連云港軟土地區路面分期建設中二次路面鋪設時間研究

趙俊明， 陳琦， 劉垚， 鄧永鋒

(1.蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 210017；2.東南大學 交通學院， 江蘇 南京 210096)

江蘇連云港濱海相黏土發育范圍面積廣、深度大，在該地區修筑道路和橋梁往往會因沉降過大而導致橋頭跳車、路面開裂等。從節約公路建設成本的角度出發，采取路面分期建設的措施，前期只鋪筑瀝青砼過渡性路面，待沉降變化穩定在容許范圍后再加鋪二期路面，適當延長公路修建周期以穩定沉降。其中準確預測過渡期路基沉降特征以確定合理的二期路面鋪筑時間是亟待解決的問題。

現行標準和規范對路面分期修建未作專門規定，僅有一些原則性的意見。JTG B01-2003《公路工程技術標準》總則1.0.8規定，公路分期修建必須遵照統籌規劃、總體設計、分期實施的原則，使前期工程在后期仍能充分利用。JTJ D50-2006《公路瀝青路面設計規范》總則1.0.4規定，高速公路、一級公路的瀝青路面不宜采用分期修建，軟土地區或高填方路基、黃土濕陷地區等可能產生較大沉降的路段，一級初期交通量較小的公路可一次設計、分期修建；條文說明1.0.4規定，分期修的方案，由設計單位根據實際情況決定。該文以臨海高等級公路分期路面工程為背景，通過數值仿真研究不同填筑高度時一期路面鋪筑后靜荷載、交通荷載共同作用下總沉降的變化情況，研究合理的二期路面鋪筑時間。

1 數值模擬模型

采用GeoStudio軟件進行數值模擬。模型尺寸見圖1，寬度100 m，路基下部土層深度20 m，路基高度1～2 m。路基下部土層分為上部黏土層、下部黏土層和砂礫層，厚度分別為4、12和4 m。路基下部為1 m厚塊石拋填層。路基坡腳距離左側計算邊界42.5 m，距離右側計算邊界43 m。計算模型的邊界條件為：左側邊界、右側邊界和底部邊界X、Y方向的位移為零，路基范圍為動荷載邊界。路基表面設置為動荷載邊界，模擬大型貨車經過時路基的動力響應，軸載為150 kN(大型貨車)，加載頻率為1 Hz，加載模式為半正弦波，動荷載Fy與時間t的關系為Fy(t)=-75sin(2πt-π/2)-75 kN。

圖1 路基計算模型示意圖(單位：m)

計算步驟如下：1) 計算路堤荷載作用下應力和變形特征；2) 計算動荷載引起的附加應力分布；3) 根據附加應力的變化計算交通荷載引起的沉降。

表1為各層位材料參數，其中土層參數由室內動靜三軸等室內試驗測定。路堤與塊石拋填層采用彈性模型，上部黏土、下部黏土和粉砂層采用彈塑性模型。地下水位線在地基表面。

如圖2所示，行車荷載作用下，路基中心線左、右側共21 m范圍內車輛動荷載引起路基下土體總應力增加。將路堤荷載作用的Boussinesq解與1980年Doyle提出的動應力傳播經驗公式相結合計算得到附加應力分布與數值分析計算結果進行對比，二者的計算結果較為接近。這為后續動靜荷載共同作用下地基變形分析提供了基礎。

表1 初始狀態計算參數

圖2 動荷載作用下路基下土體的應力分布(單位：kPa)

2 過渡期地基沉降計算與模擬

2.1 靜荷載作用下路基沉降

將路基高度定為1.5、2.0、2.5 m進行靜荷載下路基沉降計算，路堤結構見圖3。

圖3 路堤結構示意圖(單位：m)

將軟土層進行分層，每層厚度取1 m，計算基底中心軸線下各分層面(包括地下水位面)地基豎向自重應力σc、基底中心軸線下各分層界面各點的附加應力σz及地基各分層土的自重應力平均值和附加應力平均值。按σz=0.2σc確定計算深度，得到填土高度為1.5、2、2.5 m時壓縮層路基中心最終沉降量分別為172、265、322 mm。

路基中心地基沉降隨時間的變化用等速加載的一維固結理論計算。2 m路基填筑時間為60 d，地基平均固結度按下式計算：

(1)

根據《建筑地基處理技術規范》對于天然地基的豎向排水固結條件，α=8/π2=0.816，β=π2×Cv/4H2=0.000 454(Cv=3×0.003 6=0.010 8 cm2/s；H為單面排水高度)，α/β=1 786.81。代入式(1)，計算得到固結沉降隨時間的變化見圖4。

圖4 不同路基高度的沉降歷時曲線

由圖4可知：路基荷載引起的沉降分為快速增長、緩慢增長和趨于穩定3個階段。路基高度為1.5 m時，前48個月靜載作用下的沉降明顯上升，但上升幅度越來越小；48個月后，路基本身靜載引起的沉降漲幅越來越小；120個月后趨于穩定。路基高度為2 m時，各階段轉換節點分別為60和132個月；路基高度為2.5 m時，各階段轉換節點分別為96和168個月。

2.2 交通荷載作用下地基沉降

2.2.1 累計動變形

根據連云港臨海路贛榆段(和S204共線)九里卡口2015年的交通量記錄得到各類型車輛的月平均流量，流量最大的是中小客車，為6 534輛/月，其次分別為特大型貨車、大客車、中型貨車、小型貨車及大型貨車，進而得到一年的平均車流量，然后轉化為車在地基土體同一位置上振動的次數。交通流監測結果表明，該路段行車速度為65～120 km/h。不同速度對應不同的行車振動頻率，假定特大型貨車對應的振動頻率為0.1 Hz、大型貨車與中型貨車對應的振動頻率為0.3 Hz、小型貨車與大客車對應的振動頻率為0.5 Hz、中小客車對應的振動頻率為1 Hz。

通過第一節有限元計算可得到不同類型車輛在拋石層以下(路面以下4 m)動應力比CSR[CSR=σd/(2σ′c)，σd為動力條件下附加應力，σ′c為有效自重應力]，得出動應力比隨深度的變化關系。根據車輛振動次數及CSR，基于Monismith的指數型動應變增長模型計算各深度的動應變[見式(2)]，以分層總和法計算交通荷載累計路基變形沉降。

εp=a(CSR)m·Nb

(2)

式中：a、m、b為模型參數，由室內試驗獲得；N為振動次數。

2.2.2 累積孔壓消散引起的固結沉降

交通荷載作用下，軟土產生超靜孔隙水壓力，消散過程中再次引起軟土固結沉降。采用經典的冪數型孔壓模型計算各土層的超靜孔壓：

u/σ′c=a(CSR)m·Nb

(3)

式中：u/σ′c為超靜孔壓與有效圍壓之比，即超靜孔壓歸一化。

基于太沙基固結理論計算各土層由動荷載產生的固結沉降量：

(4)

式中：mvi為第i層土體的體積壓縮系數；hi為第i層土體的厚度；Ui為第i層土體的固結度；ui為第i層土體的孔隙水壓力。

2.2.3 計算結果

根據行車動荷載累積變形和累積孔壓消散的沉降得出不同填土高度下開放交通15年內交通荷載引起的路基沉降見圖5。

圖5 3種填土高度下開放交通15年內交通動荷載引起的沉降

由圖5可知：3種填土高度下，開放交通15年內交通動荷載引起的路基沉降在第一年快速增加，地基沉降明顯；2～3年增加速率放緩，地基沉降增長緩慢；隨后土體沉降隨時間緩慢增長，趨于穩定。填土高度并未對沉降趨勢產生影響，但同一開放交通時長，行車荷載產生的沉降隨著填土高度的增加而減小。

3 動靜荷載相互作用下地基總沉降

地基總沉降是路基重量與交通荷載共同作用下引起的變形之和。不同填土高度下動靜荷載引起的路基中心地基變形見表2。

由表2可知：交通荷載產生的路基沉降在總沉降中始終占據主導地位，靜荷載引發的沉降占總沉降的比例隨著時間而增加；在同一時間，靜荷載引起的路基沉降隨著填土高度的增加而增加，交通荷載引起的路基沉降隨著填土高度的增加而減少。地基及路基靜荷載的應力分布隨著深度而增大，填土高度增加使壓縮層范圍增加，靜荷載引起沉降增加；交通荷載引起的附加動應力隨著深度而減小，有效圍壓增大。

表2 不同填土高度下動靜荷載引起的路基中心地基變形

注：X為路基靜載引起的沉降比例；Y為交通荷載引起的沉降比例。

地基總沉降同樣分為3個階段，即前20個月的迅速增長階段、20～72個月的緩慢增長階段、72～180個月的趨于穩定階段。根據該沉降變化特征和連云港地區二次路面施工沉降要求(一般路段10 cm)，一般路段適宜的二次路面鋪設時間為過渡路面鋪設后3年。

4 結論

針對連云港深厚濱海相軟土地區路面分期工程分期時間確定不明晰這一現狀，通過數值計算和理論分析，對交通荷載和路基荷載作用下地基沉降變形進行分析，主要結論如下：

(1) 連云港地區低路堤公路未深層處理的地基總沉降中，交通荷載引起的沉降在15年內始終占主導地位，但所占比例隨著時間和路基填土高度的增加而減小。

(2) 路堤荷載產生的沉降、交通荷載引起的沉降及總沉降的變化均分為快速增長、緩慢增長和趨于穩定3個階段，其中路堤荷載引起的沉降隨路基填土高度的減小而減小，而交通荷載引起的沉降隨著路基高度的增加而減小。

(3) 根據不同路基高度下沉降發展趨勢和連云港當地二次路面施工要求，一般路段二次路面鋪筑時間為過渡路面工后3年。