南洞庭湖地區(qū)軟基施工預壓期沉降分析

胡 波， 李友云, 張宇輝, 張定權

(1.湖南益南高速公路開發(fā)有限公司， 湖南 益陽 413000； 2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

0 引言

我國內(nèi)陸地區(qū)廣泛分布著湖相、河相沉積的軟弱地基，洞庭湖地區(qū)有湘資沅澧四大水系匯入洞庭湖，形成了廣泛沉積的湖泊相軟土。該地區(qū)軟土地層主要為流 — 軟塑狀淤泥質粉質黏土、砂紋淤泥質土及軟塑狀黏土，軟土層中存在厚度不一、有一定水平紋理的粉細砂層[1]。

有效控制路基沉降是在軟土地基上進行公路建設的關鍵環(huán)節(jié)，對于填筑期與運營期路基沉降研究，袁懷宇[2]依托修建某高等級公路實際工程，針對河灘相軟土地基施工提出了最薄弱層法。鄭立善等[3]通過碎石樁軟土路基有限元模型，研究軟土固結沉降變形規(guī)律。劉維正等[4]提出了交通荷載作用下的軟土路基長期沉降的計算方法，開展了長期沉降的參數(shù)敏感性分析。對于預壓期路基沉降，夏士龍等[5]依托某沿海道路，發(fā)現(xiàn)堆載預壓初期是沉降的黃金期，當土方加載時間過長后，預壓期沉降較設計值會減小，工后沉降時間長，差異沉降也會增大。楊濤等[6]基于雙曲線擬合法，對等載預壓建立了卸荷沉降速率標準的計算公式，研究表明沉降速率與剩余沉降的平方呈線性關系。馬浩[7]依托蕪宣高速公路工程，依據(jù)現(xiàn)場實測資料，對預壓期沉降速率在等載、超載及欠載3種工況下的控制標準進行了闡述，提出典型路段路面結構層的施工控制標準。李君[8]基于路基填筑期沉降觀測數(shù)據(jù)，預測了地基最終沉降量，將預壓時間、預壓高度、工后沉降結合起來，建立堆載預壓動態(tài)設計方法。張軍輝等[9]對采用不同路基處理方式的軟基沉降進行預測分析，指出采用雙曲線模型法預測沉降能取得較高的可靠度。

目前，我國對于洞庭湖區(qū)的高速公路軟土路基沉降研究較少，本文通過南洞庭湖地區(qū)某高速公路路基預壓期沉降觀測數(shù)據(jù)分析，研究預壓期路基沉降規(guī)律，對在湖區(qū)修建公路及控制預壓加載卸載時間有一定參考作用。

1 軟土特性及處治方法

1.1 軟土特性

擬建路段軟土路基分布于全線，主要為淤泥質粉質黏土、砂紋淤泥質土。其天然含水率較高，淤泥質粉質黏土的最大天然含水量為63.06%，砂紋淤泥質土的最大天然含水量為58%，土體一般呈軟塑狀；天然孔隙比較大，淤泥質粉質黏土的最大天然孔隙比達1.8，砂紋淤泥質土的最大天然孔隙比達1.3；壓縮性較高，淤泥質粉質黏土的最大壓縮系數(shù)值為1.046MPa-1，砂紋淤泥質土的最大壓縮系數(shù)值為0.83MPa-1，屬高壓縮性土。

1.2 處治方法

1.2.1PHC管樁

軟基處理方案中，PHC管樁因具有施工工期短、處理效果好、施工質量易控制、處理深度大等優(yōu)點而被廣泛采用。PHC管樁復合地基中管樁與樁間土體能共同承擔上部荷載，有效提高路基承載力、減少總沉降量、降低工后沉降、防止橋頭跳車等[10]。擬建路段PHC管樁采用外徑300mm、壁厚70mm的A 型張法預應力混凝土管樁，管樁砼為C80，按正方形布設，樁距為2～3m，樁體向下穿透軟土層并嵌入硬層中1.0m，向上平地面線，樁帽頂設置40cm厚碎石墊層，碎石粒徑2～4cm。

1.2.2土預壓法

土預壓法，即傳統(tǒng)的堆載預壓法，利用土方進行等載或超載預壓，路基完成排水固結即預壓期結束后，將路基設計標高以上的土方卸載后進行路面施工。擬建路段采用等載預壓，預壓土方和路床頂部20cm采用素土填筑，壓實度85%，預壓結束后將土方卸載，翻挖路床頂部20cm，按路床的標準處治并壓實。

2 預壓期軟基的沉降變化特征分析

沉降觀測采用沉降板，埋設位置為路中心及兩側路肩處，本文中斷面沉降數(shù)據(jù)均為路中心處沉降，沉降板尺寸為40cm×40cm×1cm，測桿直徑為4cm，沉降板觀測采用S1型水準以二級中等精度要求的幾何水準測量高程，觀測精度小于1mm。

2.1 預壓期沉降曲線擬合

對斷面預壓期沉降量進行分析，采用最小二乘法對這些斷面進行曲線擬合，擬合曲線類型采用雙曲線。以斷面K33+070為例，用最小二乘法建立時間t與總沉降量S之間的經(jīng)驗公式。

斷面K33+070觀測時間與路面總沉降量見表1。表中觀測時間間隔0d所對應的總沉降量為填筑期結束累計沉降量，即路基填筑到設計標高，進入到預壓期之前已經(jīng)產(chǎn)生的路基沉降值(下文圖表中0d意義均與此相同)。

假設S=f(t)是雙曲線型：

S-S0=y=t/(at+b) (a>0)

式中：S是路基總沉降量；S0是路基填筑期已完成的沉降量，斷面K33+070為273 mm；y為預壓期內(nèi)累計沉降量；t為觀測時間；a、b為擬合參數(shù)。

世俗化一直是儒家當然也是陸九淵心學的重要思想傾向。在中國傳統(tǒng)中儒家一直以入世的主張而與另兩種強調(diào)出世的思想佛家和道家有著涇渭分明的區(qū)別。

表1 K33+070沉降數(shù)據(jù)觀測次數(shù)觀測日期觀測時間間隔△ti/d本次沉降量/mm本次沉降日平均速率/(mm/d)總沉降量S/mm16.200——27327.212221.8329537.1513171.3131248.319110.5832358.232040.2032769.132110.0532879.271420.14330810.101310.08331

若引入新變量：y(1)，t(1)

則雙曲線y=t/(at+b)變?yōu)椋簓(1)=a+bt(1)，轉化為求方程y(1)=a+bt(1)的最小二乘解。

斷面擬合準備數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 斷面擬合準備數(shù)據(jù)觀則次數(shù)It/dy/mmt(1)y(1)[t(1)]2t(1) y(1)112220.083 30.045 50.006 90.003 8225390.040 00.025 60.001 60.001 0344500.022 70.020 00.000 50.000 5464540.015 60.018 50.000 20.000 3585550.011 80.018 20.000 10.000 2699570.010 10.017 50.000 10.000 27112580.008 90.017 20.000 10.000 2∑4413350.192 50.162 90.009 60.006 1

解法方程組

得:a=0.0129，b=0.3767。經(jīng)驗公式：S=273+t/(0.012 9t+0.3767)

實測曲線與擬合曲線如圖1所示。

圖1 K33+070沉降曲線圖

從圖1可以看出，預壓期內(nèi)的沉降觀測曲線與擬合曲線基本重合，預壓期的沉降量與時間符合雙曲線關系，實測點均勻分布在擬合曲線兩側，無較大偏差。斷面K33+070預壓期沉降量主要產(chǎn)生于預壓初期，結合表1，最大平均日沉降速率發(fā)生在6月20日至7月2日，達1.83mm/d。軟基預壓期卸載采用雙標準控制法: ① 工后沉降量小于設計容許值； ② 沉降速率符合一定的標準，對于等載預壓路段，要求連續(xù)2個月橋頭的月沉降速率小于3mm、一般路段小于5mm。在8月3日至10月10日這2個月內(nèi)，斷面K33+070的月累計沉降量分別為5mm和3mm，平均日沉降速率分別為0.12mm/d和0.11mm/d，剩余沉降預測為20mm，小于設計容許值，可以卸載并進行路面階段施工。

表3 斷面擬合曲線監(jiān)測斷面擬合函數(shù)K32+047S=121+t/(0.022 5 t+0.625 4)K32+500S=253+t/(0.025 6 t+1.009 9)K32+640S=342+t/(0.018 5 t+0.235 1)K32+730S=177+t/(0.024 3 t+0.534 2)K32+800S=293+t/(0.020 6 t+0.492 8)K32+875S=377+t/(0.016 0 t+0.460 5)K32+950S=148+t/(0.014 7 t+0.507 3)K33+070S=273+t/(0.012 9 t+0.376 7)

2.2 斷面總沉降量預測分析

基于2.1節(jié)中各斷面擬合曲線，對各斷面總沉降進行預測，得到表4預測最終沉降量和剩余沉降量。

地基處理方式均為PHC管樁復合地基，預壓方式均為土預壓(等載預壓)。從表4可以看出，預壓期結束后，路基剩余沉降量差別不大?？傮w而言，8個斷面的沉降主要發(fā)生在路基填筑期，該期間內(nèi)沉降完成率基本達到70%以上，斷面K32+500沉降完成率最高，達到了85%;預壓期結束后，斷面沉降完成率均達到90%以上，斷面K32+640沉降完成率最高，達到了98%。從填筑期、預壓期以及剩余沉降量占比來看，填筑期沉降量占比最大，預壓期次之，剩余占比最小，可見湖區(qū)修建高速公路要嚴格控制好路基填筑期與預壓期的沉降，待土體完成固結后再進行路面施工。

表4 沉降預測表處理方式監(jiān)測斷面軟土深度/m填筑高度/m預測最終沉降量/mm填筑期結束累計沉降量/mm預壓期結束累計沉降量/mm預壓期結束剩余沉降量/mm斷面位置K32+04775.4816612115610橋頭加密K32+500135.229325328211橋頭加密K32+6406.54.93963423915一般路基K32+73074.22191772109圓管涵過渡段PHC管樁+土預壓K32+80074.234229333210一般路基K32+87584.1844037742317一般路基K32+9508.54.321614819719橋頭加密K33+070154.5735127333120通道過渡段

2.3 一般路基典型斷面預壓期沉降規(guī)律

為研究一般路基預壓期沉降規(guī)律，從表4中選取K32+640、K32+800、K32+875共3個典型觀測斷面進行分析。

所選取的斷面地基處理方式均為PHC管樁復合地基，預壓方式為土預壓。從表4可知，在預壓期內(nèi)，3個斷面累計沉降量分別為49、39、46mm；預壓期結束后剩余沉降量依次為5、10、17mm，符合《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》(JTG/T D31-02—2013)關于工后沉降的要求。斷面K32+800與斷面K32+875軟土深度與填土高度接近，地基處理方式和預壓方法相同，預壓期內(nèi)沉降量和預壓期結束剩余沉降量相差不大，但最終沉降量相差較大，達到98mm，這表明填筑期間填土速率等因素會對沉降產(chǎn)生較大影響，但這些因素對預壓期的沉降影響較小。

圖2為一般路基典型斷面預壓期沉降曲線圖，由圖可知：在預壓初期，預壓效果較為明顯，截止到預壓期第45d，3個斷面預壓期內(nèi)累計沉降量分別為42、32、39mm，占預壓期總沉降的85%、82%、84%；預壓期末期，即最后1個月內(nèi)，3個斷面的沉降量分別為3、2、0mm，通過延長預壓時間未取得更為明顯的預壓效果。

圖2 一般路基典型斷面預壓期沉降曲線圖

2.4 橋頭典型斷面預壓期沉降規(guī)律

表4中橋頭典型斷面有K32+047、K32+500、K32+950，預壓期內(nèi)實測沉降值分別為35、29、49 mm，預測最終沉降量分別為166、293、216 mm。其中斷面K32+047與K32+500的填土高度接近，分別是全線橋頭沉降量最小和最大的2個斷面，最終沉降量相差133 mm。從填筑期，預壓期以及剩余沉降量來看，預壓期內(nèi)沉降量與剩余沉降量相差不大；相差較大主要表現(xiàn)在路基填筑期時段內(nèi)，2個斷面處理方式相同，填土高度相差0.28 m，而軟土深度相差6 m，說明軟土深度對路基填筑期沉降量產(chǎn)生較大影響，對路基預壓期沉降量影響較小。

圖3為橋頭典型斷面預壓期沉降曲線圖。與一般路基相同，橋頭斷面在預壓初期能明顯看出預壓效果，預壓期內(nèi)前45d產(chǎn)生的沉降分別占預壓期總沉降的77%、72%、83%，預壓期最后30d產(chǎn)生的沉降分別占預壓期總沉降的8%、10%、6%。

圖3 橋頭典型斷面預壓期沉降曲線圖

2.5 斷面類型對預壓期沉降量的影響

預壓期沉降量受許多因素影響，包括不同軟基處理方式、預壓期斷面類型等。不同方式處理軟基的沉降率與沉降速率不同，預壓期沉降量與時間存在雙曲線關系。本文著重研究斷面類型對預壓期沉降量的影響，選取相同處理方式、軟土深度及填土高度相近的斷面進行比較，繪制出不同類型斷面預壓期沉降曲線圖，如圖4所示。斷面K32+047、K32+640、K32+730依次為橋頭、一般路基和圓管涵過渡段斷面，預壓期內(nèi)累計沉降量分別為35、49、33 mm，預測的最終沉降量為別為166、396、219 mm，預壓期沉降量分別占最終沉降量的21%、12%、15%。這是由于一般路基斷面的情況與其他斷面情況相比較為簡單。首先，填筑材料不同。一般路基填土采用黃土進行填筑，黃土是一種特殊的率相關巖土材料，具有高壓縮性，其彈塑性壓縮系數(shù)和前期固結壓力對荷載極為敏感，因此在荷載作用下，呈現(xiàn)出較為復雜的率相關力學特性；而橋頭斷面、結構物過渡斷面采用的是碎石土進行填筑，碎石土一般由顆粒較大的碎石和顆粒較小的土粒組成，經(jīng)壓實后具有強度高、變形小和滲透性好的優(yōu)點，對試驗段進行碎石土混合料室內(nèi)大型直剪試驗，獲得試驗段碎石土混合料的抗剪強度參數(shù)。用碎石土進行填筑時，路基是分層填筑，在壓縮過程中土體排水固結速度快，因此達到壓縮穩(wěn)定需要的時間短。由于地基排水固結作用，沉降持續(xù)產(chǎn)生，而填筑材料不同，斷面沉降也有所差異。其次，二者在地基處理方式上都采用了PHC管樁，但樁距有所差異。橋頭斷面、結構物過渡段樁距為2 m，布置較為密集，一般路基斷面樁距為3 m，較為稀疏。從沉降量大小來看，在預壓期內(nèi)一般路基沉降量大于橋頭斷面和結構物過渡段斷面；從沉降量占比來看，預壓期內(nèi)一般路基斷面沉降占比最小，結構物過渡段次之，橋頭斷面最大。結果表明：結構物存在與否對路基預壓期沉降量占比產(chǎn)生較大影響，一般路基預壓期沉降量占總沉降量最小，涵洞過渡段次之，橋頭加密段最大。

圖4 不同類型斷面預壓期沉降曲線圖

3 結論

通過對洞庭湖區(qū)某高速公路預壓期進行沉降觀測數(shù)據(jù)分析，得到以下幾點結論：

1) 預壓期沉降采用雙曲線法進行擬合，擬合程度較高，依據(jù)擬合曲線可對路基總沉降量預測，求得的剩余沉降值對預壓卸載時間選擇有一定指導作用。

2) 預壓期內(nèi)軟基沉降規(guī)律整體趨勢是預壓初期沉降大，預壓末期沉降較小，預壓45 d內(nèi)，路基沉降占預壓期總沉降80%，通過延長預壓時間獲取更好的預壓效果較難實現(xiàn)。

3) 在其他條件相同時，路基預壓期沉降量占總沉降量比值受到結構物影響，一般路基占比最小，為12%；涵洞過渡段占比次之，為15%；橋頭加密段占比最大，為21%。