拐点法分析软土路堤施工期稳定性.pdf

第 2 6 卷第 2 期 2 0 0 6年 4月 中 外 公路 2 1 文 章 编 号 ： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 6 ) o 2 0 0 2 1 - 0 4 拐点法分析软土路堤施工期稳定性 曾庆军 。莫海鸿 。刘吉福 ( 1 华南理工大学 ， 广东 广州 5 1 0 6 4 0 ；2 广 东交通职业技术学院) 摘要 ： 公路软土路堤填筑施工过程中软基稳定控制标准常采用经验值法 ， 其缺点是缺 乏理论依据 ， 对工程判断常偏于保守或不安全。该文通过介绍软土变形破坏 3 个 阶段 的基本 理论 ， 阐述拐点法分析软土路堤施工期稳定的基本做法 ， 即将各类公路软 基监测数 据经过 累 加生成处理之后 ， 绘制关系曲线 ， 曲线的拐点对应 的就是土体结构变形破坏 的转折点 ， 也是路 基可能失去稳定的转 折点 。工程实例表 明， 拐点法优于传统 的经验 定值法 ， 是一类 有效 的公 路 软土路堤施工期稳定性判断方法 。 关键词 ： 拐点法 ； 软土路堤 ； 施工期稳 定性 采用某一观测经验值作为公路路堤施工过程中软 基是否稳定的一个控制指标 ， 在工程实践中操作起来 较为直观而且方便， 但该方法缺乏理论依据 ， 对工程判 断常常偏于保守或不安全。如现行 的 公路软土地基 路堤设计与施工规范 ( j t j 0 1 7 -9 6 ) 采用控制边桩位 移速率和地面沉降速率的方法。影响沉降速率和侧 向 位移的因素比较复杂， 它们随着地基土的性质 、 加荷方 式以及地基处理方法等而变化， 所以控制沉降速率和 坡脚水平位移速率的标准不应该是定值 。 本文通过论证拐点法分析软土路堤施工期稳定性 的基本理论和基本做法 ， 列举工程实例说 明此法解决 工程 问题 的有效性 ， 并指 出 了应用 此法 的注意事项 。 1 拐点法的理论 支撑 软土( 尤其是软粘土或淤泥、 淤泥质粘土) 路基滑 移破坏过程可划分成 3个阶段 ： 软土结构基本保持 完好状态下的变形 ， 软土路基不可能产生大的侧 向变 形 ； 软土结构大量破损， 发生塑性变形 ， 在不排水的 条件下， 孔隙水压力急剧上升， 软土路基产生大的水平 位移 ； 软土结构破坏 ， 软土的性质已接近重塑土。 图 1 为软粘土典型的十字板转角一强度曲线。 收稿 日期 ： 2 0 0 5 1 1 1 7 基金项 目： 广东省交通厅资助科技项 目( 编号： 2 0 0 2 -0 5 ) 作者简介 ： 曾庆 军， 男， 博士， 副教授 重 魁 强 京 蝠 转 角， ( o ) 图 1典型的十字 板转 角一强度 曲线 由图 1 可看出原状软粘土的变形破坏过程具有明 显的阶段性 。阶段性 的过渡点为 a、 b。扰动软粘土 的十字板转角一强度曲线也表现出较 明显的阶段性 ， 但其各个阶段变化的幅度 比原状土小 ， 并且也没有 明 显的极 限抗剪强度 。 软土地基在路堤形成 的附加应力作用下， 变形破 坏经历 了从渐变到突变的变化过程。软土地基土体变 形破坏的发展必然伴随应力 一应变关系曲线的斜率发 生变化 ， 即在土体处于极 限平衡、 频临失稳前 ， 应力一 应变关系曲线将出现拐点。因此将各类监测数据经过 累加生成、 除去干扰信息等分析处理之后 ， 绘制各种类 型监测数据间的关系曲线 ， 曲线 的拐点对应 的就是土 维普资讯 2 2 中 外公路 2 6卷 体变形破 坏的转 折点 。 2几 类拐 点 法 2 1 荷 载 与孔 隙 水 压力 增 量曲 线( p 一 “ ) 拐点分 析法 当a p -a u 关系曲 线( p 为累 计 填 土 荷载， ： “ 为累 计孔压增量) 出 现明显向 上非线性转 折拐点时， 即曲线斜率突然增大， 则意味着该监测点附 近的土体出现塑性破坏 ， 路基存在失稳的可能性 。 ( 1 )理论 支撑 孔隙水压力是地基土体应力变化的重要指标。通 过孔隙水压力资料分析， 可以判 断地基土体是否处 于 稳定状态 ， 以便有效指导路基填筑施工 。软粘土孔 隙 水压力增量 “可表示为： a u k p， 其中 k 为荷 载孔隙水压力系数 。地基在稳定状态下 ， 孔 隙水压力 增量与荷载增量呈线性关系， 可 以利用这一特征判断 地基是否稳定 。当累计荷载增量与累计孔隙水压力增 量关系曲线出现非线性转折 ， 即 k 增大时 ， 说明地基 土体已出现局部剪切破坏， 当其发展到一定程度时地 基 失稳 。 ( 2 )实例分析 图 2为某高速公路工程 i堆载预压软基试验段监 控断 面 p 一a u 曲 线 图， 土 层中 分布9 1 3 m 厚 的淤泥层 。 1 5 0 1 2 0 9 o o 图 2某公路工程 i 软基监控断面 k1 l +0 4 5地表下 7 5 m 处a p 一 “ 曲 线 由图2 可知， 在填土初期各断面 ： p一 ： “ 曲线呈直线 ， 填土后期曲线斜率变小， 整个加载过程中 基本上未 出现向上的斜率较大转点 ， 说明地基 固结度 增加， 地基强度增长 ， 地基趋于稳定。 但从图 2 也可看出， 在最后一两级加载时， 曲线 出 现了向上斜率较大的转点， 这主要是由于加载过快 ， 土 体来不及排水固结 ， 处于不排水剪切状态 ， 使土体面临 失稳 。后来采取停载或卸载措施 ， 使曲线斜率变小， 地 基 趋 于稳定 。 以 上 分 析说明， 路 堤 填筑 过程中 ， a u 一 p 曲线出现向上转点即曲线斜率变大时， 地基可 能面临 失稳， 应采取停 载或卸载措施。 工程实 践 中， 可根 据 a p 一a “ 曲 线的斜率变化判断软土路堤是否 稳定， 指导填土速率 。 2 2 荷载 ( 或填土 高) 与沉 降速率 曲线 ( p一 或a h 一 ) 拐点 分 析法 当 p一 或a h一 关系曲线 ( p为累计填土荷载， a h 为累计填土高度， ： 为累计日 最大表面沉降速率与该级填土前的沉 降速率之差) 出现明显向上非线性转折 拐点时， 即曲线 斜率突然增大 ， 则意味着该监测点附近的土体 出现塑 性破坏 ， 路基存在失稳的可能性。 ( 1 )理论支 撑 表面沉降是最基本 、 最重要的观测要素之一 ， 它是 地基变形和固结的直观反映 ， 因此 ， 利用它可以判断地 基是否稳定 。可将 日沉降量时间序列进行一次或多次 累加 ， 以消除或减弱其中的随机因素， 使所蕴含的确定 信息得到加强 ， 也使监测数据关系曲线规律性增强 。 ( 2 )实例分析 图 3 ( a ) 是某公路工程 软基监控断面的 p 一 散点图， 没有明显规律。监控断面土层分 布有 1 o 1 5 m 厚 的淤 泥质粘 土层 。 为了便 于分析 ， 将其归一化处理 ， 图 3 ( b ) 是将图 3 ( a ) 中纵坐标经过一次累加处理后得到的 ： p一 ： 曲线， 规律性明显加强。 由图 3 ( b ) 可看 出地基在稳 定状态下 ， 曲线呈直 线。图中出现 b、 c两个拐点， 由于加载过快 ， 土体剪 切 变 形增 大， 明 显 增大， a p - 曲 线出 现 向上拐点， b c段斜率明显大于 o b段 ， 说明路基将面 临失稳 ， 此时采取了卸载的应急措施 ， 恢复了稳定。后 期又采取了反压护道的处理方案 ， 地基的临空面减少 ， 侧向约束加强 ， 瞬时变形量减小 ， 加载后形成的 c d段 斜率明显减小 ， 说明地基的稳定性得到了大幅度提高。 2 3 荷载( 或填土高) 与侧向位移速率曲线( ： p 一 或a h 一 ) 拐点 分 析法 当 p一 或a h 一 关系曲线 维普资讯 2期 拐 点法 分析软 土路堤施 工期稳 定性 2 3 ( a p 为累 计填土荷载， a h 为累计填土高度， 为累 计日 最大 侧向 位 移 速率 ) 出 现明 显向 上 非 线 撇 p a ( a ) 散点 图 性转折拐点时 ， 即曲线斜率突然增大， 则意味着该监测 点附近的土体出现塑性破坏 ， 路基存在失稳的可能 。 g p a 归 一 化a p - 曲 线 图 3 某公 路工程 软基监控断面荷载 与沉 降速率关系 曲线 ( 1 )理论支撑 侧向位移反映了不同深度地基土体的侧向变形情 况 ， 它是判断地基是否处于稳定状态的重要指标 。最 大位移量的发生位置与地基土体性质有直接的关系 ， 一 般而言位于地表以下软土层的中部。 地基侧向位移是由土体的剪切变形引起 的， 附加 应力越大， 剪切变形量也越大， 当应力增加到一定程度 时 ， 剪切变形突然增大， 土体破坏 ， 此时地基侧向位移 量突然增大 ， 地基失稳 ， 荷载大小与侧 向位移量不再保 持原有关系。利用这一特征就可 以判断地基是否稳 定 ， 将累计填土高度或累计荷载与相应的侧向位移速 a p k p a (a ) 散 点图 率作为一个时间序列 ， 采用 累加的办法消除或减弱不 确定的随机因素， 使其中确定的趋势得以加强。 ( 2 )实例分析 图 4 ( a ) 为某高 速公 路工程 软基 某监 控断 面 ： p 一 散点图， 监控断面土层中分布约1 5 m厚的 淤泥 质粘 土层 。 对图 4 ( a ) 采用累加的办法消 除或减弱不确定 的 随机因素 ， 使其中确定 的趋势得以加强 ， 为便于比较 ， 可归一化处理成 p 一 关系图( 图4 ( b ) 。 (b ) 归 一 化a p _ 曲 线 图 4 某高速公路工程 荷载与最大侧 向位移速率关系 曲线 从图4 ( b ) 可看出 归一 化 后的a p - 图 出 现两个拐点a、 b， 其中 o a段为弹性变形阶段 ， 由拐点 a确定的极 限填土高度为 4 0 5 it i ， ab段斜率 明显小 于 o a 段 ， 说明地基土体稳定性得到了加强 ， 由于后期 快速加载 ， 出现 了 b c陡倾段 ， 地基 已经面临极 限破 坏， 由于采取 了减缓加载速率的方法 ， 确保了地基的安 全稳定 。 图5 是 某高 速 公路 工 程i 软基 监控 断 面a p - 或 p 一 曲 线图。 如 如 加 m o t p_ 口 ii， 维普资讯 2 4 中 外公路 2 6卷 (a ) 断 面k l 1 + 0 4 5 jl1 ，。 散 点 图 逞 ( b ) 3 个 断 面 一 图 图5 某 高 速 公 路i 软 基 监 控断 面l x h 一 或l x h 曲 线 圈 由 图5 ( b ) 可看出 ， 在路堤填筑过程中 一 增 加， 路 基 趋于 稳 定。 f 、 立 佣 f 呈线 性 关系 ，加载前期路基稳定 ， 加载后期有 明 向位移是软基变形 的两个侧面 ，可联合 显向上拐点， 路基趋于不稳定 。由于及 时采取了停载 应用来分析软基的稳定性状况 。某高速公路工程软 措施， 路基逐渐趋于稳定， 这与实际情况吻合 。 基试验段 ，其主控断面土层分布有 1 6 m 厚的淤泥质 j i出 + 尽 3 利 用施 工期 监 测数据 综合 分 析路堤 一 土期间 ，a、 b主控断面的最大沉降速率分别 稳 定 性 达到了1 6 m m a 和2 2 m m d ， 按照 公路软土地基路 堤设计与施工规范 ( j t j 0 1 7 -9 6 ) 日沉降量必须控制 ( 1 )实例 1 在 1 0 mm d以内的工程经验 ，此时须采取措施减缓地 对图 2 、 图 5做一综合对 比， 分析它们 的内在联 基沉降速率 ，否则将很可能出现失稳现象。但参照这 系。在图 2中断面 kl l - 0 4 5 ， 前 4级荷载 ( 对应填土 两个断面的沉降量和侧 向位移关 系曲线 ( 图 6 ) ，发现 高度为 3 2 8 6 m) 曲线基本成直线 ， 从第 5级荷载 ( 对 曲线在整个加载期间基本呈直线关系 ，不存在侧向位 应填土高度为 3 7 9 9 m) 开始， 曲线斜率略有增加 ， 图 移速率明显增加的阶段 ，地基 尚处于安全稳定状态， 待 5 ( b ) 中相对应的侧向位移速率有比较明显 的增加 ， 出 沉降速率稳定后 ，填土工作可 以照常开展。该分析结 现 向上的拐点 ， 说明土体开始出现局部剪切破坏 ， 随后 果与工程实际情况相符 ，起到了缩短工期的作用 。 鲫 澄 js1 1 1 4 结 论 ( a ) a断面 最大水平位移 m m o 2 0 4 0 6 0 8 0 i o o i 2 0 1 4 0 图 6 最大水平位移一沉 降量 曲线 图 ( 1 )将各类公路软基 ， 尤其是软粘土或淤泥、 淤泥 ( b ) b断面 质粘土软基的监测数据经过 累加生成、 除去干扰信息 等分析处理后 ， 绘制有关的应力一应变关系曲线 ， 曲线 的拐点对应的就是软基变形破坏的转折点， 即路基可 能失去稳定的转折点。 o弓枷 鲫咖 弓 l 、 蛔灶鼹 维普资讯 第 2 6 卷 第 2 期 2 0 0 6年 4月 中 外公路 2 5 文章编号 ： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 6 ) 0 2 -0 0 2 5 -0 4 1 前 言 杭州湾跨海大桥南岸接线软基处理方案 朱凤艳 。罗高峰 ( 1 宁波市高等级公路建设指挥部，浙江 宁波 3 1 5 1 9 2 ； 2 宁波市高速公路管理处) 摘要： 杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路地处宁波滨海相、 泻湖相沉积的软土地区， 软土层深厚 ， 软土地基加固技术 的正 确应用 和工后 沉降量的有效控制 ， 是建造这 条路 的重点 和难点 。该文结合具体工程地质特征 ， 制订超 载堆 载预压、 真 空联 合堆 载、 复合地 基 、 联 合桩 等软基处理方案， 通过对各方案 的处理效果优劣情 况和适用范 围分析 ， 可为全 线工程建 设提 供合理的经验指导 和借鉴 。 关键词 ： 软基处理 ； 超载堆载 ； 真空联合堆载 ；复合地基 ； 联合桩 杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路北接杭州湾跨 海大桥 ， 南接宁波绕城高速公路 ， 路线全长 5 7 4 k m。 设计采用六车道高速公路标准 ， 行车速度 1 2 0 k m h ， 路面宽度 3 5 m。全线软基里程长约 5 o k m， 占全长 的 8 7 左右 ； 软土厚度大 ， 一般都在 2 0 3 0 m、 部分达到 4 0 ml 仅采用常规地基处理方法难 以完全解决深厚软 基工后沉降问题。为了探索适宜本项 目深厚软基处理 最经济的加固方案 、 积累施工经验 ， 指导全线软基处理 的施工 ， 同时为以后类似工程在方案选择 、 设计和施工 方面提供借鉴和经验指导， 选取有代表性 的路段进行 试验研究是十分必要的。 2 软 土的工程地质特征 杭州湾跨海大桥南岸接线高速公路地处杭州湾以 南的姚江冲积平原 。地基影