片石處治干線公路軟土路基沉降規律及預測分析*

張潭， 劉展瑞， 蔡宇鵬， 張定權

(1.廣西壯族自治區玉林公路發展中心， 廣西 玉林 537000；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

在軟土地基上修建公路常會因為路堤沉降不均勻導致路面高低不平，甚至出現開裂或滑移現象。不少學者在軟土路基加固技術、沉降規律等方面進行了研究，在路基換填、排水固結、坡土復合地基、土工格柵和加筋復合材料路堤等方面積累了豐富經驗。劉金龍等采用有限元方法對土工織物加固軟土地基的穩定性效果和機理進行了分析；陳子龍研究了拋石擠淤強夯法在軟土路基處理中的應用。軟土路基處理受諸多因素的影響，處理過程中需開展預應力加載，采取反復碾壓的方式，確保排水效果和地基自身強度。鄒育麟等通過軟土路基原位觀測試驗，提出了保障新建軟土路基施工質量的監控量測措施。軟土路基的土質松軟，施工中能否對沉降進行合理預測并及時修正過大沉降，是保證施工質量和節省施工成本的關鍵。崔凱等對軟土路基沉降進行了聯合法預測；魏麗敏等利用軟土變形的大位移、大應變、滲透固結及依時性特點，建立分析軟土地基大應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行了預測。該文依托廣西玉林干線公路工程，針對軟土地質條件下干線公路施工與運營中的路基不均勻沉降開展研究，分析其沉降規律，并進行工后沉降預測。

1 沉降監測設計

廣西玉林某干線公路，路線全長50.384 km，地面標高為60～100 m。位于中亞熱帶大陸季風氣候區，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，日照時數1 347.3～1 615.3 h。該路段沿線分布較多軟土，工程性質較差，干縮性較大，承載力低下，在這種地質條件下進行工程建設會出現路基沉降過大、路基側向滑移的問題，路基協調變形控制非常重要。

沉降監測點布設需綜合考慮地基及路堤設計方式、荷載、結構物特征等，埋設在變化分界線的兩側。沉降板的底座一般埋設在砂墊層或第1層填土中，確保沉降板穩定。根據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個較典型的斷面進行沉降監測。其中：橋頭加密段選取3個斷面，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。為保證地基穩定，施工過程中一方面保證路基的加載強度，另一方面確定合適的施工時間，確保路基工后沉降滿足繼續填土的要求。

2 典型路基斷面沉降規律分析

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個斷面的累計實測沉降量分別為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行沉降分析，有利于預防橋頭跳車現象的發生。

表1 橋頭加密段典型斷面沉降情況

為了進一步研究橋頭典型斷面的沉降規律，繪制其中2個典型斷面的荷載、時間與沉降關系曲線(見圖1)。

圖1 橋頭加密段典型斷面的荷載、時間與沉降關系曲線

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，填土過程中地基發生排水固結，從而導致沉降。K27+710、K27+800路段為土堆載預壓，地基性能得到提升，其沉降數據總體來說較正常。隨著填土高度的繼續增加，路基沉降速度減小，繼續土堆載預壓直至達到設計填土高度時，沉降變形不明顯，數值在可控范圍內。同時施工期間大型施工機具的長期停放及施工車輛的長期碾壓也會導致主線某一側的沉降較大。總體來看，該段總沉降及施工期沉降速率符合規范要求。

在施工前期，3個斷面的沉降量較大，主要是因為這個時期的土質較松軟，未進行壓實。隨著土堆載預壓的進行，地基逐漸排水固結，沉降進一步增加。隨著時間的增長，預壓達到一定強度后，沉降開始趨于平穩，地基沉降也逐漸收斂。另外，3個斷面的預留檢測點位沉降數據都正常。從橋頭斷面的荷載、時間和沉降曲線也能發現，施工期的沉降較大，在整個沉降中占較大比例。因此，施工期間對沉降及時進行觀測和控制非常關鍵。

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個斷面進行沉降觀測，地基處理方式為片石。其沉降情況見表2。

由表2可知：3個斷面的累計實測沉降量分別為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

為了進一步研究圓管涵過渡段沉降規律，繪制其中2個典型斷面的荷載、時間與沉降關系曲線(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，路基經過碾壓再填土后，沉降增長速度變緩，沉降趨于穩定。在沉降較大斷面K28+455，路基填筑至1.88m時，路基累計沉降量為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，路基累計沉降量為108 mm，沉降量與填土高度的比值約5.9%。達到設計填土高度后，隨著預壓的完成，路基沉降速率逐步降低，各斷面觀測沉降量逐漸趨于平穩，地基沉降也逐漸收斂，且路基土的承載性和穩定性有所提高。圓管涵過渡段各斷面沉降數據正常，無較大沉降，預壓期也沒有出現由于差異沉降導致的工程問題，且預留位置的沉降檢測數據在預壓期正常，無突變出現。

圖2 圓管涵過渡段典型斷面的荷載、時間與沉降關系

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、時間與沉降關系見圖3。

表3 一般路基典型斷面沉降情況

圖3 K28+650斷面荷載、時間與沉降關系

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，土的排水固結快，預壓期的沉降較小，但施工期沉降較大，累計沉降量達35.6 cm。一般路基在施工期間產生的沉降在整個沉降過程中占較大比例，施工期對一般路基進行沉降觀測與控制對預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，預壓期后，隨著土層被壓實，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定，但為避免一般路基在早期就產生較嚴重的病害并減少工后沉降，施工期間要加強施工控制，填筑期間要加強觀測頻率，每填一層土就觀測一次。

3 路基工后沉降預測

常用路基沉降估算方法主要有傳統的預測方法、數值計算法和基于實測數據的預測法。傳統的預測方法以土力學為基礎；數值計算方法以本構理論為基礎；基于實測沉降數據的預測方法則更多地依賴實測沉降數據，主要方法有雙曲線法、指數曲線法、Asaoka法、灰色預測法等。選用雙曲線法預測該項目的路基工后沉降。

雙曲線法假定沉降平均速度隨時間按雙曲線變化，表達式為：

(1)

式中：st為t時刻的沉降量；s0、t0分別為擬合起始點對應的沉降量和時間；α、β為待定系數。

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

(2)

t→∞時，對式(2)取極限，可得到預測工后沉降的公式：

(3)

以K34+300斷面為例，將實測沉降數據代入公式進行計算，結果見表4和圖4。

表4 K34+300斷面沉降觀測數據

圖4 K34+300斷面沉降量擬合結果

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

(4)

利用式(4)對K34+300斷面進行沉降預測，結果見圖5。

圖5 K34+300斷面預測沉降與實測沉降對比

由圖5可知：雙曲線法預測的沉降值與實測沉降值非常接近，且變化趨勢基本一致，擬合相關系數R2為0.992 7，接近1，擬合效果較好，表明采用雙曲線法預測工后沉降可行。對于K34+300斷面，當t→∞時，st=s0+1/β，預測其最終沉降量為196 mm。該斷面在監測期間的累計沉降量為162 mm，工后沉降為34 mm。根據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范要求。

同理，利用雙曲線法對其他典型斷面進行沉降預測，結果見表5。根據JTG/TD31-02-2013《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》，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個斷面的工后沉降均符合規范要求。

表5 基于雙曲線法的工后沉降預測結果

4 結論

以廣西玉林干線公路為背景，選取具有代表性地質條件的試驗路段進行干線公路軟土路基不均勻沉降監測，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律；根據橋頭加密段、圓管涵過渡段及一般路基典型斷面的實測沉降數據，利用雙曲線法進行擬合并預測工后沉降。主要得到以下結論：

(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條件，減少干線公路的建設成本及由于不均勻沉降導致的安全事故。

(2) 路基沉降與填土速率、加載方式及加載速率密切相關。路基填筑期間，隨著填土高度的增加，沉降速率逐漸加快，這是因為地基發生了排水固結；但隨著時間的增加，路基沉降逐漸趨于穩定，地基沉降得到收斂。路基填筑時要及時進行沉降監測，確保路基基本穩定后再進行下一步填筑，以減少工后沉降，保證施工質量和安全。

(3) 結合現場實測沉降數據，利用雙曲線法進行擬合，相關系數接近1，預測沉降與實測沉降非常接近，誤差很小，利用雙曲線法對軟土路基工后沉降進行預測可行。