南洞庭湖地區軟基施工預壓期沉降分析

胡 波， 李友云, 張宇輝, 張定權

(1.湖南益南高速公路開發有限公司， 湖南 益陽 413000； 2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

0 引言

我國內陸地區廣泛分布著湖相、河相沉積的軟弱地基，洞庭湖地區有湘資沅澧四大水系匯入洞庭湖，形成了廣泛沉積的湖泊相軟土。該地區軟土地層主要為流 — 軟塑狀淤泥質粉質黏土、砂紋淤泥質土及軟塑狀黏土，軟土層中存在厚度不一、有一定水平紋理的粉細砂層[1]。

有效控制路基沉降是在軟土地基上進行公路建設的關鍵環節，對于填筑期與運營期路基沉降研究，袁懷宇[2]依托修建某高等級公路實際工程，針對河灘相軟土地基施工提出了最薄弱層法。鄭立善等[3]通過碎石樁軟土路基有限元模型，研究軟土固結沉降變形規律。劉維正等[4]提出了交通荷載作用下的軟土路基長期沉降的計算方法，開展了長期沉降的參數敏感性分析。對于預壓期路基沉降，夏士龍等[5]依托某沿海道路，發現堆載預壓初期是沉降的黃金期，當土方加載時間過長后，預壓期沉降較設計值會減小，工后沉降時間長，差異沉降也會增大。楊濤等[6]基于雙曲線擬合法，對等載預壓建立了卸荷沉降速率標準的計算公式，研究表明沉降速率與剩余沉降的平方呈線性關系。馬浩[7]依托蕪宣高速公路工程，依據現場實測資料，對預壓期沉降速率在等載、超載及欠載3種工況下的控制標準進行了闡述，提出典型路段路面結構層的施工控制標準。李君[8]基于路基填筑期沉降觀測數據，預測了地基最終沉降量，將預壓時間、預壓高度、工后沉降結合起來，建立堆載預壓動態設計方法。張軍輝等[9]對采用不同路基處理方式的軟基沉降進行預測分析，指出采用雙曲線模型法預測沉降能取得較高的可靠度。

目前，我國對于洞庭湖區的高速公路軟土路基沉降研究較少，本文通過南洞庭湖地區某高速公路路基預壓期沉降觀測數據分析，研究預壓期路基沉降規律，對在湖區修建公路及控制預壓加載卸載時間有一定參考作用。

1 軟土特性及處治方法

1.1 軟土特性

擬建路段軟土路基分布于全線，主要為淤泥質粉質黏土、砂紋淤泥質土。其天然含水率較高，淤泥質粉質黏土的最大天然含水量為63.06%，砂紋淤泥質土的最大天然含水量為58%，土體一般呈軟塑狀；天然孔隙比較大，淤泥質粉質黏土的最大天然孔隙比達1.8，砂紋淤泥質土的最大天然孔隙比達1.3；壓縮性較高，淤泥質粉質黏土的最大壓縮系數值為1.046MPa-1，砂紋淤泥質土的最大壓縮系數值為0.83MPa-1，屬高壓縮性土。

1.2 處治方法

1.2.1PHC管樁

軟基處理方案中，PHC管樁因具有施工工期短、處理效果好、施工質量易控制、處理深度大等優點而被廣泛采用。PHC管樁復合地基中管樁與樁間土體能共同承擔上部荷載，有效提高路基承載力、減少總沉降量、降低工后沉降、防止橋頭跳車等[10]。擬建路段PHC管樁采用外徑300mm、壁厚70mm的A 型張法預應力混凝土管樁，管樁砼為C80，按正方形布設，樁距為2～3m，樁體向下穿透軟土層并嵌入硬層中1.0m，向上平地面線，樁帽頂設置40cm厚碎石墊層，碎石粒徑2～4cm。

1.2.2土預壓法

土預壓法，即傳統的堆載預壓法，利用土方進行等載或超載預壓，路基完成排水固結即預壓期結束后，將路基設計標高以上的土方卸載后進行路面施工。擬建路段采用等載預壓，預壓土方和路床頂部20cm采用素土填筑，壓實度85%，預壓結束后將土方卸載，翻挖路床頂部20cm，按路床的標準處治并壓實。

2 預壓期軟基的沉降變化特征分析

沉降觀測采用沉降板，埋設位置為路中心及兩側路肩處，本文中斷面沉降數據均為路中心處沉降，沉降板尺寸為40cm×40cm×1cm，測桿直徑為4cm，沉降板觀測采用S1型水準以二級中等精度要求的幾何水準測量高程，觀測精度小于1mm。

2.1 預壓期沉降曲線擬合

對斷面預壓期沉降量進行分析，采用最小二乘法對這些斷面進行曲線擬合，擬合曲線類型采用雙曲線。以斷面K33+070為例，用最小二乘法建立時間t與總沉降量S之間的經驗公式。

斷面K33+070觀測時間與路面總沉降量見表1。表中觀測時間間隔0d所對應的總沉降量為填筑期結束累計沉降量，即路基填筑到設計標高，進入到預壓期之前已經產生的路基沉降值(下文圖表中0d意義均與此相同)。

假設S=f(t)是雙曲線型：

S-S0=y=t/(at+b) (a>0)

式中：S是路基總沉降量；S0是路基填筑期已完成的沉降量，斷面K33+070為273 mm；y為預壓期內累計沉降量；t為觀測時間；a、b為擬合參數。

世俗化一直是儒家當然也是陸九淵心學的重要思想傾向。在中國傳統中儒家一直以入世的主張而與另兩種強調出世的思想佛家和道家有著涇渭分明的區別。

表1 K33+070沉降數據觀測次數觀測日期觀測時間間隔△ti/d本次沉降量/mm本次沉降日平均速率/(mm/d)總沉降量S/mm16.200——27327.212221.8329537.1513171.3131248.319110.5832358.232040.2032769.132110.0532879.271420.14330810.101310.08331

若引入新變量：y(1)，t(1)

則雙曲線y=t/(at+b)變為：y(1)=a+bt(1)，轉化為求方程y(1)=a+bt(1)的最小二乘解。

斷面擬合準備數據如表2所示。

表2 斷面擬合準備數據觀則次數It/dy/mmt(1)y(1)[t(1)]2t(1) y(1)112220.083 30.045 50.006 90.003 8225390.040 00.025 60.001 60.001 0344500.022 70.020 00.000 50.000 5464540.015 60.018 50.000 20.000 3585550.011 80.018 20.000 10.000 2699570.010 10.017 50.000 10.000 27112580.008 90.017 20.000 10.000 2∑4413350.192 50.162 90.009 60.006 1

解法方程組

得:a=0.0129，b=0.3767。經驗公式：S=273+t/(0.012 9t+0.3767)

實測曲線與擬合曲線如圖1所示。

圖1 K33+070沉降曲線圖

從圖1可以看出，預壓期內的沉降觀測曲線與擬合曲線基本重合，預壓期的沉降量與時間符合雙曲線關系，實測點均勻分布在擬合曲線兩側，無較大偏差。斷面K33+070預壓期沉降量主要產生于預壓初期，結合表1，最大平均日沉降速率發生在6月20日至7月2日，達1.83mm/d。軟基預壓期卸載采用雙標準控制法: ① 工后沉降量小于設計容許值； ② 沉降速率符合一定的標準，對于等載預壓路段，要求連續2個月橋頭的月沉降速率小于3mm、一般路段小于5mm。在8月3日至10月10日這2個月內，斷面K33+070的月累計沉降量分別為5mm和3mm，平均日沉降速率分別為0.12mm/d和0.11mm/d，剩余沉降預測為20mm，小于設計容許值，可以卸載并進行路面階段施工。

表3 斷面擬合曲線監測斷面擬合函數K32+047S=121+t/(0.022 5 t+0.625 4)K32+500S=253+t/(0.025 6 t+1.009 9)K32+640S=342+t/(0.018 5 t+0.235 1)K32+730S=177+t/(0.024 3 t+0.534 2)K32+800S=293+t/(0.020 6 t+0.492 8)K32+875S=377+t/(0.016 0 t+0.460 5)K32+950S=148+t/(0.014 7 t+0.507 3)K33+070S=273+t/(0.012 9 t+0.376 7)

2.2 斷面總沉降量預測分析

基于2.1節中各斷面擬合曲線，對各斷面總沉降進行預測，得到表4預測最終沉降量和剩余沉降量。

地基處理方式均為PHC管樁復合地基，預壓方式均為土預壓(等載預壓)。從表4可以看出，預壓期結束后，路基剩余沉降量差別不大。總體而言，8個斷面的沉降主要發生在路基填筑期，該期間內沉降完成率基本達到70%以上，斷面K32+500沉降完成率最高，達到了85%;預壓期結束后，斷面沉降完成率均達到90%以上，斷面K32+640沉降完成率最高，達到了98%。從填筑期、預壓期以及剩余沉降量占比來看，填筑期沉降量占比最大，預壓期次之，剩余占比最小，可見湖區修建高速公路要嚴格控制好路基填筑期與預壓期的沉降，待土體完成固結后再進行路面施工。

表4 沉降預測表處理方式監測斷面軟土深度/m填筑高度/m預測最終沉降量/mm填筑期結束累計沉降量/mm預壓期結束累計沉降量/mm預壓期結束剩余沉降量/mm斷面位置K32+04775.4816612115610橋頭加密K32+500135.229325328211橋頭加密K32+6406.54.93963423915一般路基K32+73074.22191772109圓管涵過渡段PHC管樁+土預壓K32+80074.234229333210一般路基K32+87584.1844037742317一般路基K32+9508.54.321614819719橋頭加密K33+070154.5735127333120通道過渡段

2.3 一般路基典型斷面預壓期沉降規律

為研究一般路基預壓期沉降規律，從表4中選取K32+640、K32+800、K32+875共3個典型觀測斷面進行分析。

所選取的斷面地基處理方式均為PHC管樁復合地基，預壓方式為土預壓。從表4可知，在預壓期內，3個斷面累計沉降量分別為49、39、46mm；預壓期結束后剩余沉降量依次為5、10、17mm，符合《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》(JTG/T D31-02—2013)關于工后沉降的要求。斷面K32+800與斷面K32+875軟土深度與填土高度接近，地基處理方式和預壓方法相同，預壓期內沉降量和預壓期結束剩余沉降量相差不大，但最終沉降量相差較大，達到98mm，這表明填筑期間填土速率等因素會對沉降產生較大影響，但這些因素對預壓期的沉降影響較小。

圖2為一般路基典型斷面預壓期沉降曲線圖，由圖可知：在預壓初期，預壓效果較為明顯，截止到預壓期第45d，3個斷面預壓期內累計沉降量分別為42、32、39mm，占預壓期總沉降的85%、82%、84%；預壓期末期，即最后1個月內，3個斷面的沉降量分別為3、2、0mm，通過延長預壓時間未取得更為明顯的預壓效果。

圖2 一般路基典型斷面預壓期沉降曲線圖

2.4 橋頭典型斷面預壓期沉降規律

表4中橋頭典型斷面有K32+047、K32+500、K32+950，預壓期內實測沉降值分別為35、29、49 mm，預測最終沉降量分別為166、293、216 mm。其中斷面K32+047與K32+500的填土高度接近，分別是全線橋頭沉降量最小和最大的2個斷面，最終沉降量相差133 mm。從填筑期，預壓期以及剩余沉降量來看，預壓期內沉降量與剩余沉降量相差不大；相差較大主要表現在路基填筑期時段內，2個斷面處理方式相同，填土高度相差0.28 m，而軟土深度相差6 m，說明軟土深度對路基填筑期沉降量產生較大影響，對路基預壓期沉降量影響較小。

圖3為橋頭典型斷面預壓期沉降曲線圖。與一般路基相同，橋頭斷面在預壓初期能明顯看出預壓效果，預壓期內前45d產生的沉降分別占預壓期總沉降的77%、72%、83%，預壓期最后30d產生的沉降分別占預壓期總沉降的8%、10%、6%。

圖3 橋頭典型斷面預壓期沉降曲線圖

2.5 斷面類型對預壓期沉降量的影響

預壓期沉降量受許多因素影響，包括不同軟基處理方式、預壓期斷面類型等。不同方式處理軟基的沉降率與沉降速率不同，預壓期沉降量與時間存在雙曲線關系。本文著重研究斷面類型對預壓期沉降量的影響，選取相同處理方式、軟土深度及填土高度相近的斷面進行比較，繪制出不同類型斷面預壓期沉降曲線圖，如圖4所示。斷面K32+047、K32+640、K32+730依次為橋頭、一般路基和圓管涵過渡段斷面，預壓期內累計沉降量分別為35、49、33 mm，預測的最終沉降量為別為166、396、219 mm，預壓期沉降量分別占最終沉降量的21%、12%、15%。這是由于一般路基斷面的情況與其他斷面情況相比較為簡單。首先，填筑材料不同。一般路基填土采用黃土進行填筑，黃土是一種特殊的率相關巖土材料，具有高壓縮性，其彈塑性壓縮系數和前期固結壓力對荷載極為敏感，因此在荷載作用下，呈現出較為復雜的率相關力學特性；而橋頭斷面、結構物過渡斷面采用的是碎石土進行填筑，碎石土一般由顆粒較大的碎石和顆粒較小的土粒組成，經壓實后具有強度高、變形小和滲透性好的優點，對試驗段進行碎石土混合料室內大型直剪試驗，獲得試驗段碎石土混合料的抗剪強度參數。用碎石土進行填筑時，路基是分層填筑，在壓縮過程中土體排水固結速度快，因此達到壓縮穩定需要的時間短。由于地基排水固結作用，沉降持續產生，而填筑材料不同，斷面沉降也有所差異。其次，二者在地基處理方式上都采用了PHC管樁，但樁距有所差異。橋頭斷面、結構物過渡段樁距為2 m，布置較為密集，一般路基斷面樁距為3 m，較為稀疏。從沉降量大小來看，在預壓期內一般路基沉降量大于橋頭斷面和結構物過渡段斷面；從沉降量占比來看，預壓期內一般路基斷面沉降占比最小，結構物過渡段次之，橋頭斷面最大。結果表明：結構物存在與否對路基預壓期沉降量占比產生較大影響，一般路基預壓期沉降量占總沉降量最小，涵洞過渡段次之，橋頭加密段最大。

圖4 不同類型斷面預壓期沉降曲線圖

3 結論

通過對洞庭湖區某高速公路預壓期進行沉降觀測數據分析，得到以下幾點結論：

1) 預壓期沉降采用雙曲線法進行擬合，擬合程度較高，依據擬合曲線可對路基總沉降量預測，求得的剩余沉降值對預壓卸載時間選擇有一定指導作用。

2) 預壓期內軟基沉降規律整體趨勢是預壓初期沉降大，預壓末期沉降較小，預壓45 d內，路基沉降占預壓期總沉降80%，通過延長預壓時間獲取更好的預壓效果較難實現。

3) 在其他條件相同時，路基預壓期沉降量占總沉降量比值受到結構物影響，一般路基占比最小，為12%；涵洞過渡段占比次之，為15%；橋頭加密段占比最大，為21%。