天仙公路工后沉降預測分析

汪 華，汪新元，田好國

（天門市公路管理局，天門431700）

天仙一級公路位于湖北省中部，江漢平原北部，漢江下游北岸，連接天門市和仙桃市。路線起于天門市侯口鎮，與省道天門皂市至仙桃毛嘴公路相連，該路基段主要不良地質現象是路基段普遍發育的淤泥、淤泥質軟土層，該層分布范圍廣，土質差［1］。有必要對路基沉降量進行理論計算和試驗分析，為道路修建工程中施工工序的確定提供科學依據。文中首先介紹沉降預測理論方法，然后通過理論計算和試驗分析提出合理的施工建議。

1 沉降預測方法

軟土地基路堤沉降觀測是驗證設計與指導施工的重要手段，沉降資料可用于控制路堤的施工速率和路堤穩定性［2］。將沉降觀測數據進行回歸分析，用適當的擬合曲線可以推算路堤的最終沉降量［3－4］。《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（JTJ期017—96）規定了雙曲線法、星野法和分層總和法等幾種常用的工后沉降推算方法［5］。

1）雙曲線法

雙曲線法假定路基的沉降速度隨時間以雙曲線形式遞減，其基本公式為

式中，ta、Sa分別為擬合計算起始參考點的觀測時間與沉降值；t、St分別為擬合曲線上任意點的時間與對應的沉降值；α、β依據實測值求得的參數。

當式中t→∞時，便可得到雙曲線法最終沉降量公式

用雙曲線法，要求實測沉降時間至少在半年以上。

2）星野法

星野法是依據太沙基固結理論得出的固結度U和時間t的平方根成正比的關系，通過對現場實測沉降值的研究，認為包括剪切變形的沉降總量和時間的平方根成正比，其基本公式為

式中，Si為瞬時加載產生的瞬時沉降值；A、K為影響沉降速度系數。

當式中t→∞時，便可得到星野法最終沉降量公式

3）分層總和法

分層總和法假定壓縮時土不能向側向膨脹，根據路基中心下土的附加應力進行計算，路堤最終沉降量等于路堤下壓縮層范圍內各土層壓縮量的總和。

其他方法還有沉降速率法和三點法等，由于篇幅限制，文中采用分層總和法對固結沉降量進行計算，采用星野法作工后沉降預測，并用雙曲線法作參考對比。

2 分層總和法計算固結沉降

運用分層總和法對幾個典型斷面計算固結沉降，取特殊斷面K23＋00和其他幾個斷面進行比較，計算結果如表1所示。

計算結果表明，只有當軟土厚度超過18m，路堤高度超過3m時，總沉降量才會大于30cm。天仙一級公路（橋涵處除外）軟土厚度小于12m，路堤高度小于3m，總沉降量最大在23cm左右，其中50%在施工中完成，最大工后沉降量為12cm左右。

表1 分層總和法計算固結沉降量

3 超載預壓試驗

為了進一步研究一級公路軟土路基處理方法，并對施工進行指導，特對該路段進行31d和90d超載預壓試驗。

3.1 第一階段試驗成果

第一階段試驗是對天仙一級公路試驗段進行31d預壓試驗，預壓荷載為20kN，預壓期間進行了10次沉降測量。31d各測點沉降曲線如圖1所示。工后沉降依據《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（JTJ017—96）之8.4.11.4星野法計算了各測點的工后沉降量，并用三點法對工后沉降量進行了比較分析。表2匯總了13d、21d、31d時的試驗段預壓沉降量和工后沉降量比較。

第一階段成果分析：

1）在第一階段，堆載13d沉降量約占總沉降量的42%～60%，堆載21d沉降量約占總沉降量的50%～70%，說明大部分沉降在工后20d內完成，從各點荷載－時間－沉降圖也可看出，經過21～25d后，沉降明顯變慢，逐步穩定。

2）運用星野法推算橋頭（1、2、3號測點）工后沉降分別為44.7mm、70.7mm和50mm，兩路邊占路中沉降量分別為63%和71%；一般斷面（4、5、6號測點）工后沉降分別為57.7mm、100mm和50mm，兩路邊占路中沉降量分別為57%和50%；一般斷面（7、8、9測點）工后沉降分別為50mm、70.7mm和50 mm，兩路邊占路中沉降量分別為70.7%和70.7%。說明斷面沉降呈梯形分布，兩路邊占路中沉降量的60%～70%。

3）除5號點外，雙曲線法推算工后沉降與星野法計算結果基本一致，可以認為：K29＋200～K29＋300試驗段運用雙曲線法與星野法推算工后沉降是合理的。

4）通過31d監測，橋頭沉降分別為30.3mm、46.3mm和29.1mm，兩路邊占路中沉降量分別為64.8%和62.9%；一般斷面（4，5，6測點）沉降分別為37mm、58.9mm和39.7mm，兩路邊占路中沉降量分別為62.7%和67.4%；一般斷面（7，8，9測點）沉降分別為34.2mm、52.3mm和41.4mm，兩路邊占路中沉降量分別為65.4%和79%。實測說明斷面沉降呈梯形分布，兩路邊占路中沉降量的63%～80%。

表2 試驗段第一階段預壓沉降表

3.2 第二階段試驗成果

第二階段試驗是在第一階段試驗的基礎上繼續對試驗段各測點進行90d的觀測，各測點沉降如圖2所示，工后沉降如表3所示。

表3 預壓試驗段各點工后沉降表 mm

由于大型運梁車的干擾，兩邊測點特別是9＃測點、7＃測點和4＃測點干擾比較嚴重，致使測量數據失真，因此，9＃測點7＃測點和4＃測點不作為工后沉降分析依據。

路段中心測點（2＃、5＃、8＃和K29＋300測點）由于受干擾較小，測量數據真實可信，可作為工后沉降分析的主要依據。

兩個階段作比較，第二階段工后沉降量比第一階段工后沉降平均高20%，將兩個階段作一個整體分析，其工后沉降量處于二個階段工后沉降量值之間，可以認為，用第二階段工后沉降量是偏于安全的。邊樁位移沒有明顯變化。

3.3 試驗研究結果與設計要求比較

試驗研究結果與設計要求比較如表5所示，工后沉降取超載預壓第二階段中星野法和雙曲線法推算中最不利的測點。

表4 預壓試驗段各階段沉降分析

表5 設計要求與實際情況對比

4 結 論

a.通過兩種試驗工況的超載預壓試驗，試驗結果表明工后沉降量滿足設計要求。

b.涵洞及人工構造物預壓期間與工后沉降之和為9.4cm，滿足涵洞及人工構造物工后沉降≤20cm設計要求。建議：一期工程完工后，進行二期工程施工。

c.一般路面預壓期間與工后沉降之和為17.5cm，滿足一般長路段工后沉降≤30cm設計要求。建議：一期工程完工后，進行二期工程施工。

d.設計中規定天仙一級公路橋頭路堤工后沉降沒有在該試驗段中涉及，同時因橋頭兩端路堤高度高于3m，建議：在橋頭兩端進行超載預壓處理，長度不小于10m，與路寬等寬，高度2m，預壓時間10d。

［1］ 王吉利.天仙一級公路軟基處理方法專題研究報告［R］.2004.

［2］ 劉玉卓.公路工程軟基處理［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］ Eduardo Miranda，Jorge Ruiz－Garcia.Influence of Stiffness Degradation on Strength Demands of Structures Built on Soft Soil Sites［J］.Engineering Structures，2002，24：1271－1281.

［4］ Hamdy Faheem，Fei Cai.Three－dimensional Base Stability of Rectangular Excavations in Soft Soils Using FEM［J］.Computers and Geotechnics，2004，31：67－74.

［5］ 交通部第一公路勘察設計院.公路軟土地基路堤設計與施工技術規范《JTJ017—96》［S］.北京：人民交通出版社，1997.