片石處治干線公路軟土路基沉降規(guī)律及預(yù)測分析*

張?zhí)叮?劉展瑞， 蔡宇鵬， 張定權(quán)

(1.廣西壯族自治區(qū)玉林公路發(fā)展中心， 廣西 玉林 537000；2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

在軟土地基上修建公路常會(huì)因?yàn)槁返坛两挡痪鶆驅(qū)е侣访娓叩筒黄?，甚至出現(xiàn)開裂或滑移現(xiàn)象。不少學(xué)者在軟土路基加固技術(shù)、沉降規(guī)律等方面進(jìn)行了研究，在路基換填、排水固結(jié)、坡土復(fù)合地基、土工格柵和加筋復(fù)合材料路堤等方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。劉金龍等采用有限元方法對土工織物加固軟土地基的穩(wěn)定性效果和機(jī)理進(jìn)行了分析；陳子龍研究了拋石擠淤強(qiáng)夯法在軟土路基處理中的應(yīng)用。軟土路基處理受諸多因素的影響，處理過程中需開展預(yù)應(yīng)力加載，采取反復(fù)碾壓的方式，確保排水效果和地基自身強(qiáng)度。鄒育麟等通過軟土路基原位觀測試驗(yàn)，提出了保障新建軟土路基施工質(zhì)量的監(jiān)控量測措施。軟土路基的土質(zhì)松軟，施工中能否對沉降進(jìn)行合理預(yù)測并及時(shí)修正過大沉降，是保證施工質(zhì)量和節(jié)省施工成本的關(guān)鍵。崔凱等對軟土路基沉降進(jìn)行了聯(lián)合法預(yù)測；魏麗敏等利用軟土變形的大位移、大應(yīng)變、滲透固結(jié)及依時(shí)性特點(diǎn)，建立分析軟土地基大應(yīng)變的黏彈塑性有限元列式和迭代求解算法，對路基地表沉降和地基深層沉降進(jìn)行了預(yù)測。該文依托廣西玉林干線公路工程，針對軟土地質(zhì)條件下干線公路施工與運(yùn)營中的路基不均勻沉降開展研究，分析其沉降規(guī)律，并進(jìn)行工后沉降預(yù)測。

1 沉降監(jiān)測設(shè)計(jì)

廣西玉林某干線公路，路線全長50.384 km，地面標(biāo)高為60～100 m。位于中亞熱帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，熱量豐富，四季分明，冬季少寒冬，夏季多酷熱，秋季晴朗溫暖，春末初秋少雨多旱，年平均降水量1 218.5～1 473.5 mm，日照時(shí)數(shù)1 347.3～1 615.3 h。該路段沿線分布較多軟土，工程性質(zhì)較差，干縮性較大，承載力低下，在這種地質(zhì)條件下進(jìn)行工程建設(shè)會(huì)出現(xiàn)路基沉降過大、路基側(cè)向滑移的問題，路基協(xié)調(diào)變形控制非常重要。

沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)需綜合考慮地基及路堤設(shè)計(jì)方式、荷載、結(jié)構(gòu)物特征等，埋設(shè)在變化分界線的兩側(cè)。沉降板的底座一般埋設(shè)在砂墊層或第1層填土中，確保沉降板穩(wěn)定。根據(jù)沿線地基土的分布及軟土地基路段的填土高度、淤泥層厚度等，選取7個(gè)較典型的斷面進(jìn)行沉降監(jiān)測。其中：橋頭加密段選取3個(gè)斷面，分別為K27+710、K27+720、K27+800，填土高度分別為2.565、2.615、2.481 m；圓管涵過渡段選取3個(gè)斷面，分別為K28+455、K34+300、K34+685，填土高度分別為2.325、2.448、2.322 m；一般路基選取K28+650斷面，填土高度為3.508 m。為保證地基穩(wěn)定，施工過程中一方面保證路基的加載強(qiáng)度，另一方面確定合適的施工時(shí)間，確保路基工后沉降滿足繼續(xù)填土的要求。

2 典型路基斷面沉降規(guī)律分析

2.1 橋頭加密段典型斷面沉降觀測分析

橋頭加密段選取K27+710、K27+720、K27+800 3個(gè)典型斷面，地基處理方式為片石。通過跟蹤觀測，其沉降情況見表1。

由表1可知：3個(gè)斷面的累計(jì)實(shí)測沉降量分別為23.5、19.6、21.1 cm，K27+710斷面的沉降量最大，K27+720斷面的沉降量最小。在施工期，橋頭典型斷面的沉降量占總沉降量的比例較高，對施工期橋頭典型斷面路基進(jìn)行沉降分析，有利于預(yù)防橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 橋頭加密段典型斷面沉降情況

為了進(jìn)一步研究橋頭典型斷面的沉降規(guī)律，繪制其中2個(gè)典型斷面的荷載、時(shí)間與沉降關(guān)系曲線(見圖1)。

圖1 橋頭加密段典型斷面的荷載、時(shí)間與沉降關(guān)系曲線

由圖1可知：在路基填筑期間，隨著填土高度的增加，橋頭加密段出現(xiàn)明顯沉降。原因是該路段的軟土深度較小，填土過程中地基發(fā)生排水固結(jié)，從而導(dǎo)致沉降。K27+710、K27+800路段為土堆載預(yù)壓，地基性能得到提升，其沉降數(shù)據(jù)總體來說較正常。隨著填土高度的繼續(xù)增加，路基沉降速度減小，繼續(xù)土堆載預(yù)壓直至達(dá)到設(shè)計(jì)填土高度時(shí)，沉降變形不明顯，數(shù)值在可控范圍內(nèi)。同時(shí)施工期間大型施工機(jī)具的長期停放及施工車輛的長期碾壓也會(huì)導(dǎo)致主線某一側(cè)的沉降較大?？傮w來看，該段總沉降及施工期沉降速率符合規(guī)范要求。

在施工前期，3個(gè)斷面的沉降量較大，主要是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期的土質(zhì)較松軟，未進(jìn)行壓實(shí)。隨著土堆載預(yù)壓的進(jìn)行，地基逐漸排水固結(jié)，沉降進(jìn)一步增加。隨著時(shí)間的增長，預(yù)壓達(dá)到一定強(qiáng)度后，沉降開始趨于平穩(wěn)，地基沉降也逐漸收斂。另外，3個(gè)斷面的預(yù)留檢測點(diǎn)位沉降數(shù)據(jù)都正常。從橋頭斷面的荷載、時(shí)間和沉降曲線也能發(fā)現(xiàn)，施工期的沉降較大，在整個(gè)沉降中占較大比例。因此，施工期間對沉降及時(shí)進(jìn)行觀測和控制非常關(guān)鍵。

2.2 圓管涵過渡段典型斷面沉降觀測分析

圓管涵過渡段選取K28+455、K34+300、K34+685 3個(gè)斷面進(jìn)行沉降觀測，地基處理方式為片石。其沉降情況見表2。

由表2可知：3個(gè)斷面的累計(jì)實(shí)測沉降量分別為20.6、16.2、18.5 cm，K28+455斷面沉降量最大，K34+300斷面沉降量最小。在施工期，圓管涵過渡段斷面的沉降量占總沉降量的比例較高，施工期間要重點(diǎn)做好圓管涵過渡段的沉降觀測。

表2 圓管涵過渡段典型斷面沉降情況

為了進(jìn)一步研究圓管涵過渡段沉降規(guī)律，繪制其中2個(gè)典型斷面的荷載、時(shí)間與沉降關(guān)系曲線(見圖2)。

由圖2可知：在路基填筑期間，隨著填土高度的增加，填筑速度的增快，圓管涵過渡段斷面的沉降增長速率增大，路基經(jīng)過碾壓再填土后，沉降增長速度變緩，沉降趨于穩(wěn)定。在沉降較大斷面K28+455，路基填筑至1.88m時(shí)，路基累計(jì)沉降量為92mm，沉降量與填土高度的比值約4.9%；在K34+300斷面，路基填筑至1.82 m時(shí)，路基累計(jì)沉降量為108 mm，沉降量與填土高度的比值約5.9%。達(dá)到設(shè)計(jì)填土高度后，隨著預(yù)壓的完成，路基沉降速率逐步降低，各斷面觀測沉降量逐漸趨于平穩(wěn)，地基沉降也逐漸收斂，且路基土的承載性和穩(wěn)定性有所提高。圓管涵過渡段各斷面沉降數(shù)據(jù)正常，無較大沉降，預(yù)壓期也沒有出現(xiàn)由于差異沉降導(dǎo)致的工程問題，且預(yù)留位置的沉降檢測數(shù)據(jù)在預(yù)壓期正常，無突變出現(xiàn)。

圖2 圓管涵過渡段典型斷面的荷載、時(shí)間與沉降關(guān)系

2.3 一般路基典型斷面沉降觀測分析

一般路基典型斷面選取K28+650，地基處理方式為片石。其沉降情況見表3，荷載、時(shí)間與沉降關(guān)系見圖3。

表3 一般路基典型斷面沉降情況

圖3 K28+650斷面荷載、時(shí)間與沉降關(guān)系

一般路基的土層主要為黏土，軟土層厚5 m。K28+650觀測斷面的軟土深度較小，土的排水固結(jié)快，預(yù)壓期的沉降較小，但施工期沉降較大，累計(jì)沉降量達(dá)35.6 cm。一般路基在施工期間產(chǎn)生的沉降在整個(gè)沉降過程中占較大比例，施工期對一般路基進(jìn)行沉降觀測與控制對預(yù)防路基病害非常重要。

由圖3可知：一般路基的沉降量比橋頭加密路段及圓管涵的大，主要是由于填土材料的差異及一般路基路段長期經(jīng)受汽車荷載的作用。在填土期間，隨著填土高度的增加，一般路基的沉降逐漸增加且增加趨勢較大，預(yù)壓期后，隨著土層被壓實(shí)，沉降增長變得較緩慢，增量也較小。一般路基施工相對簡單，地基情況也相對橋頭加密段和圓管涵更穩(wěn)定，但為避免一般路基在早期就產(chǎn)生較嚴(yán)重的病害并減少工后沉降，施工期間要加強(qiáng)施工控制，填筑期間要加強(qiáng)觀測頻率，每填一層土就觀測一次。

3 路基工后沉降預(yù)測

常用路基沉降估算方法主要有傳統(tǒng)的預(yù)測方法、數(shù)值計(jì)算法和基于實(shí)測數(shù)據(jù)的預(yù)測法。傳統(tǒng)的預(yù)測方法以土力學(xué)為基礎(chǔ)；數(shù)值計(jì)算方法以本構(gòu)理論為基礎(chǔ)；基于實(shí)測沉降數(shù)據(jù)的預(yù)測方法則更多地依賴實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，主要方法有雙曲線法、指數(shù)曲線法、Asaoka法、灰色預(yù)測法等。選用雙曲線法預(yù)測該項(xiàng)目的路基工后沉降。

雙曲線法假定沉降平均速度隨時(shí)間按雙曲線變化，表達(dá)式為：

(1)

式中：st為t時(shí)刻的沉降量；s0、t0分別為擬合起始點(diǎn)對應(yīng)的沉降量和時(shí)間；α、β為待定系數(shù)。

將前期實(shí)測沉降數(shù)據(jù)代入式(1)，利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，得到斜率為β、截距為α的近似直線。預(yù)測工后某一時(shí)刻的沉降量時(shí)，只需將直線延長至預(yù)測的時(shí)間點(diǎn)即可推算出該時(shí)刻的沉降量。公式如下：

(2)

t→∞時(shí)，對式(2)取極限，可得到預(yù)測工后沉降的公式：

(3)

以K34+300斷面為例，將實(shí)測沉降數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4和圖4。

表4 K34+300斷面沉降觀測數(shù)據(jù)

圖4 K34+300斷面沉降量擬合結(jié)果

擬合所得近似直線的表達(dá)式為f(t)=0.005 1t+0.197 2，即雙曲線模型的參數(shù)α=0.197 2，β=0.005 1，相關(guān)系數(shù)R2=0.992 7。將這些參數(shù)帶入式(2)，且取t0=0，s0=0，得：

(4)

利用式(4)對K34+300斷面進(jìn)行沉降預(yù)測，結(jié)果見圖5。

圖5 K34+300斷面預(yù)測沉降與實(shí)測沉降對比

由圖5可知：雙曲線法預(yù)測的沉降值與實(shí)測沉降值非常接近，且變化趨勢基本一致，擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.992 7，接近1，擬合效果較好，表明采用雙曲線法預(yù)測工后沉降可行。對于K34+300斷面，當(dāng)t→∞時(shí)，st=s0+1/β，預(yù)測其最終沉降量為196 mm。該斷面在監(jiān)測期間的累計(jì)沉降量為162 mm，工后沉降為34 mm。根據(jù)JTG/TD31-02-2013，涵洞、通道處的容許工后沉降不超過200 mm，該斷面的工后沉降符合規(guī)范要求。

同理，利用雙曲線法對其他典型斷面進(jìn)行沉降預(yù)測，結(jié)果見表5。根據(jù)JTG/TD31-02-2013《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》，橋頭路段容許工后沉降不超過100 mm，涵洞、過渡段的容許工后沉降不超過200 mm，一般路基路段容許工后沉降不超過300 mm，表5中6個(gè)斷面的工后沉降均符合規(guī)范要求。

表5 基于雙曲線法的工后沉降預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)論

以廣西玉林干線公路為背景，選取具有代表性地質(zhì)條件的試驗(yàn)路段進(jìn)行干線公路軟土路基不均勻沉降監(jiān)測，得到不同填土高度和施工階段片石處理軟土路基的沉降變化規(guī)律；根據(jù)橋頭加密段、圓管涵過渡段及一般路基典型斷面的實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，利用雙曲線法進(jìn)行擬合并預(yù)測工后沉降。主要得到以下結(jié)論：

(1) 采用石材材料處治軟土路基可行，有利于提升軟土的地質(zhì)條件，減少干線公路的建設(shè)成本及由于不均勻沉降導(dǎo)致的安全事故。

(2) 路基沉降與填土速率、加載方式及加載速率密切相關(guān)。路基填筑期間，隨著填土高度的增加，沉降速率逐漸加快，這是因?yàn)榈鼗l(fā)生了排水固結(jié)；但隨著時(shí)間的增加，路基沉降逐漸趨于穩(wěn)定，地基沉降得到收斂。路基填筑時(shí)要及時(shí)進(jìn)行沉降監(jiān)測，確保路基基本穩(wěn)定后再進(jìn)行下一步填筑，以減少工后沉降，保證施工質(zhì)量和安全。

(3) 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，利用雙曲線法進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)接近1，預(yù)測沉降與實(shí)測沉降非常接近，誤差很小，利用雙曲線法對軟土路基工后沉降進(jìn)行預(yù)測可行。