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,在該地區修建道路極易出現工后沉降過大的病害。對于一般填土路段,一般表現為整體下沉,對路面結構受力特征的影響并不顯著。然而,對于與結構物(橋涵構造物)相連的軟基段,則由于結構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,可采用排水固結法進行加固處理,然而,受施工工期的限制,再加之沿海地區軟土層深厚,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測,本文結合某具體工程,研究了砂井地基沉降計算方法及不同預壓高度對工后沉降的影響,對類似工程有較好的指導意義。

1 地基總沉降計算

采用袋裝砂井預壓處理時,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,認為側向變形引起的地基沉降是在加荷后就立即產生的,亦即彈性變形。考慮壓縮時,則假定土層無側向變形,也就是在無側向變形的條件下的單向壓縮。

因此,對于正常固結或稍超固結的黏土,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為由于地基側向變形所引起的沉降量;Sc為由于地基固結所引起的最終沉降量;e1為地基中各分層中點在自重應力下相應的孔隙比;e2為地基中各分層中點在自重應力和附加應力共同作用下相應的孔隙比;Δhi為各計算分層的厚度。

采用沉降系數表示對側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,與地基的變形特性、荷載條件、加荷速率等因素有關,通常取 m=1.1～1.4。

2 砂井地基固結度的計算

1)豎向平均固結度的計算。

根據太沙基一維固結理論有:

2)徑向平均固結度的計算。

如砂井的間距為d,則它的影響圓的間距de為:

當等邊三角形排列時:

當為正方形排列時:

根據巴隆固結理論有:

其中,dw為砂井的直徑。

3)砂井地基平均總固結度計算。

3 工程計算實例

結合某沿海高速公路結構物(箱涵)下地基差異沉降進行分析。地基處理形式是砂樁,結構物以下及超出結構物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m=1.3。上部堆載預壓時間為兩個月,荷載為42 kPa。據統計,砂井部分的豎向固結系數 Cv=1.78×10-3cm2/sec,水平向固結系數Ch=6.72×10-3cm2/sec。可知兩個月后固結度為96%,故可考慮此時已基本固結。根據分層總合法,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 結語

本文結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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