片石处治干线公路软土路基沉降规律及预测分析*

2021-07-19张潭刘展瑞蔡宇鹏张定权

公路与汽运 2021年3期

张潭，刘展瑞，蔡宇鹏，张定权

(1.广西壮族自治区玉林公路发展中心，广西玉林 537000；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114)

在软土地基上修建公路常会因为路堤沉降不均匀导致路面高低不平，甚至出现开裂或滑移现象。不少学者在软土路基加固技术、沉降规律等方面进行了研究，在路基换填、排水固结、坡土复合地基、土工格栅和加筋复合材料路堤等方面积累了丰富经验。刘金龙等采用有限元方法对土工织物加固软土地基的稳定性效果和机理进行了分析；陈子龙研究了抛石挤淤强夯法在软土路基处理中的应用。软土路基处理受诸多因素的影响，处理过程中需开展预应力加载，采取反复碾压的方式，确保排水效果和地基自身强度。邹育麟等通过软土路基原位观测试验，提出了保障新建软土路基施工质量的监控量测措施。软土路基的土质松软，施工中能否对沉降进行合理预测并及时修正过大沉降，是保证施工质量和节省施工成本的关键。崔凯等对软土路基沉降进行了联合法预测；魏丽敏等利用软土变形的大位移、大应变、渗透固结及依时性特点，建立分析软土地基大应变的黏弹塑性有限元列式和迭代求解算法，对路基地表沉降和地基深层沉降进行了预测。该文依托广西玉林干线公路工程，针对软土地质条件下干线公路施工与运营中的路基不均匀沉降开展研究，分析其沉降规律，并进行工后沉降预测。

1 沉降监测设计

广西玉林某干线公路，路线全长50.384 km，地面标高为60～100 m。位于中亚热带大陆季风气候区，热量丰富，四季分明，冬季少寒冬，夏季多酷热，秋季晴朗温暖，春末初秋少雨多旱，年平均降水量1 218.5～1 473.5 mm，日照时数1 347.3～1 615.3 h。该路段沿线分布较多软土，工程性质较差，干缩性较大，承载力低下，在这种地质条件下进行工程建设会出现路基沉降过大、路基侧向滑移的问题，路基协调变形控制非常重要。

沉降监测点布设需综合考虑地基及路堤设计方式、荷载、结构物特征等，埋设在变化分界线的两侧。沉降板的底座一般埋设在砂垫层或第1层填土中，确保沉降板稳定。根据沿线地基土的分布及软土地基路段的填土高度、淤泥层厚度等，选取7个较典型的断面进行沉降监测。其中：桥头加密段选取3个断面，分别为K27+710、K27+720、K27+800，填土高度分别为2.565、2.615、2.481 m；圆管涵过渡段选取3个断面，分别为K28+455、K34+300、K34+685，填土高度分别为2.325、2.448、2.322 m；一般路基选取K28+650断面，填土高度为3.508 m。为保证地基稳定，施工过程中一方面保证路基的加载强度，另一方面确定合适的施工时间，确保路基工后沉降满足继续填土的要求。

2 典型路基断面沉降规律分析

2.1 桥头加密段典型断面沉降观测分析

桥头加密段选取K27+710、K27+720、K27+800 3个典型断面，地基处理方式为片石。通过跟踪观测，其沉降情况见表1。

由表1可知：3个断面的累计实测沉降量分别为23.5、19.6、21.1 cm，K27+710断面的沉降量最大，K27+720断面的沉降量最小。在施工期，桥头典型断面的沉降量占总沉降量的比例较高，对施工期桥头典型断面路基进行沉降分析，有利于预防桥头跳车现象的发生。

表1 桥头加密段典型断面沉降情况

为了进一步研究桥头典型断面的沉降规律，绘制其中2个典型断面的荷载、时间与沉降关系曲线(见图1)。

图1 桥头加密段典型断面的荷载、时间与沉降关系曲线

由图1可知：在路基填筑期间，随着填土高度的增加，桥头加密段出现明显沉降。原因是该路段的软土深度较小，填土过程中地基发生排水固结，从而导致沉降。K27+710、K27+800路段为土堆载预压，地基性能得到提升，其沉降数据总体来说较正常。随着填土高度的继续增加，路基沉降速度减小，继续土堆载预压直至达到设计填土高度时，沉降变形不明显，数值在可控范围内。同时施工期间大型施工机具的长期停放及施工车辆的长期碾压也会导致主线某一侧的沉降较大。总体来看，该段总沉降及施工期沉降速率符合规范要求。

在施工前期，3个断面的沉降量较大，主要是因为这个时期的土质较松软，未进行压实。随着土堆载预压的进行，地基逐渐排水固结，沉降进一步增加。随着时间的增长，预压达到一定强度后，沉降开始趋于平稳，地基沉降也逐渐收敛。另外，3个断面的预留检测点位沉降数据都正常。从桥头断面的荷载、时间和沉降曲线也能发现，施工期的沉降较大，在整个沉降中占较大比例。因此，施工期间对沉降及时进行观测和控制非常关键。

2.2 圆管涵过渡段典型断面沉降观测分析

圆管涵过渡段选取K28+455、K34+300、K34+685 3个断面进行沉降观测，地基处理方式为片石。其沉降情况见表2。

由表2可知：3个断面的累计实测沉降量分别为20.6、16.2、18.5 cm，K28+455断面沉降量最大，K34+300断面沉降量最小。在施工期，圆管涵过渡段断面的沉降量占总沉降量的比例较高，施工期间要重点做好圆管涵过渡段的沉降观测。

表2 圆管涵过渡段典型断面沉降情况

为了进一步研究圆管涵过渡段沉降规律，绘制其中2个典型断面的荷载、时间与沉降关系曲线(见图2)。

由图2可知：在路基填筑期间，随着填土高度的增加，填筑速度的增快，圆管涵过渡段断面的沉降增长速率增大，路基经过碾压再填土后，沉降增长速度变缓，沉降趋于稳定。在沉降较大断面K28+455，路基填筑至1.88m时，路基累计沉降量为92mm，沉降量与填土高度的比值约4.9%；在K34+300断面，路基填筑至1.82 m时，路基累计沉降量为108 mm，沉降量与填土高度的比值约5.9%。达到设计填土高度后，随着预压的完成，路基沉降速率逐步降低，各断面观测沉降量逐渐趋于平稳，地基沉降也逐渐收敛，且路基土的承载性和稳定性有所提高。圆管涵过渡段各断面沉降数据正常，无较大沉降，预压期也没有出现由于差异沉降导致的工程问题，且预留位置的沉降检测数据在预压期正常，无突变出现。

图2 圆管涵过渡段典型断面的荷载、时间与沉降关系

2.3 一般路基典型断面沉降观测分析

一般路基典型断面选取K28+650，地基处理方式为片石。其沉降情况见表3，荷载、时间与沉降关系见图3。

表3 一般路基典型断面沉降情况

图3 K28+650断面荷载、时间与沉降关系

一般路基的土层主要为黏土，软土层厚5 m。K28+650观测断面的软土深度较小，土的排水固结快，预压期的沉降较小，但施工期沉降较大，累计沉降量达35.6 cm。一般路基在施工期间产生的沉降在整个沉降过程中占较大比例，施工期对一般路基进行沉降观测与控制对预防路基病害非常重要。

由图3可知：一般路基的沉降量比桥头加密路段及圆管涵的大，主要是由于填土材料的差异及一般路基路段长期经受汽车荷载的作用。在填土期间，随着填土高度的增加，一般路基的沉降逐渐增加且增加趋势较大，预压期后，随着土层被压实，沉降增长变得较缓慢，增量也较小。一般路基施工相对简单，地基情况也相对桥头加密段和圆管涵更稳定，但为避免一般路基在早期就产生较严重的病害并减少工后沉降，施工期间要加强施工控制，填筑期间要加强观测频率，每填一层土就观测一次。

3 路基工后沉降预测

常用路基沉降估算方法主要有传统的预测方法、数值计算法和基于实测数据的预测法。传统的预测方法以土力学为基础；数值计算方法以本构理论为基础；基于实测沉降数据的预测方法则更多地依赖实测沉降数据，主要方法有双曲线法、指数曲线法、Asaoka法、灰色预测法等。选用双曲线法预测该项目的路基工后沉降。

双曲线法假定沉降平均速度随时间按双曲线变化，表达式为：

(1)

式中：st为t时刻的沉降量；s0、t0分别为拟合起始点对应的沉降量和时间；α、β为待定系数。

将前期实测沉降数据代入式(1)，利用最小二乘法进行曲线拟合，得到斜率为β、截距为α的近似直线。预测工后某一时刻的沉降量时，只需将直线延长至预测的时间点即可推算出该时刻的沉降量。公式如下：

(2)

t→∞时，对式(2)取极限，可得到预测工后沉降的公式：

(3)

以K34+300断面为例，将实测沉降数据代入公式进行计算，结果见表4和图4。

表4 K34+300断面沉降观测数据

图4 K34+300断面沉降量拟合结果

拟合所得近似直线的表达式为f(t)=0.005 1t+0.197 2，即双曲线模型的参数α=0.197 2，β=0.005 1，相关系数R2=0.992 7。将这些参数带入式(2)，且取t0=0，s0=0，得：

(4)

利用式(4)对K34+300断面进行沉降预测，结果见图5。

图5 K34+300断面预测沉降与实测沉降对比

由图5可知：双曲线法预测的沉降值与实测沉降值非常接近，且变化趋势基本一致，拟合相关系数R2为0.992 7，接近1，拟合效果较好，表明采用双曲线法预测工后沉降可行。对于K34+300断面，当t→∞时，st=s0+1/β，预测其最终沉降量为196 mm。该断面在监测期间的累计沉降量为162 mm，工后沉降为34 mm。根据JTG/TD31-02-2013，涵洞、通道处的容许工后沉降不超过200 mm，该断面的工后沉降符合规范要求。

同理，利用双曲线法对其他典型断面进行沉降预测，结果见表5。根据JTG/TD31-02-2013《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》，桥头路段容许工后沉降不超过100 mm，涵洞、过渡段的容许工后沉降不超过200 mm，一般路基路段容许工后沉降不超过300 mm，表5中6个断面的工后沉降均符合规范要求。