高速公路软基沉降灰色关联分析

庄心善， 梅文浩

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

高速公路软基沉降灰色关联分析

庄心善， 梅文浩

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

对某摊铺路面基层公路沉降观测点临时加密，获得较多的沉降数据。以软土厚度和路堤高度为主要对象，考虑不同因素对软基沉降的影响。采用灰色关联分析，得出该工况下，软土厚度对沉降的影响大于路堤高度，并着重分析了软土厚度与沉降的关系，可为其它高速路段沉降预测提供参考。

软基; 沉降; 软土厚度; 因素分析; 灰色关联分析

在软基沉降预测中，曲线拟合法是较为实用的预测方法，该法通过已有的实测数据求解曲线方程，能较准确地反应软基沉降规律。对于多级荷载下的复合曲线模型，一般假设地基为线弹性变形[1-6]，相同荷载增量引起相同的沉降量，再考虑实际的非线性而进行一定的折减。折减系数凭经验取值具有一定的随意性，缺少一定的理论依据。不同加载阶段，折减系数的取值也不应相同。

在软基沉降多级荷载模型中，参数的取值与土体的性质有较大关系。经绯等对高速公路软基沉降进行分析，表明在相似的地质条件下，沉降量与硬壳层厚度负相关，与软土厚度正相关[7]；林育良等通过室内模型实验对软土地基变形进行研究发现：随着软土厚度的增加软土地基最大沉降值也增大[8]；李月光等对多条高速公路沉降观测数据进行敏感性分析，得出前期沉降量、施加的荷载和软土厚度为影响最终沉降量较为重要的因素[9]。本文以某软土地基高速公路路段作为研究对象，分析不同因素对沉降增量的影响，为实际沉降预测提供依据。

1 工程概况及软土分布

某高速主要跨越平原的软土地带，软土的主要成分为粉质粘土。本路段为K11+700～K12+020，除管涵外其它部位地基处理方式均为塑料排水板等载预压处理，排水板打入深度均大于软土厚度，间距均为1.5 m，呈正三角形布置。软土的孔隙比在1.0～1.2之间，含水量约为33%～44%，压缩系数为0.26～0.43 MPa(-1)，具有高压缩性，软土的快剪指标内摩擦角为φ=9.6°，粘聚力为C=21.4 kPa。该路段的路基已经验收成功，在前期荷载的作用下，沉降速率较为缓慢，但未按设计要求在路基顶进行预压处理。在选用数据的沉降周期内，该路段完成了路面基层的施工。路面基层水泥稳定土分三层摊铺，底基层和下基层施工完毕后，土工布覆盖浇水养护一周后再进行上基层的施工，底基层厚度为16 cm，下基层和上基层厚度均为20 cm。

观测路段的路基填高及地质情况(图1)，可知在该路段硬壳层的厚度均为0。软土在沿线的分布并不相同，随着里程数的增加，软土厚度先增加后减少，整体厚度较大。

图 1 软土地质纵断面

2 监测方案及沉降情况

在最先铺设基层的试验段右幅K11+700至K12+020间，每间隔40 m设置一个沉降观测断面，且每断面布置4个沉降观测点，沉降点布置见图2。

图 2 监测点布置方案

为能较准确地了解本路段沉降情况，沉降点的布设较为密集。对不同断面的沉降进行比较分析，可以判断地基纵向断面的沉降是否趋于稳定。对同一断面的不同沉降点的沉降情况进行比较分析，可以判断地基横向断面的沉降是否趋于稳定。

K11+700～K12+200段，从路面基层铺筑开始，沉降观测的频率从每天一次逐渐减少。1～8 d为每日一次，9～25 d为每两日一次，之后每周一次，每月一次。在沉降观测的数据中，相同横断面的沉降数据相差不大，分析时取四个观测点的平均值，沉降数据见表1。

由表1可知，在沉降观测初期，各个观测点的沉降速率较大。从沉降速率分析，总体上，沉降速率逐渐减少。稍有增加时出现在第三周，原因是由于在第三周路面基层再次加载。沉降速率的大小与软土的厚薄有关，软土较厚处，沉降速率较大。整体来说，路段的沉降量较大。

表1 沉降数据 mm

3 沉降因素分析

一般而言，影响软基沉降的主要因素从弱到强依次有：前期沉降量、路堤高度、软土层厚度、硬壳层压缩模量、硬壳层厚度、加载方式、路堤顶面宽度、软土层压缩模量[9-12]。对于所选路段，由于实际工况，不考虑一些因素的影响。所选路段为临时加密点，前期沉降观测断面间距为100 m，大部分断面的前期沉降量缺失，无法考虑其对所选沉降数据的影响。由地质图可知，硬壳层厚度为零，故硬壳层压缩模量和硬壳层厚度不予考虑。路段的顶面宽度、加载方式和加载大小相同，软土压缩模量也相近，也不考虑这些因素。综上所述，本文仅考虑软土厚度和路堤填高对沉降的影响。各断面的软土厚度、路堤高度和最终沉降量见表2。

表2 各断面软土厚度及路堤高度

表3 关联度系数ξ0i(k) m

ρ为分辨系数，通常取值为0.5，Δ0i(k)为无量纲化后k断面子序列(软土厚度值或路堤高度值)与母序列(k断面沉降值)的绝对差，Δmin和Δmax为所有绝对值中的最小值和最大值。

各因素的关联度为关联系数的平均值，可得软土厚度和路堤高与沉降量的关联度分别为0.97和0.92 。可知软土厚度对沉降量的影响大于路堤高。

4 软土厚度与沉降的关系

高速公路的沉降一般由填土沉降和地基沉降组成，路堤填土都达到了较高的压实度，沉降量较小，相对于软基的沉降可以忽略。软基沉降的大小，直接影响沉降量的大小。由沉降数据可知，厚度较大的部位有较大的沉降量，累积沉降量的大小大致与软土的厚度正相关。在沉降观测的初期，不同软土厚度的各个断面的平均沉降量的差值并不大，随着沉降时间的增加，软土厚度较小的断面沉降曲线先于厚度较大断面收敛。

图3为典型的断面K11+700和K11+940，后者的软土厚度大于前者，沉降初期两者沉降相差不大，加载后随着时间延长，K11+940的沉降值明显大于K11+700，沉降增速也晚于其趋于收敛，基本符合前文总结的规律。

图 3 典型断面沉降曲线

Biot固结理论的求解较为复杂，难以求出普遍有效的一般解，也没有直观的厚度与沉降对应方程。在沉降计算的实用方程中，固结沉降和次固结沉降都有普适的方程：

Δei为i土层孔隙比的变化，Hi为i土层的厚度。尽管在不同厚度和荷载下的软土Δei会略有不同，但也能直观判断软土厚度与沉降的关系。沉降与软土厚度呈正相关关系，大致符合线性关系。对所选断面的沉降量与软土厚度进行趋势线拟合，可得软土厚度与沉降关系(图4)，能为其他路段的沉降预测提供参考。

图 4 软土厚度与沉降关系

5 结论

1)未经过预压处理的软基高速公路在施加荷载的后期仍会有较大的沉降。

2)对路堤填高和软土厚度与沉降量进行灰色关联分析，可知软土厚度对沉降的影响大于前者。

3)随着软土厚度的增加，高速公路的沉降量增加，沉降速率收敛的速度减慢。

4)得出软土厚度与沉降量大致呈线性关系，可为高速的其它路段沉降预测提供参考。

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[责任编校： 张岩芳]

Grey Correlation Analysis of Soft Foundation Settlement in Expressways

ZHUANG Xinshan, MEI Wenhao

(SchoolofCivilEngin. &Architecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

By densely arranging settlement observation point in the paving pavement base of the highway temporarily, the study obtains more settlement data. Taking the thickness of the soft ground and the height of the subgrade as the main object，It takes into account the effect of different factors on soft foundation Settlement. The grey relational analysis in the conditions shows that the thickness of the soft ground influence on settlement is greater than the height of the subgrade. The paper mainly analyses the relations of the thickness of the soft ground and settlement，which provides valuable reference for settlement prediction of other high-speed sections.

soft foundation; settlement; the thickness of the soft ground; factor analysis; grey relational analysis

2016-06-27

国家自然科学基金项目(51209084)；湖北工业大学博士启动基金项目(BSQD0914)

庄心善(1964-)， 男， 河南淮阳人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为环境岩土与边坡工程

1003-4684(2017)01-0001-03

U491.31

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