公路施工对邻近排涝站的影响分析

2011-06-09谢秀栋

长春工程学院学报（自然科学版） 2011年3期

谢秀栋,郑航,阙云

(福州大学土木工程学院,福州350108)

1 工程概况

某公路拓宽改建项目,道路等级为城市I级主干道,道路全长约4.16 km,规划红线宽度为40～80 m。某排涝站出水池位置紧靠公路路基边缘,最近处仅约2 m的距离(见图1)。从施工开始,大部分重载车辆都靠排涝站新建成的人行道上单车道行驶,同时,在公路路基填筑施工过程中,由于出水池侧墙背侧出现较大的临时堆载和施工荷载(见图2),导致原先预留的沉降缝出现不均匀沉降及开裂(见图3)。

1 公路与排涝站平面位置示意图

图2 公路施工堆载

图3 沉降缝开裂图

2 地基沉降分析原理

2.1 太沙基单向固结原理

为了求得土层在渗透固结过程中任意时间的变形,采用太沙基提出的一维固结理论进行计算[1],求解总沉降及沉降随时间的变化。

一维固结微分方程为:

式中:cv——土的竖向固结系数。

有了孔隙水压力u随时间t和深度z变化的函数解,即可求得地基在任一时间的固结沉降。此时,通常需要遇到用到地基的固结度U这个指标,其定义如下:

式中:Sct——地基在某一时刻t的固结沉降;

Sc——地基最终的固结沉降。

对于竖向排水情况,由于固结沉降与有效应力成正比,所以某一时刻有效用力图面积和最终有效应力图面积之比值,称为竖向排水的平均固结度:

式中:uz,t——深度z处某一时刻t的孔隙水压力;

σz——深度z处的竖向附加应力。

即t=0时该深度处的孔隙水压力,在连续均匀荷载 P0作用下得 :

2.2 计算压缩层厚度

软土地基压缩层计算深度按计算层面处土的附加应力与自重应力之比为0.10的条件确定。地基附加应力按水闸设计规范[2]的规定计算。

3 地基沉降计算与影响分析

3.1 计算模型及参数

出水池地基的沉降计算主要包括2方面内容:一是计算最终总沉降量;二是计算沉降的时间过程,即沉降随时间的变化趋势,根据计算结果分析公路施工期临时堆载和施工荷载对出水池的影响。

出水池地基沉降根据工程地质剖面图和出水池竣工图,采用太沙基一维模型进行计算,计算压缩层厚度取16 m,其中4.21 m的回填砂,11.79 m的淤泥,计算模型见图4。参考本地区土层物理力学性质指标统计表,选取土层计算参数见表1。

图4 公路施工影响计算模型图

3.2 荷载及加载情况

作用在出水池地基上的荷载主要有出水池结构及其墙后填土的自重、墙后填土范围内的施工、车辆等附加荷载。出水池结构及其墙后填土的自重按其几何尺寸及材料重度计算确定,作用在墙后填土范围内的施工、车辆等附加荷载,按水工挡土墙设计规范[3]规定确定。各种工况下的荷载组合及荷载值参照表2,各种工况分级加载情况见表3。

表1 土层物理力学性质指标

表2 不同工况荷载组合及荷载值

表3 各工况分级加载情况表

3.3 计算结果及分析

公路施工前及施工期出水池地基沉降与时间关系及两者沉降量的差值与时间关系见图5。计算结果表明,由于淤泥质土的流变特性,出水池地基沉降固结时间较长,基本需要50 a才能完成固结沉降,公路施工期出水池地基沉降—时间关系曲线陡于公路施工前的关系曲线,说明公路施工填土、施工荷载和行车荷载加大了出水池地基沉降速率,降低了固结度,延长了出水池地基土的固结时间。从沉降量的差值曲线可以看出,公路施工期比施工前出水池地基总沉降量增大约8 cm,而在施工初期沉降量增大约5 cm,这主要是由于在公路施工过程中,施工方紧靠出水池侧墙堆填了施工填土,在施工荷载和临时行车荷载的共同作用下,基底附加应力增大,而且由于加载前期对软土的作用更明显,导致在施工不久后出水池沉降缝出现开裂的现象。