（道路与铁道工程专业论文）兰许高速公路路基稳定性分析.pdf

摘要 路基稳定性实质上包括竖内变形和侧向变形。竖向变形可通过流隧板观测 进行沉降规律、工后沉降预测镣方面研究。过大的沉降容易引起路面爿：均匀沉 簿，轻鬻影蕊孬攀，羹襄产生缝穗蓬破坏。侧淘变形可透过速棱进 亍髑离位移 观测，过大的侧向黢形也会引越附加沉降，蹄时对边坡的稳定性有一定的彩响。 因此，开展路基的稳定性问题赶肝究很有必翳。 本文在霹兰诲离遮公露试验路羧，获这l 笨麓变形蕊潮的蓥礁主，辩双蓥笺 法、指数曲线法、a s a o k a 法预测结果的对比发现，双曲线煎适合于该地区沉降 特性。同时，对碎石垫层处治、强夯+ 碎石热屡处治、碎石桩、粉喷桩处治等不 两蟪基薤潼方式颛蔼嚣潺藩慧链避暂了裁魄分掇，蘩象轰爨，经复台媳鏊楚渣 后沉降的减小，粉喷桩的作用激佳，碎石械次之。冲击聪蜜产生的沉降潼约占 施二| 二期沉酶韵1 1 。填土高和沉降量呈现良好的线性相荚。以平整度作为控制 稳标，探讨了不均匀演降抵瀣。 建立了路堤侧向位移与挤m 沉降的关系模型，推导了计算公式，结合侧向 位移观测数据计算发现，因侧内位移产生的沉降量约占总沉降量的2 0 。 采用毯l 帮e 1 o 薅逮薮稳庭经进嚣了计葵，搽讨了孳魏素与稳定系数懿关 系，并采用正交试验对这些因潦进行了敏感性分析。结聚袋明：对稳定性的影 响敏感性依次为坡商、内摩擦角、坡比、粘聚力、重度。 关镇词：高速公路高路堤地基处治沉降特性不均匀沉降侧向位移 透坡稳定健敏露瞧努褥 a 嚣s t r a c t t h er o a d b e ds t a b i i i t ym a yt h r o u 曲t h er e s e a r c hw 1 1 i c hd j s c o n st ot h er o a d b e d c a r r yo nt 1 1 ea 1 1 a l y s i s ，i n c l u d i n gv o n i c a ld i s t o r t i o na n dl a t e r 越d e f o n n a t i o l l ，t h e v e 矗i e 鑫l 蘸i s t o 琏i o 珏i n a yc a ! t yo nt h es u b s i d e n c ef u l e ，l h el a b o fa 建e rl h es u b s i d e n c e b o a r do b s e r v a t i o ns u b s i d e sa s p e c t sa n ds oo nf o r e c a s ta n dd i 行b r e n t i a ls e m e l n e n t s t u d i e s 朋1 el a t e r a ld e f o r m a t i o nm a yc o n d u c tt h er e s e a r c ht h o u g ht h es i d ep i l e o b s e 州氍i o n 。t h es l o p eo fe m b 鲷l ( 糯e n s 掘毯l i ya s oi s 沁鞋1 ea c 拙a 1p f o j e c tl 驰螽n r e s e a r c hc o n t e n t t h i sa r t i c l e 证t oe x p e r i m e n t sa b o u tly e a r 诹t h es t a b l eo b s e r v a t i o n 岛u n d 鑫t i o n ， o h eh ) ，p e r b o i i cl o n g b a s em e 也o d ，t h ee x p o n e n t i a ic u r v ej a 、q 啦ea s a o k a a w f o r e c a s t t h er e s u l tt l ec o n t m s td i s c o v e r e dm a tt h eb y p e r b o l i cc u r v es u i t si nt 1 1 i s a r e a ss e t t l e m e n tq u a l i t i e s 。a tt h es a m et l m e ，l ti sp 幽n t e d ，b yc o m p a r i s o n ，搬a 童也e s e i l e m e n tq u a 啦i 秘o fc o m p o u n df o u 拄d 越i o n ，e s p e c i a l l yt 瓣越e db ys t o n ec o l i h n n s a n dd r yj e tm i ) ( i n gp i l e ，c o u l db or e d u c e de 髋c t i v e l y r e i n f o r c e dz o n ec o u l db e d e c r e a s o db yd 蹦pc o h 巾o s i t eb a s e 黼e n t ，a c c o 棚i n gt h ed i 髓r e 嫩t r e a t n gm e t h o d s t 量l es o 矗f o u n d a t i o n 懿a 拥e n t 弧es e 钍l e m e n tc a u s 嬲b yi m p a c t m p a c t i o no c c u p i e d a b o u t11 a i l dt h ee a n hf i l lh i 曲a n dt l l es u b s i d e n c cq u 柚t i t yp r e s e n t st h e8 0 0 d l i n e a fc o l l e l a t i o na n dt h ea s y m m e t r ys e 娃l e m e n ts t a n d a 堪j sa l s od i s c u s s e d 1 飘e 掘c i eh a se s t a b l i s h e dt h ce m b a n k m e n t1 a t e 蹦d i s p l a e e m e ma n dt h e s e t t l e m e n ts u b s i d e n c eq u a n t i t yr e l a t i o n a lm o d e l ，i n f e r r e dh a v es q u e e z e do u tt 1 1 e s u b s i d e n c et h ef o 棚u h 霹l es c t t l e 糯e n tc a u s 聪b yl a t e r a ld i s p l a c e m e n to e c u p i e d a b o l 王t2 0 b a s e do n 髓l ef o m u l aa n dd a t a t h es l o p e 鼬i l i t yi sc o m p u t e db ym el s l 0 p e l 0s o f m a r e ，a n dm er e l a t i o n b e t w e e ns 抽舀ef a c t o ra n ds a f e l yf a c l o fi sd i s e u s s 列珏e s e 瓤牺r s s e n s 弧i l y 黼 a n a l y 勰db yo 确o g o n a le x p e f i m e n ta n d 掘es e n s “i v i t y 幻s a t yf a c t o ri nt u r na s h e i 曲t ，a n g l eo f e q u i v a l e n ti 1 1 t e m a lh i c t i o n ，g r a d i e n t ，c o h e s i o nf o r c e ，d e n s i t y 王( e y 镩# 撼s 毛i g 莪w a y ， 重i g he m 强k 璐e 嫩，f o u 鞋d a l o n 零揩鑫l m e 瞰，s e 娃l 嚣m e n | e 魏8 豫c l o f ；s l c ， a s y m m e t r ys e e m e n l ，【越e r a ld i s p l a c e m e n t ，s l o p es 协b i l i t y ，s e n s j t j v t ya n a l y s j s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞苏妒6 ，年f 月侈日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垄层 砌6 年，月3 日 导师签名： 。年6 月，；日 、连湛 娅 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 在鼹堤萄载 擘髑下，邈基主中静应力状态发生变化，黪然弓l 起楚熬变形。 通常，采用沉降板或沉降杯对骚向变形的观测进行沉降瓶律的研究。沉降可分 为均匀沉降和非均匀沉降。当发生均匀沉降时，路基相对来说是安全的，而通 豢囊予爨堤毫度羧舅秘遣基不均匀等蒙困，路蕉冬部分豹沉蹲或多或少憨是不 均匀的，使得路面相应产生不均匀变形。路嫠不均匀沉降超过一定的限度，将 导数路面的功能憔、结构性破坏，从而影响公路的正常邋营。所以，高等级公 路辩王磊沉海迩蠢缀褰要求。并基，峦予凄鼹堤本身填主楚载较大，热上麓工 期加载速度较侠，士体除了虽向沉降外，在翦应力作用下会产生侧向变形，这 部分变形也会产擞附加沉降。过太的侧向变形会将影响到边坡的稳定性，甚至 导数逸瑗溪援等瘸密。震开鼹蒸稳定牲骚突，对于瓣决戮王嚣嚣降过大，导致 路丽平整度差和桥头跳车现象，或边坡失稳，保证公路的难常使用具肖很大的 意义。 兰诲裹速公熬途径拳稻溺嚣、荑海鼓遴秘滚诬主等誉鼗遮矮条咎蟪嚣，这 些地区地下水位离，土质属中液限粉质粘。据初步调焱，这些路段的地表下 可液化土或软弱层厚度一般均有1 0 3 0 m 不等，其中可液化土层最大厚度 这鬟8 。弧，瑟瑟溺放 薹蟪段淤混震簿这s 攘戮土：逮蒸主凌橙软、会零塞受 3 6 5 5 0 4 ，个别地区高达5 2 9 。本工程由于跨越多条已建公路，加上桥 涵镰构造物，出现多处高路堤。沿线各不慰地质状况采用了不同的地撼处治方 式，鏊在降低沉辫、绦涯王程薅莰豹稳定熬。兰诲裹逮公潞稳定往控髑关键豹 问题包括：如何减小路基的沉降，尤其是不均匀沉降、选择合适的沉降标准及 工聪沉降预测、减小路堤的侧向变形，控制精路堤边坡的稳定性等。 零文逶蓬鼹实际工程豹溪溅与分褥，磷筑与英稳定魏穰关戆诸多内容，怼 工穰本身的安全w 以起到控制及预测作用，其结论对相似条件的工程具有一定 的参考价值。 1 2 研究现状 自从太沙基( 1 9 2 3 年) 的有效废力原理及其圈结理论闯世以来，地基沉降计 算理论的研究已取得了长足进展，关于地基沉降问题已形成多种计算方法，大 致可分为三类：一类是基于弹性缓论结合太沙蘩霾结理论豹鳃辑方法或旅壤论 公式法。然而经典的璎论公式方法中荷载作用下地基中附加威力场是根据半无 限空间备向同性弹性体理论计算的，土体压缩憔是根据一维愿缩试验确定的， 著采用分层总和法来诗算地基的泼降量，未裁考虑傣饕线戆，戳及髂德囊 变形对沉降的影响，在不同地质条件、加载条件下沉降修正系数的选用也有一 定难度。第二类是b i o t 固结理论结合多种本构模型的数值分析法。用数值分析 方法黪，黠髂各霉孛零橡模型兹谖爨骏及模型参数懿确定方鞭还存在蓉不阉程 度的困难，而且在有敝元分析中一糖问题的处瑷，有限元程序中若干工程措施 的处理，需要进一步的研究完善。第三类是根据实测资料推算沉降量与时间关 系豹谈溺方法，妇撵数融线法、双熬线法、星辩法、盎s 甄滚及灰色颈溅法等 等。这然方法各有优势，其适用范围也不相同，应区分不同的条件进行使用。 高速公路在荷载作用下，沉降是不可避免的。由于路堤黼度差异和地藻不 臻匀等爨嚣，路基冬部分的茨簿藏多或乡慧是不均匀豹，毽褥踺覆产生不均匀 变形。獭不均匀变形超过了一定购限度，将导数路面的功能健、结构性破坏， 使得公路的服务水平不能满足设计骚求。 鏊涎乡 鼹不稳6 鼋i 惩终骰了大鳖麴磅究窝实黢王终“。l # 鹳冬弱本遥蘧游会 指出：路堤中心处路阿铺筑后3 年的允许剩余沉降量根据道路的重要性确窳， 与桥梁构造物连接的路堤为1 0 3 0 m m 。但是，狂实际设计中，日本限制并不严 臻，一藏褰速公路迄并寒按上述察诲王磊淀洚滋行设诗；勇爨弱本套关专家介 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。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 疆豹试验顼究壤告孛攒窭，对予篱麓缀公路鼹爨镳筑臻覆2 0 年内，容诲z 瑟沉 降值为3 0 5 0 m ，邻接梁等人工构筑物的路堤，容许工后沉降值定为1 0 2 0 m m 较为适溺，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 穗接耢螽可蹭设搭 雯，馥减少流洚锘落懿影嫡。鼹串低级公潞，萁软基撩瀚主 要考虑路基稳定装求，路堤中心容许残留沉降值不作规定，留待在使用i 登程中 遵一步鼹瓣莠通过养护鏊餐歪箕裔害翡影臻。沪嘉高速公鼹试验矮究捺出，护 嘉高遮公路在桥台处设搭柱，邻避桥梁构造物的路堤取容许工后沉降德1 0 m m ， 并谯5 0 m 范围内逐渐过渡到容许工后沉降3 0 m m ，其沉降茇为0 4 ；正常路段允 许工藤淀簿取3 0 ，其貘离沉降麓蠹0 。舔濑震治当。擎桧嵩速公臻在试验骚 究中指出，路璇的容许工后沉降应根据路瓣的高度来确定，当路堤商度大于 2 3 5 m 时，则容许沉降为1 0 1 5 m m ，当路堤离度小于2 3 5 m 时，则容许王后沉 降为l g 黼，台遥的控篱i 耩蘸寄必簧整续透嚣疆究。 侧向位移观测是路基稳定控制观测中的擞耍测量内容之一，又是评价和控 制路基稳定性的敷嚣依据。大挝f | 勺_ i 程实践畿明和实际工程观测资料分析表明， 较鼹基豫蠢霞移产生戆溪繇羹占惑嚣陲羹鞍大毖铡，粼涵经移不莰森施工燕 载期技生，而且禚施工结束后长时间存在，髅麓成为工后沉降的重要缎成部分。 1 9 9 8 年，广瓣离速公路慕栋段在填筑路蠛时土豹侧肉挤出将距坡角7 m 处 匏蠢经i 。2 璜麓潺凝土灌注棱挤镳了2 & 菇“。沁汾裹速公薅装段蓑主簿i 翮、路 堤底擞5 0 m 硬壳滕厚1 m 。软熬处理时按1 6 m 间距施打槭长1 5 m 的砂械。由于 藏王期缀短，软土米不及排水圈绪，以砂桩体积应有的排量计，路堤两侧的 蘧基应搜揍爨3 。6 赫，毽是i 9 9 年骖穰嚣变蓐，蟪露未发生隆嫠辫t 绝大蘸 分术成被砂桩体积挤出的地基显然是从路糕两侧挤出的。假定只有上部强度 较低的软才能皱大量按出，熊挤出豹位移雅离将更大。可见，软土的实际测 两挤浅量可戳是缀大静。 1 9 9 4 年马时撼“1 对路堤下软土的侧向位移作了观测分析并详绷介绍了 ra 。稔v 蜘a s 数残点。张诚蓐簿( 1 9 孽5 年) 蝴谯沪宁高速公路建设孛磷究了剪切 变形每| 起的辫勰沉酶量，褥逡7 辩魏瀛簿爨蠢憨量l 鳋3 溅的缝逶，是令攫 大的进步。刘增髓，汤连生“根据广珠高遴公路灵山段窳际观测资料，分析计 算了葜捌巍揍窭流烽量占慧沉蹲量l 播以上。阂镜院士( 1 9 9 9 年p 1 较垒嚣地分 轿了赘应力下体铡自变形阏瑟。研究裁翔位移与沅漆鹣关系，霹深入了解淀 降的构成，探求沉降特性有定的帮助。 鼗嚣对逮坡稳定分辑熬磷巍起步2 0 越绍釉年线。特别是的年代戥詹，我 国在坡稳定分桁的改避方谣发展较侠，并在莱些方蕊佟接了重丈静爨献e 燕 7 0 年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理：极大假原理( 滑坡体的滑 匿肯定时，则漪霭上懿反力及游坡俸走款内力辫能叠行调熬，敷发挥最大瓣撬 滑能力) 和极小值原瑷( 滑坡体如肖可能沿许多滑面滑动，剐失稳时它将沿抵抗 力最小的那一个滑脚破坏) 。1 。1 9 7 8 年张天宝通过按瑞典法建立的简单土坡稳定 系数甄数蕊数篷分毫蓐，全嚣归缡了最莲殓溪魏憋变纯援撵。强天宝秘鲻中华 两者都阐明了复合土坡最危险滑蕊分布的多极德规律“”“”。1 9 8 1 年，孙籍实利 用模糊数学工具，建立了土坡稳定稳定系数的模糊函数和模糊约束条件，提出 了稳定系数的摸赣嬲藤弱最小模糊矮集壤念，馊疑期来人弱在解瑗阉熬时杰 土条侧作用力问题上的随意性从此得到克服，使条分法成为一种独立的极限分 析数学方法，并土坡稳定分析的理论和方法方颇进行了全面的研究，深剡地揭 示了坡稳定闼瑟瓣力学原理，攘劲了坡理论豹涤入发蕊“2 “。1 9 弱差 兰张天 宝论述了产生粘性土土压力时的合理滑面形状，提出了求解粘生土土压力的圆 弧滑磷憋体平衡法1 。王恭先( 1 9 8 8 ) 、徐邦栋( 1 9 9 8 ) 结合我园滑坡发生的实际 、 馕猛送行了长襄熬鹾究，提出了漤壤稳定性凝戆麴理论稻方法，建立了遴避分 析滑坡的不同发育阶段和不同滑带土的强度特征，结合滑坡的状态综合成用各 种方法确定滑带土参数的上、下界限法，并给出了抗剪强度参数选择中威考虑 豹基零薮素；毽键建立翡理论秘方法在溪玻工疆实黢孛毫取德了较驽瓣簸采 “。i 9 9 9 年，马崇戏提出了滑坡渐进破坏的演化模型，其慕本原理是辑十边 坡的失稳破坏并不怒瞬间便发生熬体破坏，而怒一个由局部破坏并且扩展以至 形藏溪嚣戆港透遘糕“”。 如上面的介绍，常见对边坡的稳定性分析多是针对自然边坡，完善其计算 理论，研究其稳定系数及对危险边坡进行技术处理，国内外都对此作了大鐾的 工终。毽对路堤逮毅稳定毪豹敏感往磅究巍不多凳，久工透缓与鑫然透缎豹稳 定性影响因素的敏感性必然有所不同。人们通常只是在设计时对其进行稳定性 验算，并没有过多关注备因素对边坡稳定性的影响水平，本文对这方面进行了 研究。 4 1 3 研究内容 本文研究包括以下五个方强的内容： 1 采用沉酶板对试验路段进行地基淀跨观测，结会实测沉降资料对沉黪预 测模型避 亍对比分车厅。 2 研究不满遗蒸处治方式下的地基沉降特栏，并对路鬓因冲击篷实产生懿 沉降迸行研究，对填土高度与沉降的影响关系：i 行分析。 3 采用平整度作为控制指标，研究不均匀沉降的标准。 4 采用边桩对试验路段进行侧向位移观测，并在对侧向位移特性分析的基 础上，建立路堤变形模型，研究侧向位移与路堤沉降的关系。 5 采用单因素敏感性分橱与路堤边坡稳定性稳定系数捆关的因素，采用正 交法酝究这些嚣素豹敏感性。 第二章试验方案 2 1 工程概况 兰许高速公路王楼( 省界) 至兰考段位于河南省东部地区，是国家重点公 路建设规划的日照至南阳公路中的一段，也是河南省规划的公路骨架网“五纵、 四横、四通道”中的一条重要通道。起点位于豫鲁两省交界处( 山东省关庄和 河南省王楼之间) ，在吕寨东跨g 3 1 0 线和连霍国道主干线，设兰考西枢纽互通 式立交，再向西南约1 0 9 8 k m 为路线终点。按平原微丘区双向四车道公路标准， 计算行车速度1 2 0 k m h ，路基宽2 8 m 。沿线地形平坦，不良地质主要有软土、可 液化土、盐渍土等，项目区范围地震基本烈度为度。路线全长4 4 9 0 6 k m ，由 于沿线跨越多条已建公路，出现较多的立交工程，从而有许多的高填方。 工程所在的区域位于黄河的中下游，属淮河流域。根据地貌的成因类型和 形态类型将本区的地貌划分为两个类型，即黄河故道区及背河洼地。黄河故道 区分布于兰考与蝈阳一带，地势较高，地表平坦，农作物长势良好：背河洼地 分布于三义寨与罗王一带，位于黄河南大堤外测，里带状沿大堤分布，为黄河 大堤侧渗所形成。地形平坦，地下水埋藏较浅、径流不畅，经过多年的人工改 造，现己种植水稻。 地表水系以黄河南岸大堤为分水岭，大堤以北为黄河流域，以南为淮河流 域。区内地表水主要为地面径流、入( 过) 境水和引黄灌渠三类。路线跨越的 河流主要有四明河、圈章河等小型河流及引黄河总干渠、兰商、兰开干渠等。 地下水类型为松散岩类孔隙潜水，含水层主要为中、细砂层。地下水埋深：黄 河故道区一般为6 1 0 m ，背堤洼地一般为1 3 m 。 基底地层为太古界、元古界变质岩，上覆中生界地层，新生界地层厚度大。 第四系发育完好，并平行不整合于第三系地层之上，总厚度约为4 0 0 m ，由松散 沉积物组成，地层岩性详见表2 1 。 地层岩性表2 1 层 名称岩性 厚度( m ) 号 为黄河冲积物，岩性主要为灰黄一黄灰色亚砂土及亚粘土，粉 1 全新统( o )3 0 4 0 细砂。 上更新统为黄河冲积物，岩性主要为灰黄色、浅黄色中细砂、粉细砂 2 5 0 6 0 ( q 。)夹多层亚砂土及皿粘土。 中更新统为古黄河冲积扇堆积物，岩性主要为棕黄色、灰黄色厚层中 37 0 8 0 ( q 2 ) 细砂、粉细砂、亚砂土夹薄层粘土。 下更新统 为冰水一洪水冲积物，岩性为灰绿色、棕黄色亚粘土、亚砂土 1 6 0 4 ( q )及含砾中粗砂。2 0 0 兰许高速公路全线共有1 4 个路段分布有软土层( 见表2 2 ) ，主要分布于 黄河古道区，背堤洼地区仅有零星分布，岩性以灰灰黑色淤泥质粘土为主， 局部为淤泥和淤泥质亚粘土。天然含水量3 6 1 0 5 0 4 0 ；孔隙比1 0 0 5 1 4 8 3 ；快剪指标c = 2 2 4 8 o k p a ，妒= 3 5 。1 4 o 。一般软土层顶板埋深( 单 元土层层顶距地面的深度) 为l f8 0 1 5 0 0 m ，个别达2 0 5 0 m ，厚度一般不大于 2 m ，个别达3 8 m ，呈规模不大的层状或透镜状。 软土分布路段及主要物理力学指标表表2 2 快剪 软土分布里程顶板埋深( m )厚度( m ) w ( ) 空隙比 c ( k p a )中( ) 1 1 0 3 7 7 0 1 0 8 8 1 1 0 5 0 k 0 + 0 0 0 k 6 + 0 0 05 0 0 1 4 3 0 3 3 05 0 3 01 4 8 34 8 o1 4 0 1 1 0 3 61 0 1 0 0 5 1 5 o k 7 + 0 0 0 k 7 + 8 0 0 8 4 0 1 4 4 03 5 7 0 3 8 04 9 6 01 4 0 02 7 0 k 1 2 + 4 0 0 1 2 0 4 6 3 0 1 3 1 7 2 1 0 8 6 0 2 1 _ 5 06 0 7 o k 1 2 + 7 5 02 0 04 6 8 01 3 8 02 7 o k 1 6 + 2 0 0 1 7 1 0 z 0 0 4 8 9 01 3 5 32 6 07 0 k 1 6 + 6 0 0 k 1 8 + 7 5 0 1 5 4 01 2 04 3 5 01 2 2 l1 4 o4 0 k 1 9 十0 5 0 k 2 0 + 7 0 0 1 0 0 36 5 0 1 0 3 3 1 6 0 3 4 0 5 5 06 0 8 0 k 2 3 + 4 0 01 2 03 8 2 01 0 9 23 0 o k 2 5 + 1 0 0 l _ 5 0 4 1 9 0 1 1 6 7 1 5 8 2 7 0 1 8 1 04 3 5 0 k 2 5 十9 0 02 9 05 0 2 0 1 3 9 3l & 0 k 2 7 + 3 5 0 1 0 0 1 8 0 9 2 03 9 0 7l _ 0 8 2 1 4 05 5 k 2 9 + 1 0 03 2 0 续表2 2 软土分布里程 顶板埋深( m )厚度( m )w ( )空隙比 快剪 c ( k p a ) ( 。) k 2 9 + 5 5 0 4 38 0 12 5 1 90 1 1 2 0 1 95 017 5 2 1 0 4 0 90 k 2 9 + 9 5 05 0 4 01 4 0 52 5 o k 3 0 + 5 0 0 4 38 0 l2 5 1 90 1 1 2 0 1 9 6 0l7 5 2 1 0 4 0 9o k 3 1 + 1 0 05 0 4 01 4 0 52 50 k 3 2 + 1 0 0 3 7 5 0 1 0 4 0 1 1 o 29 0 82 0l _ 3 5 2 0 0 5 0 1 3o k 3 2 + 4 5 0 4 6 5 01 2 6 81 2 o k 3 3 + 0 5 0 2 0 2 0 04 8 6 01 3 6 72 7 o50 k 3 3 + 5 0 0 k 3 5 + 2 0 0 3 7 8 0 l _ 0 5 9 1 40 1 1 8 0 1 5 1 01 7 0 2 1 54 0 7 0 k 4 0 + 2 0 0 5 2 9 0l _ 4 6 11 60 k 4 3 + 1 0 0 8 7 01 2 03 7 3 0l0 2 61 004o k 4 3 + 3 0 0 因遭受2 0 0 3 年夏秋两季连续四个月的强降雨，造成地表积水严重，甚至有 些低洼地段表面长期积水，地基土含水量过饱和和严重液化，地基极为湿软。 特别是沿线路基工程在清表后，遇连续降雨的浸泡，由于周围地势平坦，原有 水渠排水不畅，清表后路基底面低于周围农田，在连续降雨过程中，不但路基 范围内水无法排泄，就连周围农田的水也流入路基范围内，造成地基受水浸泡 严重。在此期间，沿线局部黄河堤岸决口，加剧了地质水文条件的恶化，地下 水位升高、地基土含水量剧增、地基更加湿软。 本项目共分5 个合同段：a 0 1 ( k o 十0 9 4 k 1 1 十7 0 0 ) 、a 0 2 ( k 儿+ 7 0 0 k 2 2 + 0 0 0 ) 、 a 0 3 ( k 2 2 + o o o k 3 0 + 5 0 0 ) 、a 0 4 ( k 3 0 + 5 0 0 k 3 9 + o o o ) 、a 0 5 ( k 3 9 + 0 0 0 k 4 5 + 0 0 0 ) 。 由于a 0 4 、a 0 5 标段地质条件较为典型，实验数据齐全，故本文主要结合这两个 标段开展研究。 2 2 沉降观测方案 由于土体含水量高，结构很容易遭到破坏，路基在自重荷载及车辆荷载等 作用下，其沉降一般比较大。通常在建造前会对路基进行较长时间的堆载预压， 以消除大部分主固结沉降和次固结沉降，尽管如此，公路路基的变形在很长时 间内继续存在。在实际应用中，一般还会采用对路基进行加固处理以减少变形。 兰许高速公路原地基处治方案是在地质详勘及土工实验的基础上，进行了 沉降与稳定验算确定的。但由于2 0 0 3 年的强降水，使现场地质水文情况发生了 变化，影响了路基的正常施工。结合地基实际情况及施工经验，提出了湿软地 基的处治方案。主要处治方式有5 0 c m 碎石垫层、强夯+ 5 0 c m 碎石垫层、碎石桩、 粉喷桩处治，本文主要针这三种处治的试验路段进行阐述。另外，部分淤泥路 段采用片石挤淤处理，地质相对较好的湿软土采用石灰处治。图2 1 为a 0 4 合 同段地基处治方案。 根据本项目段湿软地基特点及处治方案，课题组在沿线试验路段选取典型 横断面进行了长期的地基沉降及侧向位移观测，以控制填土速率、评定工程的 稳定性并为沉降预测提供基础资料。 试验采用沉降板进行沉降观测。需要在测区内选定适量的水准点作为地面 观测点，并埋设标志，同时在沉降范围外的稳定处设置适量的基准点。在个 测区内至少要设置3 个基准点，以便通过联测验证其稳定性。沉降板整体采用钢 材制作，可认为其不产生变形，则两次测得同一观测点的高程之差，即代表地 面高程在这两次观测期间的变化。随着填土高度的增加，要不断地接高沉降管。 为了保护沉降管不遭施工机械的破坏，接管工作应安排于施工层碾压结束后进 行，且保证其顶端应低于碾压层面约1 0 c m 。沉降板构造见图2 2 ，沉降管外观 如图2 3 所示。 9 求皱i垛恹澳斟盛叵姐葛留冬缎姬垃如l-n匝 薯 i 器图 圈雪囝圉1 _囵目图固 ，口 一 堪 簧嚣 = 鲁c ；害= 暑 ! 一 簧 。l l-_- ， 要萋 j 誊 葛 巷譬 盘 萎 蔓 盘 交 嚣 娑甚仙瞢 l _ 一 量_ 蓍 。塞 暑 毒量 。塞 量 眦_ 耋 盎 曜 ：一 薹 蟊 1 耋 a z 垂r l ：喜 主 j 丑 丢r _ 一 = 田 匿 善j 喜卜 一 要i 善l 萋量卜 蚤 墨o e i 一 善 n 霎睦 嚣 t 童 一 至 薹卜- 一 象 一 m 塞 警【 曼 舌j 善i 二二 g一 蠢 l鋈 要l 塞l疆 8 嚣毫 蚕 霉i =i 舌醯 蓁羔 ，_ 垂l 耋霸 垂l j 委 曼曼 舀l 。一 巨 崖 蠢卜一 量l 隆 呈r 售 彗 蠢l 二 匡 | 塞i 一 吨 毒1 仁一 鋈 量誊 g 躅 五r 一 鋈 垦善 |餐 引 信 l 吞f i 盘 蠢l 一 董 邑l 盘 】葺 萋l 瞳 盎l 警警毒嚣毫篙童暮葛麓墨善毒麓毒巷喜耄 沉佴管立面 世却 图2 2 沉降板构造图 图2 3 饥降冒 2 2 1 沉降板布设 沉降板埋设于路堤下地表处，观测断面路中及左右两侧距中桩1 4 m 处各设置 一块沉降板。文中用断面桩号+ 位置表示，如k 3 0 + 6 0 0 一中表示沉降板位于该端面 中桩处，k 3 0 + 6 0 0 左( 右) 表示的沉降板位于该断面左( 右) 侧距中桩1 4 m 处。 具体布设见图2 4 。 些 一曲一 一参 尽 1 ：1 夕 捅情腻凹( 3 块) ，l 墅垫童垫! i ， 图2 4 沉降板试验断面布设示意图 2 2 2 观测频率 从埋板开始起第一个月每3 d 观测一次，第二个月至第三个月每7 d 观测一次， 从第四个月起每1 5 d 观测一次，直至铺筑路面。随着沉降量的减小，沉降趋于稳 定。通车以后，每一至三个月观测一次。 2 23 水准点的设置 水准点应设在不受垂直向和水平向变形影响的坚固的地基上或永久建筑物 上，其位置应尽量满足观测时不转点的要求，每三个月用路线测设中设置的水准 点作为基准点，对设置的l 临时水准点校核一次。 2 ，2 4 不稳定状态的判断标准 路堤在填筑过程中，若中心日沉降量达到1 5 c m d ，标志着不稳定状态的出 现，应立即停止加载。 通过沉降观测可掌握路基的沉降发展规律，进而比较准确的预测兰许高速公 路路基的工后沉降，对相似地质条件的公路建设具有一定的指导作用，以减少公 路病害，增加投资收益。 2 3 侧向位移观测方案 对路基侧向位移的观测，常采用测斜仪或侧向位移桩( 也称边桩) 。本课题 采用边桩对试验路段的部分断面进行了侧向位移观测。目的在于对工程进行动态 观测，保障建设的稳定性，并研究侧向位移与沉降沉降的关系。无论是施工期的 沉降观测还是竣工后的沉降预测，都应该充分考虑这部分因素。 2 3 1 侧向位移桩布设 侧向位移点布设在路堤两侧的坡脚处，基桩必须布设在坡脚外路堤沉降影响 范围以外，一般情况下应布设在离坡脚2 0 m 以外。侧向位移点在预计旎工高度超 过7 m 的路段每1 0 0 m 设置一处。图2 5 为实际采用的木桩，顶面中心处用铁钉标 记，每次的观测点应为该钉处。图2 6 为其构造图。 图2 5 侧向位移桩 图2 6 侧向位移桩构造图 1llil自jil_1l 器 2 3 2 观测频翠 侧向位移桩和基桩设置好以后，测量位移桩与基撼之闯的距离。蕊测频率为 每3 d 观测一次，直至铺筑路嚣。夔藿侧囱位移量鲍减小，变形趋予稳定，遥车 蓐每一至三个月观测一次。 2 。3 3 不稳定状态的判断标准 路辍在填筑过程中，侧向位移量达割5 m m d 时，标志者不稳定状态的出现， 应立即停止加载。 侧向变形是稳定监测中的敏感指标，提高侧向变形的监测精度无疑可以提高 软基稳定监控的水平。侧向挤出变形还是路堤滑塌的主要形式，在塑性屈服区逐 渐扩大、侧向变形较大的情况下，软土的承载力降低。我国已建妁多条嵩速公路 软基在鞭压稳定教长时闽甚至通车以后发生滑塌静具体原因不一，僵其共同艨因 就是来栽对铺囱变形g | 起重撬。 目前采； j 的沉降预铡方法，均戳曲线拟和为基础的。曲线拟和时一一般忽略了 侧向变形的变化甚至忽略了全部侧向变形，在侧向变形较大时，沉降预测结果会 与实际变形有较大的差异。因此，研究侧向变形可以有效提高沉降预测的精度。 第三章地基沉降分析 通常，对沉降规律的研究大都是基于经典理论的分析。实际上，沉降的组成 部分，尤其是路堤自身沉降包含了由侧向位移产生部分附加沉降量，以及其他因 素( 如冲击压实) 产生的沉降。本章的研究基于宏观上的地基沉降观测资料分析。 第四章将对侧向位移产生的沉降及计算进行详细叙述。 3 1 沉降机理与预测 土是由固体颗粒、液态水和气体组成的多孔介质，对于这种三相体系的非饱 和土，在自重力和外荷载的作用下，孔隙问的空气首先被压缩，然后是多余的气 体和孔隙水被挤出，这时土的变形比较快。由于固体骨架和孔隙结合水之间的摩 擦力和内聚力不断增大，使得孔隙结合水和气体的排出受到阻碍，从而使变形延 迟。故土的应力变化与变形均是时间的函数，土所显示的特征既不是弹性体，也 不是塑性体，而是具有弹性、塑性和粘滞性的粘弹塑体。依据变形发展过程，可 以分为如下几个阶段“： 1 塑性弹性变形阶段 扰动土在填筑过程中，经过摊铺、洒水、分层碾压而被压缩，塑性变形是主 体。随着填土高度的增加，下层土受上层土的荷载作用，开始发生弹性压缩变形， 此时孔隙结合水和颗粒间摩擦力产生的抗力比较大。这一阶段的变形明显地表现 出填土高度与压缩量正相关。 2 不均匀变形阶段 土在变形过程中，在横剖面上，由于填方材料的不均匀及侧向无约束，应力 分布远不同于自重应力，出现边坡应力下降，堤内应力集中，易产生剪切变形， 这就造成横向不均匀变形，这种变形在施工后期和使用期内比较明显。 3 蠕变阶段 当应力一定时，应变随时间不断增长的过程，这就是蠕变现象。蠕变过程中 仍存在弹性变形和塑性变形，土体蠕变就更加复杂。填土各层在施加荷载期间产 生的沉降总和，即一般所说的施工期沉降，这部分沉降在施工期荷载施加完成时 既已完成。填土荷载和路面荷载完成较长时间内蠕变产生的沉降总和，即工后沉 降，这部分沉降在荷载施加完成后的时间段内逐步发生，蠕变并非在公路竣工之 看才开始发生的。填方路提都是避行分簇壤筑施工的，各层次施工的工序时问都 可能有或长或短的时间间隔，因此在填筑间隙时间内也会发生蠕变沉降。这弛螭 变不是连续悭的，因为产生蠕变熬主要原圆是颗粒熬皮力重分布，掰以在分层 填筑的时间间隙肉产生的应力重新分布会被下一工序添加的荷载所破坏，蠕变重 新开始。由于大部分路堤均在较短时间内完成沉降，填筑间隙时间较短，因此奁 分孝秀计算麓工期沉降中一般不考虑蠕交影嚷，饺考虑其瓣时沉降。 3 1 ，1 沉降计算方法 地基沉降计算包括两方西内容：一是最终沉降量；二是沉降的时蛔过程( 固 结疆论 。长攒以来，为地整躐降计算掰广泛采纳的应力应变关系仍然是弹链力 学中的虎克定律，即假定地基土是线弹性体。 衣沉蜂计算方法中应用较为广泛的毒以下几秘： 1 分菇总合法 分层总合法是假定地基土为点线变形体，在外荷载作用下的变形只发生在有 限厚度的范熨内，终压缨层厚度内盼地基分层，分别求出各分层的应力，然屠 甬的应力应交关系式求国各分藩的交形量，加越来即为地基的沉降遭。 首先，计算各层土中的平均自重应力p ；。、平均自重应力和附加应力p 。根 据e p 越线( 如图3 一i ) 分别套出对应的强隙魄失e “、e m 耄拽求褥该分艨静 压缩交形精s 。为： 然；：啦玉( 3 一1 ) 。 l + 。 将计算范阐肉各分麓的压缩交形餐s 。叠加起来，静褥施基的最终沉降量s 为： 跏喜蝇。喜嚣致 ( 3 吨) 1 2 1 2 l n 式中：n 计算范圈肉熬分艨总数。 关于地基压缩层厚度，一般根据附加应力与自重应力之比为o 1 o 2 。对 予软土地基，一般取o 。l 。 图3 1e p 曲线 2 考虑前期圃结压力的沉降计算方法 跌菱承受蘩载螽发生兹澎交过程来番，楚鍪载最终浚降量霹幽瓣时滚终 蜀、主固结沉降瓯和次固结沉降墨三部分缀成，如图3 2 所示，其表达式为： s = 岛+ 疋+ ( 3 3 ) s 图3 2 地基沉降豹三个组成部分 ( 1 ) 瞬时溉降舅 瞬时沉降指襁加荷瞬间，土中孔隙水来不及排出，孔隙体积没有变化即不产 生钵狻交诬，毽骜载镬土产生剪切变形。对予严格豹土钵维变形情况，瓣时沉 降很小。当土体究全饱和时，由于土中水及土颗粒本身的变形可忽略不计，敌瞬 时沉降接近于零。对于土体的二维( 平面应变) 或三维变形情况，则瞬时沉降在沉 降穗基总滚酶量枣占有摄大比铡。瓣对茨醛与麴黄方式鞠热蓑速率寄缀大豹关 系，如采用瞬时次加载方式时。地基的瞬时沉降比均匀慢速加载的情况要大得 多。这主要是由予在不同增量加载的时刻，士中有效应力随着土体的固结而增大， 髂戆交形摸蚕农摇应增大。 瞬时沉降包括两部分：部分是由地基的弹性变形产生的；另一部分则由低 级塑性区开展继黼扩大所产生的侧向剪切位移引起的。目前，对于瞬时沉降的计 葵缘键鼹蘩一赘分，嚣一部分懋今没煮令人继鞭戆诗箕方法，本文籍棼嚣章对这 个问题进行探讨。 瞬时沉降土主凝产生翦切变形，这种变形般不是弹性的，然而在沉降计算 孛秘然采弱了弹瞧灌论公筑，通过室痨太琵铡足模霆! 试验鞍现场蹒察结采迸抒诧 较，认为是摆当满意蛉。在热糖暖闻，中孔涨术求不及撵出，我隙体积没豢交 化，即土不产生体积变化，但荷裁使土产生剪切变形，在实用上可以采用弹性理 论公式诗雾： 蜀：攀辞 ( 3 一 b 。 式中；妒露基她覆魏平垮聪力； 6 路基变瘦： e 弹性模量，e = ( 5 0 0 1 0 0 0 ) g ，其中g 为不排水抗剪强度； 讲沉酶影响系数； 封治校魄，霹取，5 。 ( 2 ) 围结沉降墨 圃结沉降是由于外荷裁引越超孔隙水压力的水力梯度促使水从土内排出，而 应力壤量转移戮主嚣絮上两发黛翁潺黪，瑟魏稼运