（道路与铁道工程专业论文）高填石路堤施工沉降观测及质量控制方法研究.pdf

撇溉剃文r 3 9 8 5 5 s 高填石路堤施工沉降观测及质量控制方法研究 ( 摘要) 研究生：黎莉 指导教师：赵明华教授李硕副教授 随着我国高等级公路的高速发展，尤其是西部地区，石料作为路堤 填筑材料将极为普及，从而填石压实质量控制方法的研究以及高填石路堤 沉降规律的探讨已成为我国高等级公路修筑面临的关键问题。 本文首先总结和分析了国内外公路和坝工行业已有的相关成果，对 填石材料的压实特性进行了探讨，然后以广西壮族自治区任寨二级公路为 研究背景，提出了填石路堤压实工艺的确定方法和质量控制方法并在典型 试验路段设计了沉降观测方案。淇不仅获得了施工期地基的沉降数据，以 便对地基的稳定性进行监测，而且可以获得填石路堤的各层次的压缩数据 以及工后沉降数据，为进一步分析高填石路堤的工后变形规律提供r 可靠 的数据支持。) 此外，本文通过对已有沉降分析方法的讨论，提出了采用邓 肯一张弹性非线性理论进行地基沉降计算新的计算方法，并开发出相应的 计算软件of 其计算结果与实测数据吻合良好，为进一步揭示出山区不饱和 地基在大荷载作用下的压缩规律作了有益的探索：最后，本文采用概率方 法对试验现场沉降数据进行了综合分析，表明按本研究确定的压实工艺施 工，填石路堤已压实到弹性状态，能满足其作为公路路堤的多种力学要 求。 、 关键词：填石路堤、沉降观测、压实、质量控制、邓肯一张弹性非线性理 论、概率 。 _ ； 塑堕查兰婴主堂壁坚一一 s t u d y o ns e t t l e m e n to b s e r v a t i o na n dq u a l i t yc o n t r o l m e t h o do fh i g h e m b a n k m e n tw i t hr o c k ( a b s t r a c t ) l il i s u p e r v i s e db y p r o f z h a om i n g h u a & a d j u n c tp r o f l is h u o w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f h i g h c l a s s h i g h w a yi nc h i n a ，r o c k a s e m b a n k m e n tf i l l i n gm a t e r i a lw i l lb eu s e dv e r yw i d e l y ，e s p e c i a l l yi nt h ew e s t e r n a r e a t h e r e f o r et h es t u d yo nq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d sf o rr o c kf i l l i n ga n dd i s c u s s i o n o nt h es e t t l e m o n tr u l e so fh i g hr o c ke m b a n k m e n tw i l l b et h ek e yp r o b l e m si nt h e c o n s t r u c t i o no fh i g hc l a s sh i g h w a yi no u rc o u n t r y f i r s t ，t h ee x i s t i n g a c h i e v e m e n t s i n h i g h w a y a n dd a mc o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n ga r es u m m a r i z e da n dt h ec o m p a c t i o np r o p e r t i e so f r o c ki sd i s c u s s e di n t h i s p a p e r t h e n t h em e t h o d sf o r d e t e r m i n i n gc o m p a c t i o nt e c h n i q u e s a n d c o n t r o l l i n gc o m p a c t i o nq u a l i t ya r ep u tf o r w a r di nr e n z a is e c o n dc l a s sh i g h w a y i n g u a n g x iz h u a n g a u t o n o m o u sr e g i o nt h i s s t u d y a l s o d e s i g n e d s e t t l e m e n t o b s e r v a t i o np r o g r a mi nt y p i c a ls e c t i o n ，s os e t t l e m e n td a t a sn o to n l yo f r o a d b e d b u ta l s oo fr o c kf i l le m b a n k m e n tc a nb ea b t a i n e db o t hd u r i n gc o n s t r u c t i o np e r i o d a n da f t e rf i n i s h e dt i m e ，w h i c hc a nb eu s e dn o to n l yt o m o n i t o rt h es t a b i l i t yo f r o a d b e db u ta l s o p r o v i d e f u r t h e rr o c ke m b a n k m e n ts e t t l e m e n t a n a l y s i s w i t h r e l i a b l ed a t as u p p o r t b e s i d e s ，b a s e d o nd i s c u s s i o n o ft h e e x i s t i n g s e t t l e m e n t c a l e u l a t i o nm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r d i nl i g h to fd e n c a n - c h a n gn o n l i n e a re l a s t i c m o d e li n t h i sp a p e r ap r a c t i c a l c o m p u t e rp r o g r a m i sw o r k e do u ta n dm u c h s e t t l e m e n tc a l c u l a t i n gw a sc a r r i e do u tb yt h i sp r o g r a m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e t h e o r e t i c a lv a l u e sa g r e e dw e l lw i t ht h o s ep r a c t i c a lo n e s a f t e ra n a l y z i n gt h er o c k f i l le m b a n k m e n ts e t t l e m e n td a t a w i t hp r o b a b i l i t ym e t h o d ，ac o n c l u s i o nc a nb e m a d eo rd e d u c e dt h a tt h ee m b a n k m e n tc o m p a c t e db yt h em e t h o di nt h i sp a p e rh a s r e a c h e de l a s t i cs t a t ea n dc a nm e e tv a r i o u sk i n d so fd y n a m i c sd e m a n da sr o a d b e d k e y w o r d ：r o c ke m b a n k m e n t ，s e t t l e m e n to b s e r v a t i o n ，c o m p a c t i o n ， q u a l i t yc o n t r o l ，d e n c a n c h a n gn o n l i e a re l a s t i cm o d e l ，p r o b a b i l i t ym e t h o d ) 湖南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 公路是国民经济的重要基础设施，它承担着经济建设繁重的运输任务。随着我 国国民经济的迅速发展，国内公路建设已达到空前的繁荣，尤其是高等级公路的大 量兴建，其规模之巨大，对新工艺、新技术、新设备的开发和引进之多前所未有， 我国交通事业日新月异，面临着高速发展的大好形势。 随着我国国民经济的发展，人们的出行理念也发生了巨大变化。我国公路的 设计思想从“走得了”为原则已逐步发展到以“走得好”为基准，对公路的行驶速 度、行驶舒适性提出了更高的要求。修建高等级公路成为社会前进的必然趋势。 2 0 0 0 年，全国新增公路里程1 1 0 0 0 0 公里，高速公路6 5 0 0 公里，一、二级公路达 3 5 0 0 公里。以高速公路为代表的大批高等级公路的建成通车缩短了地区之间的距 离，促进了流通，极大地推动了各地区经济的发展，坚定了我国大力发展高等级公 路建设的决心。我国公路交通发展规划将继续完善以连接全国重要城市、交通枢纽 的国道主干线系统。 随着公路设计等级的提高，必然遇到前所未有的一些问题。如过去，当路线 跨越深沟或穿过地面物障时，一般能绕过去则尽可能绕过去，那样虽然延长了距 离，但是路基修筑对地基的扰动小，荷载也小，避免了路基、地基的稳定性问题。 然而对于高等级公路，为了满足线形要求，对上述地段一般都采用高路堤和深路堑 通过，其不仅本身的设计和施工复杂，而且对周围的地质环境带来的扰动也比过去 的“盘山”公路大得多。因此，如何确保高路堤和深路堑下的地基及路堤本身的稳 定则成为山区高等级公路建设急需解决的关键问题之一。 111 高填石路堤沉降观测的相关溉念 1 高填石路堤的概念和特点 “高”是一个模糊的概念，我国公路规范中对高路堤没有明确、严格的定 义，一般情况认为当路堤填筑高度为1 2 m ( 碎石、粗砂、中砂为路堤填料) 或2 0 m ( 其他材料) 可视为高路堤。与一般路堤比较而言，高路堤具有以下几个特点： 填筑高度大，需要对路堤边坡进行验证。要求路堤本身具有足够的整体强度和边 坡稳定性；由于高路堤填筑断面面积很大，填筑工程量巨大，路堤的填筑缺陷相 对较多，填筑质量保证较为困难；路堤本身累积沉降大对路堤单位填筑高度的 工后沉降量要求更严格；由于荷载相对较大，需对地基强度进行验算，要求地基 承载力高、稳定性好：地基沉降大，填筑过程中需对地基进行监测，控制总沉降 量和沉降速率，确保高路堤地基的稳定。因此在公路： 程中高路堤一般较受重视， 湖南大学硕士学位论文 无论是路堤本身的填料、边坡还是地基承载力都需要在测得相应参数后进行设计和 验算，在施工中如果没有相关施工经验还要进行施工监测。 在山区，缺土而多石，广大群众利用当地盛产的石料修筑包括道路在内的各 种建筑物，过去因为缺乏相应的压实设备，路堤中部一般采用自然堆积，边坡人工 码砌的方法修筑。采用这种方法修筑的山区低等级道路一般能够满足使用要求。通 常，采用普通细粒土修筑的路堤称为“填土路堤”：而采用石料修筑的路堤则称为 “填石路堤”。对填石路堤通常又可按如下划分：当填方路基的填料粒径大于 2 m m 的颗粒含量大于7 0 ，粒径 o 0 7 4 m m 的颗粒含量小于15 时，统称为石质 路堤；5 m m 以上中砾( 石屑) 含量大于5 0 ，粒径 ( p 。一p ，) 时的分层数； c 。，一一第i 分层的回弹指数： p 。，一第i 分层的先期固结压力。 对于卸 ( 见一p ，) 土层 & m ，= 喜去一s ( 警 ， 式中：”一一卸 ( n p ，) 时的分层数。 欠固结土： = 喜击m 警 分层总和法计算沉降概念比较明确，计算参数容易取得，因此在工程中得到广 泛应用。 3 差分法和有限元法 自六十年代以来，随着计算机的广泛应用和发展，差分法和有限元法使具有非 线性应力应变关系、非匀质、各向异性的材料在复杂边界条件下的求解成为可能， 在工程领域得到广泛应用。但是采用该方法需要确定大量参数，对试验设备和实验技 术的要求很高。 3 24 地基的沉降规律 地基在荷载作用下沉降将随时间发展，其发展规律一方面可以通过土体固结原 理进行数值分析进行估算。但是由于固结理论的假定条件和确定计算指标的试验技 术上的问题，使得实测地基沉降过程在某种意义上较理论计算更为重要。通过大量 的观测资料的积累，可以找出地基沉降过程的具有定实际应用价值的变形规律， 也可以根据路基施工时的实测沉降资料和已取得的经验进行估算，这也是工程中最 为常用的方法。 利用沉降资料进行路堤沉降随时间发展的常用方法有两种”】： 1 ) 双曲线法 湖南大学硕士学位论文 s t = s o - f 赤( 3 _ 1 9 ) 式中：s 。一初始沉降； s 一f 时刻地基沉降； d ，6 一一如图3 7 将荷载不再变 化后的3 组早期实测数据代入上式组 成方程组求得的系数。 2 ) 指数曲线法 s s 。= 【1 4 8 ”】sr ( 3 - 2 0 ) 式中： s 广一最终沉降； 图3 7 沉降与时间关系曲线 爿，占一一系数求法同口，6 。 上两式简单实用，但是其前提是假定荷载一次施加或者突然施加的，这与实际 情况不符，因此上述方法尚可改进，有研究5 5 1 将路堤荷载分为若干个加载阶段，假 定各级荷载增量所引起的沉降可以叠加。然后以上两公式任一种分别对每一级荷载 进行计算叠加得到最终沉降，以公式3 2 0 为例得： s ，= 1 - a e 岬，) 国， ( 3 - 2 1 ) f = j 式中：f ，一一某级荷载增量加荷起始时刻； o 。一荷载增量的大小； c 一经验系数。 3 3 填石体沉降分析 3 3 1 填石体压缩变形机理 填石的渗透性很大，填石与普通细粒土在组成上最大的区别是填石颗粒问的空 隙中没有水份驻留。因此填石的压缩变形机理与细粒土有差别。填石在荷载作用下 的压缩通常由三部分组成：填石在荷载作用下，克服颗粒间的摩擦力，产生滑动 和滚动，移动到较为密实和更为稳定的平衡位置上去，孔隙被压缩，填石体密实， 体积减小，这是填石体压缩的主要部分；填石颗粒本身或棱角在荷载作用下产生 破碎，填充到孔隙中去，造成填石体体积减小，这是填石体压缩的次要部分：填 石骨料颗粒在荷载的作用下产生弹性变形，引起填石体体积压缩和颗粒的剪切变形， 这部分变形数量极少。因此在研究填石体变形时主要研究前两种变形。 在土石坝工程中，堆石沉降曲线与坝体原型观测沉降曲线表明，堆石的变形可 湖南大学硕士学位论文 分为两部分：一部分为瞬间变形即加荷以后立即发生的；另一部分在较长的时间内 持续发展，这反映出堆石变形具有蠕变性质。这两部分变形各自遵循不同的规律。 前者是由于颗粒剪切变形和易位，孔隙体积减小引起的，其中包含部分弹性变形和 塑性变形；后者是由于颗粒间应力重新分布，引起颗粒棱角破碎结构调整而产生的。 堆石这种变形所表现的时间效应，同样适用于填石路堤。 因此填石路堤本身的沉降由两部分组成：填石各层在施加荷载的瞬间产生的 沉降总和，这部分沉降在施工期荷载施加完成时完成：填石各层及路面荷载完成 后较长时间内蠕变产生的沉降总和，这部分在荷载施加完成后的时间段内逐渐发生。 蠕变并非严格在公路竣工之后才开始发生的。填方路堤都是进行分层填筑施工，各 层次施工的工序间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。这种蠕变不是连续性的，因为填石颗粒产生蠕变的主要原因是因为颗粒 间应力重新分布、引起颗粒棱角破碎产生的，那么在分层填筑的时间间隙内产生的 应力重新分布就会被下工序添加的荷载所破坏，蠕变重新开始。在本研究课题中 大部分路堤均在较短的时间内完成，填筑间隙时间较短，因此在分析计算施工期路 堤沉降中不考虑蠕变影响，仅考虑其瞬间沉降。 332 施工期填石路堤的压缩变形指标与压实质量关系 计算填石体压缩变形指标是评价它的压缩变形性质最为直观的方法。工程中常 用的压缩变形指标有： i 压缩模量丘 填石的压缩模量是指填石在侧限应力条件下压缩时，其压缩应力与相应压缩应 变的比值，计算式如下： e ：旦：望( 3 - 2 2 ) 。 占a s 式中：口一一压缩应力； r 一一压缩应变。 2 变形模量e 填石的变形模量与压缩模量不同，它指的是填石在侧向无约束的条件下进行压 缩时，其压缩应力与相应压缩应变的比值。变形模量在理论上可以根据虎克定律 由压缩模量求得。当填石在侧向受限制的条件下压缩时，它在竖向的应变为： 1 s ：= - 2 t p ：一4 p ，+ p ，) 】 ( 3 - 2 3 ) l 式中：p 。、p y 、p ：一一沿x 、y 、z 轴方向的应力 。一沿p ：方向的应变 由于侧向受限，填石在x y 方向的应变为0 ，即：q = s 。= 0 ，因此可得下式： 湖南大学硕士学位论文 胪驴( 击) 胪即： 式中：杨一一静止侧压力系数 将式( 3 - 2 4 ) 代入式( 3 - 2 3 ) 整理得： = ( 一苦) 毒= 掣巨 ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 3 垂直压缩模量e ，： 该模量是堆石坝施工期的压缩模量，是指大坝的分层在其上荷载下的压缩量。 因为在大坝轴线附近堆石的压缩可以认为是在侧限条件下进行的，因此其意义与压 缩模量相同，计算公式为【4 】： e ：丝( 3 - 2 6 ) ” s 式中：y 一一填石路堤容重： 一上部填石高度； r 一一计算层厚度： j 一一观测沉降值。 3 4 本文沉降分析的作用及方法 34 1 地基沉降分析的作用及计算模型 本文作为“高路堤施工技术与质量控制研究”课题的子课题，其重点是研究高 填方路堤荷载作用下路基的承载力和稳定性等。由于承载板的作用面积有限，而高 填方路堤作用在地基的宽度可达上百米，采用承载板进行承载力试验，不能准确反 映地基的反应。因此本文拟用沉降观测的方法对高填方作用下的地基进行实时监测， 通过对观测数据的分析既可及时发现地基稳定性问题，又可以总结其规律以指导以 后的山区公路建设。如前所述，常规的沉降分析方法存在着需要大量的参数和试验 设备，故本文拟采用邓肯一张弹性非线性模型作为地基土的应力应变模型，考虑地 基土的竖直方向的各向异性特性，提出一种新的较适合高填方路基的分层总和法， 计算图示如图3 7 所式。 塑塑奎堂堡主兰壁垒壅 一一 。c ，、一_ _ 一yz 。l 二td ，et ) 一一一一一 一一一一一一- 一1 j _ 一j _ 一 一一1 一一一一 一一_ _ 一_ l 一k e 翌二三互二二墨= 匿i 王j 三i 五墨互墨至三童j 五直三二至= 五翌：! 萎譬誓。互二二。二誓罡二二王= 西3 图3 7 高填方路基计算图式 1 自重应力及附加应力计算 路堤荷载下地基的附加应力场采用同样荷载下弹性半无限空间体所产生的附加 应力场，受力模式为平面应变。自重应力随地基深度线性增加，计算公式如下： o - c ；= 盛赫 2 7 ) 吖一不并可 七 仃= y z ( 3 - 2 8 ) 式中：z 一一地基深度： x 一计算点距路堤中线距离； ，一一路堤底面宽度； r 一一计算点距积分微元间距： y 一一地基土容重。 2 地基各层应力状态与弹性模量计算 地基中一定深度土的应力状态与弹性模量随路堤填土荷载的不断变化而变化。 如图3 - 8 为地基土体在没有荷载、施加了一、二层荷载时候地基的应力状态。土体 固结应力取土体自重应力下的侧向压力。对于粘性土的侧向压力系数按公式 【48 1 k o = 09 5 s 加曲计算。因为填石路堤的分层填筑的施工时间间隙较短，没有特意留 出地基士的固结时问，因此本文认为在施i i 期间地基中任意一处土体的弹性模量不 湖南大学硕士学位论文 随时问变化，即固结应力盯3 不变。 o1 2yz 一一 ji _ 0 ( a ) o1 2yz 二 oc = 1 i 璺堂一乙一。 一一 一ol 一 ( b ) o1 2y z 十。一 _ _ l l jl o ( c ) 图3 8土体应力状态变化图示 a ) 表示土体的没有路堤荷载时的原始应力状态，其应力为： 盯i = j , z ，盯3 = k o 芦， b ) 表示土体的受第一层路堤荷载时应力状态，其应力为： 。l y z j + 口口1o - 3 = k o 归，a o 】= 盯“l c )表示路堤荷载继续增加时地基土的应力状态，其应力为： 盯i = 芦l + 仃c ：2盯3 = k o la o - i = 盯“2 一盯c r l 因此若取路堤填筑高度为0 时仃。= 0 ，则在路堤填筑第f 层时，地基深度z 处的应力为： 盯l = 尸t + 盯口，盯3 = k o 尸 模量为： 邑= l 一。b ，。训2 印。( 詈) ” z ， 应力增量为： a c t f3 盯“，一o c x ( 1 _ 1 1 3 各分层沉降计算 在计算各层次的沉降变形时，本文采用分层总和法思想 ( 3 3 0 ) 即认为各分层内应力 应变为常数。第i 层地基在路堤填筑第j 层时土的应变为： s ) = c 盯) ，在 a c t l 中只有竖向发生变化，因此竖向应变为： a s p = 盯e q ( 3 ，3 1 ) 湖南大学硕士学位论文 其中：4 口，一一第f 层地基在路堤填筑第j 层时的土的应力； 4 f ，r 一第f 层地基在路堤填筑第j 层时的土的应变： 日，一一第f 层地基在路堤填筑第j 层时的土的弹性模量。 在路堤填筑第 层，地基沉降量增加量为： 月 a s j = ( , a o - ，x 出，e ) = 1 。 填筑第i 层时，地基总沉降量为： mn s = 硝，= ( 盯。出。e 。) 户lj = l l i l 式中：”，m 一地基分层数和路堤填筑层次数量。 4 沉降计算程序设计 根据上述计算方法和理论，本文开发了 用于沉降计算的计算机程序，程序框图如图 3 - 9 所示。 34 2 填石体沉降分析的作用及计算模型 振动压实理论和实践”“说明碾压机械 对被碾压土、石体的作用深度是有限的。土、 石体超过一定厚度，碾压后上下层的密实度 相差很大。碾压机械作用在已经密实层的上 部，填石层表面的沉降很小，造成填石已经 压实达到弹性状态的假相。但是在上部荷载 的作用下填石层密实度不足将会导致下部继 续沉降，路堤顶面的沉降将过大。因此仅仅 依靠沉降观测来确定压实参数是不够的。碾 压试验时还必须取样抽查填石体的干密度以 确保碾压机械能够压实整个填石层。但是取 样的工作量很大，实施起来也很困难，取样 不足成了碾压试验中的主要问题。现场密度 取样资料不足成为论证碾压参数、认识填石 压实效果的主要障碍。 ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) f 输入地基路堤参数 j 囹 。西。一生一一一通9 ，一 ly l 兰三刭 一。五如一盟一一 1 y 算地基附加应力自重应力j 【计算地基模量e tl 讦雾i 撅沅阐 【计算累计沉降i 亘至羽 广i = i r j 订一 匮煎塑亟卧 | = 趸馥 图3 - 9 沉降计算程序框图 已经压实好的填石层的上部还可能继续填筑，如果将其上部的填石层作为荷载 来对待，那么就可以通过分析该层填石在上部荷载作用下的压缩量来分析填石层的 整体力学、变形性能。因此填石层沉降分析的作用就是通过施l ：期填石的压缩量和 压缩变化率分析来检验填石路堤压实工艺的效果。 3 7 湖南大学硕士学位论文 本文将采用垂直压缩模量e ，( 计算公式为3 2 6 ) 以及压缩变化率来反映填石的 力学状态。文献【2 认为填石必须压实到弹性状态才能保证填石路堤对工后沉降的要 求。根据弹性状态的含义，如果填石的压缩变化率并不随上部荷载的增加而增大， 则可以认为已经达到弹性状态。 在公路工程中，路堤沉降变形的大小和均匀程度不仅受力学因素的影响，还受 当地的水文气候的影响。因此即使路堤的力学强度能满足要求，也不能认为所使用 的压实工艺能够满足路堤施工要求。路堤的压实程度还必须保证路堤的工后沉降能 够满足要求。因此本课题将对填石路堤进行工后沉降观测，论证目前所确定的压实 工艺的可行性。 湖南大学硕士学位论文 第四章高填石路堤沉降观测方法 4 1 碾压试验与填筑参数确定 4 1 1 碾压试验的目的 碾压试验就是在工程施工条件下，对所采用的填筑材料进行填筑和压实的试 验，其目的是： l 核实所定压实度标准是否合理，在当前施工条件下是否能达到： 2 选择合适的碾压机械能量和类型，比较其经济性； 3 确定合理的压实参数，如：松铺厚度、碾压速度、碾压遍数； 4 制定碾压和填筑施工细则； 412 碾压试验的内容和参数组合 试验前应该根据可用的设备情况、工地取水情况初步选定几种碾压设备、碾压 参数进行组合。本研究根据现场具体情况，具体选取如下参数： 1 松铺厚度：5 0 t i n 、8 0 c m 、1 0 0 c m 、1 2 0 c m ，填料粒径不得大于铺层厚度 的2 3 ，大于此粒径的石料必须在铺筑之前破碎。 2 碾压机械：y z t i 8 型振动压路机。 3 行车速度：2 3 k m h 。 413 试验场地布置 试验场地规定不小于3 0 x9 0 m2 ，在试验场地按不同铺层厚度和碾压遍数布置 试验单元面积。每个单元面积的长度，以能获得2 个试样检查压实密度为宜，其宽 度以振动碾轮宽度的3 倍为宜。按铺层厚度布置试验组数，组与组之间距离8 1 0 m ，每个单元内布置2 1 5 m 的方格网，以测量压实沉降量。 4 1 4 试验步骤 1 检测振动压路机工作特性参数，如振动频率、振幅、碾重，并做好详细记 录。 2 平整和压实场地。试验场地必须进行平整处理，对试验场地的基面应进行 压实处理以减少基面对碾压试验的影响。 3 铺筑填料，用推土机按试验计划铺筑填料达到相应的松铺厚度，并用静压 一遍。 4 布置方格网测点，并在填筑区外设置控制基桩，在各单元的网格测点上以 颜色标记和编号，用水准仪测量并记录其初始厚度和相对高程。测点上应铺垫一块 平面尺寸为5 0 5 0 x1 c m 的木板。 3 9 湖南大学硕士学位论文 5 按试验方案确定的碾压行车速度、碾压遍数进行试验。两条相邻碾压带连 接处，应存在5 l o 的振动滚筒宽度的压痕，不应重叠。 6 测量压实沉降值，压实过程中每碾压一定遍数后，按步骤4 的方法测量各 网格测点在碾前碾后的相对高程变化，记录碾压遍数，根据公式4 1 和4 2 计算出 每一单元的平均沉降值和平均沉降率，彳h 变化在0 附近波动时停止碾压。 n ( 矗。一玑) 平均沉降量a h = 旦l 一 ( 4 1 ) 甩 a 厶 平均沉降率2 = 等1 0 0 ( 4 - 2 ) 爿 其中：h ，、h 一一碾压前、后各网格点的相对高程： 一试验单元内测点数； 一试验单元的平均松铺厚度。 7 采取灌水法现场取样进行密度试验。得到的密实度为该铺层厚度碾压能够 得到的最大密度。 415 试验结果整理和碾压参数选定 1 结果整理： 根据上述观测和取样结果，整理出在各铺层厚度下的各条关系曲线：碾压遍 数一一平均沉降率( n - p ) ；铺层厚度一一压实度( h - p m a x j 。 2 碾压参数选定： 选择一组可以压实达到的规定压实度的铺层厚度及其相应的可压实到稳定密度 的压实遍数，进行经济比较后选择施工控制参数。 4 16 冲击压实技术的应用 冲击压实机是拖车牵引三边形或五边形双轮来产生集中的冲击能量达到压实土 石填料的目的。图4 一l 所示为冲击式压实机。其基本原理：运行中由轮子大小半径 的差值( h = r r ) 对地基产生的压实能量相当于冲击力达2 5 0 0 k n 的重击，其压实功 能是目前最大振动压实机械的1 0 倍以上，是将当前振动压实的高频率、低振幅改 为高振幅、低频率，大大地增加了对土石方的压实功能。冲击压实机在土石方压实 作业中，突破了传统的碾压方式，当其一角立于地面，向前碾压时，产生强烈的冲 击波向地下深层传播，具有地震的传播特性，压实深度随碾压遍数递增，从而使土 体碾压均匀、密实。冲击压实技术因其功能大，速度快，经冲击压实后的路基沉降 很小等优点近年来在我国高等级公路填石路堤压实作业中得到了较为广泛的应用。 为了进一步提高本项目工程的路基填筑质量，消除路基质量隐患，保证路堤的稳定 4 0 湖南大学硕士学位论文 性，决定在本项目对填筑到路床标高的填石路堤顶面采用路特欣冲击式压实机进行 冲击压实，压实遍数为2 0 遍。图4 - 2 为路基冲击压实后的施工现场图。 图4 1 冲击式压实机图4 - 2 冲击式压实机施工现场 4 2 沉降观测方法 421 观测目的及内容 根据前文的论述，本课题做沉降观测的目的主要有以下几个方面： i ) 填石路堤高度达三十米以上，其对地基表面的竖直压力大于6 0 0k p a ，为 了确保地基能在稳定状态下工作，以利于及时发现问题，施工中必须加以有效监 测； 2 ) 通过沉降观测数据的理论分析，进一步揭示山区地基在大荷载作用下的压 缩规律： 3 ) 路堤采用碎石和块石作为填筑材料，一方面块石之间不易嵌锁密实，路堤 要做到密实、均匀、稳定，难度较大；另一方面填石路堤必须压实到弹性状态才可 以保证路堤本身不发生过大的工后沉降，因此必须通过观测取得填石层沉降数据， 揭示填石压实后的状态： 4 ) 国内对填石路堤在公路运营过程中沉降规律的研究开展得很少，通过工后 沉降观测可以取得大量数据，利于开展填石路堤沉降规律的研究。 1 沉降观测需要获取的数据及技术方案 1 ) 地基沉降数据 4 湖南大学硕士学位论文 地基表面垂直沉降数据和水平位移数据，通过这部分数据的测量可以监测地基 的稳定性情况。观测中将沉降板直接放置在清表后的地基表面，通过沉降管高差变 化反映地基沉降量。地基表面沉降示意如图4 - 3 所示。 图4 - 3 地基表面沉降观测方法示意 2 ) 填石层在其上部荷载作用下的分层沉降数据 通过分析压实后填石层在其上各级荷载作用下的压缩变形，可以分析填石的弹 性状态，观测中将两块沉降板分别放置在所需观测的地基表面和填石层上，通过观 测俩块地基板的沉降差即得填石层的压缩量。分层沉降示意如图4 - 4 所示。 图4 - 4 填石分层沉降观测方法示意 3 ) 竣工后路堤表面的沉降数据 通过这部分数据可以分析填石路堤在工后环境、荷载作用下的沉降变形情况， 一方面可以论证施工期压实工艺的效果，另一方面可以研究填石材料的工后蠕变特 性。 2 观测设备 1 ) 沉降板构造 沉降板板块选用15 m m 厚钢板，尺寸3 0 3 0 c m ，沉降管选用中7 5 镀锌钢管， 其构造如图4 - 5 所示。 4 2 湖南大学硕士学位论文 、 笪丝垒 沉降管 沉降板 = = = = = = = = = = = = = = = = = l 。j 图4 - 5 沉降板图示 2 ) 观测仪器设备 本次沉降观测采用带测微装置的精密水准仪。 42 2 高程控制测量技术要点及观测步骤 1 高程控制点的布设 高程控制点是进行沉降观测的基本依据，应布设成控制网按统一的观测精度施 测。控制点布设要均匀，一般至少要有三个控制点，且应布设在不易被施工破坏的 稳定、坚固地区。 2 高程控制测量的作业方案与技术要求 一般采用精密水准仪按二等水准测量方法施测三个水准点的高程，主要技术规 格见表( 4 1 ) 、表( 4 - 2 ) 和表( 4 - 3 ) 。 表4 1高程控制观测主要技术规格及限差 仪器类别观测方法观测次数 闭合差( m m ) 3 【j5 往返各一次或闭合 s 。 水准仪光学测微法0 3 4 n 观测 注： 为测站数 表4 - 2二等水准观测的视线长度、前后视距差、视线高度的要求 视线长度 l 标尺类型前后视距差( m )前后视距累积差( m )视线高度( i n ) ( m ) 因瓦 6 01 03 0o 5 湖南大学硕士学位论文 表4 - 3二等水准测量的测站观测限差 黑、红面所测高差之差上下丝读数平均值与中丝读 黑、红读数差( m m ) ( m m ) 数的差( m m ) 0 50 73 0 3 水准仪的操做应注意以下各点： 1 ) 要做到观测者、仪器、标尺、测站、线路五固定： 2 ) 要选择有利的观测时间； 3 ) 仪器和前后视标尺尽量在一直线上，仪器的两脚与水准线路平行，另一 脚放置于线路两侧； 4 ) 在同- - n 段往返测，不得两次调整仪器焦距： 5 ) 每一测段往返测，测站数应为偶数。其观测顺序为：后一前一前一后，由 往测转向返测时，两根标尺应互换位置，并重新整置仪器： 6 ) 水准点每隔一段时间应进行复测。初期每月复测一次，以后逐渐延长： 7 ) 外业观测时，应切实做到将每个观测原始数据准确记录在表格中，妥善 保管，每项限差均应符合上述要求，否则应及时予以重测。 4 2 3 沉降测量技术方案 1 试验路段布设 本课题重点在于对超常荷载下地基的稳定性和沉降规律的研究以及高填石路堤 压实特性等进行研究，软土地基的稳定不属本课题研究重点，因此试验路段选择的 原则是：常规山区地基在本研究路段中填石高度最大的地方。此次研究并不把试验 重点设置在需要进行沉降观测的软土地基路段，而选择在广西山区普遍存在的碎石 土地基路段上，一方面是因为填石的压实没有成熟经验可依循，另一方面是为了使 本项目的研究成果能够直接用于指导广西壮族自治区其它高等级公路的修筑。如在 软土地基上修筑填石路堤，与普通路堤修筑程序相同，必须先进行软土地基处理， 达到允许的承载力后再填筑路堤。 2 沉降板的埋置及沉降管套接方法 沉降板埋设在所需观测地基或路堤分层的表面，首先在该表面填筑一层填石并 压实完后，由施工人员人工开挖( 或辅助以小型机具) 至原层次表面，挖孔尺寸1 o m 1 o 矾埋设第一块沉降板。用水准尺调整沉降板使镀锌管垂直，然后用水准仪测 量沉降管项高程，回填碎石到开挖前高程，沉降管项端将会在开挖前面层下1 0 c m 左右处，防止在下一层填石填筑时填料和机械对它的碰撞。镀锌管的顶端用钢盖盖 湖南大学硕士学位论文 住管口，防止填料落入空心管中。以后其上每进行一层填土和压实，都按上述方法 人工挖洞找出下一层的镀锌管，再套接相应长度镀锌管并在管口盖上钢盖。 3 沉降板的观测方法和要求 沉降点布设时，首先需计算出各个断面处的路中线和路基边线各个沉降点的坐 标，在埋置沉降板时应利用导线点对各个沉降点进行实地放样，以确保各个沉降点 确实处于路中线和边线上，另一方面还可方便今后沉降点的找寻。 观测时需注意以下各点： 1 ) 采用后一前后的观测程序，两次后视读数较差不应超过1 m m ，取平均读 数为计算值； 2 ) 视线长度不应超过l o o m ，且前后视距差不应超过5 o m ； 3 ) 沉降观测的路线、观测的季节以及所使用的仪器和标尺应相对的固定； 4 ) 用于观测的镀锌管安装应严格按规定进行，安装必须稳固，端口必须用钢 盖封住，防止泥土落入空心管中影响测杆下沉自由度； 5 ) 在施工期间，需要有专人对测杆进行安装、保护和监测，测最标志一旦遭 受碰损，应立即复位并复测； 6 ) 为快速、准确找寻测点，每测点宜用全站仪观测其平面位置并做记载，外 业观测数据记录清晰、规范并妥善保管，不得遗失。 外业观测具体的操作步骤为：从地基表面开始，第一层填石压实后，立即用全 站仪放样拟定的观测点，在观测点处人工挖孔，将沉降板置于地基表面，然后立即 用水准仪观测镀锌管顶端的初始高程，将孔用碎石回填密实后，再进行上一层的填 石施工，压实后，立即用人工挖孔找出下一层已埋置的镀锌管，再次用水准仪测定 镀锌管顶端的高程，该高程值与初始高程的差值即为该点的沉降值。然后套接相应 长度的镀锌管，套接后镀锌管顶端以距离填石层表面15 c m 为宜，立即观测顶端的 高程，用碎石回填密实，再进行上一层施工。两次沉降值之和便为路基填石两层后 沉降板的垂直下沉值。依此类推，直到路基顶面标高，即可获得路基填筑完成后各 观测点处地基的沉降值。 4 注意事项 1 ) 精密水准仪属精密电子或光学仪器，在仪器的搬运、迁站过程中，必须注 意仪器的防震，确保仪器性能稳定： 2 ) 高程控制点( 即永久性水准点) 在与国家水准点联测时，可按等外水准测 量的技术要求进行往返观测，若实验路段已有稳固的又便于观测的永久性水准点 时，该项工作则可省略； 3 ) 为了沉降观测的方便，在离试验路段较近地段，根据观测需要选择3 - 4 个 水准点做为工作基准点。其高程的获取可由永久性水准点按二等水准测量的技术要 求分别引测支水准路线取得； 4 5 湖南大学硕士学位论文 4 ) 水准工作基准点因离施工现场较近，点位会随施工现场变动而变化，因此 工作基准点的高程可能会有异动，观测时若发现变形点的沉降数据异常时，应及时 检查工作基准点的高程，必要时应重测，一定要检查出数据异常的原因所在； 5 ) 在基底放置沉降板时一定要采取措施保证沉降板水平、沉降杆铅直，然后 再用土回填。放置沉降板时可用水平尺检验校正； 6 ) 沉降管在施工中应派出专人负责监管，防止被施工机械碰斜或撞断，观测 时应对施工情况加以文字描述并记载于沉降观测点成果表中。 5 加荷速率控制 加荷速率直接影响着沉降速率的大小。一旦加荷速率过快会对土的结构性产生 严重的扰动，造成沉降速率过大且难以稳定，这对工程是非常不利的。故在软基上 填土时应控制填土速度，一般加荷速率应控制在平均每月填筑1 o m ，沉降速率控 制在1 0 m m d 以内；在普通土上，应计算分析沉降速率大小，如果地基沉降速率变 化较大要停l e 该断面施工，分析原因。 4 3 观测结果整理 4 31 观测试验路段选择 本次试验路段选择在全线填石路堤最高的地段，填筑高度基本在3 0 m 以上。观 测选择了k 4 2 + 5 6 0 、k 4 2 + 5 8 0 、k 4 2 + 6 0 0 、k 4 2 + 6 1 5 四个断面共8 个观测点。对于 填石层每填筑6 m 进行一次分层沉降观测。 4 3 2 现场数据整理 1 观测中存在的问题 1 ) 数据的缺失：每填筑一层填石，为了套接沉降管，都需要用将刚填筑的填 料挖开找到沉降管顶部套接f 一根沉降管。观测方案中规定采用人工开挖方法，但 是在实际操作中，人： 开挖工作量大，速度慢，因此采用挖掘机开挖。在观测初 期，部分观测点的沉降管有被挖掘机挖断过的现象，造成观测数据的缺失和不连 贯。 2 ) 沉降管的扭曲和倾斜误差：在填石填筑碾压过程中，大吨位碾压机械的振 动作用会使下层已压实填石层产生一定的水平位移导致沉降管产生一定的扭曲和倾 斜，带来一定的观测误差。倾斜误差可以采用通过全站仪观测测点水平坐标，计算 沉降管顶点偏移量进行倾角修正来消除，而扭曲误差的影响无法计算和消除。 2 数据整理 塑堕奎堂堡主兰堡笙兰 为了能够实现路堤填筑的动态检测，及时工程问题，要求所观测数据现场进 行处理，计算每层填石地基的沉降量，并绘制填土高度一一沉降关系图。对于观测 过程中出现的意外要在备注栏中加以说明a 湖南大学硕士学位论文 第五章现场实测数据分析 本课题建设项目目前该公路仍然正在施工期间，但部分填石路堤已达路堤设计 标高，取得了部分沉降观测数据，下面按本文所述沉降分析方法分析如下。 5 1 地基表面沉降数据分析 5 11 观测原始数据 1 时间过程曲线 时间过程曲线是描述地基沉降随时间和填筑高度的变化曲线，是观测过程最基 本的曲线，可反映出工程状态参数的动态变化过程，图5 1 是k 4 2 + 5 8 0 ( 左5 6 米) 路段( 数据编号s 4 1 ) 的地基沉降观测曲线。其他几组沉降观测曲线形式基本 相同，限于篇幅，在此不一一罗列。 3 0 e2 0 巳1 1 0 0 5 0 10 0 15 0 2 0 0 h e i g h t t i m e - s e t t l e m e n ， 。 。 f 、 、 j 一 、 f i 8 砸 一 j 3 1 4 - 1 图5 1地基沉降一时间一填筑高度关系图 2 沉降量与沉降速率 地基在荷载作用下的总沉降量和沉降速率反映了地基的安全性和稳定性，本课 题填石路堤地基总沉降量及平均沉降速率如下表5 1 所示。从表中结果可以看出， 地基在当前荷载下的平均沉降量小于l m m ，我国公路软土地基处理规范规 湖南大学硕士学位论文 定，使施工中的软土地基的平均e t 沉降量不得大于5 m m 。对于普通地基相关规范 并没有规定。在地基载荷试验中，规定每级荷载旌加后，当连续2 小时内每小时的 沉降量小于0l m m 时可以认为地基在当前荷载内已经趋于稳定，