浅论修正双曲线法在软基高填方路堤沉降评估中的应用及拓展

2015-10-29刘敏

建材与装饰 2015年10期

关键词：填方双曲线路堤

刘敏

（中铁二十四局集团福建公司）

浅论修正双曲线法在软基高填方路堤沉降评估中的应用及拓展

刘敏

（中铁二十四局集团福建公司）

本文以厦深铁路土地基高填方路堤为案例，讨论如何应用修正双曲线法评估工后沉降及指导现场施工。

修正双曲线法；软基高填方路堤；沉降评估

随着高速铁路及公路等级的不断提高，对路基的工后沉降要求越来越高，特别是软土地基高填方路堤，存在地基沉降及路堤本体固结沉降，故在有限的工期内，如何分析软土地基高填方路堤的工后沉降，并能准备判断沉降产生的主体，进而寻找解决的办法，是施工中存在的一个难题。

目前，国内外采用的沉降预测评估方法很多，且每种预测方法均有其一定的适用范围，需要结合路堤填筑情况和不同地质条件下的沉降观测情况，选择合适的预测方法。路基沉降预测常采用曲线回归法有：双曲线法、修正双曲线法、固结度对数配合法（三点法）、VERHULST法、灰色系统GM法等。但既简便易用，又能在施工期内使用的，只有修正双曲线法。本文以厦深铁路土地基高填方路堤为案例，讨论如何应用修正双曲线法评估工后沉降及指导现场施工。

1　工程概况及沉降观测评估方案

1.1工程概况

厦深线福建段D1K254+120～D1K254+255，长135m，以路堤通过，填方边坡最大高度9m。上覆粘土、淤泥质粉质黏土（软土）、松软土、砂层及圆砾土层，下伏基岩为燕山早期黑云母花岗岩及凝灰岩，段内不良地质为砂土液化及差异风化。地下水水位埋深0.8～3m。基底按平面图所示范围采用直径φ50cm搅拌桩加固，正三角形布置桩间距为0.95m，复合地基承载力不小于150kPa；搅拌桩顶部铺设两层0.2m碎石垫层夹两层双向80kN/m土工格栅。

此路基为特征明显的软土地基高填方路堤。

图1　D1K254+120～D1K254+255段水泥搅拌桩处理范围平面图

1.2沉降观测评估方案

在本段设置在D1K254+140、D1K254+180、D1K254+220断面设置沉降观测3个沉降观测断面，代表横断面如图2所示。

图2　代表横断面

观测点分两类：①基底沉降板，放置于基底垫层面，随填筑分节加高，观测时间为整个填筑施工期及填筑后收敛观测期。②路基面沉降观测桩，穿透基床表层，观测时间为整个填筑后收敛观测期。

测量精度采用二级水准测量标准；观测方法：对于路基的沉降观测使用电子水准仪天宝DINI03按照二等水准测量的精度要求测量路基沉降标的沉降情况；

2　软土地基高填方路堤沉降的修正双曲线法分析

2.1修正双曲线法分析原理

修正双曲线法，是在规范双曲线法的基础上，加入了荷载系数的概念，并假定荷载增量加载速率变化不大的情况下，沉降变形的增量与荷载增量成正比。修正双曲线法最大的特点在于其将填筑期观测数据纳入分析时间段内，而其它常用方法一般要求利用恒载期以后的观测数据进行评估预测。其方程进行如下：

2.2修正双曲线法在软土地基高填方区域实际使用的局限性

路基填方段，特别是软土地基高填方的沉降变形，从空间上可分解为下卧地基层的压缩变形、高填方路堤变形尤为明显的填筑体本身的压缩变形两部分；在时间上又可以分解成为固结沉降、瞬时沉降、蠕变沉降。其中瞬时沉降是加荷载后路基（即分层填筑后）瞬时发生的沉降，这部分沉降在稳定很快，基本可不进行预测评估。

软土地基高填方的固结沉降分为两种：①路堤软基在填筑土体在荷载作用下，随着超孔隙水压力的消散，土体骨架发生变形所造成的沉降。②路堤本体的填土在自重作用下的固结变形。蠕变沉降是填筑完成的情况下，软基及路堤本体仍随时间继续发生变形，而产生后续沉降。由于在填筑期，路基以软基固结沉降为主，而当超孔隙水压力消散得差不多后，固结沉降越来越少，而蠕变沉降愈来愈显著。所以修正双曲线填筑期内采用沉降板观测数据进行预测评估，收敛观测期采用路基面观测数据进行预测评估。

目前铁路或公路路堤填筑过程中，填方路堤都是进行分层填筑施工，尤其是软土地基高填方段，因填筑高度高，各层次施工的工序间都可能有或长或短的时间间隔，填筑速率受天气、填料来源、工艺等因素影响，常表现出填筑速率变化大，突变性强的特点。并且在填筑初期，路堤在随着填土高度的增加，并达到某一峰值时，即达到软基（或加固后软基）压缩模量界限值后，沉降量迅速增大。在静载期（即收敛观测期），沉降速度也放慢了，逐渐稳定下来。这就造成了此种模式下，观测数据根据修正双曲线的分析方法会出现回归分析离散值过高，回归方程预测拟合与现实观测偏差较大，甚至超出规范允许值。

根据厦深线观测实例，DK254+140断面受填料供应影响，填筑速率变化大。造成回归曲线及方程出现突变离散点。根据此回归方程预测180d后的沉降量，与180d后的实测值对比，差值达7.1mm，接近规范允许的8mm。

图3

所以在此种工况下，既要利用修正双曲线填筑期的分析优点，又要避免回归分析方程离散度过高造成的沉降预测误差。

2.3修正双曲线法在软土地基高填方段的改进应用

依据理论分析，并结合现场实际数据，可以发现，造成回归分析方程离散度过高造成的沉降预测误差的主要原因是，当路堤在随着填土高度的增加，达到软基（或加固后软基）压缩模量界限值后（后称临界高度），沉降量迅速增大。此种原因主导下，还引起另一种工况：填筑未到达临界高度，却因其它因素未继续填筑，停滞较大时间后，继续短时间内填筑突破临界高度，出能造成回归分析偏差。

针对以上原因，软土地基高填方段填筑前，应首先分析软基或加固处理后的地基的压缩模量，判断出填筑临界高度，必要时可考虑1.2的安全系数。其次，根据工期要求，详细计划填筑计虹，并根据S-T曲线，及修正双曲线公式进行同步回归分析，调整填筑速率，确保S-T曲线能平缓圆顺，回归分析离散系数大于0.92。特别在填筑至临界高度60cm左右时，应先摸拟不同填筑速率下的回归分析结果，调整填筑计划，保证在临界高度后，沉降突变在可控范围内。根据以上措施，调整DK254+220断面的填筑方式，进行回归预测分析，预测结果与实测值相近，结果如表1～2。

表1　回归预测分析表

表2　沉降值分析成果一览表

根据以上数据，可以说明，修正双曲线法在软土地基高填方段的改进应用，取得了良好的效果。

3　修正双曲线法在路基施工的拓展应用

修正双曲线不仅在软土地基高填方段预测评估中取得很好效果，更可以利用预测评估数估指导路基施工。

当受工期影响，软土路基特别是软土地基高填方段特殊路基，无足够的沉降固结时间及收敛观测期，无法进行沉降评估。这时需要进行加载，加快沉降固结，并利用修正双曲线进行加载值估算，预测沉降发展，并通过预测值调整加载值，保证最终沉降值符合规范及设计要求。

根据修正双曲线的公式：

填筑完成后δ值为1，并进行第一次回归分析，求出a1、b1及最终沉降Smaxt，如Smaxt-S已沉降后仍大于10cm，则按堆载预压方法，分级分级等速率加载，分级加载高度20～30cm，加载最大高度，可先按（Smaxt-S已沉降）/S已沉降）设计路基高度进行预估。当分级加载观测过程中，发现沉降曲线已进行收敛，回归方程预测最终工后沉降满足规范及设计要求，即可卸除荷载，但在卸除荷载后，还需进行观测直至移交。