堆載預(yù)壓下道路軟土地基路堤形變量預(yù)測(cè)研究

田家凱　梁紹巍

摘要 堆載預(yù)壓過(guò)程中的形變量監(jiān)控及預(yù)測(cè)是軟基處理沉降觀測(cè)、預(yù)警、固結(jié)卸載的重要手段。文章結(jié)合堆載預(yù)壓處理軟土地基路堤實(shí)例及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探討軟基處理后數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、形變量預(yù)測(cè)方法，并通過(guò)雙曲線模型推算路堤最終形變量和工后沉降變化量，為沉降穩(wěn)定趨勢(shì)和土方卸載提供支撐，為相關(guān)工程提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞 堆載預(yù)壓;軟土地基;路堤;形變量;預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào) U418.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）09-0157-03

序言

塑料排水板堆載預(yù)壓法在濱海地區(qū)深厚淤泥、淤泥質(zhì)土的軟土地基處理中，能夠通過(guò)豎向及橫向排水通道不斷排出孔隙水，加快土體固結(jié)，對(duì)路基的沉降穩(wěn)定效果較好。目前，常用的預(yù)測(cè)方法有雙曲線法、三點(diǎn)法、淺崗法、泊松法等[1-2]，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，雙曲線法的預(yù)測(cè)結(jié)果較為保守，在實(shí)際工程應(yīng)用中較為安全[2-3]，該文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)、沉降數(shù)據(jù)采集，對(duì)雙曲線法的形變預(yù)測(cè)及工后沉降分析進(jìn)行研究。

1 工程概況及巖土層地質(zhì)特性

某道路項(xiàng)目道路等級(jí)為城市快速路，瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限15年。項(xiàng)目場(chǎng)地的地貌單元屬?zèng)_積平原，試驗(yàn)段道路周邊以農(nóng)田、魚塘及養(yǎng)殖場(chǎng)為主，穿越地勢(shì)起伏不大，路堤為主，軟土地基處理采用塑料排水板堆載預(yù)壓法。

場(chǎng)地不良地質(zhì)作用主要表現(xiàn)為存在流塑、高含水量、高壓縮性的軟土層，具易觸變、承載力低、工程物理力學(xué)性質(zhì)差等特點(diǎn)。特殊性巖土分以下2類：

（1）填土。場(chǎng)地表層存在填土層，其土質(zhì)極不均勻、具濕陷性、低強(qiáng)度、穩(wěn)定性差，為場(chǎng)地不穩(wěn)定軟弱土層，潛在著水土流失、不均勻沉降等不良地質(zhì)作用。

（2）淤泥、淤泥質(zhì)土。場(chǎng)地軟土主要存在流塑狀淤泥、淤泥質(zhì)土，屬高壓縮性土，工程力學(xué)強(qiáng)度低，在上部荷載作用下，容易引起地基過(guò)大沉降和不均勻沉降，而且受振動(dòng)荷載（或地震）作用下易產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)及震陷現(xiàn)象，從而使地基失穩(wěn)或沉陷。

場(chǎng)地地下水呈層狀分布，屬淺循環(huán)水。地下水水位升降受氣候降雨條件及季節(jié)性影響不大。

2 軟土地基形變量測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了對(duì)道路路堤形變量進(jìn)行測(cè)量，并控制施工過(guò)程中的填土速度，為后續(xù)形變量預(yù)測(cè)提供更多的數(shù)據(jù)支持，該工程沿道路縱向每隔100 m定義一個(gè)觀測(cè)橫斷面，觀測(cè)橫斷面的形變量監(jiān)測(cè)采用接桿式觀測(cè)標(biāo)，觀測(cè)標(biāo)由長(zhǎng)100 cm，直徑25～40 mm的鋼管和500 mm×500 mm×

10 mm的鋼板（沉降板）組成，配備若干50 cm接長(zhǎng)桿。

每個(gè)觀測(cè)斷面設(shè)置2組沉降板，每組3塊，在道路中心線向道路外側(cè)6 m、16 m、36 m布置。沉降板應(yīng)放置在上層碎石墊層的底面，即排水板施工面。

埋好穩(wěn)定后測(cè)初始標(biāo)高，下次測(cè)量時(shí)根據(jù)標(biāo)高差，求得該階段的形變量。當(dāng)填土達(dá)到一定高度后需要接管時(shí)，首先測(cè)下面鋼管的頂面標(biāo)高，計(jì)算出形變量，然后接管并測(cè)出接管后的頂面標(biāo)高作為初始標(biāo)高。隨著填土的增高，循序逐節(jié)升高，重復(fù)上述測(cè)量工作。

同時(shí)，為了進(jìn)一步提高后續(xù)形變量預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，還可在同一觀測(cè)斷面道路中心線向道路外側(cè)2 m處設(shè)置電磁式分層沉降儀，對(duì)形變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。儀器埋設(shè)前，按照沉降環(huán)設(shè)計(jì)標(biāo)高或依據(jù)加固區(qū)土層的實(shí)際情況將每一個(gè)沉降環(huán)固定在連接好的引導(dǎo)管上。每個(gè)沉降環(huán)下端距引導(dǎo)管接頭距離應(yīng)大于該沉降環(huán)的預(yù)估沉降量，防止沉降環(huán)沉降過(guò)大碰到接頭處被卡住，影響觀測(cè)質(zhì)量。

測(cè)點(diǎn)命名編號(hào)原則：道路里程+測(cè)點(diǎn)類型+測(cè)點(diǎn)左右幅位置+測(cè)點(diǎn)編號(hào)。例如C0100CR1，其中，“C0100”表示道路樁號(hào)CK0+100，第二個(gè)“C”表示類型為地基沉降測(cè)點(diǎn)，“R”表示徹測(cè)點(diǎn)位置為道路右幅（“L”表示徹測(cè)點(diǎn)位置為道路左幅），最后的“1”為地基沉降測(cè)點(diǎn)的順序編號(hào)，由路中向道路兩側(cè)分別編號(hào)1、2、3、……。

3 基于雙曲線模型的路堤最終形變量推算

基于堆載預(yù)壓作用下路堤沉降板與分層沉降儀觀測(cè)數(shù)值，依據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31—02—2013）8.8章節(jié)相關(guān)規(guī)定，引入雙曲線模型[5]，分析推算路堤最終形變量。經(jīng)驗(yàn)雙曲線法假定路堤形變的平均速度會(huì)按照雙曲線的趨勢(shì)不斷減小，趨于平緩穩(wěn)定，通過(guò)曲線的趨勢(shì)模擬能夠推算出未來(lái)任意時(shí)刻及最終的路堤形變量。

（1）根據(jù)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)雙曲線擬合公式，得出：和曲線圖。

（1）

式中，——擬合計(jì)算起始點(diǎn)參考點(diǎn)的形變量;

——擬合計(jì)算起始點(diǎn)參考點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間;

——擬合曲線上任意一點(diǎn)的形變量;

——擬合曲線上任意一點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間;

——根據(jù)沉降板與分層沉降儀實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）得出一條近似的直線，并進(jìn)一步計(jì)算得出的該直線的截距和斜率。

和理論曲線圖如圖1：

（2）將式（1）改寫形式：

（2）

由式（2）可以看出分別是和關(guān)系曲線中的截距和斜率，可以用圖解法求出。將求出的、、帶入式（2）即可計(jì)算出任意時(shí)刻t的預(yù)估形變量。

（3）當(dāng)=∞時(shí)，可以求解最終的路堤形變量：

（3）

4 形變量數(shù)據(jù)采集

道路軟基處理采用塑料排水板堆載預(yù)壓法，堆載料已滿載，進(jìn)入恒載期。在該工程測(cè)量斷面中，選擇某一節(jié)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，針對(duì)該節(jié)點(diǎn)在6個(gè)月時(shí)間當(dāng)中的路堤形變量進(jìn)行連續(xù)采集。

利用Trimble（天寶）DINI03高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行軟土地基沉降監(jiān)測(cè)，儀器精度為0.3 mm/km;利用泰瑞科TRC-GC-02A分層沉降儀進(jìn)行深層分層沉降監(jiān)測(cè)，精度1.0 mm。

路堤形變量公式如下：

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量點(diǎn)上的路堤形變量=軟土地基初始狀態(tài)下的路堤高度?恒載一定時(shí)間后路基路堤高度。

5 形變量預(yù)測(cè)分析

選取相鄰的2個(gè)觀測(cè)斷面，左右幅共計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)的連續(xù)采集數(shù)據(jù)，繪制累計(jì)形變量曲線圖。由圖2可以看出路基形變量的整體趨勢(shì)：沉降板測(cè)點(diǎn)在堆載期間開(kāi)始出現(xiàn)下沉變形，由于堆載速度的控制變形速率較小，當(dāng)達(dá)到滿載后，形變速率逐漸增大，滿載后1～2個(gè)月變形速率達(dá)到最大，曲線出現(xiàn)陡降趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到第3個(gè)月左右時(shí)速率已經(jīng)出現(xiàn)收斂，第4～6個(gè)月區(qū)間變形趨于平緩。分層沉降形變量與地基沉降基本相同，最后2個(gè)月變形已較為平穩(wěn)。

根據(jù)形變量數(shù)據(jù)，采用雙曲線模型法對(duì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行最終路堤形變量預(yù)測(cè)。在分別選取相鄰2個(gè)觀測(cè)斷面C0100、C0200，取C0100斷面靠近路中的左右幅1號(hào)測(cè)點(diǎn)，取C0200斷面靠近路外的左右幅3號(hào)測(cè)點(diǎn)，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行預(yù)測(cè)說(shuō)明。

5.1 斷面1左幅測(cè)點(diǎn)C0100CL1

采用沉降觀測(cè)后的第99天～第189天之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立曲線擬合方程。取=99 d，=1.690 0 m，繪制和關(guān)系曲線圖，如圖3所示。確定曲線方程參數(shù)=42.101，=2.346 6。相應(yīng)的曲線方程為：

根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算15年后累計(jì)沉降量為?2.114 7 m，工后沉降變化量為?83.9 mm。

5.2 斷面1右幅測(cè)點(diǎn)C0100CR1

采用沉降觀測(cè)后的第99天～第189天之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立曲線擬合方程。取=99 d，=1.534 7 m，繪制和關(guān)系曲線圖，如圖4所示。確定曲線方程參數(shù)=44.9，=2.760 8。相應(yīng)的曲線方程為：

根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算15年后累計(jì)沉降量為?1.896 8 m，工后沉降變化量為?66.5 mm。

5.3 斷面2左幅測(cè)點(diǎn)C0200CL3

采用沉降觀測(cè)后的第99天～第189天之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立曲線擬合方程。取=99 d，=1.543 3 m，繪制和關(guān)系曲線圖，如圖5所示。確定曲線方程參數(shù)=42.068，=2.292 3。相應(yīng)的曲線方程為：

根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算15年后累計(jì)沉降量為?1.978 1 m，工后沉降變化量為?88.1 mm。

5.4 斷面2右幅測(cè)點(diǎn)C0200CR3

采用沉降觀測(cè)后的第99天～第189天之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立曲線擬合方程。取=99 d，=1.719 7 m， 繪制和關(guān)系曲線圖，如圖6所示。確定曲線方程參數(shù)=36.154，=2.604 2。相應(yīng)的曲線方程為：

根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算15年后累計(jì)沉降量為?2.102 7 m，工后沉降變化量為?61.5 mm。

經(jīng)所有測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)，15年工后沉降變化量61.5～

120.3 mm，并能夠滿足連續(xù)兩個(gè)月觀測(cè)的沉降量每月不超過(guò)5 mm，路堤形變趨于穩(wěn)定，可以滿足卸載條件。

6 總結(jié)

該文依托道路項(xiàng)目實(shí)例以及形變量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，闡述雙曲線模型法在堆載預(yù)壓下道路的軟土地基路堤形變量預(yù)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用。形變量監(jiān)控及預(yù)測(cè)是軟基處理沉降觀測(cè)、預(yù)警的重要手段，可以控制堆載料的填筑速率、推算堆載料土石方工程量，并通過(guò)擬合曲線推算最終形變量和工后沉降變化量，直觀反映堆載預(yù)壓處理效果，為卸載提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確、連續(xù)、完整，能夠動(dòng)態(tài)反映現(xiàn)場(chǎng)情況，為預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

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收稿日期：2022-03-14

作者簡(jiǎn)介：田家凱（1990—），男，碩士研究生，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。