（岩土工程专业论文）高速公路软基路堤预抛高对工后沉降的影响研究.pdf

摘要 工程实践证明：软基路堤预抛高是控制工后沉降的有效手段。本文通过施工实测 数据分析、理论计算、室内试验等方面对预抛高技术的理论依据作了初步研究。 首先基于路堤填土厚度、沉降与时间实测数据序列建立了一种预测工后沉降的模 型，分析了模型在土力学上的物理意义。在该模型的基础上，根据不同的路堤高度、 软基深度以及工后控制时刻，分别推导出路堤预抛高的计算公式。 其次通过次固结试验，提出了次压缩简化模型。本文根据软土重塑试样的次压缩 试验结果，研究软土在超载预压后，经过卸荷回弹再加荷后的次压缩变形规律。研究 表明：不论再加荷压力的大小，再压缩过程均存在主固结过程，进入次压缩变形的时 间基本相同，较原压缩过程的主固结时间大大缩短；次固结系数在较长的时间内和时 间没有关系，随着再加荷压力的增大而增大，随着预固结压力的增大而减小；次压缩 应变和超载比之间具有规则的对应关系，可以用双曲线简化模型模拟，用线性拟合法 确定模型参数；根据次压缩应变的简化模型建立的次压缩沉降计算公式，反应了软土 本身性质、预固结压力和再加荷压力的影响，还反应了次压缩变形随时间延长最终趋 于稳定的特征。工程算例数据和实际工后沉降观测数据表明，使用本文改进的次压缩 沉降计算公式计算的结果具有较高的可靠性，较之传统的次压缩沉降计算方法具有明 显的合理性。 研究路堤预抛高对软基工后主固结沉降、次压缩沉降的影响。分别采用殷宗泽教 授方法和次压缩简化模型计算不同路堤预抛高情况下的路基工后次压缩沉降，计算结 果表明，路堤预抛高对工后次压缩沉降的影响很小。利用一维固结理论对软基下卧层 的工后主固结沉降进行计算分析：随着路堤预抛高的增加，下卧层的工后主固结沉降 是逐渐增加的，在设计基准期1 5 年内，路堤高度每抛高5 c m ，下卧层的主固结沉降 约增加1 7 c m ，影响并不明显。 通过工程实例介绍了路堤预抛高在不同性质的软基相临路段、软基与非软基相 临路段、软基路段与桥梁结构物相连处、两桥梁之间软基路段等实际应用。 【关键词】：软基；路堤；预抛高；固结；次压缩；超载 a b s t r a c t t h ee n g i e e r i n gi m p r o v e dt h a tt h ep r e s e t t i n gf l i p - h e i g h tw a sa l le f f e c t i v em e t h o dt o c o m p e n s a t ep o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t t h ep a p e rd i s c u s s e si ti n i t i a l l yb ya n a l y z i n g f a c t u a lm e a s u r e dd a t a , c a l c u l a t i n ga n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n te r e f i r s t l yi nt h i sp a p e ran e wm o d e lw a s s c tu pt of o r e c a s tp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t o nt h eb a s i so ft h ee m b a n k m e n tf i l lt h i c k n e s sa n dt h ef a c t u a lm e a s u r e ds e t t l e m e n td a t a ； b e s i d e sw ea n a l y z et h ep h y s i c a lm e a n i n go ft h i sm o d e la n dp u s ho v e rt h ee x p r e s s i n gt o c a l c u l a t et h ea m o u n to ft h ep r e s e t t i n gf l i p - h e i g h tw i t hd i f f e r e n ts o f tf o u n d a t i o nd e p t ha n d d i f f e r e n tt i m ea tw h i c hp a v e m e n te l e v a t i o ne q u a l sd e s i g ne l e v a t i o n s e c o n d l ys i m p l i f i e ds e c o n d a r yc o m p r e s s i o nm o d e l i sf o u n db yo n ed i m e n s i o n c o m p r e s s i o ni n - d o o re x p e r i m e n to fr e m o l d e dc l a y i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s eo fs e c o n d a r y c o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t so fr e m o l d e d s o f ts o i l s e c o n d a r yc o m p r e s s i o nc h a r a c t e rw a s s t u d i e du n d e ro v e r l o a d i n g - u n l o a d i n ga n dr e l o a d i n g i tw a sf o u n dt h a tr e l o a d i n gp r o c e s s c o n t a i n e dp r i m a r yc o n s o l i d a t i o nn om a t t e rw h a tr e l o a d i n gp r e s s u r ew a s ，a n dp r i m a r y c o n s o l i d a t i o nt i m ew a so v e rs e e m l ya n da d v a n c e db e f o r et h a nt h ef i r s tc o m p r e s s i o n s e c o n dc o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n tw a sn o tr e l a t e dt ot i m e ，a n db e c a m el a r g e ra sr e l o a d i n g p r e s s u r ei n c r e a s e dl a r g e ra n db e c a m el e s s w i t hp r e - c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e r e g u l a r r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns e c o n d a r yc o m p r e s s i o ns t r a i na n do v e rp r e s s u r e r a t i oc o u l db e s i m u l a t e db ys i m p l i f i e dh y p e r b o l i cm o d e la n dt h em o d e lp a r a m e t e r sc o u l d b ec o n t a i n e db y t h ef i t t e dl i n e b a s e do nt h em o d e ls e c o n d a r yc o m p r e s s i o ns e t t l e m e n tf o r m u l aw a s e s t a b l i s h e d , w h i c hr e f l e c t e dt h ei n f l u e n c eo fs o f ts o i lc h a r a c t e r , p r e - c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e a n dr e l o a d i n gp r e s s u r ea n ds e c o n d a r yc o m p r e s s i o nt e n d e dt oo n es t a b l ev a l u ew i t ht i m e c o m p a r e db e t w e e nc a l c u l a t i o nv a l u eo ft h ee n g i n e e r i n ge x a m p l ea n dp o s t - c o n s t r u c t i o n m e a s u r e dd a t a , t h er e s u l t sw e r er e l i a b l eb yt h es e c o n d a r yc o m p r e s s i o ns e t t l e m e n tf o r m u l a i nt h ep a p e r , m o r er e a s o n a b l et h a nt h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o d s s t u d yt h ep r e s e t t i n gf l i p - h e i g h ta f f e c t sp r i m a r yc o n s o l i d a t i o np o s t - c o n s t r u c t i o na n d s e c o n d a r yc o m p r e s s i o np o s t - c o n s t r u c t i o n o fs o f tf o u n d a t i o n s e c o n d a r yc o m p r e s s i o n p o s t c o n s t r u c t i o ni s c a l c u l a t e db yy mz o n g z ep r o f e s s o r sm e t h o da n d m o d i f i e da n d s i m p l i f i e ds e c o n d a r yc o m p r e s s i o nm o d e l o nt h ec o n d i t i o no f t h ed i f f e r e n tp r e s e t t i n g f l i p h d 曲tr 韶p e c t i v e l y r e s u l t si n d i c a t et h ep r e s e t t i n gf l i p - h e i g h th a sal i m i t e de f f e c to l l s c c o n d a r yc o m p r e s s i o np o s t - c o n s t r u c t i o no fs o f tf o u n d a t i o n p r i m a r yc o n s o l i d a t i o n p o s t - c o n s t r u c t i o no ft h eu n d e r l y i n gs o f th y e r si sc a l c u l a t e db yc s r gp r o g r a m p r i m a r y c o n s o l i d a t i o np o s t - c o n s t r u c t i o no ft h eu n d e r l y i n gs o f t l a y e r sb e c o m e sl a r g e rw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ep r e s e t t i n gf l i p - h e i g h t p r i m a r yc o n s o l i d a t i o np o s t - c o n s t r u c t i o ni n c r e a s e s1 7 c e n t i m e t e r sw h e nt h ep r e s e t t i n gf l i p - h e i g h ti n c r e a s e s5c e n t i m e t e r s t h ee f f e c to np r i m a r y c o n s o l i d a t i o np o s t - c o n s t r u c t i o no f t h eu n d e r l y i n gs o f tl a y e r si si l ld e f i n e d , b u tm u c hm o r c s e n s i t i v et h a ns e c o n d a r yc o m p r e s s i o np o s t - c o n s t r u c t i o n , t h a ti sa l lo r d e ro f m a g n i t u d e l a s t l yi n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no ft h ep r e s e t t i n gf l i p h e i g h t , w h i c ha l el i n k a g e s e g m e n t sb e t w c f f l lt w oc o n j o i n td i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cs o i lf o u n d a t i o n s , b e t w e e ns o f ts o i l a n du n - s o f ls o i l ，b e w ns o f ts o i la n db r i d g e ，a n db e t w e e nt w oc o n j o i n tb r i d g e s k e y - w o r d s ：s o f tf o u n d a t i o n ；e m b a n k m e n t ) p r e - f l i ph e i g h t ：p r i m a r yc o n s o l i d a t i o n ： s e c o n d a r yc o m p r e s s i o n ；s u r c h a r g e 学位论文独创性声明： 本人所呈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。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：垫皇焦皇) 7 年，月 学位论文使用授权说明 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 论文作者( 签名) ：塾乏焦蔓知。7 年j - 月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 软土是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的，天然含水量高、孔隙比大、压缩 性强、抗剪强度和承载力低的软塑到流塑状态的细粒土，如淤泥和淤泥质土，以及其 它高压缩性饱和粘性土、随着我国经济的快速发展沿海地区高速公路建设规模增长 迅速。沿海地区存在深厚软土，正是因为软土具有高含水量、高压缩性及低渗透性等 特点，固结变形需要很长时间。在软土地基上修建高速公路，路基在通车后很长一段 时间内会持续发生下沉，即工后沉降。在设计基准期内，高速公路工后沉降若超过规 范容许要求，会带来很多危害。 ( 1 ) - r 后沉降过大，影响行车安全与舒适度 路基工后沉降过大可能造成桥头跳车、路面积水、混凝土路面开裂等危害。据报 道，沪杭甬高速公路是浙江省建成通车的第一条高速公路，但这条路特别是杭甬高速 公路7 0 以上的路段处在国内罕见的深厚软土地基上，最深软土层超过5 0 米。建成 后，路面的沉降值超过设计控制值的几十倍。随着经济的飞速发展，截止2 0 0 2 年底， 我国高速公路里程已达2 2 万公里，高等级公路线形标准高，桥涵等构造物密集，车 辆行驶速度高，桥头跳车问题已变得非常突出。桥头跳车是指道路与桥梁台背的衔接 区域出现的路面或搭板变形、断裂甚至坑槽，从而使车辆行驶经过该区域受到冲击后 发生明显跳跃、颠簸的现象。桥头跳车病害严重影响了行车舒适性，降低了车辆的行 驶速度和道路的通行能力，是道路交通安全的重要隐患之一，损害了高速公路建设的 社会效益和经济效益。 ( 2 ) 工后沉降会产生很大的经济损失 在美国大约有2 5 的桥梁( 约1 5 0 0 0 座构造物) 受到桥头跳车的影响，每年花费的 维修费用高达l 亿美元以上。在我国更是严重。例如，国家重点工程京珠高速公路广 珠段，竣工验收获广东省已建高速公路最高分，被评为优质样板工程。其软基处理质 量在广东省交通行业有口皆碑，但通车后因软基下沉引起的路面维修费用高达2 0 0 0 万元年，占总运营收入的8 。减少工后沉降，提高软基处理质量，节约造价和维修 成本受到越来越多工程界和学术界的广泛重视。 河海大学硕士学位论文 1 2 研究问题的提出 路面施工期以及竣工通车后，由于路堤填筑期地基尚未完全固结，在路面结构层 荷载及路堤荷载的共同作用下，路基将继续发生沉降。而高速公路对工后沉降的要求 非常严格，特别是桥头路段，少量的沉降就会产生“桥头跳车”现象，严重威胁交通安 全。另外，沉降部分势必将以路面材料补充以保证设计纵坡线型，由此使得养护工程 量大且造价高昂。自从2 0 世纪9 0 年代，随着国内高速公路建设的蓬勃展歼，尤其是 在软土地基上建设高等级公路，其工后沉降问题一直倍受工程界、学术界的高度重视。 在软土地基上修建公路时，工程师们为了保证建设的安全与质量，需要对软土地基采 取一定的处理措施，其方法一般可分为【l 】【2 1 【3 】： 桥梁跨越。当路堤较高，地价昂贵，软土地基承载力很低的情况下，采用高架 穿越具有一定的优越性。 减轻路堤荷载。其主要措施是采用轻质填料，如采用粉煤灰、e p s 超轻质材料 等填筑路堤，减轻路堤荷载可以直接减少对地基承载力的要求，可有效减少工后沉降。 地基处理。通过土质改良或形成复合地基均可提高地基承载力，有效减少工后 沉降，这是公路路堤建设中最为常用的方法。 工后修补。在能够满足地基稳定性要求的前提下，允许产生较大的工后沉降和 不均匀沉降。通过工后对路基、路面进行不断修补，不断调整不均匀沉降以满足行车 要求，这也是一种处理方法。 综合处理。综合应用上述方法，如地基处理和减轻路堤荷载相结合；减轻路堤 荷载与工后修补相结合；地基处理与工后修补相结合等。 无论如何，工后沉降都是不可避免的。然而要精确地计算路堤的工后沉降量是非 常困难的，它的影响因素很多，j i n - c h u nc h a i 和n m i u r a 认为引起的路堤沉降有以 下几个因素： 软土地基的应力应变特性； 面层、垫层的特性； 车辆荷载的强度和作用次数； 黄雨、s fb r o w n 等认为气候等因素也会对路堤沉降产生影响。蒋文力等【4 l 从 路堤的含水量变化分析了沉降产生的机理，假设路堤从某一密实度最终达到稳定状 态，其总沉降为s ，相应地将总沉降分成两个阶段：第一阶段的沉降s l 发生在路堤填 第一章绪论 筑过程及完工后未受水侵入的阶段，其大小与广义有效应力有关；第二阶段的沉降 s 2 发生是由于路堤填筑后遭受雨水、地而水及地下水的侵入，因广义吸力丧失而产生 的沉降，此阶段的沉降速度取决于外水侵入程度，沉降量取决于上覆压力及开始时的 密实度，因此总沉降量为两阶段沉降之和。他认为由于长期以来没有对两个阶段进行 区分，因此造成概念模糊，对沉降分析不科学，不能很好指导现场施工，也不利于对 公路路堤沉降的预测和防范。从上综述可以看出影响路堤沉降的因素是非常多，有些 是不可预测的。因此无论是工程师还是学者，想准确把握软土地基上高速公路的工后 沉降，几乎很难。 为减少工后沉降量过大造成的损失，保证通车后行车舒适度，广东省交通建设行 业开始试行一种做法，即采取路堤预抛高处理。广东交通建设行业试行的路堤预抛高 技术包括桥头预抛高和路基预抛高。例如汕汾高速公路k 1 9 + 2 6 0 k 1 9 + 9 5 5 软土路基 段设置预抛高，抛高最大处达l l c m ；桥头跳车的危害是显而易见的，桥头与路堤结合 处不适用进行大量的抛高设置，目的在于不能影响竣工通车时行车的舒适性，但抛高 设置不合理，则势必又为工后沉降的修补付出过大的代价。本文试从路堤预抛高的角 度对软土地基上高速公路的工后沉降的影响展开初步研究。 高速公路软基的工后沉降主要来自路面施工后的瞬时沉降、未完成的主固结沉降 和次固结沉降。减少工后沉降常采用复合软土路基处理、增加超载重量、延长预压时 间和路床预抛高等。从经济效益角度看，路床预抛高方案最为理想。但在具体实施中， 由于软基地质条件的复杂性，再加之初始状态的差异和现场观测数据的误差等原因， 都会给预抛高量的确定造成一定的困难，因此预抛高数量的确定是本文研究的关键问 题之一。 路基填筑期和预压期要增加沉降补方，而沉降补方荷载将使路基产生新的沉降和 较大的沉降速率，工期和沉降速率如何优化控制，又是必须面对的一个问题。如何比 较准确地确定预抛高量以弥补高速公路软土路堤工后沉降，保证行车的舒适度及安全 性，具有很强的工程意义和经济价值，同时也具有一定的理论价值。 河海大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 公路软土地基路堤设计与施工技术规范i s i ( j t j 0 1 7 9 6 ) q p 定义软土是滨海、湖 泊、谷地河滩沉积的，天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。 在我国软土普遍分布于长江三角洲、珠江三角洲等沿海地区，沿海地区经济相对发达， 高等级公路建设迅猛发展。近l o 年来沿海地区建设高等级公路因软基引发的工程问 题，其中路堤施工期填筑的稳定控制已经得到较好的解决，极少出现路堤失稳事故， 而路堤工后沉降问题，不论是在沿海区域软基上还是在内陆地区性状相对较好的软基 上，一直没有找到理想的解决办法。在实际应用中，一般还会采用对软土路基进行加 固处理以减少变形，但是加固费用占总投资的比重很大，约1 ，3 左右，甚至更大些。 在确定堆载方案和地基加固方案时，计算沉降量是其中一项重要的内容，特别是对于 沉降控制要求甚高的高速公路，及时而准确的估算出工后沉降是一个非常具有工程意 义的问题。 ( 1 ) 国外研究情况 国外也有许多学者基于施工前期实测沉降资料预测后期沉降的曲线拟合法，如 t a y l o r 法、c a s a g r a n d e 法( p l o g o 、a s a o k a 法、以及高木俊介法等。但采用施工期路 堤预抛高形式来弥补高速公路软土地基工后沉降，笔者未见有相关报道。 ( 2 ) 国内研究情况 为了弥补软土地基上高等级公路工后沉降，对路堤沉降采取事前控制的一种方 法，即预抛高。国内珠江三角洲地区的广东等地在高速公路建设过程中普遍采用了路 堤预抛高措旌。预抛商量的确定大多都是基于某个地区或者是某具体工程的路堤填筑 的实践经验而定，没有进一步的理论研究。 潘剑波通过路堤填筑期实测沉降与时间的双曲线关系的假设，介绍的预抛高实用 计算方法； 罗丹等从现场试验、工程实测及理论分析等方面对高速公路软基段路床预抛高问 题进行了研究。从太沙基固结理论出发，推导出路面施工完成后任意时刻的固结沉降， 根据前期实测沉降数据反演计算最终沉降量，由有效应力面积比确定预抛高修正系 数，给出了超载预压情况下的预抛高估算公式，并与实测工后沉降进行了对比。作者 还就预抛高段落的设置进行一般性说明。路床预抛高沉平控制时间，即预抛高后控制 回落到原设计标高的时间，作者认为一般控制在路面旌工完成后1 2 个月较合适，特 4 第一章绪论 别是采用袋装砂井处理的地基； 徐立新等建立了以实测沉降与理论计算沉降的均方差为目标控制函数，进行反演 计算瞬时沉降s d 、主固结沉降s 。及固结衰减系数1 3 ，采用改进的高木俊介法计算不 同控制时刻的地基平均固结度，给出路基填筑期预抛高计算公式；在路面施工期，分 路槽预压、等载预压及超载预压等不同预压方式下讨论预抛高值的计算。对预抛高的 沉平控制时间和施工控制要点进行了简要说明。作者建议在软土地基上修建高等级公 路，进行沉降观测等动态施工是十分必要的，路基填筑期和路面施工期预抛高值的确 定均根据实测沉降进行分析，与事前设计提供的参考值相比，误差小，具有较高的可 靠度。 浙江大学胡铁权在硕士论文高速公路软基沉降引起路堤标高及宽度问题的研 究中运用经验公式和有限元进行预抛高值的计算。作者对路面设计高度的目标控制 时间进行了说明，总结了目前的两种观点，一是在竣工验收( 即试通车后一年) 时的路 面高程符合设计要求；另一种观点认为，高程应在交工验收及试通车时符合设计要求， 路面纵坡合理，路桥交接平顺。至于竣工验收及后续长期的工后沉降预留，鉴于软土 地基沉降的长期性及情况的复杂性，预测的不确定因素较大，因此对于工后沉降处理 做法是通车时舒适美观，在通车后靠路面分期加铺加以调整。第1 种是理想化的思路， 并结合杭甬高速和同三高速公路进行计算和实测值的比较加以验证。介绍了杭甬高速 公路桥头处预抛高的两种做法，值得借鉴。通过计算认为，预测沉降值修正应取预压 期后期沉降基本稳定后的数值作比较才有较高的可比性。但照此修正，抛高设置时间 只能为预压期以后，由路面施工单位实施，预测的准确性更有把握，并且比较符合近 年施工操作的实际情况。并且应避免简单得出一个修正比例进行沉降修正，因为由于 计算时取的土体的性状及荷载情况与实际情况有差异，实际沉降速率往往大于计算 值。 河海大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 根据目前工程技术界的常识，归纳并明确了工后沉降、预抛高、等载预压、 超载预压、沉平控制时间等有关基本概念； ( 2 ) 根据路基填筑期填土厚度、实测沉降与时间的关系，建立一种新的工后沉 降模型。该模型可以根据不同的填土厚度( 荷载变化) 进行后期沉降的预测预报。基 于该预测模型，根据不同的软土路基深度、路堤高度以及工后沉平控制时刻，推导出 建议预抛高计算公式； ( 3 ) 分析预抛高对软土路基工后主、次固结的影响。由于次压缩计算方法目前 不完善，本文打算通过两种方法计算软基工后次压缩沉降，以加以对比分析。一是殷 宗泽教授方法，二是本文重点研究的次压缩简化计算模型。通过简化计算，在超载预 压情况下，不同的路堤预抛高量情况下路基工后主固结、次压缩沉降的变化值，得出 工后不同时刻的主、次固结沉降曲线。 ( 4 ) 通过对粤东地区软土重塑样的室内次固结试验，研究软土在超载预压后， 经过卸荷回弹再加荷后的次压缩变形规律，并提出次压缩沉降简化计算的模型；进一 步分析软土在超载卸载再加载工况下的次固结系数的变化规律； ( 5 ) 利用c s r g 程序计算分析软土地基下卧层的工后主固结沉降与预抛高量的 关系。从而得出抛高量对工后总沉降的影响，搞清楚预抛高是否可以延长路面大修时 间，如果可以，那么进一步分析不同的预抛高量对工后主、次固结影响的灵敏度，通 过对二者影响灵敏度的分析，可以得出预抛高量值的初步掌握范围。 ( 6 ) 根据公路技术标准中有关高速公路坡度设计的基本要求，以广东省 揭普高速公路为例，阐述了路堤预抛高在不同性质的软基相l i 笛路段、软基与非软基相 临路段、软基路段与桥梁结构物相连处、两桥梁之间软基路段等实际应用情况。以 p l a x i s 程序计算砂井处理后的路基沉降，根据有限元计算结果，介绍了在桥台搭板处 路堤预抛高的设置方法。 一 6 第二章软土地基高速公路路堤预抛高计算方法探讨 第二章软土地基高速公路路堤预抛高计算方法探讨 2 1 几个基本概念 ( 1 ) 工后沉降：公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 9 6 ) 称“残余沉 降”，高速公路路面结构层施工完成后，路堤荷载、路面结构层荷载及车辆荷载等共 同作用下，在设计基准期，尚未完全固结的路基继续沉降。笔者以为，“工后沉降” 一说更形象，容易被工程师们所接受。且规范规定，桥台路堤结合处不超过l o e m ， 箱涵结构物处不超过2 0 c m ，一般路基不超过3 0 c m 。 ( 2 ) 预抛高：指路面施工完成时超过路面设计高度的量值，即为路堤后期沉降预留 的高度。预抛高部分在确定路槽底标高时考虑，路面结构层厚度不变。软土地基上高 速公路路堤填筑预压期、路面结构层施工期及建成运营期，路基在上部荷载作用下连 续发生沉降，路堤预压填筑施工中一般都采用一次性多填的方式预留预压期沉降量即 预抛高，希望预压期结束时及通车后某一控制时刻保证需要的荷载水平，路面达到设 计要求的高度； ( 3 ) 等载预压、超载预压： 软土地基处理一般要配合堆载预压，堆载预压法的基本原理是，利用堆载作用预 先将软土地基充分压缩固结，达到基本上消除设计永久荷载长期作用所产生的沉降的 目的，使建筑物在使用过程中不产生过大的沉降变形。路堤不同于其它建筑物，施工 过程中路堤填筑的荷载总量由于沉降不断发生而需动态调整，同一高度的路堤在不同 时间、不同地点会有不同的荷载数量。根据路堤对象、地基条件、路堤高度，有三种 预压方式可以选择，即等载预压、超载预压和欠载预压。 关于软基路堤的堆载预压方法的使用，具体操作过程目前在国内各地区不尽相 同。有的习惯上将预压荷载按高程控制，达到路面设计高程即视为达到等载水平，没 有考虑路面结构层和路堤填筑料的容重差异，事实上这种情况在路面完成后的运行状 态下，地基承受的荷载水平要比施工期大，如果考虑车辆运行荷载则差异更大。广东 省交通行业在使用超载预压手段时，考虑了路面结构层、车辆运行荷载，在预压初期 还要将预期的沉降量加入到填土厚度内。超载预压一般是在等载预压一定时间以后进 行，超载量按照等载填筑高度以上的部分填土量计算。为了保持讨论问题前提条件的 统一性，有必要将等载、超载预压的定义给予明确。 7 河海大学硕士学位论文 等载预压 等载预压即使路基在施工期所承受的荷载水平与道路通车运行后所承受的荷载 水平相当的堆载预压方式。施工过程中保持路堤填筑高程不变，及时补充沉降土方， 如图2 1 ，直到路堤沉降稳定，估计的残余沉降小于工后沉降限定值时停止补方预压 循环。 路堤荷载、设计填筑高度、沉降的关系可以用式( 2 1 ) 表示： 只2h o + s t + s ( 2 1 ) 式中：凰一路堤设计填筑高程： 忍一气时刻以后下一级荷载施加以前的路堤荷载( 用厚度表示，以下同) ； 墨一时刻的地基沉降量； 一第1 级荷载施加过程中的沉降量( 荷载施加时间比较短时瓯近似为零) 。 蜊 桓 刊 并 链 媚 i p l p 2p k 、。r ( ； j 二塑 t 27 0 。 - t k ； 时 l i ： ： 图2 1 预压荷载，沉降和时问的关系 填筑过程中，如果地基土强度允许，可以一次性使路堤填筑高程大于凰，控制 填筑高度使得预压结束时刚好沉降到h o ，且工后沉降满足要求。在等载预压控制模 式下，路面施工后的荷载水平和预压期相同，路面竣工后相当于预压期的延续，理论 上工后沉降等于预压期的残余沉降。它的优点是工后沉降控制的把握性较大，后期情 况的可预见性强，缺点在于在路面旋工时要卸除部分预压填土，工程成本增加。 超载预压 超载预压即使路基在篪工期所承受的荷载水平大于道路通车运行后所承受的荷 载水平的堆载预压方式。对于上述等载预压模式，如果采用一次性使路堤填筑高程大 于h o ，的施工方式，在预压期结束时路堤工作面没有沉降到h o ，如图2 2 所示，地 8 第二章软土地基高速公路路堤预抛高计算方法探讨 基沉降稳定后，路堤表面高程大于路堤设计填筑高程，则路堤预压期完成时的荷载大 于路面竣工后路堤的长期运行荷载，对于竣工后的地基土层而言，处于超固结状态。 路堤荷载和路堤设计填筑高度、沉降的关系可以用式( 2 2 ) 表示，不考虑荷载 施加过程的沉降量，见图2 2 。 瑙 坦 h 并 鞋 矮 肛卜、 h o 弋y 。t 1 i s t t l! t 2k 一 ： 时 s 2 l s k 图2 2 路堤超载预压荷载、沉降和时间的关系 p 2 = h4 + s2 + a p = = ho + s t + 厶p 。 ( 2 - 2 ) 式中：只一时刻以后下一级荷载施加以前的路堤荷载； 一路堤设计填筑高程： 瓯一气时刻的地基沉降量； 鲤一r 2 时刻的路堤超填荷载； 只一路堤超载量。 如果将l 王d 对应的荷载量称为等载，则超载预压过程的超填荷载是逐渐向等载转 化的，超填荷载的减小等于等载量的增加，超填荷载a p s 减小到沉降稳定时为止，即 达到超载量凡。预压全过程超载数量是个变量。在超载预压模式下路堤工作面的最 终商程大于路堤设计填筑高程，路面施工时存在大于等载预压模式的卸载工作量，工 程成本较大。 ( 4 ) 沉平控制时间：由于路堤填筑期实施了预抛高，路面结构层施工完成后， 路面高程是高于设计高程的，通车运营期间路面高程沉回到原设计路面要求的控制时 间。 9 河海大学硕士学位论文 2 2 软土路基沉降及预抛高计算研究概述 2 2 1 软土路基沉降计算方法 目前，计算软土路基沉降计算的常用方法大致可以归纳为以下三类 6 1 ： ( 1 ) 分层总和法 分层总和法计算软土路基的最终沉降，是一种传统的方法。由于其简单实用，计 算所需参数可在常规的土工试验中确定，因此被纳入多种行业的规范。计算分层沉降 时可以分别考虑瞬时沉降、主固结沉降和次圃结沉降。该方法假定路基土层为直线变 形体，外荷载作用下的变形只发生在有限的厚度范围，而且假定土体只在垂直向发生 压缩。现有的地基规范上提供了修正系数，有针对性地考虑软基中侧向变形对垂直位 移的影响，但提供的修正系数取值范围大，且无具体取值参考表，给工程技术人员带 来一定困难 7 1 。吴心怡【引、王志亮 9 1 等在考虑侧向变形的情况下对沉降修正系数做了 进一步研究，但该修正系数是通过有限元模拟计算得到，其一直未在工程上得以推广 应用。 分层总和法和一维t e r z a i g h 固结理论结合，可以计算某一时刻沉降。砂井地基在 软土路基处理中已得到广泛应用，在工程设计中，一般都把砂井地基简化成单井地基， 按轴对称固结情况来分析砂井地基的固结过程。轴对称固结理论最早是由b a 肿n 【l o 】 于1 9 4 8 年提出的，采用与t c ：1 2 a 曲i 理论中相同的假设条件，但假设只在径向发生孔隙 水的渗流，借助c a r r i l l o 定理可进一步考虑竖向渗流的影响。h a m b o f l l 】等也导出了各 自的解答，但目前应用最多的仍是巴隆理论。砂井地基平均固结度的计算公式： u 。= 1 一船一 ( 2 - 3 ) 式电：口= 8 d r p = p ：+ 9 rp ：= 耳2 c ，4 h 2 屏= 8 c 。i f d , 2 只= 击i n i - 守* l l l 甩一 u ，一地基平均固结度； c v 。c l 广- 竖向、径向固结系数； 曲砂井有效排水直径； h 一排水距离； n 一井径比，即排水体的有效排水直径与排水体直径之比； 包含砂井未打穿的下卧层的平均固结度计算： 1 0 第二：章软土地基高速公路路堤预抛高计算方法探讨 u=qu。+(1一q，u：7(2-4) q = 焘= 彘 ( 2 - 5 ) u 炀砂井地基平均固结度； u 一砂井未打穿的下卧层平均固结度； a l 砂井部分土层初始孔隙水压力曲线所包围的面积； a r 适p 井部分以下的土层初始孔隙水压力曲线所包围的面积； h 。砂井土层厚度； h r _ 下卧层土层厚度； 考虑逐级加载情况下地基平均固结度，可以用改进的t e r z a i g h 方法和改进的高木 俊介方法计算，其中改进的t e r z a i g h 方法计算公式： ”善吲卜牛) 黄 2 旬 式中u ，多级等速加荷，t 时刻修正后的平均固结度； u r 一瞬时加荷条件的平均固结度； t i 小t i - 分别为每级等速加荷的起点和终点时间( 从时间零点起算) ，当计算某一级 荷载加荷期问t 时刻的固结度时，则t 0 改为t ； p 一第i 级荷载增量，如计算加荷过程中某一时刻t 的固结度时，则用该时刻相对 应的荷载增量。 笔者在实际应用中发现，采用以上方法计算地基土层的平均固结度时，与实际情 况会有较大出入。究其原因，一是以上各方法就是通过数值方法推导得来，都采用了 一定的假设条件和边界条件，这与实际会有很大的差别；更重要的是土层的一些参数 的确定与实际也有很大差距，如固结系数c ，、c h 等。二是在分级加载过程，施工加 载方式是多变的，因此也不可能是等速加载，这样也影响t i 小h 等参数的选择。往往 会出现对于同一个断面，两个人计算的结果也不尽相同的情况。 ( 2 ) 有限元法 有限单元法是随着计算机功能的提高而得到推广应用。有限单元法计算的沉降可 以同时包括瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分。此外，有限单元法还可以考 虑复杂的边界条件、土体应力一应变关系的非线性特性、土体的应力历史、水与骨架 上应力的藕合效应，可以模拟现场逐级加荷和处理超填土问题，能考虑侧向变形、三 河海大学硕士学位论文 维渗流对沉降的影响，并能求得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力 的变化。有限单元法求解多用增量法，而地基土层的初始应力难以可靠地确定，其计 算结果往往只能定性地说明一些问题。而且由于其采用的模型中所涉及的计算参数多 且不易确定，程序复杂难以为一般工程技术人员接受，在实际工程中并没有得到普遍 应用，只能用于一些重要工程、重要地段的路堤沉降的计算。 ( 3 ) 差分法 这是一种数值方法，用差分公式近似代替所研究的微分方程中的导数，得到差分 方程。该方法把土层的不均匀性、土层参数的非线性变化等因素纳入到计算程序中， 使该方法可考虑土层的多层次、土的应力应变的非线性，对传统方法的改进，也较 有限元法易于使用。但是近来，随着有限元计算方法的完善，差分法的使用逐渐变少。 2 2 2 软土路堤预抛高计算方法 笔者查阅关于路堤预抛高有关文献发现，软土地基上修筑高速公路并实施路堤预 抛高技术，多见于沿海省份，比如江苏省、浙江省、广东省等。浙江省杭甬高速公路 建成相对较早，其许多技术已被写进公路设计与施工的相关规范【1 2 】1 13 1 。杭甬高速公 路路堤预抛高的经验设计公式如下1 4 】： 缈= s ，# 一j 。 ( 2 - 7 ) j 凡- - - - s f + ( s 7 + s 。，) - 心 ( 2 - 8 ) s = a i s m ( 2 9 ) a 1 = j f s i ( 2 - j o ) s ，7 = 毕= 华y ( 2 - 1 1 ) 式中：y 一抛高值；吖茁修正后控制时刻总沉降量； s s _ 抛高填筑前实测累计沉降量；s t - - 路堤填筑期实测沉降量； s 7 广路基施工期设计沉降量；l 一路面施工开始至控制时间沉降量修正系数； s 7 0 _ 一预测路堤预压期沉降量；s ，m 惨。修正后路面施工开始至控制时刻沉降量； s 。，r - 设计路面施工开始至沉平控制时刻沉降量； s 一增量荷载系数，当s ，m 雠+ s p 0 1 3 时取1 o ：当s m 镕正+ s p 0 3 认为沉降不 够稳定取1 1 ； s p l 一预压期第一个月实测沉降量；s 7 p 厂预压期最后一个月的预测沉降量； 1 2 第二章软土地基高速公路路堤预抛高计算方法探讨 2 修正系数，当y 8 时取0 5 ； y 预压期( 单位：月) ； 该经验公式不考虑不同沉降过程土层性状的差异，假定预压8 个月时正好达到月 沉降量0 0 1 米月，而8 个月后月沉降量假定为o 0 0 5 米月。运用了经验系数作为修 正值，不够严谨且明显具有地区经验。 潘剑波0 5 1 通过路堤填筑期实测沉降与时间关系曲线，进行双曲线拟合给出预抛高 实用计算方法。罗丹【1 6 1 等从现场试验、工程实测及理论分析等方面对高速公路软基段 路床预抛高问题进行了研究。理论上分析认为高速公路软基沉降主要由瞬时沉降、主 固结和次压缩沉降组成，从太沙基固结理论出发，推导出路面施工完成后任意时刻的 固结沉降，根据前期实测沉降数据反演计算最终沉降量，由有效应力面积比确定预抛 高修正系数，给出了超载预压情况下的预抛高估算公式，并与实测工后沉降进行了对 比。他认为沉平控制时间一般在路面施工完成后1 2 个月较合适，特别是采用袋装砂 井处理的地基；徐立新【1 刀等建立了以实测沉降与理论计算沉降的均方差为目标控制函 数，进行反演计算瞬时沉降s d 、主固结沉降s 。及固结衰减系数1 3 ，采用改进的高木 俊介法计算不同控制时刻的地基平均固结度，给出路基填筑期预抛高计算公式；在路 面施工期，分路槽预压、等载预压及超载预压等不同预压方式下讨论预抛高值的计算， 并对预抛高的沉平控制时间和施工控制要点进行了简要说明。 以上确定预抛高的方法主要有以下问题： ( 1 ) 假设路基实测沉降数据里双