高速公路路基沉降預測研究

趙星宇

作為確保高速公路施工質(zhì)量以及后期運營安全的重要環(huán)節(jié)，路基沉降的預測應進行科學合理的分析。高速公路路基沉降的準確預測分析對于路基沉降速率的掌控至關重要，進而影響著后續(xù)施工工藝，決定著高速公路的施工質(zhì)量。

路基沉降是影響高速公路施工質(zhì)量以及后期運營安全的關鍵因素。為了嚴格把控路基施工質(zhì)量，應對路基的沉降過程進行全面掌控，并針對不同的沉降速率和大小進行相應處理。路基沉降預測不僅是指導施工的重要指標，還是路面結(jié)構(gòu)施工的重要參考。隨著高速公路建設項目越來越多，路基沉降影響對于施工質(zhì)量至關重要。利用工程項目實際觀測的沉降數(shù)據(jù)進行路基沉降的準確預測，進而掌握路基沉降的變化規(guī)律，對于提高高速公路運營的安全性有重要意義。

一、高速公路路基沉降的影響因素

路基的沉降變形處治需要花費大量人力、物力以及財力，并且會對路面造成破壞。引起路基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象的原因有很多，如路基填筑高度，填土壓實度，地下水位，土應力，路基填筑材料等。導致路基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象的原因不盡相同，是不同因素相互作用的結(jié)果。在路基施工的過程中，人為因素或者相應施工工藝也會使得路基出現(xiàn)沉降，如：

（1）路基填筑速度，在接近設計高度時不宜過快，應加強此時的沉降監(jiān)測。（2）對于數(shù)據(jù)的分析處理應嚴謹合理，剔除異常數(shù)據(jù)，進而避免路基沉降分析不準確，導致無法精準計算沉降速率和施工后的沉降量。（3）在施工前應對沿線工程地質(zhì)情況進行充分了解，不同的地質(zhì)情況在受到相同荷載作用時，會出現(xiàn)不同的沉降。（4）在路基施工中，應重視排水設施，避免水對路基的影響，進而導致承載力降低，致使路基出現(xiàn)不均勻沉降。

二、高速公路路基沉降預測方法

1.雙曲線法

在路基沉降預測方法中，雙曲線法是依據(jù)實測沉降值推測發(fā)展趨勢的預測方法。雙曲線法中時間與路基沉降量的關系如式（1）所示：

對于式（1）進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后如式（2）所示：

式中：S0表示路基填筑到設計標高的累計沉降值；St表示不同時刻的路基沉降。

2.指數(shù)曲線法

在指數(shù)曲線理論中，土體的固結(jié)度隨時間的變化趨勢呈指數(shù)形式。減少指數(shù)曲線法預測誤差是利用最小二乘法的原理，使得時間與沉降量的關系擬合曲線更為良好。土體沉降的指數(shù)曲線法計算公式如式（4）所示：

式中：t0表示任意觀測時刻；St表示預測沉降值；S0表示t0時刻的沉降值；S∞表示最終沉降量。

三、案例分析

1.項目概況

某高速公路全長56km，設計速度為100km/h，雙向四車道。項目所經(jīng)區(qū)域地貌為平原微丘區(qū)和沖積平原區(qū)。沿線分布大量軟土。該項目軟土斷續(xù)分布且厚度不均。本項目軟土路段主要采用袋裝砂井或塑料排水板+超載預壓，時間大于6個月。

為了充分了解高速公路運營階段路基沉降的變化趨勢，判斷路基的沉降變形是否可以滿足路面的鋪筑要求，以及為后期路面的維護提供指導，對該高速公路的軟土路段進行沉降觀測。

表1 K10+500沉降觀測表

圖2 沉降量與時間關系圖

2.沉降觀測結(jié)果

選取軟土路段K10+500斷面中分帶沉降數(shù)據(jù)進行分析。2018年3月25日開始進行路基沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測，共監(jiān)測10組數(shù)據(jù)。前半年每隔30天監(jiān)測一次，半年后每隔60天監(jiān)測一次。監(jiān)測結(jié)果如表1所示，累計沉降隨時間變化趨勢如圖1所示。

圖1 累計沉降隨時間變化趨勢

3.沉降預測分析

本文選用雙曲線法和指數(shù)曲線法對觀測結(jié)果進行擬合分析，并進行對比研究。

（1）雙曲線法

對自2018年3月25日開始監(jiān)測的前9組數(shù)據(jù)進行擬合，最后1組數(shù)據(jù)進行預測驗證。根據(jù)式（1）即t0=0，S0=0。令x=t-1，y=St-1，則y與x的線性擬合關系如圖2所示。

因此雙曲線法的關系曲線為：y=55.58x-0.126，即A為-0.126，B為55.58，相關系數(shù)R2為0.97，因此，沉降關系式如（5）所示：

（2）指數(shù)曲線法

對從2018年3月25日開始監(jiān)測的前9組數(shù)據(jù)進行擬合。令t0=0，x=t-1，則St=aeb/-t，y與x的線性擬合關系如圖1示。

擬合參數(shù)a為9.0558，b為102.2，相關系數(shù)R2為0.8691，因此，沉降關系式如（6）所示：

4.兩種預測方法對比

對于前9組數(shù)據(jù)進行誤差分析，雙曲線法預測誤差在0.01mm～2.04mm，指數(shù)曲線法預測誤差在0.25mm～3.58mm。利用第10組數(shù)據(jù)驗證兩種模型的準確性，實測數(shù)據(jù)為10.25mm，雙曲線法預測值為10.29mm，指數(shù)曲線法預測為10.08mm。指數(shù)曲線法預測值比實測值小，對于工程不利。在該公路項目中，雙曲線法要比指數(shù)曲線法適應性更好，準確度更高。

四、結(jié)語

當高速公路工程項目建設完成后，為確保工程項目在運營階段不出現(xiàn)較大的路基沉降進而威脅行車安全，對于路基沉降觀測以及預測分析是不可忽略的重要環(huán)節(jié)。路基沉降預測分析，應綜合考慮實際項目特點和設計需求，有針對性選擇不同的方法，確保對于路基沉降的準確預測。