基于循環(huán)交通荷載的軟土地區(qū)高速公路長期沉降研究及工后沉降預測

作者簡介：鄺文波（1989—），工程師，主要從事高速公路項目設備和施工管理工作。

高速公路的普及，在給人們帶來出行便利的同時也出現了一系列問題，如在交通荷載作用下，高速公路地基土體的沉降會造成橋頭與地基出現高低差，導致出現跳車、地基失穩(wěn)等不良問題，給駕駛員和乘客帶來了不舒適的體驗，嚴重時還會對駕駛員及乘客的生命財產安全造成影響。文章研究了軟土地基的高速公路長期沉降情況，并在循環(huán)交通荷載背景下對該類型高速公路的工后沉降情況進行預測分析。

循環(huán)交通荷載;軟土地基;工后沉降

U412.2A090294

0 引言

隨著高速公路的普及，給人們的出行帶來了極大的便利，同時也出現了一系列問題，如在交通荷載作用下高速公路地基土體的沉降會造成橋頭與地基出現高低差，導致跳車、地基失穩(wěn)等不良問題，給駕駛員和乘客帶來了不舒適的體驗，嚴重時還會對駕駛員及乘客的生命財產安全造成影響。鑒于此，本文針對軟土地基的高速公路長期沉降情況進行研究，并在循環(huán)交通荷載背景下對該類型高速公路的工后沉降情況進行預測。

1 依托工程分析

本文以SJH高速公路作為依托工程，該高速公路絕大部分路段是鋪設在軟土地基上的，同時具有村莊密集、結構物眾多的特點，填土約在2～5 m的范圍內。通過地質勘察可知，該處具有強度低、滲透性差以及含水量高等特點，且還有部分路段屬于深厚軟土地基，厚度大概在20～30 m之間[1-2]。本文以該高速公路兩個較為典型的截面K68+300和K93+570為例進行模型構建及預測工作。通過實測可知，在265 d內，截面K68+300的路堤堆載提高了3.75 m，而后從475 d開始就逐步進入到了卸載工作之中，并在第485 d開始了路面層的鋪筑工作。對K93+570而言，在100 d內，其路堤堆載提高了2.98 m，而后從335 d開始著手相應的卸載工作，并在第455 d開始了路面層的鋪筑工作。

2 模型分析及構建

2.1 路面-路堤-雙層地基動力響應模型的構建

針對此處構建路面-路堤-雙層地基動力響應模型，旨在對因交通移動荷載引起的地基動應力進行計算。為了降低計算的難度，將截面K68+300和K93+570簡化成上層土體和下層土體，橫斷面對應的簡圖如圖1所示。借助路面系統(tǒng)對沿水平方向無限延伸的薄板進行模擬，對應的厚度由h1表示;路堤和上層土體用來模擬彈性介質，對應的厚度依次由h2、h3表示;多孔半空間介質和完全飽和介質可由下層土體來進行模擬，且可借助Biot控制方程來完成相應的計算[3-4]。

2.2 等效時間線模型的分析

在Bjerrum、Graham等人研究的基礎上，提出了一維（ID）等效時間線模型[5-6]。該模型主要由三種類型組成：參考時間線;瞬態(tài)時間線;蠕變時間線。對應的函數表達式分別如式（1）、式（2）、式（3）所示。此外，土體應變的方式有兩種：可恢復型的彈性應變和不可恢復型的粘塑性應變。

εepz=εepz0+λVln′z′z0

（1）

εez=εez0+κVln′z′u

（2）

εtpz=ΨVlnt0+tet0（3）

式中：λ=Δe/ln′z/′z0;

κ=Δe/ln′z/′u;

′u——單位應力;

V——比容;

κ——回彈系數;

te——等效時間，且t0和ΨV均比0大。

2.3 循環(huán)累積應變模型的分析

參考Sun等人提出的預測軟土累積軸向應變經驗公式（4），研究循環(huán)圍壓和循環(huán)偏應力作用下對軟土造成的耦合影響[7]，并在此基礎上來完成本文對高速公路通車后工后沉降的預測工作。

εpa=a·CSRbN106c1+0.31ζampl-13（4）

式中：εpa——永久軸向應變;

CSR——循環(huán)應力;

N——交通荷載循環(huán)次數;

a、b、c——回歸參數;

ζampl——應力路徑斜率。

3 案例分析

本文通過地質勘察報告及估算的方法對路面-路堤-雙層地基動力模型中路堤、亞黏土層以及淤泥質亞黏土層的計算參數進行了提取。此外，借助特性類似的土體來完成淤泥亞黏土層計算參數的選取，并進行相應的回歸分析，旨在驗證預估的合理性與準確性，如圖2所示。其中，AB段和CD段分別對應的是參考時間線模型和瞬態(tài)時間線模型，蠕變時間線模型由BC段和DE段相互對應，對應的參數取值如表1所示。

3.1 軟土地基在交通荷載下不同深度豎向動應力

對截面K68+300地基而言，交通移動荷載在不同速度下產生的動應力也會有所不同，具體如圖3和圖4所示。其中，z、y、x為正應力，τxz為剪應力，并運用了輔助空間坐標xt=x-Vt?？梢钥闯?，豎向動應力z的峰值波動最為突出。此外，動應力的幅值與速度成正比，隨著速度增加而增大，與地基深度成反比，隨著地基深度增大而減小。如在亞黏土層中，地基深度z=4 m，汽車運行速度為30 km/h時，z幅值為5.8 kPa，而當汽車運行速度上升至160 km/h時，1幅值達到了7.6 kPa，提高了31.0%;在亞黏土層中，地基深度z=10 m，汽車運行速度為30 km/h時，z幅值為1.2 kPa，而當汽車運行速度上升至160 km/h時，z幅值達到了4.1 kPa，提高了241.7%。由此可見，動應力在土層中的分布情況會隨著交通荷載移動速度的增加而加深。此外，在汽車運行速度為30 km/m，地基深度從4 m上升至10 m時，z幅值會降低78%，而在汽車運行速度為160 km/h時，z幅值會降低45%。

3.2 軟土地基在循環(huán)交通荷載作用下的工后沉降預測

經研究，造成工后沉降的原因有兩種：（1）交通移動荷載;（2）路堤的靜荷載。在計算地基動應力和工后沉降時，不但借助了Sun等人給出的經驗公式，而且還結合了本文提及的路面-路堤-雙層地基動力響應模型和蠕變時間線模型。在通車與不通車情況下，對截面K68+300的沉降情況進行了預測，以90 km/h作為此次計算的平均時速。在亞黏土層中，進行回歸分析后，得到式（4）中a、b、c這三個系數的取值，依次為0.089、0.59、0.24，在淤泥質壓黏土層中，得到的取值依次為0.011、0.6、0.21。對地基工后沉降造成較大影響的是交通移動荷載，該高速路通車一年后，預測得到的工后沉降與實際結果基本吻合。為了進一步明確式（4）的準確性，對截面K93+570的工后沉降進行了預測，經比較，實際結果與預測結果基本吻合，再次肯定了式（4）的準確性。

4 參數分析

為了明確交通荷載移動速度在30 km/h、90 km/h以及160 km/h時對軟土地基工后沉降造成的影響，進行了檢測分析，得到的結果如圖5所示?？梢钥闯?，不同時速下的工后沉降情況基本相同，由此表明車輛的正常行駛不會對軟土地基的工后沉降造成太大的干擾，因此可以忽略掉。

本文為了探索軟土地基在不同路堤高度及超載情況下的沉降情況，進行了相應的計算與統(tǒng)計，結果如表2所示。同時，為了進一步挖掘軟土地基在不同路堤高度和超載情況下的工后沉降，以截面K68+300為例，進行了研究與計算，得到的結果如表3所示。

基于表2～3可得出兩點結論：（1）要想降低軟土地基的工后沉降，可通過增加路堤超載來實現;（2）蠕變變形與路堤超載成反比關系，會隨著其增加而減小。

5 結語

本文依托工程實例，構建了路面-路堤-雙層地基動力響應模型，在前人研究的基礎上給出了三種類型等效時間模型的函數表達式，并參考Sun給出的經驗公式預測了軟土地基高速公路在通車后的沉降情況。

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