基于循环交通荷载的软土地区高速公路长期沉降研究及工后沉降预测

作者简介：邝文波（1989—），工程师，主要从事高速公路项目设备和施工管理工作。

高速公路的普及，在给人们带来出行便利的同时也出现了一系列问题，如在交通荷载作用下，高速公路地基土体的沉降会造成桥头与地基出现高低差，导致出现跳车、地基失稳等不良问题，给驾驶员和乘客带来了不舒适的体验，严重时还会对驾驶员及乘客的生命财产安全造成影响。文章研究了软土地基的高速公路长期沉降情况，并在循环交通荷载背景下对该类型高速公路的工后沉降情况进行预测分析。

循环交通荷载;软土地基;工后沉降

U412.2A090294

0 引言

随着高速公路的普及，给人们的出行带来了极大的便利，同时也出现了一系列问题，如在交通荷载作用下高速公路地基土体的沉降会造成桥头与地基出现高低差，导致跳车、地基失稳等不良问题，给驾驶员和乘客带来了不舒适的体验，严重时还会对驾驶员及乘客的生命财产安全造成影响。鉴于此，本文针对软土地基的高速公路长期沉降情况进行研究，并在循环交通荷载背景下对该类型高速公路的工后沉降情况进行预测。

1 依托工程分析

本文以SJH高速公路作为依托工程，该高速公路绝大部分路段是铺设在软土地基上的，同时具有村庄密集、结构物众多的特点，填土约在2～5 m的范围内。通过地质勘察可知，该处具有强度低、渗透性差以及含水量高等特点，且还有部分路段属于深厚软土地基，厚度大概在20～30 m之间[1-2]。本文以该高速公路两个较为典型的截面K68+300和K93+570为例进行模型构建及预测工作。通过实测可知，在265 d内，截面K68+300的路堤堆载提高了3.75 m，而后从475 d开始就逐步进入到了卸载工作之中，并在第485 d开始了路面层的铺筑工作。对K93+570而言，在100 d内，其路堤堆载提高了2.98 m，而后从335 d开始着手相应的卸载工作，并在第455 d开始了路面层的铺筑工作。

2 模型分析及构建

2.1 路面-路堤-双层地基动力响应模型的构建

针对此处构建路面-路堤-双层地基动力响应模型，旨在对因交通移动荷载引起的地基动应力进行计算。为了降低计算的难度，将截面K68+300和K93+570简化成上层土体和下层土体，横断面对应的简图如图1所示。借助路面系统对沿水平方向无限延伸的薄板进行模拟，对应的厚度由h1表示;路堤和上层土体用来模拟弹性介质，对应的厚度依次由h2、h3表示;多孔半空间介质和完全饱和介质可由下层土体来进行模拟，且可借助Biot控制方程来完成相应的计算[3-4]。

2.2 等效时间线模型的分析

在Bjerrum、Graham等人研究的基础上，提出了一维（ID）等效时间线模型[5-6]。该模型主要由三种类型组成：参考时间线;瞬态时间线;蠕变时间线。对应的函数表达式分别如式（1）、式（2）、式（3）所示。此外，土体应变的方式有两种：可恢复型的弹性应变和不可恢复型的粘塑性应变。

εepz=εepz0+λVln′z′z0

（1）

εez=εez0+κVln′z′u

（2）

εtpz=ΨVlnt0+tet0（3）

式中：λ=Δe/ln′z/′z0;

κ=Δe/ln′z/′u;

′u——单位应力;

V——比容;

κ——回彈系数;

te——等效时间，且t0和ΨV均比0大。

2.3 循环累积应变模型的分析

参考Sun等人提出的预测软土累积轴向应变经验公式（4），研究循环围压和循环偏应力作用下对软土造成的耦合影响[7]，并在此基础上来完成本文对高速公路通车后工后沉降的预测工作。

εpa=a·CSRbN106c1+0.31ζampl-13（4）

式中：εpa——永久轴向应变;

CSR——循环应力;

N——交通荷载循环次数;

a、b、c——回归参数;

ζampl——应力路径斜率。

3 案例分析

本文通过地质勘察报告及估算的方法对路面-路堤-双层地基动力模型中路堤、亚黏土层以及淤泥质亚黏土层的计算参数进行了提取。此外，借助特性类似的土体来完成淤泥亚黏土层计算参数的选取，并进行相应的回归分析，旨在验证预估的合理性与准确性，如图2所示。其中，AB段和CD段分别对应的是参考时间线模型和瞬态时间线模型，蠕变时间线模型由BC段和DE段相互对应，对应的参数取值如表1所示。

3.1 软土地基在交通荷载下不同深度竖向动应力

对截面K68+300地基而言，交通移动荷载在不同速度下产生的动应力也会有所不同，具体如图3和图4所示。其中，z、y、x为正应力，τxz为剪应力，并运用了辅助空间坐标xt=x-Vt。可以看出，竖向动应力z的峰值波动最为突出。此外，动应力的幅值与速度成正比，随着速度增加而增大，与地基深度成反比，随着地基深度增大而减小。如在亚黏土层中，地基深度z=4 m，汽车运行速度为30 km/h时，z幅值为5.8 kPa，而当汽车运行速度上升至160 km/h时，1幅值达到了7.6 kPa，提高了31.0%;在亚黏土层中，地基深度z=10 m，汽车运行速度为30 km/h时，z幅值为1.2 kPa，而当汽车运行速度上升至160 km/h时，z幅值达到了4.1 kPa，提高了241.7%。由此可见，动应力在土层中的分布情况会随着交通荷载移动速度的增加而加深。此外，在汽车运行速度为30 km/m，地基深度从4 m上升至10 m时，z幅值会降低78%，而在汽车运行速度为160 km/h时，z幅值会降低45%。

3.2 軟土地基在循环交通荷载作用下的工后沉降预测

经研究，造成工后沉降的原因有两种：（1）交通移动荷载;（2）路堤的静荷载。在计算地基动应力和工后沉降时，不但借助了Sun等人给出的经验公式，而且还结合了本文提及的路面-路堤-双层地基动力响应模型和蠕变时间线模型。在通车与不通车情况下，对截面K68+300的沉降情况进行了预测，以90 km/h作为此次计算的平均时速。在亚黏土层中，进行回归分析后，得到式（4）中a、b、c这三个系数的取值，依次为0.089、0.59、0.24，在淤泥质压黏土层中，得到的取值依次为0.011、0.6、0.21。对地基工后沉降造成较大影响的是交通移动荷载，该高速路通车一年后，预测得到的工后沉降与实际结果基本吻合。为了进一步明确式（4）的准确性，对截面K93+570的工后沉降进行了预测，经比较，实际结果与预测结果基本吻合，再次肯定了式（4）的准确性。

4 参数分析

为了明确交通荷载移动速度在30 km/h、90 km/h以及160 km/h时对软土地基工后沉降造成的影响，进行了检测分析，得到的结果如图5所示。可以看出，不同时速下的工后沉降情况基本相同，由此表明车辆的正常行驶不会对软土地基的工后沉降造成太大的干扰，因此可以忽略掉。

本文为了探索软土地基在不同路堤高度及超载情况下的沉降情况，进行了相应的计算与统计，结果如表2所示。同时，为了进一步挖掘软土地基在不同路堤高度和超载情况下的工后沉降，以截面K68+300为例，进行了研究与计算，得到的结果如表3所示。

基于表2～3可得出两点结论：（1）要想降低软土地基的工后沉降，可通过增加路堤超载来实现;（2）蠕变变形与路堤超载成反比关系，会随着其增加而减小。

5 结语

本文依托工程实例，构建了路面-路堤-双层地基动力响应模型，在前人研究的基础上给出了三种类型等效时间模型的函数表达式，并参考Sun给出的经验公式预测了软土地基高速公路在通车后的沉降情况。

[1]张 涛，刘松玉，蔡国军.太湖软土地基沉降特性分析[J].岩土力学，2015，36（S1）：253-259.

[2]吴福宝.厦沙高速高填方路堤工后沉降监测及数值分析[J].科学技术与工程，2018，18（19）：267-271.

[3]Biot M A. Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media[J]. Journal of Applied Physics，1962，33（4）：1 482-1 498.

[4]Biot M A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid saturated porous solid .L .Low frequency range [J].Journal of the Acoustical Society of America，1956，28（2）：168-178.

[5]Bjerrum L. Engineering geology of Norwegian normally-consolidated marine clays as related to settlements of buildings [J]. Geotechnique，1967，17（2）：83-118.

[6]Yin J H，Graham J. Equivalent times and one-dimensional elastic viscoplastic modelling of time-dependent stress一strain behaviour of clays[J].Canadian Geotechnical Journal，1994，31（1）：42-52.

[7]Sun L， Gu C， Wang P. Effects of cyclic confining pressure on the deformation characteristics of natural softclay[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2015（78）：99-109.