（道路与铁道工程专业论文）新黄高速公路路基沉降及施工控制技术研究.pdf

摘要 我国的高速公路正逐步从东部向中西部延伸，在中西部地区将会修建越来 越多的高速公路。在高速公路向中西部延伸的过程中，高速公路沿线的地质条 件愈来愈复杂，工程难度不断增加。影响高速公路建设质量的最重要因素是路 基沉降，所以要在施工过程中保证路基的施工质量必须及时掌握路基沉降的变 化情况，特别是要能够较为合理地预估路基沉降的变化情况。为此，针对中西 部区域，开展路基沉降观测和沉降变形特性研究，可以极大地丰富和发展这一 领域的成果；同时通过对实测的路基沉降观测资料进行整理分析可以预测路基 的沉降过程，据此可以进一步的优化设计，推算各结构层次的施工时间，改进 有关的旎工工艺，直接为公路施工决策提供科学依据。 本文以新乡黄河高速公路为依托工程、针对黄河泛流平原工程地质条件、 路基施工特点与环境条件，进行路基沉降特性及施工控制技术研究。本文首先 分析了国内外软土地基处理和路基沉降预测的研究现状，在汲取以往路基沉降 观测方法的基础上，对新黄高速公路路基进行沉降监测；接着介绍了粉喷桩处 理软土地基的施工方法，通过对新黄高速公路典型断面的监测分析，评价其地 基处理方法，得出桩承土工格栅是一种较好的处理软土地基的方法；然后运用 灰色理论系统对路基沉降进行预测，实际工程证明了灰色理论预测方法是进行 路基沉降预测的一种较理想的方法，值得在实际工程中推广应用；最后指出路 基稳定的影响因素，通过对实测观测资料的分析，确定了新黄高速公路路基沉 降的控制标准。 关键词：路基沉降；软土地基；地基处理：沉降预测；灰色预测；控制标准 a b s t r a c t t h ee x p r e s sh i g h w a y so fo u rc o u n t r ya r e g r a d u a l l ys t r e t c h i n gf r o me a s t r e g i o n st om i d d l ea n dw e s tr e g i o n s ，a n dm o r ea n dm o r ee x p r e s sh i g h w a y sw i l lb e c o n s t r u c t e dt h eg e o l o g yc o n d i t i o n s a l o n gt h eh i g h w a y s a r em o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，a n dt h ee n g i n e e r i n gd i f f i c u l t i e sc o n s t a n t l yi n c r e a s ei nm i d d l ea n d w e s tr e g i o n s t h em o s t i m p o r t a n te l e m e n tw h i c hi n f l u e n c e st h ec o n s t r u c t i o n q u a l i t yo fe x p r e s sh i g h w a yi sr o a d b e ds e t t l e m e n t i fw ew a n tt og u a r a n t e et h e c o n s t r u c t i o nq u a l i t yi nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，w em u s tk n o wt h ec h a n g e so f r o a d b e ds e t t l e m e n t ，e s p e c i a l l yh o wt op r e d i c tt h es e t t l e m e n tp r o c e s s a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e m si nm i d d l ea n dw e s tr e g i o n s ，s t u d y i n gr o a d b e ds e t t l e m e n to b s e r v a t i o n a n ds e t t l e m e n td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cc a ne n r i c ha n de x p a n dt h i sf i e l d a tt h e s a m et i m e ，a n a l y z i n ga c t u a lr o a d b e ds e t t l e m e n to b s e r v a t i o nd a t ac a np r e d i c tt h e s e t t l e m e n tp r o c e s sa n dt h e nm a k e sf u r t h e ro p t i m u m d e s i g n ，c a l c u l a t e sc o n s t r u c t i o n t i m eo fa l lt h es t r u c t u r el a y e r s ，a n di m p r o v e sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e s a l lo f t h e s ec a ns u p p l ys c i e n t i f i ct h e o r yt oc o n s t r u c t i o nd e c i s i o n t h i sa r t i c l et a k e sx i n x i a n gy e l l o wr i v e re x p r e s sh i g h w a ya se x a m p l e ，a c c o r d i n gt ot h e g e o l o g i cc o n d i t i o n so fy e l l o wr i v e rp l a i n ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o a d b e dc o n s t r u c t i o n 、 a n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n ，s t u d i e sr o a d b e ds e t t l e m e n td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e t e c h n o l o g yo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lf i r s t l y ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ep r e s e n ts t a t eo fi n s i d e a n do u t s i d eo fc h i n ao ft h es o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n ta n dr o a d b e ds e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ， a n dm o n i t o r sr o a d b e ds e t t l e m e n to ft h ex i n x i a n gy e l l o we x p r e s sh i g h w a ya f t e ra b s o r b i n g t h ea n c i e n tm e t h o d so fs e t t l e m e n to b s e r v a t i o n s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e st h ej o b p r a c t i c eo f w h i c hd r yl e t m i x i n gp i l ed e a l sw i t hs o f ts o i lf o u n d a t i o n ，a n da p p r a i s e st h em e t h o d so f f o u n d a t i o nt r e a t m e n ta n dp r o v e st h a tt h e g e o n e t r e i n f o r c i n gs o i lc u s h i o n d j m pi sag o o d m e t h o d ，t h r o u g hm o n i t o r i n gt h et y p i c a lc r o s ss e c t i o n o fx i n x i a n gy e l l o wr i v e re x p r e s s h i g h w a yt h i r d l y ，i tp r e d i c t st h er o a d b e ds e t t l e m e n tu s i n gg r a yt h e o r ya n dp r o v e sg r a y p r e d i c t i o ni sak i n do fp e r f e c tm e t h o da n dw o r t h yt ob ee x t e n d e da n da p p l i e di np r a c t i c ei n t h ee n d ，t h i sa r t i c l ep o i n t so u tt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fr o a d b e ds t a b i l i z a t i o na n dd e c i d e s t h ec o n t r o lc r i t e r i o no fr o a d b e ds e t t l e m e n ti n x i n x i a n gy e l l o wr i v e re x p r e s sh i g h w a y t h r o u g ha n a l y z i n gp r a c t i c a ld a t a k e yw o r d s ：r o a d b e ds e t t l e m e n t ；s o f ts o i lf o u n d a t i o n ；f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ； s e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ；g r a yp r e d i c t i o n ；t h es t a n d a r do fc o n t r o l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 袈南日期：2 0 年f 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 乇 日期：猫年。月叉2 ，日 导师签名锄 日期：2 吲年r 月2 2 日 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，随着我国国民经济的快速发展，国内公路特别是高速公路建设的规模已 达到空前的繁荣，公路运输已经成为我国运输的主要力量，在各种公路中，高速公路以 其车速高( 最高时速一般为1 2 0 k m h ) 、行车安全，通行能力大，运输成本和货物耗损 低而成为我国公路发展的首要目标。随着“十五规划”的实施和“五纵七横”国家道路主干 线系统的建设，我国的高速公路正逐步从东部向中西部延伸，在中西部地区将会修建越 来越多的高速公路，这些高速公路的修建对于整个中西部地区的发展将起到非常重要的 作用。在高速公路向中西部延伸的过程中，高速公路沿线的地质条件也愈来愈复杂，工 程难度不断增加。 为了使高速公路在使用年限内能够很好的运营，高速公路对于工后沉降、差异沉 降和路面平整度都提出了很高的要求【1 】。一般要求在设计使用年限内，路面的工后沉降 量应小于3 0 厘米，桥头路堤应小于l o 厘米；对于平整度要求更高，其标准差应在1 8 毫米以内，不应在人工构造物与路堤衔接处产生差异沉降。高速公路对地基的要求十分 严格，所以如何较为合理地预估路基后期沉降量就成了高速公路建设中的一个重要问 题。为此，针对中西部区域出现的地质条件，开展路基沉降观测和沉降变形特性研究可 以极大地丰富和发展这一领域的成果，同时通过对实测路基沉降观测资料进行整理分析 可以预测路基的沉降过程，据此可以进一步的优化设计，推算各结构层次的施工时间， 改进有关的施工工艺，直接为公路施工决策提供科学依据，并起到指导施工、保证工程 质量和加快进度的目的。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 软土地基处理方法 软土【2j 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，以及其他 高压缩性饱和粘性土、粉土等。软土在我国分布广泛，不仅在东南沿海，如珠三角和长 三角地区，而且在些内陆平原和山区，如云南、湖北和河南等地区均有分布。软土地 基承载力低，在荷载作用下，沉降变形较大，容易产生较大的不均匀沉降，而且沉降稳 定历时较长，是工程建设中遇到最多需要进行处理的地基。 软土地基是指在地基覆设的自然地面下存在含水量丰富、孔隙比大和承载力低的 地基。软土地基加固就是将低承载能力和大压缩性的原状土加固到足以承担地基所需的 强度和满足工后沉降要求，有时也为了减少地基的渗透性。近几十年来，国内外软土地 基处理技术发展十分迅速，旧方法不断改进完善，同时新方法不断涌现。各种地基处理 方法获得的人工地基可以分为两类【3 】：类是对天然地基土体全部进行土质改良，如预 压( 排水固结) 法、强夯法、原位压实法、换填法等；另类是形成复合地基，可以由复 合土与天然地基土体形成，如水泥土复合地基；也可以由插入( 也包括置换) 的材科与天 然地基土体形成，如低强度桩复合地基、树根桩复合地基；也可以由插入的材料得到改 良( 如挤密) 的天然土体形成，如振冲挤密碎石桩复合地基。软土地基加固方法主要有换 填法、土工织物加筋法、排水固结预压法、强夯法、砂石桩法和搅拌桩法等【4 l 。 目前工程中常用的地基处理方法归纳分类为1 2 引： ( 1 ) 置换 置换是用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中部分或全部软弱土或不良 土，形成双层地基或复合地基，以达到提高地基承载力、减少沉降。置换属浅层处理法， 适用于软弱土层位于地基表面且最大深度一般在3 m ，最大不超过5 m 的情况。主要包 括下述地基方法：换土垫层法、强夯置换法、石灰桩法、e p s 超轻质料填土法、挤淤置 换法、褥垫层法等。顺便指出：软粘土地基中以置换为主的振冲置换法、砂石桩( 置换) 法应慎用，主要缺点是加固后的地基工后沉降大，且初期承载力提高幅度小。 ( 2 ) 排水固结 排水固结是指土体在一定荷载作用下团结，孔隙比减小，强度提高，以达到提高 地基承载力，减小工后沉降。排水固结预压法是一种常用行之有效的地基处理方法，但 工期一般较长，而且要按地质条件、路堤高度和总沉降量的差异来选择不同的深层处理 方式、预压方式及预压时间。主要包括下述地基处理方法：加载预压法( 竖向排水系统 可采用普通砂井、袋装砂井或塑料排水带等) 、超载预压法、真空预压法、真空预压与 堆载预压联合作用、降低地下水位和电渗法等。 ( 3 ) 灌入固化物 灌入固化物是向地基中灌入或拌入水泥、石灰、或其他化学固化材料在地基中形 成复合土体，以达到地基处理的目的。搅拌桩法工期较短，但费用较高，加固深度有限， 对深厚软土，很难消除较大的工后沉降。主要包括下述地基处理方法：深层搅拌法( 包 括浆液喷射和粉体喷射深层搅拌法) 、高压喷射注浆法、渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、 挤密灌浆法、电动化学灌浆法等。 ( 4 ) 振密、挤密 振密、挤密是指采用振动或挤密的方法使土体进一步密实以达到提高地基承载力 和减少沉降。主要包括下述地基处理方法：表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤 密砂桩法、挤密碎石桩法( 包括振冲挤密碎石桩、振动沉管挤密碎石桩、冲锤成孔挤密 碎石桩和干振成孑l 碎石桩等) 、孔内夯扩挤密桩法、爆破挤密法、土桩和灰土桩、以及 夯实水泥土桩法等。顺便指出，采用振密、挤密法加固地基一定要重视其适用性。 ( 5 ) 加筋 加筋是在地基中设置强度高、模量大的筋材，以达到提高地基承载力、减少沉降。 强度高、模量大的筋材可以是钢筋混凝土，低强度混凝土，也可以是土工合成材料等。 主要包括下述地基处理方法：加筋土法、土钉墙法、树根桩法、低强度桩复合地基法( 包 括c f g 桩复合地基、低强度混凝土桩复合地基，二灰混凝土桩复合地基等) 、刚性桩复 合地基法。 ( 6 ) 冷热处理 冷热处理是通过冻结，或焙烧、加热地基土体，改变土体物理力学性质以达到地 基处理的方法。主要包括：冻结法、烧结法。 软土地基处理的发展不仅体现在技术上，在各种处理方法的加固机理研究、适用 范围、设计计算、施工方法和质量检测方面均有进步。其中，在设计思想方面，对于一 般的工业及民用建筑，以往大多是以地基承载力为控制指标，或者以地基承载力和沉降 两者作为控制指标来进行设计。如浙江岱山电厂，厂址位于淤泥质粉质粘土层上，天然 地基承载力设计值仅4 5 k p a ，无法满足设计要求，经方案比选，采用碎石桩对软土进行 加固，地基承载力明显提高；上海金达棉纺厂，由于厂房面积大，地基软土层深厚，对 地基承载力和不均匀沉降要求较严，设计时从满足承载力和减小不均匀沉降两方面着 手，采用石灰桩复合地基方案，也达到了预期效果。对于铁路、公路软土路基工程，以 往多是从满足稳定性的要求出发，以路基稳定性为控制指标，避免路基失稳以及过量沉 降【5 】。如在英国n o r f o r k ，采用路堤加筋、地基中埋设塑料排水板及超载预压的方案， 以避免公路路堤失稳及发生过大沉降。 随着我国工业及民用建筑中高层、超高层建筑的大量兴建，以及高速公路、铁路 的快速发展，对沉降及不均匀沉降的控制越来越重视。自上世纪9 0 年代以来，在公路 路基工程中，己逐渐把工后沉降作为主要控制指标来设计，出现了软土路堤的沉降控制 设计理论1 6j 。 软土路堤设计时，根据对工后沉降的控制要求进行地基处理设计。具体来说，首 先应对天然地基在路堤荷载下的沉降进行计算，看是否满足对工后沉降的要求，若不能 满足，则应考虑对天然地基进行加固；然后，以工后沉降为控制指标，并考虑天然地层 条件、地基处理的具体要求、地基处理方法的原理、以往经验和机具设备、材料条件等 等，进行地基处理可行性研究，提出多种可行方案，初步确定各种方案布置情况、处理 深度等；最后，对提出的各种方案进行技术、经济、进度等方面的比较分析，考虑环境 保护的要求，确定采用一种或几种地基处理方案后，可视需要进行小型现场试验或进行 补充调查，根据试验成果进行施工设计，然后进行施工。施工过程中通过测试、检验及 反分析，如需要还可对原设计进行修改、补充。 1 2 2 路基沉降计算方法 工后沉降预测的方法主要分为两类【7 l ：一类是利用土的本构模型，采用b i o t 固结 理论进行分析，但因本构模型与工程实际存在较大差距，且计算参数确定困难，预测结 果难以令人满意；另一类是根据实测沉降数据推算沉降与时间的发展关系，用以预测未 来的沉降量。 目前工程中常用的沉降计算方法为： l2 2l 传统的计算方法 传统的沉降预估方法是建立在太沙基等人创立的经典土力学基础之上，其中引入 了许多简化假定，在预估时将地基沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。 瞬时沉降是在外荷载加上的瞬间1 8 1 ，土体中的孔隙水来不及排出时所发生的沉降，即地 基土在不排水加载期间所产生的沉降。瞬时沉降包括两部分：部分由地基的弹性变形 产生的；另一部分由地基塑性区的开展，继而扩大所产生的侧向剪切位移引起的。固结 沉降又称为主固结沉降，是荷载置于地基上后，随着时间的延续，地基土中的孔隙水逐 渐排出过程中所发生的沉降，对于固结沉降的计算，主要采用分层总和法。次固结沉降 的主要部分是在地基土中的超静孔隙水压力完全消散以后，亦即在有效应力不变的情况 下所发生的沉降，次固结沉降根据蠕变试验确定参数求解。最终沉降量的计算通常采用 固结沉降值乘以经验系数的方法。 ( 1 ) 分层总和法 分层总和法1 9 1 是假定地基土为直线变形体，在外荷载作用下的变形只发生在有限 厚度的范围内( 即压缩层) ，将压缩层厚度内的地基土分层，分别求出各分层的应力， 然后用土的应力应变关系式求出各分层的变形量总加起来即为地基的沉降量。这种方 法没有考虑路基土的前期应力，e l gp 曲线法可以克服这个不足，能够求出正常固结、 超固结和欠固结情况下路基土的沉降。但这两者都是完全侧限条件下的变形计算方法， 所以司开普顿和比利【”i 提出了利用半经验的方法来解决这个问题。关于分层总和法的 介绍比较多，这里不再详述，使用该方法有一点必须引起重视，就是压缩层深度的选择， 这可以从位移场角度和应力场角度加以考虑。 ( 2 ) 按应力路径计算沉降 兰姆勃( l a m b e ，1 9 6 4 ) 等人提出了应力路径法。用有效应力路径法来计算 沉降的步骤是1 1 ，”1 ：在现场荷载下估计路基中某些有代表性( 例如土层的中点) 土体 单元的有效应力路径；在试验室做这些土体单元的室内试验，复制现场有效应力路径， 并量取试验各阶段的垂直应变；将各阶段的垂直应变乘上土层厚度，即得初始及最后 沉降。 有效应力路径法可以克服估计初始超孔隙压力以及固结沉降街接上存在不够合理 的缺点，但它无法避免用弹性理论来计算土体中的应力增量。 ( 3 ) 砂性土地基的沉降计算 将沉降分为三个部分对于粘性土地基是合适的，但对于砂性土地基13 , 1 4 l ，由于一 般砂土渗水性强，固结完成快，瞬时沉降和固结沉降己分不开。同时，由于砂土路基弹 性模量随深度增加，应用弹性理论求砂土的瞬时沉降也不正确。对于砂土路基的沉降计 算，薛迈脱曼【1 5 】于1 9 7 0 年提出的一种经验方法，该方法需要估计不同深度的弹性模量， 由于砂性土取原状土样很困难，所以可以采用静力触探确定。 1 222 从现场实测资料推算总沉降 由于荷载作用下路基沉降需要一段时间才能完成，所以通过前期的沉降观测资料 可以推算路基的最终沉降量。 ( 1 ) 对数配合法 由路基固结度常用式及其定义式，在实测的初期沉降一时间曲线上任意取3 点且 使它们之间的时间间隔相等，可得最终沉降量。为了使推算结果精确一些，时间间隔值 尽可能取大一些，这样对应沉降差值就要大一些。 ( 2 ) 双曲线配合法 双曲线法 1 6 , 17 , 18 1 是假定沉降平均速度随时间按双曲线递减，利用实测沉降数据拟 合曲线的参数，然后利用确定后的曲线公式预估地基在任一时问的沉降值。但用该公式 的计算结果与实测比较后发现偏离较大1 9 】，推算的最终沉降量也偏大，如果沉降过程的 观测历时较长，而且在求算最终沉降量时着重于后一阶段的沉降曲线的话，就可得到较 好的结果。 ( 3 ) 指数曲线配合法 指数曲线法【”，”l 是假定沉降平均速度随时间按指数曲线递减。该法分为从t = 0 和 t = t l 开始算起的2 种算法，由于后者的简化公式应用比较方便，计算工作比较简单， 同时也避免了确定原点0 的困难，以及由此给最终沉降量带来的误差，通常采用后者的 最终沉降量推算值比前者的最终沉降量推算值偏小一些【博l ，但若沉降观测过程历时较 长，就不会有很大的偏差，故常用第二种方法。 ( 4 ) 反分析方法确定沉降量 反分析法1 2 1 2 2 ，2 3 1 是依靠在工程现场获取位移量测信息反演确定各类未知参数 的理论和方法。通过位移反分析法进行变形预测，国内外已进行了广泛的研究，并发展 了弹性、粘弹性、弹塑性和粘弹塑性位移反分析法。在反分析确定了路基参数后再根据 所选择的模型能准确地求出路基的沉降量。进行反分析计算要注意的问题有：可靠的反 分析必须依赖可靠和完整的数据测定；在反算某些参数时，总要对其他一些辅助参数进 行实测，有时还需要估计；进行反分析首先要对整个数学模型进行某种假定，这些假定 的可靠度将影响反分析的适用性：在反分析的模型选择、介质特性假定等方面经验的工 程判断将起到重要作用。 ( 5 ) 灰色理论预测沉降量 灰色预测法 2 4 , 25 , 2 6 , 2 7 1 是通过对地基沉降值的生成，建立起反映地基沉降发展规 律的灰色微分模型，并通过建立的灰色模型预测地基沉降的发展，一般采用的是g m ( 1 ，1 ) 模型，即一阶微分方程。文献【2 5 1 指出g m ( n , 1 ) 模型，即n 阶微分方程与a s a o k a 法是一 致的，这为灰色模型在沉降预测中的应用提供了坚实的理论基础，说明用灰色模型模拟 沉降是合理的。利用灰色理论进行沉降预测是以己知单位时段内的沉降量为研究对象， 通过对这些数据的处理来获得沉降的变形规律，从而对沉降进行预测。取观测点在相同 观测时段内的沉降量为原始序列，将其作一次累加后得1 - a g o 序列，根据灰色理论g m ( 1 ，1 ) 模型预测。在预测时，灰色模型对实测数据没有严格的要求，而且灰色模型预测还 是一个动态预测，可以根据新增加的实测数据相应地变动模型，而计算程序不需要作变 化。 l2 2 3 数值分析法计算沉降量 数值计算法2 8 1 是近代土力学研究的产物。7 0 年代以来，随着计算机和数值计算方 法的飞速发展，对土体本构关系认识的不断深入，人们可以将复杂的地基沉降计算问题 编制成计算机程序，通过计算机运算，得到较准确的计算结果。 ( 1 ) 有限元法 有限元法是将地基和路堤作为一个整体来分析2 9 ，3 0 3 “，将其划分网络，形成离散 体结构，在荷载作用下求得任一时刻地基和路堤各点的位移和应力，其中路堤底面的竖 向位移就是所要求的沉降。它所依据的试验是三轴压缩试验。 理论上，有限元法可以适用于任意的边界条件和加载方式，可以将地基作为二维 甚至三维问题来考虑以反映侧向变形的影响，可以考虑土层的不均匀性和土体应力应变 关系的非线性特性等。目前根据固结理论，结合土的本构模型，提出了一些地基沉降计 算的有限元法，如采用非线性弹性模型的有限元法【”，”j 、采用弹塑性模型的有限元法 1 3 4 、采用大变形固结理论的有限元法”，3 6 ，”】、采用损伤模型的有限元法1 3 8 1 等。但由 于有限元法求解多用增量法，而地层的初始应力往往难以可靠地确定；加上有限元法计 算工作量大，参数确定困难，对工程技术人员的素质要求很高，工程技术人员往往难以 掌握复杂的有限元计算方法，所以有限元法在工程实际中未能得到普遍应用，目前主要 用于重要工程、重点地段。 ( 2 ) 有限差分法 有限差分法【”，4 0 1 是用差分网格离散求解域，用差分公式将地基沉降问题的控制 方程( 常微分方程或偏微分方程) 转化为差分方程，然后结合初始条件和边界条件，求解 6 线性代数方程组，得到所求问题的数值解。应用有限差分法可以得出所研究平面内在各 个时期的孔隙水压力分布，从而导出瞬时沉降及任何时间或最终的固结沉降。使用这种 方法时必须注意边晁条件的变化( 渗水或不渗水边界) ，注意固结系数的选取，应用到平 面或轴对称问题时还需要加以校正。实际上，有限差分法是在常规计算方法的基础上， 用差分法将土层的不均匀性、土性参数的非线性变化等因素纳入到计算程序中，所以它 是传统计算方法的改进，而且这种方法比较直观，容易编程，较有限元法易于使用，但 在处理复杂边界等问题时没有有限元法方便。 l22 3 其他计算方法 ( 1 ) 原位试验法 通过原位试验来确定沉降量的方法主要有：平板载荷试验法、静力触探法、 标准贯入试验法和旁压试验法。其中平板载荷试验法主要适用于砂土地基，该方法是对 一定面积逐级施加荷载增量，并测量由这些增量所引起的沉降，可得到荷载与沉降的关 系曲线，该方法通常要进行尺寸效应修正。静力触探法如标准贯入试验法是利用由大量 的资料分析所得到的这些试验结果与土的压缩性指标之间的关系来计算沉降。旁压试验 法是用旁压试验得到的模量应用弹性理论得到预估沉降量，该方法将沉降分为两部分： 由球形应力张量引起的沉降和由偏斜应力张量引起的沉降( 又分为弹性沉降和非弹性沉 降两部分) 。 ( 2 ) 模糊综合评判确定沉降量 该方法1 4 2 1 应用模糊数学方法中的模糊综合判断原理，对多因素影响的沉降进行分 析探讨，判断最终沉降量以进行预报和控制。当影响路基最终沉降量的因素较多且具有 模糊性时，可应用多级模糊综合评判法，其主要思路是先把每一个因素分为若干等级， 如：好、较好、一般、较差、差等5 个等级，建立每个因素及其各个等级领域上的模糊 集，然后通过对一个因素进行综合评判，实现一个因素的单因素评判处理因素的模糊性， 最后对所有因素进行综合评判得到评判结果。当因素具有多个层次时可先按最低层次的 各个因素进行综合评判，一层一层依次向上评，一直评判到最高层次，得出总的评判结 果。其主要步骤及过程是先建立因素集、备择集、权重集，再根据等级评价矩阵来模糊 综合评判确定沉降量。 由于路基沉降是个复杂系统，考虑因素很多，其权数主要靠人的主观判断，当 因素很多时很难判断准确，故进行综合评判时有一定误差。针对具体地区不同地质情况 应分别对待。 综上所述，沉降计算方法很多，不同的计算方法适用于不同的计算条件。因此， 在实际高速公路地基沉降预估中，只有理解每一种计算方法的原理、优缺点，根据实际 情况和经验，才能灵活地选择和运用。 1 3 本文主要研究内容及技术路线 高速公路路基沉降病害的治理和工后沉降控制问题是一项世界性的难题，国内外 开展了大量的试验研究和现场实测，并且在路基沉降预测、沉降控制方面取得了定的 成果，但是由于大部分试验和研究工作是通过具体的试验路堤完成，这些成果针对性较 强。随着高速公路建设的发展，不可避免地通过不良地质区域，特别是针对黄河泛流平 原特殊的地质条件和施工条件，尚未见系统的研究成果，国内外可供类比的工程不多。 1 3 1 主要内容 本文依托新乡黄河高速公路进行路基沉降特性分析，对新乡黄河高速公路黄河泛流 平原工程地质条件、路基施工特点与环境条件，开展路基沉降特性及施工控制技术的研 究，通过现场各项监测项目的实施和量测成果综合分析，了解了路基沉降和变形特性。 根据实测资料和理论分析等方法，对典型路基条件路堤填筑施工全过程进行模拟分析， 分析路基的应力、变形及其沉降规律，评价所采用的地基处理方法的处理效果，验证设 计理论的正确性，制订施工控制标准，提出施工控制措施，获得一套系统完善的新黄高 速公路路基沉降及施工控制技术研究成果。这对今后类似工程的修建将有积极的参考价 值；对丰富和发展我国高速公路路基的设计与旅工方法，亦具有十分重要的意义。 本文主要做了以下几项工作： ( 1 ) 路基沉降与稳定监测方法； ( 2 ) 新黄高速软土地基处置方案的施工与观测分析； ( 3 ) 灰色系统理论在新黄高速路基沉降预估中的应用； ( 4 ) 新黄高速路基沉降控制标准的提出。 1 3 2 技术路线 采用理论分析和现场监测等多方面手段进行。具体如下： ( 1 ) 对国内外软土地基和路基沉降研究现状综合分析； ( 2 ) 通过现场调查，收集资料，考虑软土地基地段( 分别考虑进行地基处理和未 进行地基处理两种情况) 和桥头路堤( 同样考虑采用粉喷桩处理和未处理时的对比) ， 选定有代表性典型断面； ( 3 ) 在典型断面进行路基沉降、分层沉降、水平位移、孔隙水压力、路堤内部土 压力等的测试，分析典型断面路基和地基沉降、变形和内力分布特征； ( 4 ) 进行路基总沉降观测，考虑在全线路堤填筑至9 5 区或9 3 区后，软土地基、 桥涵台背、低填方路堤、地基处理和未进行地基处理地段进行全面监测； ( 5 ) 对现场大量的监测结果进行综合分析； ( 6 ) 分析桩网复合地基的处理效果，讨论相应的设计方法，讨论软土地基处理措 施； ( 7 ) 考虑土体固结，建立路基沉降的计算模型，对路堤填筑施工全过程进行模拟 分析，对典型的路基条件进行数值分析，分析路基的应力、变形及其沉降规律； ( 8 ) 在大量现场测试、数值分析研究的基础上，研究黄河泛流平原软土地基施工 控制技术，提出新乡黄河高速公路路基沉降控制基准。 2 1 监测方案 第二章路基沉降与稳定监测 施工监测必须在施工前编制监测方案，制定详尽的监测计划。在制定方案时，要 考虑以下问题： ( 1 ) 一般除设计规定的路段外，均应按有关规范规定，确定监测路段，同时还应考 虑观测时的通观条件以及观测点的设置条件； ( 2 ) 要明确路基填筑材料、填筑速率控制标准与方法以及填筑工艺； ( 3 ) 提出路堤施工坡率、沉降土方补加方式以及不同处理形式路段、与结构物相接 路段的施工期沉降预测曲线： ( 4 ) 地基监测的观测项目应根据工程的性质与重要性有选择地确定，为便于施工各 观测数据的互相验证和分析，要求同一个监测路段中的所有测点尽可能集中布置在同一 个观测断面上； ( 5 ) 明确仪标埋设要点和应达到的标准或要求； ( 6 ) 明确采用的观测仪器及所埋设仪器的名称或类型，制定观测规程。对需要自行 加工的观测标、桩以及仪标保护和测点装置进行构造设计； ( 7 ) 明确监测频度；根据不同监测项目的监测要求，确定相应得监测频度； ( 8 ) 明确监测控制标准：路堤填筑过程中，应着重进行沉降和稳定监测。当接近或 达到极限填筑高度时，严格控制填土速率，以免由于加载过快而造成地基破坏。一般每 填筑一层，应进行一次监测，参考我国几条高速公路的建设情况见表2 1 ，规范规定相 应的控制标准为：路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于1 o c m ；坡脚水平位移速率每 昼夜不大于0 5 c m 。观测结果应结合沉降和位移发展趋势进行综合分析。其填筑速率， 应以水平位移控制为主，如超过此限应立即停止填筑； 表2 1 我国几条高速公路的沉降和位移控制标准 控制标准京津塘高杭甬高佛开高深圳高速公泉夏高路基施工 ( c m d ) 速公路速公路速公路路试验段速公路技术规范 垂直沉降1 01 0 1 o1 3 1 51 0牛1 0 水平位移 0 50 5 o 50 5 o 6o 2丰0 5 ( 9 ) 明确监测人员与施工人员的责任：具体观测项目的确定、观测仪器的选型、仪 标的布设与观测方法和频率的确定等，应提供相应的设计资料和图纸。在所提供的设计 图纸中，监测路段监测项目平面布置图及仪标布设断面图是最重要的。在平面布置图中， 应画出路堤范围、监测区段号、埋设仪标和断面桩号、各种仪标平面布设位置以及观测 控制点的布设位置；在仪标布设断面图上，具体示出各种仪标在各断面中的水平与垂直 1 0 向的布设位置。 所有的观测仪标均应在地基处理后、路基填筑前埋设完毕。路基填筑必须在所有 仪标完成初读数后进行。 2 2 监测内容 施工动态监测项目除设计有明确的要求外，一般视工程的重要性和地基的特性， 以及观测对施工影响的程度来决定。通常道路施工监测工程的观测项目包括三类：变形 ( 位移) 观测、应力观测和强度观测。变形观测包括沉降观测和水平位移观测；应力观 测包括土压力观测、孑l 隙水压力观测；强度观测指地基承载力的观测。 2 2 1 沉降观测 路堤施工沉降观测的目的主要有三个：控制填土速率；根据实测沉降曲线预 测地基固结情况，根据推定的残余下沉量确定填方预留沉降量和断面余量，同时确定构 造物和路面结构的施工期；实测路堤沉降为施工计量提供依据。因此，沉降观测在路 堤旌工中显得非常重要。 依据有关规范规定，沉降观测的测点布置一般要求每隔2 0 0 m 左右设置一个观测 点。桥头引道路段至少设置3 个观测断面，第一块沉降板应设置在桥头搭板末端或桥台 桩位处( 有前台预压时) ，沉降板间距不宜超过5 0 m 。 沉降观测时间安排基本与后续的位移观测相同：在施工期应严格按设计或合同文 件要求同步进行沉降和稳定的跟踪观测。每填筑一层应观测一次；但当路堤稳定出现异 常情况而可能失稳时，此时停止加载，造成两次填筑间隔时间较长时，每3 d 至少观测 一次。路堤填筑完成后，堆载预压期间观测应视地基稳定情况而定，一般半月或每月观 测一次，直至预压期结束。 一般来说，观测频率应与沉降( 位移) 速率相适应，沉降( 位移) 越小，观测频 率也可减慢；反之沉降( 位移) 越大，观测频率越要加快。一般路堤在极限高度以下， 沉降( 位移) 越小，观测次数可少些。极限高度以上填筑时，路堤极易失稳，因此，要 求每填一层均要观测，间歇期要增加次数：当位移曲线骤然变大时，更要跟踪观测，分 析原因，并考虑是否需要采取措施。 公路路基施工中的沉降观测通常分为：地面沉降观测、深层沉降观测和分层沉降 观测等。 ( 1 ) 地面沉降观测 施工路段的地表沉降观测常用的方法是在原地面上埋设沉降板进行高程观测。 无论在纵向还是在路堤横向，沉降板布点越多，测得的结果越能反映路堤沉降的 真实性。但测点越多，无论是费用还是测试工作量、测点保护工作量和测点对施工的影 响等方面因素都有增加，从满足需要与施工 便利性考虑，一般路段沉降板设置在路中心， 沉降管 卜自攻幺幺 篓挈蝴潞黻蚴涠脱蜮戥1 2 矿的f 磊 测点n 三角钢板支撑厂二_ 卜r 一 沉降板由钢或钢筋混凝土底板、金属测if 杆和保护套管组成( 如图2 1 ) 。底板尺寸不小易心 于5 0 c m 5 0 c m 3 c m ，测杆直径以4 c m 为宜。z 为了使测杆处于自由状态，防止测杆与路基 填料直接接触发生摩擦，影响沉降结果，应在 图2 1 沉降板示意图 测杆外部加保护管，保护管尺寸以能套住测杆并使标尺能进入套管为宜。随着填土增高， 测杆和套管宜相应的接高，每节长度不宜超过1 0 0 c m 。接高后的测杆顶面应略高于套管 上口，以便于水准尺直接置于测杆之上，套管上口应加盖封住管口，避免填料落入管内 而影响测杆下沉自由度，盖顶高出碾压面高度不宜大于5 0 c m 。 沉降板观测应采用s 1 、s 3 型水准仪，s 1 水准仪作二等水准测量用，主要用于工 作基桩和校核基桩标高检测，以二级中等精度要求的几何水准测量高程，观测精度应优 于l m m ；s 3 水准仪作三等水准测量用，主要在填筑过程中观测沉降用。 ( 2 ) 分层沉降观测 通过土体内部分层沉降观测，可以了解到软土层在沿深度方向各层次的压缩情况。 主体内部分层沉降是通过在土体内部埋设分层沉降标( 简称分层标) 进行观测。 分层标由导管和套有感应线圈的波纹管组成。导管为硬塑料管，要求具有一定的 剐度，管杆直挺，两端配有接口装置；波纹管为塑料软管，要求横向能承受主体挤压不 变形，纵向能自由伸缩。波纹管套在导管的外面，管上感应圈即为测点位置。 分层标可以在同一根测标上，分别观测土体沿深度方向不同层次的沉降量；分层 沉降一般采用磁环式沉降仪观测；分层沉降标埋置深度可贯穿整个软土层厚，各分层测 点布设间距一般为1 o m ，甚至更密。 ( 3 ) 深层沉降观测 通过土体内部深层沉降观测，可以了解到软土层在某一层位土体的压缩情况。土 体内部深层沉降是通过在土体内埋设深层沉降标( 简称深层标) 进行观澳0 。 深层标由主杆和保护管组成。主杆采用金属或塑料硬管，杆底端需有5 0 l o o c m 长的以增加阻力的标头；保护管可采用废弃的钻孔钢管。深层标可测得某一土层顶面的 沉降量，深层标采用在被测土层中埋设标杆并用水准仪测量标杆顶端高程的方法进行观 测，测量仪器和精度与沉降板要求相同。深层标是测定某一层位以下土体压缩量的，故 深层标的埋置位置应根据实际需要而测定。如对软土层较厚，排水处理又不能穿透整个 层厚时，为了了解排水井下未处理软土的固结压缩情况，深层标可设置未处理软土顶面 ( 排水井底面) 。 分层和深层沉降标埋设要点如下： 采用钻孑l 导孔埋设，钻孔垂直偏差率应不大于1 5 ，并无塌孔缩孔现象存在， 遇到松散软土层应下套管或泥浆护壁。钻孔深度：对分层标即为埋置深度；对深层标为 埋置深度以上5 0 c m 。成孔后必须清孑l ； 分层标埋设时先埋置波纹管，第一节波纹管底部必须封死，至一定深度后，插 入导管与波纹管一并压至孔底。当埋置深度较大时，波纹管与导管均应随埋随接，接1 3 必须牢固，但不能采用磁感应材料作固定件。波纹管漏出地面1 5 2 0 c m ，并用水泥混 凝土固定；导管外露3 0 5 0 c m ，并随填土增高，接出导管并外加保护管； 深层标埋设时，先下保护管，再下主杆，到位后再将保护管拔离主杆标3 0 5 0 c m 。 随填土增高，接长主杆和保护管； 当分层标和深层标至孔底定位后，用砂子填塞钻孔孔壁与波纹管或保护管之间 的问隙。待孔侧土回淤稳定后，测定初读数。对于分层标应先用水准仪测出导管管1 3 高 程，并用磁性测头自上向下依次逐点测读管内各感应线圈至管顶距离，换算出各点高程； 连续测读数日，稳定读数即为初始读数。 分层沉降标埋设难度较大，且外露标管对旋工影响较大，又易遭碰撞，一般埋设 于路中心，一个观测断面埋设1 2 根分层标。深层标按需要测试深度在路中设点埋设， 但不宜埋设于车道位置。 2 2 2 水平位移监测 对地基稳定性的监测，通常是通过地面水平位移监测和土体水平位移监测来实现 的，下面予以说明。 ( 1 ) 地面水平位移监测 通常对路基稳定性监测的最好的方法是埋设深层测斜管进行观测，但对于测斜管 埋设难度大，测定工作