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準設(shè)計，設(shè)計時速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，在基準期結(jié)束時，根據(jù)實際觀測可以看出沉降較大，平均達到了15 cm，有的路段最大沉降已經(jīng)達到了31.8 cm。

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

表1 沉降觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

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2.3 m，兩側(cè)便道向外側(cè)滑移達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、標準貫入試驗、雙橋靜力觸探實驗及室內(nèi)試驗結(jié)果，按其物理、力學指標主要劃分為六層，見表2。

表2 土層參數(shù)表

3 計算原理

本次沉降計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)，對填高大于5 m的路段利用理正巖土軟件，運用分層總和法原理進行沉降計算。

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，可按彈性理論計算土中應力。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。

為了彌補假設(shè)所引起的誤差，取基底中心點下的附加應力進行計算，以基底中點的沉降代表基礎(chǔ)的平均沉降。

3.2 單一壓縮土層的沉降計算

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

圖1 單—壓縮土層沉降計算

由于:

所以，

3.3 單向壓縮分層總和法

分別計算基礎(chǔ)中心點下地基中各個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土的壓縮應變:

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

4 沉降分析與計算

4.1 沉降計算

下面以唐曹高速K39+900剖面為依據(jù)進行計算分析。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)實際地質(zhì)勘測資料，將實際的地層進行簡化，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

基準期開始時刻:最后一級加載(路面施工)結(jié)束時刻。考慮沉降影響后，路堤的實際計算高度為9.225 m。路面竣工時，地基沉降為0.075 m。基準期內(nèi)的殘余沉降為0.004 m。基準期結(jié)束時，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值對滑坡穩(wěn)定性的影響。假定剖面的γ，c值固定，改變φ值，得到以下的沉降值(見表7)。3)γ值對路基沉降的影響。假定剖面的c，φ值固定，改變γ值，得到以下的沉降值(見表8)。

表6 c取不同值時所對應的沉降值

表7 φ取不同值時所對應的沉降值

表8 γ取不同值時所對應的沉降值

4.2.2 地基土層的參數(shù)敏感性分析

地基土性質(zhì)比較復雜，影響因素眾多，我們只對以下參數(shù)進行分析:

1)壓縮模量對沉降的影響。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 不同壓縮模量所對應的沉降值

表10 不同豎向固結(jié)系數(shù)所對應的沉降值

表11 不同水平固結(jié)系數(shù)所對應的沉降值

5 結(jié)語

根據(jù)沉降計算分析，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。對于經(jīng)過排水板+預壓的地基，土層的固結(jié)系數(shù)對沉降的大小影響較為明顯。而對于攪拌樁、旋噴樁、沖擊碾壓及拋石擠淤處理的地基壓縮模量對其沉降的影響較為明顯，固結(jié)系數(shù)對沉降的影響不大。同時采用拋石擠淤方法進行處理的路段沉降較大的樁號比例較高。

通過計算結(jié)果與實際觀測的比較可以看出，沉降的計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，必須對不穩(wěn)定的路段進行必要的處理，才能達到安全行車的要求。

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

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

［3］張誠厚，袁文明，戴濟群.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.