路基沉降控制設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題

1、 路基沉降控制設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題【摘 要】 闡述了高速公路、高速鐵路的路基沉降設(shè)計(jì)方法、影響因素，對(duì)計(jì)算中的幾個(gè)實(shí)際問題進(jìn)行了探討。1 前 言 當(dāng)前，我國(guó)正處于大規(guī)模交通建設(shè)，高速公路和高速鐵路將成為陸地城際間的主要交通干線。路基設(shè)計(jì)的內(nèi)容很多，其中最為引起工程師關(guān)注的問題是路基穩(wěn)定和路基沉降控制。尤其對(duì)于軟土地區(qū)，路基的沉降控制設(shè)計(jì)將成為路基的核心技術(shù)設(shè)計(jì)，并且成為路基處理造價(jià)的控制性設(shè)計(jì)。 本文根據(jù)作者近一段時(shí)間在路基工程上的咨詢和思考，對(duì)路基沉降控制設(shè)計(jì)中幾個(gè)工程師經(jīng)常關(guān)心的問題，進(jìn)行剖析，并提出一些見解，不妥之處請(qǐng)專家指正。2 路基沉降的影響因素 根據(jù)路基的構(gòu)造和建設(shè)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，路基的沉降

2、影響因素除地基條件外，似乎應(yīng)包括以下幾個(gè)方面： （1）附加荷載 附加荷載是指路面、路床、路堤的重量。屬于永久荷載。標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。附加荷載引的沉降按沉降機(jī)理可以分為瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降。圖1 填方路基標(biāo)準(zhǔn)斷面 （2）地下水位變化 地下水位上升時(shí)，地基土的含水率上升，強(qiáng)度降低，從而引起沉降。地下水位下降時(shí)，土中的有效應(yīng)力增加，同樣引起沉降。 （3）邊溝水的入滲 路的兩側(cè)一般都設(shè)計(jì)有排水溝，其功能主要是降水期間提供路面排水去處。平原地區(qū)的排水溝，集水主要通過蒸發(fā)和入滲消耗。水的入滲會(huì)引起路基局部沉降。3 沉降計(jì)算理論 當(dāng)前，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范、鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，將沉降計(jì)

3、算可以分為兩種思路：一種分段詳細(xì)計(jì)算法，另一種是主固結(jié)沉降修正法。3.1 分段詳細(xì)計(jì)算法 1：中國(guó)兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院 分段詳細(xì)計(jì)算法是先分別計(jì)算瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降，然后再三者累加求得總沉降量。 （1）瞬時(shí)沉降 對(duì)均質(zhì)地基，瞬時(shí)沉降按下式計(jì)算： （1）式中 ： sd瞬時(shí)沉降 泊松比 b基礎(chǔ)寬度（圓形基礎(chǔ)表示直徑） p0對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力 eu不排水變形模量 ip基礎(chǔ)形狀和剛度影響系數(shù)，見表1。 表1 基礎(chǔ)形狀和剛度影響系數(shù)i基礎(chǔ)形狀圓形方形矩形l/b1.52.03.05.010.020.050.0100.0剛性基礎(chǔ)0.790.881.071.2

4、11.421.702.102.463.003.43柔性基礎(chǔ)中心點(diǎn)1.001.121.361.531.782.102.542.993.574.01角點(diǎn)0.640.560.680.770.891.051.271.491.802.00 （2）主固結(jié)沉降 主固結(jié)沉降的計(jì)算方法一般有兩種：固結(jié)試驗(yàn)法、應(yīng)力歷史法。固結(jié)試驗(yàn)法的計(jì)算原理是：根據(jù)附加應(yīng)力分布和固結(jié)試驗(yàn)得到的每層土相應(yīng)壓力段的壓縮模量，分層總和計(jì)算主固結(jié)沉降。 計(jì)算地基變形時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布,按各向同性均質(zhì)線性變形體理論。其變形量按下式計(jì)算： （2）式中 s- 地基主固結(jié)沉降量； s-地基主固結(jié)沉降理論計(jì)算值； s-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)； n-地基變形計(jì)

5、算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)； p0-對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時(shí)的原地面處的附加壓力（kpa）； esi-基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量（mpa），應(yīng)取土的自重應(yīng)力至土的自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和的壓力段計(jì)算； zi、zi-1-基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）； i、i-1-基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。 應(yīng)力歷史法的計(jì)算原理是：根據(jù)附加應(yīng)力分布和高壓固結(jié)試驗(yàn)求出的土的壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)，考慮土的固結(jié)歷史，分層總和計(jì)算主固結(jié)沉降。 對(duì)正常固結(jié)土，按下式計(jì)算： （3） 對(duì)超固結(jié)土，分兩種情況： 第一種情況，當(dāng)pzi+p0ipci時(shí)，用回彈指數(shù)ce計(jì)算，

6、若地基壓縮層深度內(nèi)有m層土屬此類情況，則可按下式計(jì)算： （4） 第二種情況，當(dāng)pzi+p0ipci時(shí)，分兩段考慮，pc值之前用回彈指數(shù)ce計(jì)算，pc值之后用壓縮指數(shù)cc計(jì)算。若地基壓縮層深度內(nèi)有n層土屬此類情況，則可按下式計(jì)算： （5）地基壓縮層范圍內(nèi)有上述兩種情況的土層，則其總沉降量為上述兩部分之和。即 （6） 對(duì)欠固結(jié)土，按下式計(jì)算： （7） 式中 s-總的主固結(jié)沉降量； sm-m層范圍沉降量； sn-n層范圍沉降量； hi-第i層土的厚度； e0i-第i層土的初始孔隙比； cei、cci-分別為第i層土的回彈指數(shù)和壓縮指數(shù)； pzi、pci、p0i-分別為第i層土的自重應(yīng)力平均值、前期固

7、結(jié)壓力和附加壓力平均值。 （3）次固結(jié)沉降 主固結(jié)完成后的次固結(jié)沉降，按下式計(jì)算： （8）式中 ： ss 次固結(jié)沉降； h壓縮層厚度； t2表示計(jì)算次固結(jié)的時(shí)刻； t1主固結(jié)（固結(jié)度達(dá)到100%）完成的時(shí)刻； c次固結(jié)系數(shù)。3.2 主固結(jié)沉降修正法 主固結(jié)沉降修正法的原理是只計(jì)算主固結(jié)沉降，然后對(duì)主固結(jié)沉降量直接進(jìn)行修正，得到總沉降量。4 荷載組合4.1 永久荷載 永久荷載包括路面自重、路床自重和原地面以上的路堤自重。4.2 可變荷載 可變荷載主要指車輛荷載、人群荷載、雪荷載、地下水升降引起的有效應(yīng)力變化等。4.3 偶然荷載 主要指地震荷載、其他不可預(yù)見荷載。4.4荷載組合 當(dāng)前計(jì)算路基沉降時(shí)

8、，一般只考慮永久荷載。作者認(rèn)為，計(jì)算沉降時(shí)應(yīng)考慮永久荷載和可變荷載的組合。對(duì)不同荷載組合下的沉降量分別進(jìn)行估計(jì)。圖2 石家莊淺層粉質(zhì)黏土自重應(yīng)力壓縮模量關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果 注： 表示自重應(yīng)力； 表示附加應(yīng)力5 計(jì)算參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù) 采用主固結(jié)沉降修正法計(jì)算時(shí)，涉及到的計(jì)算參數(shù)除了各層土的標(biāo)高、重力密度外，還涉及到一個(gè)非常重要的參數(shù)，即壓縮模量。根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)典型結(jié)果，壓縮模量的大小與自重應(yīng)力、附加應(yīng)力有關(guān)。自重應(yīng)力和壓縮模量關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果（石家莊淺層粉質(zhì)黏土）見圖2。從圖2可以看出，自重應(yīng)力對(duì)壓縮模量的影響最大，附加壓力次之。因此，沉降計(jì)算時(shí)，壓縮模量的應(yīng)根據(jù)實(shí)際土的壓力段選取。根據(jù)主固結(jié)沉降計(jì)算總

9、沉降量時(shí)，往往需要根據(jù)實(shí)際情況乘一個(gè)修正系數(shù)。這個(gè)系數(shù)就是經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范（jtj017-96）1給出的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)為1.11.7，京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定（鐵建設(shè)200313號(hào)）2給出的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)為1.11.4。最近，新版行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（jtg d30-2004）3根據(jù)京津塘高速公路試驗(yàn)研究結(jié)果，給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式： （9）式中： ms經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)； 填料重力密度（kn/m3）； 地基處理類型系數(shù)，粉體攪拌樁處理取0.85，一般預(yù)壓固結(jié)取0.90，塑料排水板 處理取0.951.10； h路基中心高度（m）； v填土速率修正系數(shù)，填土速率在0

10、.020.07m/d之間時(shí)，取0.025； y地質(zhì)因素修正系數(shù)，滿足軟土層不排水抗剪強(qiáng)度小于25kpa、軟土層的厚度大于 5m、硬殼層厚度小于2.5m三個(gè)條件時(shí)，取0，其他情況取-0.1。 為便于直觀，取 =19， =0.85, v=0.025，y =-0.1，代入式（9）得到 ms 和h的關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)和路堤填方高度有關(guān)，填方高度越大，經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)越大。經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)范圍值為0.81.7。圖3 路堤高度和經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)的關(guān)系（根據(jù)式9） 作者認(rèn)為，應(yīng)積極開展已建路基沉降的調(diào)查，逐漸建立地區(qū)性經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，可以暫且按式（9）計(jì)算，并參考同類地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合確定

11、。6 壓縮層厚度 路基沉降量的大小，與沉降計(jì)算時(shí)采用的壓縮層厚度很有關(guān)系。圖4是河北保滄高速公路一個(gè)斷面的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，沉降計(jì)算采用的壓縮層厚度越大，計(jì)算的最終沉降量越大。 公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范jtj017-96規(guī)定，沉降計(jì)算采用的壓縮層，其底面應(yīng)在附加應(yīng)力與有效自重應(yīng)力之比不大于0.15處。當(dāng)前，我國(guó)正處于大規(guī)模公路、鐵路的建設(shè)時(shí)期，積極開展觀測(cè)，盡早找出壓縮層經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律也是很重要的一項(xiàng)技術(shù)工作。7 工后沉降 由于路的建成需要一定時(shí)間（一般一年），所以設(shè)計(jì)階段工程師關(guān)心的是工后沉降。公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范jtgd30-2004給出的容許工后沉降見表2。京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行

12、規(guī)定（鐵建設(shè)200313號(hào)）要求路基工后沉降量一般地段不應(yīng)大于10cm，沉降速率應(yīng)小于3cm/年圖4 沉降量計(jì)算值和沉降深度的關(guān)系（河北保滄高速公路）注：表示最終沉降量；表示壓縮層厚度。橋臺(tái)臺(tái)尾過渡段路基工后沉降量不應(yīng)大于5cm。 表2 公路容許工后沉降橋臺(tái)與路堤相鄰處涵洞、通道處一般路段高速公路、一級(jí)公路0.10m0.20m0.30m二級(jí)公路0.20m0.30m0.50m 對(duì)飽和土地基，工后沉降一般根據(jù)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定的固結(jié)系數(shù)，采用太沙基固結(jié)理論來計(jì)算。對(duì)非飽和土地基或上部是非飽和土下部是飽和土的地基，工后沉降目前還沒有可靠的理論來計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。 根據(jù)文獻(xiàn)4報(bào)道，廣東佛開高速公路

13、全長(zhǎng)80km，位于珠江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，沿線軟土地基范圍廣，軟土深厚，采用水泥土攪拌樁處理。實(shí)測(cè)沉降結(jié)果見表3。從表中可以看出，工后沉降占總的最終沉降量比例為6%42%。 作者認(rèn)為，對(duì)于攪拌樁等半剛性、剛性樁復(fù)合地基，樁土復(fù)合段的沉降一般在施工期基本穩(wěn)定。工后沉降主要源于樁土復(fù)合段以下的下臥地層。關(guān)于下臥層的工后沉降，對(duì)砂土等排水固結(jié)條件好的地基,可認(rèn)為工后沉降接近于零；對(duì)粉土等排水固結(jié)條件一般的地基，可認(rèn)為工后沉降為30%50%;對(duì)粘性土等排水固結(jié)條件差的地基,可認(rèn)為工后沉降為50%80%。 表3 佛開高速公路路基實(shí)測(cè)沉降序號(hào)填土高度（m）攪拌樁樁長(zhǎng)（m）施工期沉降（mm）一年工后沉降（mm）

14、工后沉降/最終沉降量15.410154270.14924.610.561140.18736.282321720.42644.61063320.33750.77.566160.19561.78231150.06174.710276400.1278510187120.06092.910.510180.073100.81475180.194115.910377470.111121.318237660.218134.810195190.0898 結(jié)束語 路基沉降的特點(diǎn)明顯和房屋建筑不同。路基荷載為柔性荷載，形狀為梯形，路基兩側(cè)往往還設(shè)置了排水溝，這些特點(diǎn)使得路基沉降理論計(jì)算值往往小于實(shí)際值，這和房屋建筑的沉降正好相反，這一點(diǎn)應(yīng)該引起工程師的重視。本文系統(tǒng)總結(jié)了路基沉降的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其中的一些實(shí)際問題進(jìn)行探討，旨在引起同行工程師的重視。不妥之處，請(qǐng)專家指正。參 考 文