公路软基沉降计算新理论及其仿真计算方法.pdf

第 卷第 期 年 月 交 通 运 输 工 程 学 报 7 3 基金项目 国家自然科学基金资助项目 A B C 作者简介 谢永利 D C E男E山西芮城人E长安大学教授E博士生导师E从事岩土工程及公路基础研究 D B C 公路软基沉降计算新理论及其仿真计算方法 谢永利E刘保健 长安大学 公路学院E陕西 西安B D F C 摘要 通过对饱和软土的理论与试验分析E提出了可同时考虑加荷G沉降和时间关系的软基沉降 计算新理论及其仿真计算方法E该理论方法可满足软基施工期间和工后沉降计算及填土的强度 控制H 关键词 公路软基I固结沉降I仿真 中图分类号 JF D 9 文献标识码 K L M NO P M Q R ST U VW X YZ T X U M P Q VQ T a Z T X U P MW Z b c X V M U a M Q W Q d R Q Z U VZ U V M ReX P N T S c fg hi j k l m n E o g pq r j s n r k 0 t u 6 t v w Ex t 6 y J z 7 2 4 w E y B D F Ex t C b c R T a t 6 t4 t 7 w 2 2 4 t 74 t 7 w 14 t 74 7 2 4 7 2 4 2 4 t 72 4 4 7 12 4 2 E4 t 7 4 t 23 4 v 1 7 v 4 t 7 w 12 4 6 7 4 t 1 0 0 4 64 t 72 2 1 7 0 7 2 4 6 1 Evt 0 t0 0 2 1 7 4 t 7 7 4 2 1 6 E2 2 1 7 0 7 14 7 t 74 t 7 w 14 t 7 7 0 t 10 7 4 7 14 0 0 4 74 t 72 2 1 7 0 71 6 1 4 7 4 t 70 2 4 0 4 4 0 4 4 t 7 2 4 7 6 4 t 4 t 7 0 7 12 M SN Q R V c 2 4 6 1 1 7 t 6 t v w I0 2 1 4 7 12 2 1 7 0 7 I2 4 6 公路软土地基路堤设计与施工技术规范E对路 面设计使用年限内残余沉降 简称工后沉降C提出了 控制要求H同时规范还要求软土地基上高速公路与 一G二级公路路堤在施工过程中应进行沉降观测和 稳定观测E并根据观测结果对路堤填筑速率和预压 期等作出必要调整H规范的这些要求就对设计和施 工同时提出了任务H首先在勘察设计时应正确估算 出工后沉降量E但现有的一些土体沉降的计算方法 都不同程度地存在一些问题E未见有一个公认的较 合理的统一算法H一般都是根据具体工程E选择一种 相适应的最佳算法进行估算H对于在施工期进行沉 降观测的要求来说E这是因为要使软基在施工期不 失稳E就必须控制施工期沉降速率E而在设计时不能 预估填土强度对沉降速率快慢的确切影响值E则只 有采用现场实测的方法进行控制H而进行沉降现场 实测的费用又很大E设计时无法预估填土强度和沉 降速率的原因E是因为还没有相应的计算理论和合 适的计算方法H本文通过对饱和软土变形机理的实 验研究并结合理论分析E提出可满足公路软基沉降 计算的数学公式和仿真路堤填方加荷G沉降和时间 关系的相关模型H 饱和软土变形特性的试验分析 根据公路软基的荷载为柔性填方土体E基础面 积大而软基厚度相对较薄的特点E分析认为软基中 的附加应力按鲍辛内斯克解较为合适E而其变形特 性的研究用一维固结实验较为实用H 实验采用如图 所示自行改装的 固结仪E用 该仪器除可测试常规的土变形参数外E还可同时测 出土的侧向固结压力G孔隙水压力和渗透参数H 万方数据 图 固结仪 考虑荷重率对土变形参数测试的影响 实验除按 规范要求加荷外还做了等荷载级差加荷的对比试验 试验土样采用达渝高速公路 8 则固结试验的96 6关系近似于双曲线 则可用双曲线函数 96 6 4 65 进行模拟 其转换表达式可以写成 6 6 96 64 5 式中 6为土在 6作用下对应的割线压缩模量A 为土的初始压缩模量 属实验确定参数A 为转换曲 线的斜率 属实验确定参数 6 6的实验结果如图 所示 实际上作者通 过大量实验证明式4 5所示的关系几乎适用于所有 正常固结土样 根据式4 5所示关系 工程软基中某 层土在附加应力作用下的最终沉降量可用下式表示 7B6 6 6 C 4 6C 6 C 5 D 84 5 式中 6 C 为土在自重应力 6 C 作用下的割线压缩 模量A D 8为计算土体的厚度 图 6 6实验曲线 4 5实验中用变水头法测试了每级荷重作用下 土样变形稳定后的渗透系数 为探讨原状土结构对 渗透性的影响 还同时做了重塑土的对比实验 实验 结果如表 所示 通过对表 资料的进一步整理 发 现渗透系数与相应的孔隙比 和应变9十分符合下 列关系式 即 E F G H 4 I 54 5 表 原状土和重塑土的渗透试验结果 荷载 J K L M NN M M M M O M N M M P M M 重塑土 原状土 孔隙比 M M M P M P M Q M P M N M O M P M 应变 M N M N M P N M M NN M NQ M O M O M O M N 渗透系数 M N R CPO M R C M R C M N R C M R C M P R C M O R C M O R C M R C M R C 孔隙比 M N M N P M N N M N M N M O P M O P N M O M O N P M O O Q 应变 M N M M M O O M N Q M P M P M M P M Q N 渗透系数 M P N R CP M Q R C O M O P R C M R C M N O R C M R C M R C M R C M O R C M R C E F G H 4 I 9 54 O 5 式中 为土的渗透系数A 为土的孔隙比A 9为压 缩应变A E1 E 和I1 I 为由实验确定的参数 经回 归分析表 中原状土的E N R C I M O Q E R C I C Q M Q 重 塑 土 的E R C I M P E R CP I C N M O 通过表 还可以看出相同条件下原状土和重塑 土的渗透系数是不一样的 说明土的结构对渗透性 有不可忽视的影响 式4 5和式4 O 5中虽然表示 或9 是渗透系数 的唯一物理变量 但土的结构性影 响却反应在实验参数E和I中 这也说明只有通 过实验才能唯一确定式4 5 1式4 O 5所确定的关系 4 5要进行软土的一维固结沉降分析 固结系数 的研究就显得尤为重要 太沙基的理论表达式为 23 4 5 S TU TU 4 N 5 式中 S为土的压缩系数A 为土的压缩模量A TU为 水的容重A 为侧压力系数 第 期谢永利 等 公路软基沉降计算新理论及其仿真计算方法 万方数据 长期以来 工程界仅将式 作为固结系数的表 达式 而并未按式 所示的各参数测固结系数 本文对实验所测原状土和重塑土的资料 用时 用对数法 时间平方根法 经典公式法 2 7 A B C D 4 3 原状土 重塑土 时间平方根法 E E 4 E 3 4 E E E 3 E 3 E 3 E 时间对数法 E 3 E E 4 E 经典公式法 E 4 E F E 3 E E E E 3 F E E 本文公式 E F F E 3 E E F F E E 3 E 4 E E 本文公式 E F E F E E E 3 E F E E 4 E 4 时间平方根法 E F E E 4 E F F E E 3 E 3 F 4 E E 4 时间对数法 E 3 4 E 4 E F 3 E 3 经典公式法 E 4 4 E 3 E 3 E E 4 E 3 4 E 3 4 E 4 E 3 3 本文公式 E 3 4 E 3 E 4 E 4 E E 3 E F E F E 3 本文公式 E 4 E E E 3 E E 4 4 E E E 3 从表 可看出 相同条件下 用不同方法整理出 的固结系数值是不一样的 这就必须对整理方法从 机理上加以评价并合理选用 从理论上讲 太沙基固结理论的核心是土在受 力情况下 孔隙体积的减少速率恒等于土体排水体 积的变化率 而公式 中含变量 G H 和 与理 论是相符的 所以说按式 所计算的 0所示 只 要知道了 2 A B 式中C 6为土体的排水距离D 4为固结时间 其它变 量同前E 可将式 B 代进汉逊公式求土的固结度E F4 G 1 H 2 B I J 1 H 2K 将式 代进式 7 知第 级荷载下土体最终沉降量 LM 8 8 8 N 6 7 则任意时间O任意分级加荷条件下土体的固结沉降 量可根据下式所表达的叠加原理算得 L4 P Q L M F 4 84 QR S H 式中C 4为从第一级荷载刚施加完算起的任意固结 时间D 为加荷的任一级数D 4 为第 级荷载刚施加 完的时间 从第一级荷载施加完算起 D F 4 84 为第 级荷载下相应时间 4 84 时的固结度D Q为任意固 结时间4所对应的总加荷级数D S为最终的总加荷 级数E 用式 H 计算的优点是可同时考虑软基的加 荷O时间与变形关系 因而可仿真公路软基全施工期 沉降过程和工后沉降过程E其计算所用的参数在勘 察期通过简单室内实验就可获得 因而有推广的意 义E因同时考虑侧胀的沉降算法还不成熟 所以式 H 未将T函数加进去E U 仿真计算的原位沉降观测验证 沉降观测点设在达渝高速公路 V7 G 7 W H标 段 也就是本文实验研究的取土样断面 该标段路堤 设计填土高W I X 底宽J B I X 该段软基属低液 限粘土 厚W Y X 下卧层为泥岩 设计采用塑料 排水板预压处理软基 要求填土施工期为 W BZ 预 压期 W BZ 沉降观测采用自行研制的地基连续剖面 沉降测试仪进行 仪器量程为7X 分辩值为 XX 该设备现已获中国专利 E现将实测的连续剖面上 一个点 软基厚 I 0X点上 的实测沉降观测值和 仿真计算结果绘于图J 仿真计算时采用式 0 计算 32值 简称仿真法 同时也采用时间平方根和时间 对数计算3 2法 简称时间平方根法和时间对数法 E 从图J可看出 仿真计算值与观测值较接近 而时间 平方根法与时间对数法与观测值差距较大E 图J沉降仿真计算结果 结语 通过实验与理论研究和现场实测结果的比较 认为本文的研究结果可用于公路软基的设计阶段和 施工阶段E设计阶段可用来预估填土施工进度O工后 沉降E而在施工阶段则可用来控制施工进度以减少 现场实测沉降的费用E 参考文献C 沈珠江 软土工