（交通运输工程专业论文）宁杭高速公路软土地基设计优化分析.pdf

摘要 摘要 宁杭高速公路二期南京段是目前南京市在建的一条高速公路，通过对该高速公路勘查和 设计资料的分析，发现其软土分布复杂、土性差异较大、路堤填高变化较大。针对以上特点， 本文首先分析了宁杭高速公路软土地基的特点和地基处理方法的适应性；然后根据南京机场 高速公路和宁靖盐高速公路盐城一新庄段的勘查、设计、检测和监测资料，提出了宁杭高速公 路二期南京段地基处理设计原则并优化了设计方法；最后针对该高速公路存在大量过渡段的 问题，结合现场试验段具体分析和讨论了搅拌桩地基过渡段的设计方法。本文主要成果归纳 如下： ( 1 ) 介绍了宁杭高速公路二期南京段的总体工程概况，统计分析了宁杭高速公路沿线土 层分布，得到了影响高速公路软土地基设计的软土层厚度和土性参数变化情况，对比了各标 段软土层特性，总结出了该段高速公路的软土特征。 ( 2 ) 分析了宁杭高速公路软土地基处理的设计原则、地基土层及路堤高度分布，表明该 高速公路存在着多种地基处理路段及各地基处理路段之问的过渡问题。 ( 3 ) 讨论了天然地基和复合地基的设计参数计算原则，同时结合距离较近的机场高速公 路及土层参数相似的宁靖盐高速公路盐城一新庄段的设计和监测资料，优化了宁杭高速公路 二期南京段地基处理设计方法。 ( 4 ) 根据工后坡降差与过渡段模量比、软土层厚度、路堤高度及软质土一侧压缩模量之 间的关系，通过现场试验段验证了搅拌桩处理过渡段的可靠性，并对过渡段搅拌桩设计方法 进行了优化。 关键词：高速公路，软土地基，工程性质，优化设计，过渡段，搅拌桩，变间距设计 一 竺墅坚 a b s t r a c t n i n g h a n gh i g h w a y ( n a n j i n gs e c t i o n ) i su n d e rc o n s t r u c t i o nn o w i ti sf o u n dt h a tt h et h i c k n e s s a n dp r o p e r t i e so f s o f tc l a y sa n dh e i g h t so f e m b a n k m e n t s v a r yg r e a t l ya l o n gt h ew a ya f t e rt h ed a t a a n a l y s i so f t h ei n v e s t i g a t i o na n dd e s i g n h e n c e ，i nt h ep a p e r , t h ep r o p e r t i e so f t h es o f tc l a y sa n d s u i t a b i l i t yo f t h ef o u n d a t i o nm o d i f i c a t i o na r ea n a l y z e d l a t e r , t h er e a s o n a b l es o i li m p r o v e m e n t m e t h o d sa r ep r o p o s e da n do p t i m i z e do nt h ea n a l y s i so f t h ed a t ao f n a n j i n g a i r p o r th i g h w a ya n d n i n g j i n g 。y a hh i g h w a y ( f r o my a n c h e n gt ox i n z h u a n g ) a n dt h ec h a r a c t e r so f n i n g h a n gh i g h w a y a t t h ee n do f t h ep a p e r , i ti sd i s c u s s e dh o wt od e s i g nt h et r a n s i t i o nb y v a r y i n gt h ec o l u m ns p a c i n go f d e e pm i x i n gf o u n d a t i o n sw i t ht h ei n s i t ut e s t i n g t h er e s u l t sa r ea c h i e v e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no f n i n g h a n gh i g h w a y ( n a n j i n gs e c t i o n ) ，t h es t a t i s t i co f t h es o f tc l a y l a y o u ti sc a r r i e do u t ，a n dt h et h i c k n e s sa n ds o i lp r o p e r t i e so f s o f tc l a y sa l o n gt h ew a ya r ea c h i e v e d a n dc o m p a r e da td i f f e r e n ts e c t i o n s ( 2 ) t h e r ea r em a n yi m p r o v e m e n tm e t h o d so ft h eh i g h w a ya f t e ra n a l y s i so ft h ed e s i g nm e t h o d ， s o i lp r o p e r t i e sa n de m b a n k m e n th e i g h t ，a n dt h e n ，t h e r ea r em a n yt r a n s i t i o n sa m o n gt h es o f tc l a y m o d i f i c a t i o n s ( 3 ) p a r a m e t e r so fd e s i g nc a l c u l a t i o n so nt h en a t u r a lf o u n d a t i o na n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r e d i s u s s e d t h ed e s i g na n do b s e r v a t i o no ft h en a n j i n ga i r p o r th i g h w a ya n dn i n g j i n g - y a nh i g h w a y ( f r o my a n c h e n gt ox i n z h u a n gs e c t i o n ) a r eu s e dt oo p t i m i z et h ed e s i g no ft h es o f t g r o u n d f o u n d a t i o no nt h en i n g h a n gh i g h w a y ( 4 ) t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n c eo fs l o p er a t i oa f t e re m b a n k m e n tc o n s t r u c t i o n sa n dt h e m o d u l u sr a t i oo f t r a n s i t i o n s ，t h i c k n e s so f s o f tc l a y s ，h e i g h to f e m b a n k m e n t sa n d c o m p r e s s i o n m o d u l u so fs o f tc l a y si sv e r i f i e db yt e s t i n g ，a n di ti sd i s c u s s e dh o wt oo p t i m i z et h et r a n s i t i o nd e s i g n o f t h ed e e pm i x i n gf o u n d a t i o no f t h ei n s i t us e c t i o n ， k e yw o r d ：h i g h w a ye n g i n e e r i n g ，s o f tc l a yf o u n d a t i o n ，s o i l b e h a v i o r ，o p t i m i z a t i o no f d e s i g n ，t r a s i t i o ns e t t l e m e n t ，d e e pm i x i n gc o l u m n ( d m c ) ，s p a c i n gd e s i g no f d m c 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：久日期：础f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：牙久 导师签名t 立盆丞日期：丝：! 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在公路_ 丁程中，路面结构层的安全和稳定离不开路基的安全和稳定，而地基的强度和变形决定了路 基、路面的安全和稳定。如果地基的稳定性得剑保证，公路整体沉降均匀，则路面结构安全稳定，行车 的安全性和舒适度得到保证：反之，路面结构出现变形或开裂，行车的安全性和舒适度就得不到保证。 公路为长线形构造物，其走向受主要控制点制约，当路线跨越水网发育地区时会遇到软七地基。当 路线受到大型结构物( 如桥梁) 控制时，则存在桥头与一般路基的过渡问题，工程上成为桥头过渡段； 当工程造价限制和软土土性差异，工程中会采用不同地基处理方法进行处理，进而形成不同地基处理的 过渡( 如搅拌桩处理与预压处理路段的过渡) 。这两种过渡段的结构形式如图1 一l 所示。在剀1 - 1 所示的 过渡段中均存在两种地基形式沉降差异的问题l ij 。 ：r 一 ； 公路纵向 桥头 一般路段 i 桥台路段 - j i - _ 公路纵向 ! 搅拌桩 l 一般路段 ； ； 交界面 i 地基处理过渡 图1 1 典型过渡段形式 由于软十地基过渡段的特殊性，如果处理方法不得当，则会在过波段两侧产生差异变形，进而引起 路基不均匀沉降，使上覆路面中的半刚性基层、沥青面层绒水泥混凝十板产生附加弯拉应力。弯拉附加 应力和路面荷载席力共同作用将加剧路面结构的疲劳破坏，宏观表现即为路面产生裂缝、跳午等。这种 病害一旦发生，则大人影响了高速公路使_ l j 性能，造成的损火无法颅估。 水泥十搅拌桩技术是目前地牲处理中常用的一种过渡段地基处理方式，在我国高速公路软卜地基设计 中得剑广泛成用。水泥十搅拌桩作为过渡段地荩处理过渡上要通过两种方式实现：一种是保持桩长l 不变， 改变桩十置换率m ，即通过改变桩间距的方法进行过渡：另一种是保持桩土置换率m 不变，改变桩长l ，即 变桩k 的方法进行过渡。这两种方法在实际j ：程中都有很多应用。 沈水龙( 2 0 0 5 ) p 1 提出c a 工法，将深层搅拌桩打在构筑物的接坡段内，并使改良桩的长度从构筑 物处逐渐减小，在搅拌桩的上部为浅层混合改良板，这两者结合使道路的沉降沿过渡段逐渐减小，从而 大人减小道路与构筑物在接合处的差异沉降。其设计思路是通过改变桩长的方法进行过渡，设计图见1 - 2 ： 东南大学工程硕士学位论文 图1 - 2 变桩长的搅拌桩地荩处理过渡方式 鲁绪文( 2 0 0 7 ) 1 3 1 提出，利用变桩距的搅拌桩复合地基技术，在桥头软基上设置过渡段，可使堆载 排水固结法处理的一般路段与桥头之间的工厉沉降平稳过渡，缓解了此两种工法处理路段的沉降差异， 并能减小桥头段的纵坡率。利用该技术在杭州湾跨海大桥南岸接线段高速公路试验段的桥头软基处理中 效果理想( 如图1 - 3 所示) 。 搅拌桩过渡 图1 3 变间距的搅拌桩地基处理过渡方式 文献( 采用粉喷桩处理软弱地基解决桥头引道沉陷的对比研究) 中，长余高速1 1 标k 】3 5 + 6 2 7 小桥 两侧引道路基采用粉喷桩进行加同，粉喷桩从桥梁蕈础( 承台) 背后1 5 m 开始布置，共布置1 2 排，横排 桩中距2 5 m ，布置范嗣为3 0 m 宽，相l 临两排桩交错布置( 单数排1 3 根，双数排1 2 根) ，全桥共3 0 0 根桩 头8 排每排与前一排间距2 1 m ，从第9 排开始每排与前一排间距3 5 m ，观测资料冠示处理效果理想。 经绯等( 2 0 0 1 ) ”1 对某高速公路沉降资料进行深入分析。该i ：群全线软基处理设计中，粉喷机桩位在 平面上簪正：三角形布簧，桩间距一般在1 2 1 6 m ，桩径5 0c m ，喷灰晕在5 0 7 0k g m ，桩长的设计均打 穿软土层并深入持力层内5 0c m ，故在相类似地质条件下，桩间距越小、喷灰带越人、桩长越长，沉降_ 晕 越小。实测沉降资料显示，在其他条件相近时，沉降晕随着粉喷桩间距的增大而增加( 见表l - 1 ) 。这一研 究成果也可说明，通过改变粉喷桩的桩间距，调整置换率m ，控制各治理段的沉降鼍，可以实现过渡段的 合理过渡。 2 第一章绪论 表1 1 不同处理方法时实测沉降量表 丝藿直洼丛墨夔 填土实测 观辩性号 砂垫层亍瑟压扭釜妊 高度沉降遁 墨竖唑拄长h l 回题m1 竺竺 3 1 0 03 018 82 8 ，0 k 1 5 一0 9 061 24 5 0 3 4 1 6 一1 5 03 03 2 64 6 1 7 7 0 03 03 6 76 9 7 s 一2 1 991 629 04 37 k 2 3 7 0 03 05 1 71 2 4 2 肼一9 5 081 453 93 9 5 k 2 9 1 4 01 ll ，54 ，0 92 3 0 k 2 9 - 7 0 091 63 6 44 7 5 站0 。3 2 41 3l ，44 9 45 3 5 渤+ 6 0 01 31 46 1 37 9 7 以上研究成果表明粉喷桩过渡的设计方法：变桩间距的方法过渡和变桩长的方法过渡，都适合于处 理过渡段的地基，有效控制复合地基的差异沉降。但在软土深厚地区采j f j 变桩长过渡方法进行设计时， 短桩不能打穿软十层进入持力层，沉降晕的影响冈素较多，冈而不能准确的计算出长短桩不同处理段的 沉降鼙，给设计和施 带来一定的凼难。变桩间距过渡设计，则不存在这样的问题，可以较准确的对不 同桩间距处理段的沉降鼍进行分析。 江苏省在建和己建高速公路软土地基过渡段采用搅拌桩进行处理时，一般采用变桩间距的形式进行 过渡，使过渡段的差异沉降变化平缓，从而减小高速公路横向裂缝和改善道路的行车性能，但是具体布 桩方式主要依靠实践经验。因此，本文依托江苏省宁杭高速公路南京至溧水段工程，针对搅拌桩变桩间 距过渡问题展开研究，对软土地基过渡段变桩间过渡方法进行系统的研究，提出基于搅拌桩变间距的过 渡设计方法。 1 2 地基沉降计算理论 高速公路软土地基过渡段采用水泥土搅拌桩变间距过渡设计主要牵涉到天然地基和搅拌桩地基设计 中沉降计算理论问题。天然地基的沉降计算目前主要采用分层总和法进行计算，而搅拌桩地基一般按复 合地基理论进行计算。在二者的沉降计算中均未能考虑过渡界面的边界条件对沉降计算的影响。 1 2 1 天然地基沉降计算理论 根据公路路基设计规范1 5 1 , 总沉降采用沉降系数m 。与主固结沉降计算： s = m 。s ，【1 - 1 】 沉降系数m 。为经验系数，与地基条件、荷载强度、加荷速率等冈素有关，其范闱值为1 1 1 7 ，应 根据现场沉降观测资料确定，也可采t 【 jr 面的经验公式估算： m ，= o 1 2 3 t o7 ( o h 0 2 + v h ) + y【1 2 式中：p 一地基处理类刑系数，地基用塑料排水板处理时取o 9 5 1 1 ，用粉体搅拌桩处理时取o 8 5 ，一 般预压时取0 9 0 ： h 一路基中心高度( m ) ： y 一填料重度( k n m 3 ) ； v 填十速率修正系数，填土速率在0 0 2 - 0 0 7 m d 时，取0 0 2 5 ： y 一地质冈素修正系数，满足软土层不排水抗剪强度小丁二2 5 k p a 、软七层的厚度大于5 m 、硬壳层 厚度小于2 5 m 三个条件时，y = 0 ，其他情况下可取y = - 0 1 。 3 东南大学工程硕士学位论文 1 2 2 搅拌桩复合地基理论 一般说来，复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基 中设置加筋材料，加州区是由基体( 天然地基土体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的人 工地基。在荷载作刚f ，基体和增强体共同承担荷载的作h j 。 根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。其示意图如图 卜3 ( a ) 和( b ) 所示： ( 口) 皿唧坚 _ 。一朝琳 ( a ) 水平向增强体复合地基( b ) 竖向增强体复合地基 图1 3 复合地基( 龚晓南，2 0 0 2 ) 竖向增强体习惯上称为桩，有时也称为柱。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。根据竖向 增强体的性质，桩体复合地基又可分为三类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。 水平向增强体复合地基主要指加筋土地基。随着土工合成材料的发展，加筋土地基应用愈来愈多。加筋 材料主要是土工织物和土工格栅等。 根据复合地基一j ：作机理可将复合地基作下述分类： jl 散体材料桩复合地基 基严糊馓舭基k 藉一合地基罐嚣莲 【水平向增强体复合地基 在荷载作用下，增强体和地基土体共同承担上部结构传来的荷载是复合地基的本质。然而，如何设 置增强体以保证增强体与天然地基土体能够共同承担上部结构荷载是有条件的，这也是在地基中设置增 强体能否形成复合地基的条件。 基 垫 - e t 不可压缩层 晰翱晶悱层 第一章绪论 当增强体为散体材料桩时，图l - 4 中各种情况均可以满足增强体和土体共同承担上部荷载，因为散体材 料桩在荷载作用下产生侧向膨胀变形。当增强体为粘结材料桩时情况就不同了。在图l - 4 ( a ) 中，在荷 载作用下，桩和桩间十沉降餐相同，可保证桩和十共同承担荷载。在图1 4 ( b ) 中，在荷载作用下，通 过刚性基础具有一定厚度的柔性垫层的协调，也可保证桩和桩间土共同承担荷载。冈此在图1 - 4 ( a ) 、( b ) 中，在承台传递的荷载作娟f ，通过增强体和桩间j 二体变形协调可以达到增强体和桩间土体共同承担荷 载作用，形成复合地基。图1 - 4 ( c ) 中，e 户e s l 。在承台荷载作用下，开始增强体和桩间土体中竖向应 力大小大致上按两者的模鼍比分配，但是随着土体产生蠕变，土中应力不断减小，而增强体中应力逐渐 增大，荷载向增强体上转移。若e 口 e ；1 ，桩间十承担的荷载比例极小，特别是遇到地f 水位下降等因 素，桩问士体进一步压缩，桩间土可能不再承担荷载。在这种情况下增强体与桩间土体难以形成复合地 基以共同承担上部荷载。 在实际j 二程应用中，为了有效减小沉降，复合地基中增强体设置一般都穿透最薄弱土层，落在相对 好的土层上，如图1 - 4 ( d ) 所示。增强体与桩间土体形成复合地基共同承担上部荷载。图l - 4 ( d ) 中， e p e , , ，e s 2 e s l 。 路基r 1 ：稃中不存在刚性基础，为了防i 桩体向上刺入填十路基，一般在复合地基加同区上设置一层 刚度较大的垫层，如灰十垫层、土1 格栅垫层等，以保证桩体和十体共同承担荷载。 复合地基变形计算主要包括复合地基加同区的变形计算和f i l l - 层的变形计算( 如i 兰i1 - 5 所示) 。图中 h 为复合地基加同区厚度，z 为荷载作用_ f 地基压缩层厚度，复合地基加同区的压缩鼙记为s ，地基压 缩层厚度内加同区f n 层厚度为z h ，其压缩量记为s 2 。于是，在荷载作用下复合地基的总沉降量s 可表示为二部分之和，即 s = s 1 + s 2【1 - 3 】 上ii 土上iii 上ll 上 一一一一一s 1 。l s ， 复合地基加固区 h r 加固区下卧层 z 图1 5 复合地基计算模式 若复合地荩设置有垫层，通常认为垫层压缩蕈很小，可以忽略不计。至今提出的复合地基沉降实朋 计算方法中，对i - n - 层斥缩墙s 2 ，人都采h 分层总和法计算，而对加同区范陶内七层的压缩苗s l ，则针 对各类复合地摹的特点采用一种或儿种计算方法计算。下面首先介绍计算加同区范围内十层压缩精s ， 的儿种主要计算方法，然后介绍i - n - 层压缩量s 2 的计算方法。在介绍s 2 的计算过程中，着重介绍加同 区下卧_ l 二层上作用荷载或f 卧土层中附加应力的计算方法。 加固区土层压缩量s 1 ： ( 1 ) 复合模餐法。法) 该方法将复合地基加同区中增强体_ 币| j 基体两部分视为一复合十体，采用复合压缩模餐e 。来评价复合 十体的压缩性，并采用分层总和法计算加问区十层压缩量。在复合模篷法中将加| 卉i 区十层分成n 层， 每层复合十体的复合压缩模域为e c ，加l 1 k 土层地缩鼙s l 表达式为： s ：争笪日 l e 。 5 【1 - 4 】 奎堕查兰三墨堡兰堡笙兰 一一 式中a p 一为第i 层复合土层上附加应力增量； 日，一为第i 层复合土层的厚度。 复合压缩模量可按下式计算： = m e ，+ ( 1 一m ) e ， 1 - 5 1 式中：，e ，只一分别为复合地基、桩体和桩间土的压缩模量 ( 2 ) 沉降折减法 这是按照复合地基的基本概念以及考虑地基变形过程中桩体上应力集中现象而建立的沉降计算方 法，即 s = 筇。 s 。，s 一分别为加l 嗣前利加同后的沉降量： 卢一为沉降折减系数，卢= r i 而1 下卧层土层压缩量s z 下卧层土层压缩量s 2 的计算常采用分层总和法，即 驴喜，2 喜争， 式中：气一根据第i 分层的自重应力平均值华 隙比； i t - 6 1 7 】 ( 即p 1 ) 从土的压缩曲线上得到的相应孔 屯一根据第i 分层自重应力平均值华与附加应力平均值华之和( 即p z ) ，从土 的压缩曲线上得到相应的孔隙比； 一第i 分层土的厚度； e 。一第i 分层土的压缩模簧。 在计算f 卧层十层压缩喾s 2 时，作用在f 卧层上的荷载是比较难以精确计算的，目前在，翻萼应用上， 常采川f 述几种方法计算。 ( 1 ) 应力扩散法 若复合地基上作用荷载为p ，复合地基加同区应力扩散角为1 3 ，则作用在卜卧七层上的荷载p 6 可用 下式计算( 图1 - 6 ) ： 6 第一章绪论 i 旦 i 图l _ 6 应力扩散法计算附加应力 b d p p b 2 ( b + 2 h t g f l ) ( 2 d + 2 h t g f l ) 式中b 一复合地基上荷载作用宽度； d 一复合地基上荷载作用长度： h 一复合地基加固区厚度： 口一复合地基加固区的应力扩散角。 对平面应交情况，附加应力为 岛2 两- 历- r b d p 面 【l 一8 【1 - 9 】 l 加眍| ：f l h t 1i tfi 七二 二 二工二【 p b 十- l 图l 一7 等效实体法计算附加应力 p h = b d p - ( 2 历b + _ 2 d ) h f 式中b 、沪分别为荷载作用面宽度和长度： i r 一加【蠲区厚度。 7 【1 1 0 】 东南大学工程硕士学位论文 对平面应变情况，复合地基加固区下卧土层上荷载密度p 。可用下式计算 ，矗 p b = p 一 厂1 】 廿 应用等效实体法计算，困难在于侧摩阻力f 值的合理选用。当桩十：相对刚度较大时，选用误著可能 较小，当桩土相对刚度较小时，f 值选用比较困难。桩土相对刚度较小时，侧摩阻力变化大，很难合理 估计，选用不合理时误差可能很大。事实上，将加固体作为一分离体，两侧面上剪力分布是很复杂的。 采用侧摩阻力的概念是一种近似，对该法适_ j 性应加强研究。 通过对过渡段地基处天然地基与搅拌桩复合地基的沉降计算理论进行了分析，目前已有的沉降计算 方法均没有考虑到过渡段处相互影响，导致目前过渡段地基处理设计主要依靠经验。 1 3 过渡段沉降特性 目前过渡段沉降计算方法存在一定问题，为此本文进一步总结过渡段未深层处理和深层处理路段沉 降特性，以及过渡段差异沉降特性。 1 3 1 软土地基沉降特性 由于土层是粘弹塑性的不均匀体，沉降特性受到十层分布、土层特性、加载路径、不同处理方法等 的影响。土层在路堤荷载的作用下，受力屈服时间的不同使得土层的分布在沉降发展的过程中起到很大 的作用，特别是硬壳层和软土层。大量的实测资料指出，沉降变形量随着硬壳层厚度变大而减小，地表 存在硬壳层比没有硬壳层的沉降小，硬壳层越厚沉降变形越小，较厚的硬壳层在与下卧层共同承担填土 荷载时能体现出一定的板体效应。而软士层作为主要的压缩层，则是软十层越厚在一般情况下沉降越大， 而且随着填土荷载的增加，软土层厚度对于沉降的影响越大。地基十性质不均匀则沉降表现不规律，相 邻区域沉降互相影响并产生差异沉降。某机场跑道位于具有复杂的地质地形条件的地方，由于工期的需 要进行快速加载，且该处是高填方地段，底部还有软弱土层，在这种坏境下，差异沉降非常明显，通过 f l a c 模拟沉降变形如图1 8 所示l ： 图1 - 8 地基总沉降等倩线圈 加载路径的不同对沉降变化的影响主要体现在沉降发展过程上，但是过大的荷载会对最终的沉降产 生较大的影响。在路堤填筑过程中，沉降随着荷载的增人而增人，停止填筑时沉降速率减慢，规律较为 明显，随着预压时间的延长，沉降值的增大逐渐趋】二缓慢。到预压结束为止，沉降变化曲线有两个较为 明显的拐点，第一个拐点出现在荷载的填筑期，当荷载填筑超过l f 缶界高度后，沉降速率有明显的增大， 8 第一章绪论 第二个拐点出现在预压期后，沉降速率有明显的减小，在均匀地基的情况下，横断面的沉降曲线早盆状 ( 图1 - 9 ) ，路中心和两边的沉降有一定的差别，但是变化趋势较为平缓，并且在进入预压期较长时间后 两者之间相对差异沉降小于填筑期。 雁线路中心豹距离m 一3 5 - 2 5 一1 5 551 52 53 j - 预压3 个片 一豫压6 个月预雒1 0 个月峥一壤靛烈僚 图1 - 9 地面横向沉降盆图 软基的沉降问题主要是工后沉降问题，即竣l ：后软基仍发生较大的沉降变形而对上部构筑物造成不 同程度的损坏，影响其正常使用。软基的工后沉降比较复杂，主要影响因素有软土的物理力学性质、土 层条件、荷载条件、处理方法及工期等。上述影响冈素可以通过室内外试验和现场观测得到确定，能为 软土地基的沉降和工后沉降的准确计算提供依据。在众多参数中，次同结系数是影响软基工后沉降的重 要参数。对于软粘士次同结变形已有许多研究，如压缩时间、应力水平、应力历史对次崮结系数的影响 等。但是目前的软基工后沉降研究，一直着重于探讨原路堤静载荷的影响，很少考虑公路建成通车后其 加载条件已经发生变化，故导致对公路软基工后沉降认识不足。研究结果表明，这些异常的沉降相当部 分是由超出静荷载作用及行车荷载引起的，因此，路基工后沉降应包含原路堤静荷载和行车动荷载共同 作用的结果。因此在对其工后沉降进行分析时，必须同时考虑两种荷载作用。考虑到软士路基侧向变形 的长期性，在原路堤静荷载作用下，软基土工后变形除包含少部分未完成的主同结变形及次固结变形外， 还应该包括缓慢发生的侧向变形。同时，由于增加行车动荷载，公路软基在动荷载作用下产生塑性变形f 土 骨架本身的形变、晶格之间距离减小，会导致孔隙水排出) 积累的同时，行车动荷载作用还会引起十体超 静孔隙水压力提高，致使排水同结变形持续，且还应当伴随动侧向变形。在其它条件相尉的情况下行车 动荷载对基础变形的影响大于静荷载对基础变形的影响，由车辆荷载引起的沉降大约占工后总沉降的 3 0 。车辆荷载的影响深度随着路堤高度的降低线性增大，随车辆超载倍数的增加而爷抛物线关系增大。 比较而言，超载稃度的变化对车辆荷载影响深度的影响要比路堤高度的影响人得多。在不超载的情况下， 车辆荷载的影响深度火概在6 0 8 o m 范围内，超载情况下，车辆衙载的影响深度大概在6 肚1 4 o m 范嗣 内。 1 3 2 搅拌桩地基沉降特性 当犬然地基不能满足结构物对地基的要求时，就需要进行人 处理，形成人j ：地基，以保证结构物 的安全与正常使用，复合地荩就是其中一种。 搅拌桩复合地基属丁半刚性桩复合地基，是利用水泥深层搅拌桩和天然地基加同软弱地基米共同承 担构筑物的荷载。由于搅拌桩复合地基中桩和士的弹性模量之比往往大于l ，在路堤填土作用下，桩体 上存在着应力集中现象，桩间土的应力相应减小，这对复合地基的州结特性产生影响。 由搅拌桩和桩间十形成复合地基可以有效提高地荩承载力，减少建筑物沉降。复合地基加问区沉降 很小，通常小于3 c m 。复合地基沉降主要发生在加同区卜卧层，与天然地基相比，加吲区的压缩餐比对 应厚度的天然地基十层压缩螭大大减小，而r 卧十层由于加同区存在，高应力区降低麻力水平，扩大高 庇力区范用并向r 位移，下卧层压缩带增加。综合炳者复合地基沉降人为减小，若大然地基渗透性更小， 则下卧层同结需较长时间，最终沉降需要很久。影响搅拌桩复合地基沉降的主要因素包括桩长、水泥掺 入量、置换率和加荷速率等。 9 东南大学工程硕士学位论文 一般的，水泥土搅拌桩的桩长即为复合地基加固层厚度，随着桩跃的增加，加固层的沉降计算厚度 增加，加固层沉降增加；而下卧层的厚度减少，复合地基传给下卧层的附加应力减少，下卧层的沉降减 少。研究表明，搅拌桩存在临界桩长，超过临界桩长，增加桩长并不能减少地基沉降。图1 1 0 为某一特 定地质条件f 桩长对沉降的影响图，由图可见，当桩长超过1 5 m 以后，它对降低沉降的作用已经不明显 了。 砧 2 l 1 3 o 51 01 5嬲筠 l ，m 图1 1 0 沉降随桩长的变化关系图 水泥士的强度随着水泥掺入量的增加而增大，水泥掺入量的增加可以增加桩体模量，提高桩体模量 可提高加固层的变形模量，减少加固层沉降。但是变形模量增大到一定程度后，提高变形模鼍，地基沉 降减小不明显。图1 - 1 1 为某一特定条件下水泥掺入量对沉降的影响关系曲线。由图可见，沉降在水泥掺 入比较小的时候对降低沉降的作用十分明显，但是水泥掺入量达到1 5 左右时，它已经不能大幅度的降 低沉降。 龃 霉 垂 、 ”2 2 2 a 0 ， 图1 一1 1 水泥掺入量对沉降的影响 改变面积嚣换率会相应改变复合地基的复合模苗与复合泊松比，从而改变复合地基加l i i i f 层的压缩量。 随着面积置换率的增加，加固层沉降、r 卜卧层沉降和地基总沉降都在减少，但当置换率大- j - 2 0 0 0 以后，复 合地基沉降餐减少不明显。图1 1 2 为面积置换率对沉降的影响。 1 0 储 g 童幻 第一章绪论 g 、 夔 馘 置换率 图l 一1 2 面积置换率对沉降的关系 合理的加荷速率对降低沉降特别是t ：后沉降有重要的影响因素，如果加荷速率过人，会引起下部超 静孔压太大，孔压消散缓陧，对【：后沉降不利。 此外，现场十质条件、桩体成桩质量等因素也对沉降有影响。搅拌桩加同法对稳定路基，减小最大 沉降餐作用明显。搅拌桩处理的路基，沉降主要发生在加载( 填十) 阶段，加载结束后的| 卅结沉降所占 的比重较小，由静荷载和土体主固结沉降所产生的工后沉降量很小。但是在其它条件相同的情况f 动荷 载对基础变形的影响大于静荷载对基础变形的影响( s e h i m m i n g 等，1 9 9 6 年；y a m a n o u e h i 和y a s u h a r a ， 1 9 7 5 年；f u j i w a r a 等，1 9 8 5 年；t o h n o 等，1 9 8 9 年) 。由车辆荷载引起的沉降大约占_ 后总沉降的3 0 。 日本建设省在a r i a k e 粘土上进行了低路堤的交通载荷试验后认为，车辆跑动时的土中应力为车辆静止时 的三倍，交通荷载的波形接近于三角波( h y o d o 和y a s u h a r a ，1 9 8 8 ) 。因此，引起搅拌桩加同地基工后沉 降的主要冈素为交通荷载和土体蠕变，早期交通荷载是主要原因，而后期土体蠕变的影响则占主导地位。 1 3 3 差异沉降分析 高速公路路基是长距离带状结构物，纵向各段落的强度、刚度、变形及材料等方面均存在各种差异。 随着时间的推移，在行车荷载及自身变形的影响下，路基问产生差异沉降，必然会引起路面开裂甚至破 坏。研究发现，路基的工后沉降和路基的差异沉降有一定的相关性，在一般情况下，工后沉降越大，其 产生的不均匀沉降也越大，路基路面结构破坏的可能性及对行车的影响也越大。 差异沉降造成在行车通过时对路面产生的较大附加动力作用，进一步加速了路面的破坏，从而导致 路面积水下渗到路面内部降低整体强度，使沉降簧进一步加大，严重的时候还会产生沉陷和坑槽。差异 沉降严重影响了行车的安全性和舒适度，增加了路面的维护费用，甚至路基的处治费用。 由于著异沉降出现，在连接段必然会出现纵坡的转折，引起跳车现象。差异沉降还将引起公路路基 设计标高、纵坡、横坡、平整度的变化，冈此差异沉降的产生不应超出公路等级规定的技术标准的容许 范围，不得影喻路面的使用，不得显著降低服务水平。 1 4 国外对工后容许沉降指标的要求 第二次世界火战后，资本主义国家经济发展迅速，随着汽车业的发展，交通晕不断增长，各国相继 兴建了高速公路。高速公路由于土基强度不足造成破坏，影响极大，一般都比较重视路堤的稳定性问题， 然而对沉降的研究则相对较少，因为沉降的发生是一个渐变的过程，其危害性往往小明显。 在1 9 7 1 年，美国的研究报告中指出：路面的容许总沉降或差异沉降不做规定。除了对桥头引道外， 通常规定为】2 7 2 5 4 c m l 9 1 外，一条公路的1 ：后沉降为3 0 6 0 m m 通常是允许的。对于在公路经济寿命 时期内，3 0 6 0 m mi ：后沉降足容许的，此沉降适_ j 于柔性路面，但即使采_ l j 刚性路面，经受3 0 6 0 m m 的沉降也没有发生损坏和不适合行车的不平整。在某些管理部门还容许1 7 的著异沉降。 日本是一个岛国，普遍存在软十。日本道路公团“设计要领”对高速公路规定：路面完工后平整度 的容许沉降量为1 0 m m 。1 9 8 9 年日本道路协会道路土工、软弱地盘对策工指针i l ”指出：路堤中心处 东南大学工程硕士学位论文 路面铺筑后3 年的允许剩余沉降鼙根据道路的重要性确定，与桥梁构造物连接的路堤为1 0 3 0 m m 。但 是，在实际设计中，日本限制并不严格，一些高速公路也并未按上述容许= 后沉降进行设计。另据日本 有关专家介绍：认为路堤的沉降并不构成问题，而与桥梁等构造邻接的路堤的工后沉降值得重视。 德国】：后沉降的限制则特别严格，控制路堤的t 后沉降有两个指标，即相对沉降( ：j ：后沉降与总沉 降蹙之比) 为5 1 5 ，绝对沉降为3 5 c m ，特殊情况f 为1 0 c m ，且要求两个指标同时满足。例如： 对路基作分段处理时，要注意相临路段间的沉降差不能过大，必要时要设置沉降差过渡段。 从上述国外资料来看：他们对路堤工后容许沉降限制较宽，只是有邻接构造物( 如桥梁、涵洞等) 时，容许沉降限制较严。而德国对路堤工后容许沉降要求特别严格。所以即使是发达国家，对工后容许 沉降这一指标也不统一，因此有必要对此进行研究。 国内公路地基处理的发展，主要是处理高路堤的稳定问题。近年来，沿海地区相继兴建高速公路， 才将 ：后容许沉降作为一个课题来进行研究。如交通部重庆公路科研所等单位在天津新港地区软土地基 上修筑公路路堤的试验研究报告中指出，对于高等级公路路堤铺筑路面2 0 年内，容许上后沉降值为3 0 5 0 m m ，邻接桥梁等人工构造物的路堤，容许工后沉降值定为l o 2 0 m m 较为适当，这一段长度，根据 桥头路堤纵坡情况，可设为5 0 1 0 0 m ，与长路堤相接桥台可增设搭柱，以减少沉降错落的影响。对中 低级公路，其软基加同主要考虑路基稳定要求，路堤中心容许残留沉降值不作规定，留待在使用过程中 进一步观测并通过养护以纠正其有害的影响。 沪嘉高速公路试验研究指出i l ”，沪嘉高速公路在桥台处设搭柱，邻近桥梁构造物的路堤取容许工后 沉降值1 0 m m ，并在5 0 m 范围内逐渐过渡到容许工后沉降3 0 m m ，其沉降差为4 0 。正常路段允许工后 沉降取3 0 m m 。 莘松高速公路在试验研究中指出i l “，路堤的容许工后沉降应根据路堤的高度来确定，当路堤高度大 于2 3 5 m 时，则容许沉降为1 0 b 1 5 m m ，当路堤高度小于2 3 5 m 时，则容许工后沉降为1 0 m m 。 在差异沉降研究方面，刘汉清等( 2 0 0 4 ) 对老路拓宽容许工后差异沉降指标进行了研究，从计算分 析得到：试验段新老路工后不均匀沉降值为0 6 c m ，沉降坡差为o _ 3 ，使用效果良好；周行春( 1 9 9 8 ) 采用8 节点等参数有限元方法分析了由于软土地基差异沉降引起的路面结构附加应力，并提出了容许工 后差异沉降引起的路面结构附加应力，并提出了容许工后差异沉降坡差为0 4 ；叶见曙( 1 9 9 7 ) 对桥头 引道工后沉降控制标准进行了研究，提出桥头引道沉降控制是防止桥头跳车现象的关键问题。在设置桥 头搭板时桥台基础和引道七体之间差异沉降分析的基础上，建议桥头容许纵坡变化值为o 4 。 从上述国内资料来看：工后容许沉降指标范围较广，其值很不统一。总之，从以上国内外资料分析， 德国对容许工后沉降值要求特别严格，这与德国是一个内陆国家，软十分布较少有关。而美国、日本大 量存在软十，冈此对容许工后沉降限制较宽。因此，我们不能简单的参照国外的经验和标准，而应根据 我国的实际情况，提出合适的容许i ：后沉降值。 软十地基在路堤荷载作用下，会发生工后沉降。而工后不均匀沉降，不仅影响路面的使用功能，而 且在荷载作_ l | f 会使路基路面发生结构性破坏。j ：后不均匀沉降指标在技术经济上对高等级公路有重要 影响，对它的研究在软十地基修筑高等级公路具有实t j 价值。在软t 地基上修筑高等级公路的路堤，不 可避免地会产生一定鼙的沉降，为满足设计标高，其纵坡、横坡、平整度的变化，不心超出公路等级规 定的技术标准。 ( 1 ) 纵坡要求。按照公路i ：程技术标准i i “可知，各公路等级之间仅相差1 。冈此，在设计公 路纵坡时，考虑剑地基沉降而降低纵坡标准不得超过1 ，否则会降低公路等级。由于地质条件的复杂 性，同时也考虑其它一些不利因素，所以建议以0 5 的变坡作为由于软土地基不均匀沉降所引起的坡度 变化引起的窬许值。 ( 2 ) 横坡要求。设计路面横坡的日的是及时将降水排出路面，以保证行车安全。通常，在路基横断 面方向，土层的性质变化f i 人，冈此，可以认为路基的f i 均匀沉降主要是由路基自重所引起的。这样， 路鹰中心处沉降昔将大于路基边缘的沉降颦，不均匀沉降早盆状。冈此，在软十地基上设计路拱坡度时， 应尽可能地采用较大值，即采刚路拱横坡的高限2 ，待沉降稳定后，则要求的横坡仍符合标准，又不 得低于f 限l 。否则会引起排水不畅，降低车速。由此可得，横向不均匀沉降的坡差不得人于l 。 ( 3 ) 平整度要求。我国在2 0 世纪8 0 年代才开始建设高等级公路，有关技术标准尚有待补充和完善。 第一章绪论 因此，可参照机场道面的有关规定，根据民用航空运输机场飞行区技术标准，道面的平整度用3 m 直 尺对除变坡处以外的任何方向及位置检查：对新道面，直尺与表面间隙不得大于3 m m ；对已使用的道面， 直尺与表面间隙虑不大于i o m m ，并且不积水，考虑剑“平战”结合，世界上许多国家在高等级公路上 可肖般起降飞机，因此可以认为利用机场跑道的平整度指标作为高等级公路的平整度指标。在路面使用 期间，平整度变坡为： i o 一3 3 0 0 0 2 鄢o * 毒6 综上所述，可知平整度对不均匀沉降指标要求最严，因此，把较严格的限值作为路面功能性指标要 求：考虑到地基的复杂性，取0 4 的不均匀沉降坡差作为高等级公路路面功能性要求，即在不影响路面 功能影响的条件下，可以容许0 4 的沉降坡差。 根据日本、美国、德国、澳人利亚等国的经验及国内有关部门在高等级公路桥头测试结果表明，当 桥头端部与路堤的差异沉降所产生的纵坡差变化不超过o 4 6 ，且汽车行驶速度为l l o k m h 时，司 乘人员对桥头跳车的感觉不明显。 黄俊等从公路路面功能性指标、结构性指标两个方面阐述了在软十地基上修筑高等级公路路面容许 不均匀沉降指标，确定不均匀沉降指标为0 4