高速公路運(yùn)營階段路基沉降的變化趨勢，判斷路基的沉降變形是否可以滿足路面的鋪筑要求，以及為后期路面的維護(hù)提供指導(dǎo)，對該高速公路的軟土路段進(jìn)行沉降觀測。

表1 K10+500沉降觀測表

圖2 沉降量與時間關(guān)系圖

2.沉降觀測結(jié)果

選取軟土路段K10+500斷面中分帶沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2018年3月25日開始進(jìn)行路基沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測，共監(jiān)測10組數(shù)據(jù)。前半年每隔30天監(jiān)測一次，半年后每隔60天監(jiān)測一次。監(jiān)測結(jié)果如表1所示，累計沉降隨時間變化趨勢如圖1所示。

圖1 累計沉降隨時間變化趨勢

3.沉降預(yù)測分析

本文選用雙曲線法和指數(shù)曲線法對觀測結(jié)果進(jìn)行擬合分析，并進(jìn)行對比研究。

（1）雙曲線法

對自2018年3月25日開始監(jiān)測的前9組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最后1組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測驗證。根據(jù)式（1）即t0=0，S0=0。令x=t-1，y=St-1，則y與x的線性擬合關(guān)系如圖2所示。

因此雙曲線法的關(guān)系曲線為：y=55.58x-0.126，即A為-0.126，B為55.58，相關(guān)系數(shù)R2為0.97，因此，沉降關(guān)系式如（5）所示：

（2）指數(shù)曲線法

對從2018年3月25日開始監(jiān)測的前9組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。令t0=0，x=t-1，則St=aeb/-t，y與x的線性擬合關(guān)系如圖1示。

擬合參數(shù)a為9.0558，b為102.2，相關(guān)系數(shù)R2為0.8691，因此，沉降關(guān)系式如（6）所示：

4.兩種預(yù)測方法對比

對于前9組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，雙曲線法預(yù)測誤差在0.01mm～2.04mm，指數(shù)曲線法預(yù)測誤差在0.25mm～3.58mm。利用第10組數(shù)據(jù)驗證兩種模型的準(zhǔn)確性，實測數(shù)據(jù)為10.25mm，雙曲線法預(yù)測值為10.29mm，指數(shù)曲線法預(yù)測為10.08mm。指數(shù)曲線法預(yù)測值比實測值小，對于工程不利。在該公路項目中，雙曲線法要比指數(shù)曲線法適應(yīng)性更好，準(zhǔn)確度更高。

四、結(jié)語

當(dāng)高速公路工程項目建設(shè)完成后，為確保工程項目在運(yùn)營階段不出現(xiàn)較大的路基沉降進(jìn)而威脅行車安全，對于路基沉降觀測以及預(yù)測分析是不可忽略的重要環(huán)節(jié)。路基沉降預(yù)測分析，應(yīng)綜合考慮實際項目特點(diǎn)和設(shè)計需求，有針對性選擇不同的方法，確保對于路基沉降的準(zhǔn)確預(yù)測。