海域公路路基沉降特性研究

◎ 徐建勇　浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院錢麗英 李仁智　浙江浙交檢測有限公司劉旭 王福喜　河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所

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海域公路路基沉降特性研究

◎ 徐建勇浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院
錢麗英 李仁智浙江浙交檢測有限公司
劉旭 王福喜河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所

摘要：海域公路路基通常面臨高填方、地質(zhì)條件差等多重不利因素的影響，導(dǎo)致其工后沉降偏大，影響正常使用。對工后沉降較大的路基進(jìn)行一定的預(yù)拋高處理，將有效節(jié)約路面后期使用及維護(hù)成本；而進(jìn)行預(yù)拋高計(jì)算的關(guān)鍵，在于對路堤沉降發(fā)展趨勢的預(yù)測。利用土體固結(jié)理論推導(dǎo)建立的土體固結(jié)預(yù)測模型，已是陸域公路沉降預(yù)測常用的方法之一；通過對海域公路路堤應(yīng)用該計(jì)算模型進(jìn)行分析與預(yù)測，對工程建設(shè)提出合理化建議，并以工后一年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)該計(jì)算模型，得出結(jié)論：該計(jì)算模型在海域公路路基沉降預(yù)測中，具有較好的準(zhǔn)確度。本文在此預(yù)測模型基礎(chǔ)上利用SP1.0軟件編制沉降預(yù)測程序，并通過某實(shí)際工程驗(yàn)證了程序的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：固結(jié)理論 沉降預(yù)測 預(yù)拋高 海域路堤

1.引言

隨著國內(nèi)、國際貿(mào)易的進(jìn)一步發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)對港口的需求也越來越高。由于大陸海岸線水深限制，許多深水港只能建在近海的島嶼上，那么其疏港公路的海域部分通常會有海域路堤或跨海大橋形式。其中海域路堤兩側(cè)臨海，通常面臨著高填方及深厚軟土的雙重影響，加上項(xiàng)目建設(shè)周期有限，使路堤的沉降量在施工期無法充分發(fā)生；這些因素將導(dǎo)致路堤工后沉降偏大，路面、防浪墻標(biāo)高低于設(shè)計(jì)值，致使疏港公路在風(fēng)大潮高期無法正常使用。在施工期（預(yù)壓期）較為有限的情況下，適當(dāng)對路堤進(jìn)行預(yù)拋高處理，將有效的節(jié)約后期路堤的使用及維護(hù)成本，提高工程質(zhì)量。

目前路堤沉降的監(jiān)測資料分析、預(yù)測主要方式有兩類：①通過監(jiān)測資料時間序列的變化趨勢預(yù)測海堤工后沉降的過程，如經(jīng)驗(yàn)公式法、Asaoka法、灰色理論等己在該領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但這些模型的參數(shù)概念并不清楚，缺乏對土體沉降機(jī)制上的認(rèn)識；②對采集的土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定地基土的固結(jié)系數(shù)后，通過太沙基固結(jié)理論推求現(xiàn)場土層沉降過程。由于室內(nèi)試驗(yàn)條件與現(xiàn)場土層條件、荷載分布情況存在較大差異，且室內(nèi)土工試驗(yàn)受到取土質(zhì)量、試樣代表性、試驗(yàn)技術(shù)水平及計(jì)算方法等各因素的影響，造成室內(nèi)試驗(yàn)得到的固結(jié)系數(shù)與實(shí)際情況有較大出入，從而影響海堤沉降預(yù)測結(jié)果的可信度。此外，目前路堤沉降研究對象多為陸域公路路堤，而直接對海域路堤的研究較少。

本文依托某實(shí)際工程段海域路堤部分為研究對象，就嘗試以基于土體固結(jié)理論建立起來的計(jì)算模型，來分析并預(yù)測海域路堤沉降的發(fā)生過程及趨勢，對路基路面施工提供合理化建議，并評估計(jì)算模型的適用性。

2.項(xiàng)目概況

某實(shí)際工程2標(biāo)段大部分路堤和3標(biāo)段全部路堤均為海域路堤段，該段采用二級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，路基寬度12.0m。本文針對這兩個標(biāo)段的分界點(diǎn)K5+500斷面進(jìn)行沉降分析預(yù)測。

2.1斷面地質(zhì)概況

圖1　項(xiàng)目概覽　

圖2　工程地質(zhì)縱斷面圖

圖3　K5+500橫斷面斷面設(shè)計(jì)示意圖

2.2斷面設(shè)計(jì)概況

K5+500路基橫斷面兩側(cè)各設(shè)有2級反壓護(hù)道，總寬達(dá)130m，路基面寬為12m；軟基處理方式為塑排板+等載預(yù)壓，塑排板處理深度30m（未打穿軟土層），間距1.2m；該觀測斷面設(shè)置5個沉降觀測點(diǎn)。其斷面示意圖如下：

該路段路面設(shè)計(jì)高程7.92m，設(shè)計(jì)預(yù)壓方式為等載預(yù)壓，考慮到后期沉降補(bǔ)方因素，于2013年初將預(yù)壓荷載填至8.5m左右。至2014年中預(yù)壓期結(jié)束時，路面高程降至8.1m左右，此時路基路中沉降速率仍有20mm/月。這樣情況下直接卸載鋪設(shè)路面，可能導(dǎo)致工后沉降偏大，影響路面標(biāo)高，后期用瀝青層加鋪代價較大，這種情況下對路基進(jìn)行預(yù)拋高是比較經(jīng)濟(jì)的選擇。

3.計(jì)算模型的建立和預(yù)測

3.1太沙基固結(jié)理論

早在1925年，太沙基就建立了單向固結(jié)基本微分方程，并獲得了一定初始條件和邊界條件下的解析解，這一方程迄今仍被廣泛應(yīng)用。

多級加載下，天然地基平均固結(jié)度按下式計(jì)算：

其中：h為土層最大豎向排水距離，單面排水情況即軟土層的厚度；Cv為土體豎向固結(jié)系數(shù)。

多級加載下，砂井打穿軟基平均固結(jié)度按下式計(jì)算：

式中 bsz——計(jì)算參數(shù)函數(shù)，

其中：Th為土體水平固結(jié)時間因子，

FJ、G分別為考慮涂抹和井阻效應(yīng)的因子。

3.2平均固結(jié)度表達(dá)式

在海域公路路基通常為深厚軟基，多為砂井未打穿軟土層情況，其多級加載平均固結(jié)度按下式計(jì)算：

多級加載平均固結(jié)度按下式計(jì)算：

式中：U1、U2——分別為砂井處理層與下臥層的固結(jié)度。

整體平均固結(jié)度的求解：

因?yàn)楹Ｍ客ǔ５刂窞樯詈褴浲?，故假設(shè)壓縮層軟土為均質(zhì)，且計(jì)算深度取值夠深，則路堤荷載產(chǎn)生的有效應(yīng)力按三角形分布，根據(jù)分層總和法有：

設(shè)處理層沉降量對總沉降量的貢獻(xiàn)率為 q ，則

其中：S、S1、S2——分別為總沉降量、處理層沉降量和下臥層沉降量。

于是可得地基整體平均固結(jié)度，

以 ax，bz，bsz為參數(shù)進(jìn)行反演，便可得到塑排板未打穿軟土層時地基平均固結(jié)度的計(jì)算公式。

4.程序的編制、功能及使用

4.1程序界面及使用

軟件功能及使用方法簡介：

程序運(yùn)行后，得到圖4界面；在“數(shù)據(jù)管理總表”中可羅列需要計(jì)算和管理的段落號，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊總表可對段落信息進(jìn)行“添加”、“編輯”、“刪除”操作。

雙擊段落號對應(yīng)的“表頭”可以打開該段落數(shù)據(jù)，并可在“標(biāo)簽管理”中選擇需要查看段落數(shù)據(jù)。

選擇需要查看的段落數(shù)據(jù)后，便得到圖5界面。在樁號列表中羅列已經(jīng)記錄的樁號斷面資料，點(diǎn)擊列表中的樁號可分別查看各樁號詳細(xì)信息。

在地基處理方式信息欄中，選擇地基處理方式，包括“天然地基”、“塑排板”、“柔性樁”和“剛性樁”。在計(jì)算塑排板處理地基時，“直徑”應(yīng)輸入等效直徑。計(jì)算深度一般取可壓縮土層厚度。設(shè)計(jì)使用荷載為路堤荷載加上路面結(jié)構(gòu)物換算荷載，該參數(shù)用于計(jì)算超載比，若不需要計(jì)算有效超載比，該項(xiàng)可不填或隨便填一個非“0”值。

圖4　程序操作界面

圖5　數(shù)據(jù)總表

圖6　編輯數(shù)據(jù)

圖7　標(biāo)段數(shù)據(jù)打開　

圖8　樁號列表

圖9　地基處理方式信息欄

圖10　加載信息輸入表

圖11　預(yù)測方式信息欄　

圖12　結(jié)果輸出表

圖13　功能鍵

圖14　狀態(tài)欄

在荷載信息欄中，填入荷載變化信息。需要注意的是：結(jié)束天數(shù)≥開始天數(shù)，并且小于下一級荷載的開始天數(shù)。當(dāng)某一級荷載填筑開始天數(shù)＝結(jié)束天數(shù)，就認(rèn)為該級荷載為瞬時加載。

在預(yù)測信息欄中輸入預(yù)測參數(shù)。其中“控制標(biāo)準(zhǔn)”用于預(yù)測路基的穩(wěn)定，范圍0～8，當(dāng)選擇控制標(biāo)準(zhǔn)為“0”時，程序不進(jìn)行路基穩(wěn)定分析?！邦A(yù)測點(diǎn)個數(shù)”范圍為10～50，“步長”為兩個預(yù)測點(diǎn)間相隔的天數(shù)，范圍10、15、20……90。

空程序默認(rèn)從最后一次實(shí)測數(shù)據(jù)開始預(yù)測，步長為預(yù)測點(diǎn)間隔，單位為（天）。例如：某斷面最后一次實(shí)測數(shù)據(jù)為第200天，步長設(shè)為30，則預(yù)測點(diǎn)天數(shù)為230、260、290……。若需要較大預(yù)測點(diǎn)天數(shù)，可以在結(jié)尾中填入想要的天數(shù)。例如，想預(yù)測15年后沉降量，和無窮天后沉降量，則可以在“結(jié)尾”處輸入“5500100000”；各數(shù)從小到大排列，以空格符分開，個數(shù)小等于預(yù)測點(diǎn)個數(shù)即可。

在沉降預(yù)測欄中，需要手動填入實(shí)測天數(shù)和對應(yīng)的沉降量，即圖12中框起的部分。其它數(shù)值均為計(jì)算所得，無需填寫。程序計(jì)算結(jié)果將顯示在此表中。

程序計(jì)算界面提供3個功能按鈕，分別為“計(jì)算”、“繪圖”、“保存”。

當(dāng)實(shí)測數(shù)據(jù)輸入完畢后，點(diǎn)擊“計(jì)算”進(jìn)行沉降預(yù)測計(jì)算，并根據(jù)需要分析路堤穩(wěn)定性。“繪圖”按鈕提供將計(jì)算結(jié)果輸出到Excel文件，并自動繪出沉降與加載曲線。

計(jì)算分析完畢后，在界面狀態(tài)欄中顯示計(jì)算過程內(nèi)部參數(shù)的取值。供研究人員對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行人工分析，以便獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

4.2程序準(zhǔn)確性驗(yàn)證

選取申嘉湖高速公路練杭段3個代表性斷面，分別使用SP1.0進(jìn)行沉降預(yù)測，結(jié)果如下：斷面1，K6+515。地基處理方式：直徑16cm塑料套管樁，處理深度19m間距1.7m。采用符合地基預(yù)測模型，根據(jù)工程地質(zhì)資料，計(jì)算深度取值25m。通過448天的觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測結(jié)果如圖15。最后觀測數(shù)據(jù)為747天，從圖中可以看出，預(yù)測模型能較好的計(jì)算得到沉降發(fā)展曲線。

圖15　K6+515時間-荷載-沉降量關(guān)系圖

圖16　K10+980時間-荷載-沉降量關(guān)系圖

圖17　K28+370時間-荷載-沉降量關(guān)系圖　

圖18　實(shí)測沉降預(yù)測沉降曲線對比

斷面2，K10+980。地基處理方式：塑排加超載預(yù)壓，塑料排水板打設(shè)深度22米間距1.4m。采用塑排（砂井）地基預(yù)測模型，根據(jù)工程地質(zhì)資料，計(jì)算深度取值32m。通過554天的觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測結(jié)果如圖16。最后觀測數(shù)據(jù)為916天，從圖中可以看出，預(yù)測模型能較好的計(jì)算得到沉降發(fā)展曲線。

斷面3，K28+370。地基處理方式：水泥攪拌樁樁長12m，間距1.3m。采用復(fù)合地基計(jì)算模型進(jìn)行沉降預(yù)測。根據(jù)工程地質(zhì)資料，取計(jì)算深度15m。通過375天沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖17。最后觀測數(shù)據(jù)為661天，從圖中可以看出，預(yù)測模型能較好的計(jì)算得到沉降發(fā)展曲線。

以上3個案例分別從復(fù)合地基和砂井地基的角度對程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行佐證。其預(yù)測相關(guān)性均高于0.99，充分體現(xiàn)了SP1.0的優(yōu)良可靠性。

5.沉降分析預(yù)測

利用根據(jù)上述計(jì)算理論編制的程序，結(jié)合K5+500斷面3年多的沉降觀測資料進(jìn)行分析預(yù)測，結(jié)果可見圖18。

該路段預(yù)壓期于2014年6月結(jié)束開始路面施工，該路段為了減少工后路面的維護(hù)成本，對路基進(jìn)行了預(yù)拋高處理，拋高35cm，設(shè)計(jì)沉平時間為3年，并于2014年8月完成路面施工。從2014年8月至2015年8月的一年內(nèi)實(shí)測工后沉降數(shù)據(jù)看，預(yù)測沉降量為17.2cm，實(shí)測沉降量為16.5cm，預(yù)測沉降與實(shí)測值較為貼近。預(yù)測至2017 年8月，路基工后沉降量為34.5cm，基本滿足預(yù)拋高設(shè)計(jì)要求。

該項(xiàng)目多數(shù)其它路段沉降預(yù)測效果與K5+500斷面類似，本文不再贅述；個別斷面因沉降板被破壞，沉降觀測記錄不完整，對其所進(jìn)行的沉降預(yù)測效果一般。

6.結(jié)語

在高填方、深厚軟基的海域路堤的施工中，由于荷載高和土質(zhì)差等多重因素，導(dǎo)致路堤的沉降收斂過程可能非常緩慢，在沒有充裕時間進(jìn)行堆載預(yù)壓的情況下，通過對路基進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)拋高，可以有效降低使用后期的維護(hù)成本，確保工程質(zhì)量。進(jìn)行預(yù)拋高計(jì)算的關(guān)鍵在于對路堤沉降發(fā)展趨勢的預(yù)測。

本文針對某實(shí)際工程段K5+500斷面，利用3年多的實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于土體固結(jié)理論推導(dǎo)建立的土體固結(jié)預(yù)測模型，分析預(yù)測該斷面的工后沉降，并提出該路段相應(yīng)路基預(yù)拋高值；后經(jīng)過工后一年的沉降觀測數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)了之前工后沉降預(yù)測的準(zhǔn)確性；這說明，在有較完整沉降觀測記錄的情況下，此預(yù)測模型有著較好的沉降預(yù)測準(zhǔn)確性，該模型能夠適用于高填方、深厚軟基的海域路堤工況；并且針對該預(yù)測模型，本文利用SP1.0軟件編制沉降預(yù)測程序，通過申嘉湖高速練杭段驗(yàn)證了程序的準(zhǔn)確性，證明該程序能適用于不同的地基處理?xiàng)l件如：天然地基、排水板地基、復(fù)合地基（柔性樁、剛性樁）。

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