大廣高速公路K83+800～K93+000段軟基工后沉降計(jì)算

韓 偉

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程系， 福建 南平 353000）

國(guó)內(nèi)已有高速公路的實(shí)測(cè)沉降變形資料分析，已總結(jié)提出了高速公路荷載作用下:天然軟土地基(或砂墊層處理)、排水預(yù)壓法(塑料板排水)加固軟土地基、粉體攪拌樁加固軟土地基、強(qiáng)夯法加固地基等的沉降變形規(guī)律。并通過理論分析，提出了實(shí)用的高速公路沉降預(yù)測(cè)估算方法。根據(jù)軟土地基不同填土高度、不同設(shè)計(jì)參數(shù)的符合地基與沉降變形規(guī)律與沉降變形的定量關(guān)系，特別是針對(duì)高速公路分級(jí)施工的特點(diǎn)，建立了分級(jí)施工的路堤沉降預(yù)測(cè)方法。在軟土的工程地質(zhì)方面，盡管各地區(qū)軟土有其共性，但不可否認(rèn)的是，由于其成因和沉積環(huán)境的不同，各地區(qū)的軟土工程建設(shè)中仍然體現(xiàn)出各自的特性。利用工程建設(shè)時(shí)的地質(zhì)和地基變形資料對(duì)各地軟土工程地質(zhì)特性進(jìn)行宏觀分析、對(duì)比和總結(jié)，為該區(qū)今后的工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)依據(jù)，依然是一件很有意義的工作。

1復(fù)合地基沉降計(jì)算

1.1 加固區(qū)層壓縮量S1的計(jì)算方法

（1）復(fù)合模量法。將復(fù)合地基加固區(qū)中樁體和土體兩部分視為一復(fù)合土體，采用復(fù)合壓縮模量來評(píng)價(jià)復(fù)合土體的壓縮性，并采用分層總和法計(jì)算加固區(qū)土層壓縮量。在復(fù)合模量法中，將加固區(qū)土層分成n層，每層復(fù)合土體的復(fù)合壓縮模量為，加固區(qū)土層壓縮量表達(dá)式為

式中△Pi為第i層復(fù)合土上附加應(yīng)力增量；

Hi為第i層復(fù)合土層的厚度。

豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基復(fù)合土壓縮模量通常采用面積加權(quán)平均法計(jì)算，即

或

式中,Eps為樁體壓縮模量；Ess為樁間土壓縮模量；m為復(fù)合地基置換率。

復(fù)合模量法是等應(yīng)變條件下的推導(dǎo)結(jié)果，對(duì)于基礎(chǔ)和下臥層均為剛性的復(fù)合地基有一定的合理性。然而，在道路土程中，除了下臥層具有一定的壓縮性外，在復(fù)合地基與路基之間還常設(shè)置一定厚度的墊層，導(dǎo)致樁體向下臥層和墊層有一定的刺入量，也就不再符合等應(yīng)變條件。若在這種情況下仍采用復(fù)合模量法，即要求樁體變形和樁間土變形一致，實(shí)際由樁間土承擔(dān)的荷載被假設(shè)轉(zhuǎn)移到了樁體上，就會(huì)高估樁體的承載能力而低估樁間土的抗壓縮能力，致使計(jì)算結(jié)果偏小，給工程安全造成隱患。

然而，下臥層具有一定的壓縮性，在復(fù)合地基與基礎(chǔ)之間常設(shè)置具有壓縮性的墊層，導(dǎo)致樁體向下臥層和墊層有一定的刺入量，等應(yīng)變條件失效。若在等應(yīng)變條件失效的情況下仍采用復(fù)合模量法，即要求樁體變形和樁間土變形一致，實(shí)際由樁間土承擔(dān)的荷載被人為地轉(zhuǎn)移到了樁體上，因而夸大了樁體的作用。對(duì)于柔性基礎(chǔ)下和路堤下的復(fù)合地基，這種夸大作用更為明顯。但復(fù)合模量法采用平均基底壓力計(jì)算沉降，計(jì)算時(shí)采用的樁間土荷載大于樁間土實(shí)際承擔(dān)的荷載，一定程度上彌補(bǔ)了夸大樁體作用的缺陷，但其力學(xué)概念不明確。吳慧明通過有限元分析證實(shí)，在剛性基礎(chǔ)下復(fù)合模量法具有較強(qiáng)的適用性，但在柔性基礎(chǔ)下其計(jì)算結(jié)果明顯偏小。

(2)應(yīng)力修正法。在豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基中，增強(qiáng)體的存在使作用在樁間土上的荷載密度比作用在復(fù)合地基上的平均荷載密度要小。在采用應(yīng)力修正法計(jì)算壓縮量時(shí)，根據(jù)樁間土分擔(dān)的荷載，按照樁間土的壓縮模量，采用分層總和法計(jì)算加固區(qū)土層的壓縮量。在計(jì)算分析中忽略增強(qiáng)體的存在。

應(yīng)力修正法雖然形式簡(jiǎn)單，但在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)力修正系數(shù)是較難合理確定的。復(fù)合地基置換率m值是可由設(shè)計(jì)人員確定的，應(yīng)該說是明確的，但樁土應(yīng)力比n值的影響因素較多，很難選用合理值，特別是當(dāng)樁土相對(duì)剛度較大時(shí)。另外在設(shè)計(jì)計(jì)算中忽略增強(qiáng)體的存在將使計(jì)算值大于實(shí)際壓縮量。采用該法計(jì)算壓縮量往往偏大。

(3)樁身壓縮量法。在荷載作用下復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量也可通過計(jì)算樁身壓縮量來得到。設(shè)樁底端刺入下臥層的沉降變形量為△，則相應(yīng)加固土層的壓縮量S1的計(jì)算式為

式中，Sp為樁身壓縮量。

在樁身壓縮量法中根據(jù)作用在樁體上的荷載和樁體變形模量計(jì)算樁身壓縮量。樁身壓縮量法需要計(jì)算樁身的應(yīng)力，但是樁身應(yīng)力計(jì)算牽涉到摩阻力的分布、端承力的大小以及樁頂應(yīng)力等極難獲得的量值，即使在最為簡(jiǎn)單的情況下，如假設(shè)摩阻力均勻分布和端承力為零的情況，也要牽涉到計(jì)算樁土應(yīng)力比n值，n值也不易獲得。特別是對(duì)于碎石樁復(fù)合地基，以上計(jì)算將更加復(fù)雜，因此，該法不適合于碎石樁復(fù)合地基。

在以上三種復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量的算法中，相比較而言復(fù)合模量法使用比較方便，也是目前碎石樁復(fù)合地基沉降計(jì)算時(shí)通常選用的方法。

但上述方法實(shí)際上是假設(shè)了土體和樁體只產(chǎn)生垂直方向的單向壓縮，且壓縮應(yīng)變相等。對(duì)剛性荷載和剛性樁，這些假定是可取的，但對(duì)象路堤填土這樣的柔性荷載及碎石樁這樣的散體材料樁，樁與土的壓縮應(yīng)變是不相等的，而且有明顯的徑向變形。若簡(jiǎn)單套用上述方法，理論上明顯不合理，將產(chǎn)生較大誤差。

高新技術(shù)供應(yīng)鏈信息共享作為供應(yīng)鏈能力提升的重要環(huán)節(jié)，對(duì)供應(yīng)鏈間各成員企業(yè)的發(fā)展具有及其重要的作用。在以往的信息共享評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，較多為定性的指標(biāo)，因此擬用問卷調(diào)查法獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用DEA方法具體從規(guī)模效率、規(guī)模收益、綜合效率、純技術(shù)效率、投入冗余和產(chǎn)出不足等方面進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。DEA方法一方面可以對(duì)DMU的相對(duì)效率給出評(píng)價(jià)和測(cè)算，另一方面還可以表明DMU不是有效性的原因以及改進(jìn)空間。該方法運(yùn)用的是帕累托最優(yōu)原理，通過投入、產(chǎn)出判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量，只有兩種判斷標(biāo)準(zhǔn)都被拒絕時(shí)，該決策單元才是完全有效的。

2.2 下臥層土層壓縮量S2的計(jì)算方法：

下臥層土層壓縮量S2的計(jì)算常采用分層總和法計(jì)算，即

式中，e1i為根據(jù)第i分層的自重應(yīng)力平均值(即)P1i從的壓縮曲線上得到的相應(yīng)的孔隙比；σci，σc（i-1）分別為第i分層土層底面處和頂面處的自重應(yīng)力；

e2i根據(jù)第i分層的自重應(yīng)力平均值((即)P1i與附加應(yīng)力平均值(即)P2i從的壓縮曲線上得到的相應(yīng)的孔隙比；

σci，σc（i-1）分別為第i分層土層底面處和頂面處的附加應(yīng)力；Hi為第i分層土的厚度；ai為第i分層土的壓縮系數(shù)；Ei為第i分層土的壓縮模量；

欲確定上式中復(fù)合地基下臥層的附加應(yīng)力增量□Pi，需要知道傳遞到下臥層頂面的荷載。目前在工程實(shí)踐中，常采用以下方法計(jì)算下臥層頂面的荷載。

（1）壓力擴(kuò)散法。如圖1所示，若復(fù)合地基上作用荷載為p，復(fù)合地基加固區(qū)壓力擴(kuò)散角為β，則作用在下臥土層上的荷載Pt，可用下式計(jì)算

式中，B為復(fù)合地基上荷載作用的寬度；D為復(fù)合地基上荷載作用的長(zhǎng)度；H為復(fù)合地基加固區(qū)厚度；β 為復(fù)合地基加固區(qū)應(yīng)力擴(kuò)散角

圖1 壓力擴(kuò)散法簡(jiǎn)圖

實(shí)踐中可以查表1確定壓力擴(kuò)散角β：

表1 壓力擴(kuò)散角

對(duì)于復(fù)合地基中下臥層的沉降計(jì)算通常采用壓力擴(kuò)散法。但公式中壓力擴(kuò)散角的合理選用是計(jì)算中的主要問題。

（2）等效實(shí)體法。將復(fù)合地基加固區(qū)視為一等效實(shí)體，作用在下臥層上的荷載面與作用在復(fù)合地基上的相同。在等效實(shí)體四周作用有側(cè)摩阻力，設(shè)其密度為f，則復(fù)合地基加固區(qū)下臥土層上荷載密度Pt，可用下式計(jì)算：

圖4 等效實(shí)體法簡(jiǎn)化圖形

對(duì)于平面應(yīng)變情況，上式可改寫為：

應(yīng)用等效實(shí)體法計(jì)算復(fù)合地基下臥層頂面荷載的關(guān)鍵是周圍土體對(duì)等效實(shí)體摩阻力的確定，目前還沒有一個(gè)被普遍接受的確定方法。

3 結(jié)語(yǔ)

本章通過對(duì)地基沉降理論，軟土路基沉降及變形的機(jī)理的回顧，研究了軟土地基最終沉降量計(jì)算的理論依據(jù)，探討了軟土地基固結(jié)與沉降的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合地基的沉降理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。主要包括：

（1）簡(jiǎn)要介紹了天然地基土的沉降計(jì)算理論，并在此基礎(chǔ)上比較了各理論的適用范圍；

（2）分析了各種固結(jié)理論的特性，提出了適用于高速公路沉降的固結(jié)理論；

（3）簡(jiǎn)要介紹了復(fù)合地基最終沉降量的彈性理論計(jì)算方法，并結(jié)合已有的理論進(jìn)行了分析，提出了不同計(jì)算方法的適用性；

（4）從力學(xué)原理出發(fā)，分析了公路軟土路基的變形及沉降機(jī)理；

（5）對(duì)復(fù)合地基的樁土共同作用原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明。

[1]邢啟軍,朱學(xué)文,劉金年.淺談工后容許不均勻沉降指標(biāo)及其在高等級(jí)公路的研究[J].黑龍江交通科技,2003，（3）.

[2]宮曉飛,劉佑榮.高速公路工后不均勻沉降造成的病害及危害特點(diǎn)[J].西部探礦工程,2004，（9）.

[3]劉增賢,湯連生.路堤荷載下軟土側(cè)向擠出沉降分析[J].工程勘察,2003，（2）.

[4]馬時(shí)冬.路堤下軟粘土地基的側(cè)向位移.華橋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995，（5）.