高速公路軟基沉降預測誤差分析

汪衛東

(安徽省公路橋梁工程公司,安徽合肥 230031)

高速公路軟基沉降預測誤差分析

汪衛東

(安徽省公路橋梁工程公司,安徽合肥 230031)

簡要介紹了當前高速公路軟土地基沉降預測不準確而產生的危害,分析了軟基沉降預測誤差產生的原因,并提出了減少軟基沉降預測誤差的方法。

軟土地基沉降;預測誤差分析;高速公路

0 引言

在高速公路建設中,軟基工后沉降一直是眾人關注的焦點問題之一,特別在沿江沿河沿湖地區,由于淤泥層厚,軟土的工程性質極差[1],所以對高速公路軟基沉降的預測問題一直未能很好地解決,給施工組織帶來了很多困難。有些高速公路在建成通車后不久,就因路基沉降過大而導致路面開裂或橋頭錯臺,甚至經過多次翻修也未能徹底整治病害,在人力物力上造成很大浪費。目前,高速公路軟土地基沉降預測和實際沉降情況相差甚遠,例如,沿江高速公路SD六標段試驗段某斷面預測沉降150 cm,實際沉降達190 cm。因此,很有必要對軟基沉降預測及其產生的誤差進行系統的分析討論。

1 軟基沉降預測誤差產生原因[2]

1.1 對軟土特性認識不足所導致的誤差

對軟土的認識和利用,特別是土的結構性研究不夠,是造成沉降預測存在誤差的主要因素之一。

不同成因、不同類型的軟土所表現出的物理力學性質不同,受外荷后,產生沉降的規律必然存在差異。

例如,具有結構性的軟土,有其自身的特性:

(1)力學特性與應力水平有關,應力水平較低,結構所受有效應力小于結構抗力時,此時土的變形為壓縮變形(固結變形);應力水平較高,結構所受有效應力大于結構抗力時,軟土結構受到破壞,此時土的變形已不是固結變形,故所表現出來的壓縮性發生突變。

(2)結構性不可逆,一旦破壞,極難恢復,從而加大土的變形量。

(3)應力—應變具有一定的剪脹性。

關于土的結構性對軟基沉降的影響研究得還遠遠不夠。將有結構性的正常壓密粘土與超壓密粘土相混淆的情況時有發生,這勢必造成在沉降預測中帶來很大誤差。

1.2 了解軟土變形機理所導致的誤差

軟土屬于多孔介質,它是由土粒固體骨架與充滿在骨架內的液體孔隙水、氣體三相體系組成。三者在自然應力狀態下保持相對的平衡,受外荷作用后,三者之間的平衡被打破,在形成新的平衡狀態過程中,作用于液、氣體上的應力逐漸向土骨架轉移。液、氣應力消散,土骨架有效應力增長的過程,稱之為土的固結變形。此外,土顆粒的蠕變、結合水向自由水的轉化和壓縮而引起的軟土變形稱之為次固結變形。

目前,人們對軟土變形機理研究多以擾動飽和土為研究對象,對于原狀土、非飽和土的變形還研究得不夠,而且,軟土的次固結變形機理尚不清楚,對如何測定和劃分軟土的固結變形和次固結變形還存在爭議。

1.3 勘測過程中所導致的誤差

天然土的性質不同一般的均質材料,它具有空間和時間的變異性。各種勘測方式所能揭示的僅是有限范圍的情況,不可能完全反映軟土的真實面目。

軟土在地下的空間分布確定過程中,由于高速公路的縱向長度遠遠大于橫向長度,沿線地質條件復雜,軟土空間起伏非常大,而且各種勘測方式所能揭示的僅是有限范圍的情況。因此,通過各種勘測方式所揭示的軟土空間分布和軟土分層,與軟土實際在地下的空間分布有很大的差別。在鉆進、取樣、置放、開樣、試驗等過程中,軟土容易發生結構、密度、應力及含水量的變化,從而降低了軟土試驗數據、原位測試指標的真實性。因此,各種勘測手段所獲得的任何“原狀土”的結構和物理力學性質都與實際軟土有一定的差別,故通過勘測所得物理力學性質指標只是一種近似值。利用這些物性指標作為參數所計算出來的結果必然與實際有差別。

1.4 計算方法和計算模式所導致的誤差

對于沉降計算,目前國內基本方法都是基于e—p壓縮曲線的單向分層總和法,而沒有考慮地基的側向膨脹等原因,在實際計算時,都引用沉降計算經驗系數 Ms。該方法的優點是簡單實用,公式中各層的常規物理力學指標容易在試驗中獲得,試驗費用低,因此應用廣。但該方法的計算結果存在較大誤差,分析其原因主要是:

(1)理論計算中變形模量 Es,1～2的應用范圍為0.1～0.2MPa,而實際各分層土的豎向應力水平并非都在此范圍內。

(2)Ms的確定背景不同于路基沉降。

(3)公路路基是柔性基底。

也曾有用曲線的e-lgp分層總和法,但由于有以下限制而應用不廣:

(1)沉降修正系數的累積幾乎為空白,這給計算帶來很大困難。

(2)對于珠江三角洲地區常見的結構性準超固結土,其實驗室先期固結壓力 Pc也會很大,在沉降計算中若不作處理,則會使計算結果顯著偏小。

(3)室內土工試驗需測定壓縮層內所有粘土層的壓縮指數Cc和回彈指數Cs,這很不現實,也不可能。

盡管隨著人們對土體的認識不斷提高,從土的地質歷史、土的應力狀態、土的變形特征、計算方法等不同途徑著手不斷改進傳統的計算模式,但目前仍沒有一種理論分析計算模式能完全反映軟土體的變形規律,因為這些計算模式都是建立在一定假設基礎上的,這必然造成理論預測結果與實際沉降有差異。

1.5 加荷的多變性和復雜性所帶來的誤差

在沉降計算中,路基填土加荷是有一定規律的,然而實際施工中,填土加荷是復雜多變的,主要受制于路堤穩定、沉降速率、氣候、土源、施工設備以及人為因索(諸如不及時檢測)等諸多因素的影響。

另外,為減少工后沉降,通常對軟基進行超載預壓,路面施工時,用于超載預壓的那部分填土的去除,是一卸載過程。路堤經歷超載——卸載——施工路面(加載)過程,軟基經歷了預壓——回彈——再壓縮的過程,導致軟基沉降規律復雜化。在開挖施工涵澗(管)過程中,軟基沉降規律更為復雜,路堤經歷超載——完全卸載——施工管涵加載——回填加載——超載——超載部分卸載——路面施工(加載)過程,軟基經歷的沉降更不容易弄清楚。此外,超載量的大小、超載時間等都影響卸載后軟基沉降的發展。

可以說,在預測沉降中理論加荷不能完全反映實際施工中加荷的過程,因此預測沉降中很難反映實際情況下的軟基沉降特征,這勢必導致預測沉降與實際沉降有誤差。

2 減少軟基沉降預測誤差對策

(1)軟土的宏觀工程性質在很大程度上受到微觀結構的系統狀態和整體行為的控制,因此加強定量研究軟土結構性對地基變形特性的影響,并在變形中考慮這一因素,有利于提高軟基變形機理的認識、沉降預測的準確性。

(2)沉降預測的準確性在很大程度上取決于地質資料的真實性和代表性。要取得真實性和代表性的地質資料,就必須加大勘探密度,盡可能地進行現場原位測試,推廣采用薄壁取土器,減少對土樣的擾動,室內試驗盡可能采用自動化程度高的試驗手段,以減少人為因素對測試結果的影響。

(3)尋求簡便但更能反映實際情況的計算方法,這是減少誤差的根本措施,若理論公式的推導過程較為合理,則沉降計算的系統誤差可能大大減少,結合具體工程情況進行經驗修正或反算分析也就更合理些。

(4)在預測沉降中理論加荷不能完全反映實際施工中加荷過程,因此預測沉降中很難反映實際情況下的軟基沉降特性,這勢必導致預測沉降與實際沉降有差異。為減少加荷多變性和復雜性所帶來的誤差,必須重視施工過程中的動態監測,及時調整沉降預測中的理論加荷,以盡量使理論加荷與實際加荷相一致。

3 沿江高速公路SD六標段軟基沉降預測

沿江高速公路SD六標段軟基采用了實測數據反分析法進行沉降預測,具體方法為:

(1)根據施工多級加載情況,利用沉降計算公式[3]:

(2)由于加載過程復雜(存在卸載、再加載情況),因此在計算中需考慮土的回彈和再壓縮情況,通過計算機模擬計算,考慮土體的非線性影響,取土的回彈和再壓縮模量為正常固結加載模量的10倍。同時在計算中按應力路徑修正反演系數,以提高沉降預測結果的精度。

(3)根據沿江高速公路SD六標段地區獨特的地質條件和已得到的研究成果,在計算中考慮土體次固結沉降的影響。次固結參數通過分析試驗段原位實測資料和相似土樣應變試驗結果,用反分析法確定。

表1 預測沉降速率與實測結果對比

依據以上方法對沿江高速公路SD六標段部分斷面進行了沉降預測(表1),從表中可知除個別斷面存在較大誤差外,其他吻合較好,這說明采用的預測方法具有一定的可靠性和置信度。

4 結論

進行軟基沉降預測分析,目的是使預測結果最大限度地反映實際情況,為施工組織者提供可靠性高的數據。但由于地質條件的復雜性、現場施工條件的難以模擬性和觀測數據的隨機性等不可抗拒的客觀因素,都會給沉降預測結果造成一定程度的誤差。另一方面,由于土力學中的理論分析和計算模式都是建立在一定的假設基礎之上,致使處理實際工程的計算方法本身就存在一定缺陷,導致預測結果特別是工后沉降和最終沉降產生偏差。盡管如此,仍可以通過較先進的數學手段使得到的預測結果與實際情況不致出現量級上的差別,讓預測結果指導決策。

[1] J TJ 017-96.公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,1997.

[2] 張試厚,等.高速公路軟基處理[M].北京:中國建筑出版社,1997.

[3] 朱百里,沈珠江,等.計算土力學[M].上海:上?？茖W技術出版社,1990.

責任編輯:文 月

U412

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1671-8275(2010)03-0026-02

2009-05-28

汪衛東(1970-),男,安徽合肥人,安徽省公路橋梁工程公司高級工程師。研究方向:路橋施工與管理。