岩体力学论文

1、高填方路堤沉降分析摘要：随着国家西部大开发决策的实施，高填方路堤的沉降规律已经成为工程界越来越关注的问题。然而由于填料力学性质的复杂性及种种原因，高填路堤的沉降规律在交通土建部门研究的不多。西部山区的高等级公路建设中, 不可避免的出现大量的高填方路堤。从目前投入运营的高速公路来看, 普遍反映出路堤沉降、特别是工后不均匀沉降问题较为严重。高填方路基的沉降问题相对于稳定问题表现得更为普遍、更为突出, 是路基的主要病害之一。关键词：高填方路堤;检测手段;沉降Abstract;With the implementation of the western development strategy,the

2、 rule of settlement of the high embankment has become the problem to which engineering have paid moreand more attention. However the mechanical properties of filling for complexity and a variety of reasons, Few studies about the rule of settlement of the high embankment in communications civil engin

3、eering department.In the mountains of western construction of high-class highway,a large number of the high embankment appear of unavoidable. In the present state of the throw in operation freeway,it is more serious problem that embankment settlement, especially the problem of after construction une

4、ven settlement in universal. The problem of the high embankment settlement that is more universal and more outstanding is relatived to the problem of stability,which is one of the major embankment diseases.Keywords：high embankment;test facility;settlement1 绪 论 公路是国民经济的重要命脉，由于其特有的优越性和灵活性而发挥着其它运输方式所不可

5、替代的作用。公路建设又是国家最主要的基础产业之一，它的迅速发展对于促进国民经济并推动其它相关产业的发展具有非常重要的意义。近年国内公路建设的规模和水平有了很大的提高，尤其是高速公路以其车速快(最高时速一般为120Km/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，如湖南的耒宜高速公路、潭邵高速公路、衡枣高速公路、常张高速公路、常吉高速公路等，由于沿线多为丘陵山区，地形与土质条件复杂，高填深挖及半填

6、半挖极其普遍。填切交界高差6-10m以上者常见，高填方路堤大量出现，最大填方高度20余米甚至达30余米。为了使高速公路在使用年限内能够很好地运营，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。一般要求在设计使用年限内，路面的工后沉降量应小于30厘米，桥头路堤应小于10厘米；对平整度要求更高，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。由于高速公路对地基沉降的要求十分严格，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。以往，在我国东部公路建设中遇到的问题主要是软基沉降问题，对于这个问题，国内外开展了大量的研究并取得了许多成果，然

7、而在高路堤方面则缺乏全面系统的沉降观测资料和研究成果。同时，由于我国幅员辽阔，东西部高速公路建设过程中遇到的地质问题差异较大，所以不能简单地将在东部积累的经验用于中西部，而必须重视中西部地区的地质特殊性,如湖南境内就大量存在红砂岩和高液限粘土等不良土质。为此，针对中西部地区出现的高路堤，开展高路堤沉降观测和沉降变形特性的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高路堤沉降过程，据此可以指导进一步的优化设计，推算各结构层次的施工时间表，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。2 路基沉降计

8、算方法2.1影响路基沉降计算的因素路基沉降分析中存在大量的不确定性因素，这些不确定性因素，使得路基沉降的理论数值计算分析的精确性大为下降。许多学者曾较系统地阐述了地基沉降分析中的不确定性因素，主要体现在以下几个方面：2.1.1 计算模型的不确定性很多文献都详细分析了计算模型的问题，由于无论采用哪种模型，都不可能绝对准确地（有时误差还很大）反映实际情况。针对不同的土质材料，许多学者已经提出许多本构模型和屈服准则，不同的模型反映的侧重点不一样，所得到的结果差异也很大。甚至有时提出的模型可能较为全面地反映了土的性质，但因为其本构关系的极其复杂，使得数值计算相当繁琐，这样也难以在工程中广泛应用。计算模

9、型的不确定性是一个较为复杂的问题，这和土粒粒度、成分和土体结构有关，同时也和它所受外力的种类和方向、周围环境、地下水的变化等因素有关。国外学者Ditlevsen和Kiureghian等人对工程结构的计算模型不确定性进行了研究，相比之下，在岩土工程领域，研究成果还很少，目前唯有Bourdeau和Ashmaxy简单地对线弹性和理想弹塑性不确定问题进行了探讨。2.1.2 荷载的不确定性对于高速公路来说，荷载主要包括路基土体及面层的自重和车辆荷载。路基土体在实际施工中的加载方式变化很大，采用不同的加载方式和加载速率，路基的沉降时间曲线显著地不同。加载速率对初期沉降有明显影响，而对后期沉降影响不大。施工

10、填筑速率缓慢时，土中孔隙水压力有较充分的排出和消散时间，路基的沉降便随路堤填土荷载的缓慢增加而逐渐进行。施工填筑速率过快，土体没有充分固结，那么就会造成较大的工后沉降。对于车辆荷载作用下路基的沉降问题，目前的处理办法一般只将其转化成静载。但实际上，车辆荷载和静载相比有很大的不同，天然土体及复合土体在车辆荷载作用下的性质与其在静载作用下表现出来的性质也有很大的不同。路基在车辆荷载作用下引起的累积变形可以分为两部分：在可变荷载作用下土体中的残余应变引起的变形和土体中由于可变荷载引起的孔压消散产生的固结变形。正确估算道路构筑物在可变荷载作用下的沉降，对实际工程具有重要的现实意义。2.1.3路基上材料

11、参数的不确定性大量的试验、统计结果和工程实践表明，土性参数存在着变异性，而且变异系数远比一般的人工材料大。路基沉降计算的精度在很大程度依赖于土性参数统计分析的精度。除容重外，地基土的弹模、泊松比以及强度参数(如c,值)也都存在着变异性。Cambo的研究表明，土泊松比的变异性不大，可以不作为随机变量处理，但弹模的变异性十分明显。土体强度参数的变异性一般较大，尤其是c值，有时变异系数高达0.5左右。此外，由于地基沉降往往为一定范围内土性的平均特性所控制，而土性参数一般又表现出明显的空间变异性，不同位置土性参数具有相关性，因此，土体材料参数通常需采用随机场模型加以模拟。国内权威人士指出：“在计算科学

12、日新月异的今天，计算参数与实际情况相比所具有的精度己远远落后于工程结构的精确分析,如果不考虑设计参数的不确定性，结构的精确分析所能取得的效益将被粗略的经验性安全指标所淹没”。在地基沉降未能全面实现概率分析以前，基于参数的反演分析方法是解决参数不确定性问题的较好途径。2.1.4 几何尺寸的不确定性 从总体上看，这一方面的研究成果还较少，目前已出现的成果主要反映在土层厚度不确定性的模拟以及土体内变异物位置和尺寸的不确定性对沉降的影响。2.1.5 初始条件和边界条件的不确定性在软土路基的沉降计算分析中，必然要关系到确定计算模型的初始条件和边界条件。由于路基所处的地下水水位都是随机变化的，所以其初始孔

13、压和边界孔压均存在不确定性。由于岩土工程中存在着大量的不确定性因素，这些客观存在的不确定因素己使常规的分析方法显得力不从心。只有在路基沉降计算中充分考虑这些不确定因素所带来的影响，才能进一步提高计算的精度。2.2路基沉降预估方法路基沉降预测的方法主要有三种：以经典土力学为基础的传统预测方法、本构理论为基础的数值计算法和根据实测沉降资料预测法，如图1-1所示。图1-1地基沉降预估方法总结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，并按分层总和法分别计算。瞬时沉降是在外荷载加上的瞬间，土体中的孔隙

14、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。此时土体只发生形变而没有体变，荷载使土体产生剪切变形。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。在此过程中，孔隙水排出，孔隙水压力转换为有效应力，土体逐渐压密，产生体积压缩变形。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。此种方法包括一维沉降计算法和从土的应力状态出发而改进的沉降计算方法。数值计算法是近代土力学研究的产物。70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

15、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。其中有限元法和有限差分法应用较广。前面已经叙述，在高速公路设计和施工中客观存在的不确定因素使得常规的路基沉降计算分析方法计算的沉降量和实际沉降量有较大的出入，因此出现了根据实测沉降资料的预测方法，此种方法预测精度相对较高，同时通过对此种方法的大量运用可以积累这方面的资料和实际监测经验供日后借鉴。为此，许多高速公路都开展了沉降观测工作，如京津塘(1987)、沪嘉(1989)、广佛(1990)、广深珠(1992)、沪宁(1992)、杭甬(1992)、佛开(1994)、广珠(1995)、耒宜(1999)、衡枣(2001年

16、)、常张(2003)和常吉(2004)等高速公路，以此来对高速公路的设计和施工提供依据并指导施工。根据对现场实测沉降资料的整理分析和研究，提出了许多沉降预估的方法，如双曲线法、指数曲线法、泊松曲线法、浅岗法、星野法、三点法、沉降速率法、灰色预测法、神经网络预测法、模糊综合评判法和反分析法等。传统沉降预估方法和数值计算方法都需要对土样做大量的实验来获取尽可能接近实际的参数，但由于土是一种变异性很大的工程材料，在其漫长的形成过程中，经历了自然和人为因素的作用，其性质十分复杂，因而通过勘察、取样、试验得到的土体参数是十分离散和不确定的，具有空间变异性，同时，从经济方面来考虑，勘探的密度及试验的次数不

17、可能达到绝对令人满意的程度，所有这些无形中都影响了计算结果的准确性。根据实测沉降资料预测法是在较为充分的取得路基沉降资料的基础上进行的沉降预测，能综合考虑各种复杂因素对土体性质的影响，因此其预测精度相对较高，但该类方法中的不同方法有其各自优缺点及适用条件，因此在实际的高速公路地基沉降预估中，应该在对每一种预估方法的原理、优缺点和适用范围等全面了解后，根据实际情况和经验，灵活选用不同方法进行预估分析。3 高填方路基的沉降常见表现及危害3.1 高填方路基的沉降常见表现为：路基的沉陷和路基滑动两种形式。引发病害的主要因素与填土高度、路基填料、边坡坡度、地基土质性质、水文状况、路基压实及施工等有关。3

18、.2. 高填方路段沉陷后易发生的危害： 高填方路段经常紧接大型结构物，以桥梁为例，桥梁大多为刚性结构物, 由于台背回填土与路基填筑土各自的弹性模量差别极大, 出现的沉降也存在较大差别, 极易出现桥头跳车, 影响道路的正常运营; 高填方路段出现较大沉降后, 致使路面开裂、基层断裂, 加速路面的破损, 严重危路面的正常使用; 高填方路段的沉降进一步发展, 可致使路基整体沉陷, 横向挤压, 出现路基失稳、崩塌, 造成道路的损毁。4 病害的处理高填方路段产生病害的治理措施一般有: 换填土法、固化剂法、粉喷桩法、灌浆法和铺设玻纤土工格栅法。下面结合以往治理高填方路基下沉、路面开裂等病害的情况, 介绍经常

19、采用的治理措施。4.1. 换填土法路基整体较好,局部路基下沉,经常采用换填土法。基本步骤: 将原路基出现病害部分的填料挖除, 把扰动的浮土清理干净,整平碾压达到压实度要求后, 用符合规范要求的填料回填。换填时注意: 挖补面积要扩大, 且每层挖成台阶状, 由下往上, 逐层整平碾压, 压实度要求高出原路基压实度 1% 2% 。4.2. 布设土工格栅法高填方路段路基下沉不明显, 只是在路面上出现了纵向的开裂, 经过一段时间的观测, 发现沉降趋于稳定, 可采用这种方法。步骤: 将裂缝两侧的沥青路面用切割机对称切除( 宽度以 1. 0 m2. 0 m 为宜) ,铺设土工格栅, 用钢钉固定, 重新铺筑沥青

20、路面。4.3. 灌浆法路基下沉的面积大、情况较严重, 宜采用灌浆法。灌浆法是利用液压、气压或电化学原理, 对路基下沉部分钻孔, 孔深应穿透薄弱层。然后通过注浆管将浆液均匀地注入地层中, 浆液以充填、渗透和挤压等方式灌入填料的空隙, 浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体, 使路基整体成为一个稳定的固结体。由于浆液的扩散能力和灌浆压力的大小密切相关, 所以不同填料及形态的路基, 采用的灌浆压力主要取决于路基的密实度、强度、初始压力、钻孔深度、灌浆位置及操作规程等因素。一般对碎石土、砂砾土填料的路基, 压力控制在 0. 5 M Pa 1. 5 M Pa 之间; 对于黏性土填筑的路基, 由于其渗透

21、性很小, 需加大压力, 注浆压力为 1. 5 M Pa 4. 0 M Pa。灌浆法施工程序如下: 1) 布孔。布孔一般原则为满足路基强度的要求, 布孔要结合灌浆的特点、路基形态等因素来考虑。既要充分发挥灌浆孔的效率, 又能保证浆液灌注在路基加固范围内, 防止留下空白区和跑浆, 布孔时还应视路基实际情况而定。布孔方法: 根据 原路基施工时的原始记录, 估算路基孔隙率, 通过试验测定灌浆量, 然后确定钻孔数量。 如果需要全幅灌浆, 应采用等距离梅花形方格网布孔, 中间孔浅, 边缘孔较深。孔距一般以 2. 0 m 2. 5 m 为宜。2) 钻孔。为确保原路基不受损坏, 成孔的孔径应尽量小, 且必须采

22、用干钻法, 严禁加水, 否则路堤受水浸泡, 路基原结构受到破坏, 造成更严重的后果。钻孔 深度视路基高度和路基填料等情况而定。3) 下注浆管。首先选取适当的注浆管, 注浆管底部预留 20 cm 30 cm 空隙, 确保浆液的灌注流畅。钻孔口要密封, 一般用填充膨胀水泥的方法 , 以保证浆液不从钻孔口溢出。4)注浆。灌浆压力是保证灌浆质量的重要因素 。如果压力过小, 浆液流不到预计范围内, 扩散范围小易形成空白区; 如果压力过大, 则会损 坏原路基结构, 顶破路面或冲垮边坡 ,以致使浆液沿路基薄弱部位冲出路基, 达不到灌注的目的。结 论 路基沉降一般在路基完成后 月才能逐渐趋于稳定，如果路面组织

23、施工时没考虑到这一因素，则很容易发生路面早期破损等质量问题。因此，要减少或消除路基、路面质量隐患，就一定要重视地基沉降所带来得影响。针对高填土路基的沉降原因, 在施工实践中采取行之有效的全面预防和处置措施, 不断总结经验, 施工中应重视现场调查、勘察, 严格按照规范施工, 从而降低高填土路堤的不均匀沉降的产生和发展, 确保路堤具有足够的稳定性和耐久性, 提高高填土路堤承受反复荷载和各种自然因素破坏的能力。 参 考 文 献 1 徐晓宇，王桂尧，匡希龙.基于皮尔遗传神经网络的高路堤沉降预测研究.公路交通科技，2006，12 交通部第二公路勘察设计院.路基.第二版.北京：人民交通出版社，19963

24、姚祖康.道路路基和路面工程.上海:同济大学出版社，1994，1-44 折学森.软土地基沉降计算.北京：人民交通出版社,1998，1-305 刘创明 郭长学 高填方路堤施工学习指南 6 JTG D30-2004，公路路基设计规范、JTJ033-95，公路路基施工技术规范、JTJ059-95，公路路基路面现场测试规程.7 王朝晖,李学乾.秦沈客运专线地基系数检测及影响因素探讨铁道标准设计,2001(1O).8 黄秋丽,张凡.核子仪在小浪底主坝质量控制中的应用郑州工业大学学报,2000(4).9 魏青( 1978 ) 临沂交通工程咨询监理中心 2009 10 聂武军 王瑞 刘润星 内蒙古公路工程局 内蒙古 200711 钟才根, 等1 高速公路软基路堤沉降速率控制J 1 华东公路, 2002 (3) : 42 - 44112 徐泽中, 等1 沪宁高速公路软基路堤沉降动态控制方法研究J 1 水利水电科技进展, 1998 (4) : 31 - 35113 路基检测技术综述 杨新安1 孟凡江2 孙经川3 (1. 同济大学城市轨道与铁道工程系上海20