基于循環(huán)交通荷載的軟土地區(qū)高速公路長(zhǎng)期沉降研究及工后沉降預(yù)測(cè)

作者簡(jiǎn)介：鄺文波（1989—），工程師，主要從事高速公路項(xiàng)目設(shè)備和施工管理工作。

高速公路的普及，在給人們帶來(lái)出行便利的同時(shí)也出現(xiàn)了一系列問(wèn)題，如在交通荷載作用下，高速公路地基土體的沉降會(huì)造成橋頭與地基出現(xiàn)高低差，導(dǎo)致出現(xiàn)跳車、地基失穩(wěn)等不良問(wèn)題，給駕駛員和乘客帶來(lái)了不舒適的體驗(yàn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)駕駛員及乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全造成影響。文章研究了軟土地基的高速公路長(zhǎng)期沉降情況，并在循環(huán)交通荷載背景下對(duì)該類型高速公路的工后沉降情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

循環(huán)交通荷載;軟土地基;工后沉降

U412.2A090294

0 引言

隨著高速公路的普及，給人們的出行帶來(lái)了極大的便利，同時(shí)也出現(xiàn)了一系列問(wèn)題，如在交通荷載作用下高速公路地基土體的沉降會(huì)造成橋頭與地基出現(xiàn)高低差，導(dǎo)致跳車、地基失穩(wěn)等不良問(wèn)題，給駕駛員和乘客帶來(lái)了不舒適的體驗(yàn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)駕駛員及乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全造成影響。鑒于此，本文針對(duì)軟土地基的高速公路長(zhǎng)期沉降情況進(jìn)行研究，并在循環(huán)交通荷載背景下對(duì)該類型高速公路的工后沉降情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 依托工程分析

本文以SJH高速公路作為依托工程，該高速公路絕大部分路段是鋪設(shè)在軟土地基上的，同時(shí)具有村莊密集、結(jié)構(gòu)物眾多的特點(diǎn)，填土約在2～5 m的范圍內(nèi)。通過(guò)地質(zhì)勘察可知，該處具有強(qiáng)度低、滲透性差以及含水量高等特點(diǎn)，且還有部分路段屬于深厚軟土地基，厚度大概在20～30 m之間[1-2]。本文以該高速公路兩個(gè)較為典型的截面K68+300和K93+570為例進(jìn)行模型構(gòu)建及預(yù)測(cè)工作。通過(guò)實(shí)測(cè)可知，在265 d內(nèi)，截面K68+300的路堤堆載提高了3.75 m，而后從475 d開始就逐步進(jìn)入到了卸載工作之中，并在第485 d開始了路面層的鋪筑工作。對(duì)K93+570而言，在100 d內(nèi)，其路堤堆載提高了2.98 m，而后從335 d開始著手相應(yīng)的卸載工作，并在第455 d開始了路面層的鋪筑工作。

2 模型分析及構(gòu)建

2.1 路面-路堤-雙層地基動(dòng)力響應(yīng)模型的構(gòu)建

針對(duì)此處構(gòu)建路面-路堤-雙層地基動(dòng)力響應(yīng)模型，旨在對(duì)因交通移動(dòng)荷載引起的地基動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。為了降低計(jì)算的難度，將截面K68+300和K93+570簡(jiǎn)化成上層土體和下層土體，橫斷面對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)圖如圖1所示。借助路面系統(tǒng)對(duì)沿水平方向無(wú)限延伸的薄板進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)的厚度由h1表示;路堤和上層土體用來(lái)模擬彈性介質(zhì)，對(duì)應(yīng)的厚度依次由h2、h3表示;多孔半空間介質(zhì)和完全飽和介質(zhì)可由下層土體來(lái)進(jìn)行模擬，且可借助Biot控制方程來(lái)完成相應(yīng)的計(jì)算[3-4]。

2.2 等效時(shí)間線模型的分析

在Bjerrum、Graham等人研究的基礎(chǔ)上，提出了一維（ID）等效時(shí)間線模型[5-6]。該模型主要由三種類型組成：參考時(shí)間線;瞬態(tài)時(shí)間線;蠕變時(shí)間線。對(duì)應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式分別如式（1）、式（2）、式（3）所示。此外，土體應(yīng)變的方式有兩種：可恢復(fù)型的彈性應(yīng)變和不可恢復(fù)型的粘塑性應(yīng)變。

εepz=εepz0+λVln′z′z0

（1）

εez=εez0+κVln′z′u

（2）

εtpz=ΨVlnt0+tet0（3）

式中：λ=Δe/ln′z/′z0;

κ=Δe/ln′z/′u;

′u——單位應(yīng)力;

V——比容;

κ——回彈系數(shù);

te——等效時(shí)間，且t0和ΨV均比0大。

2.3 循環(huán)累積應(yīng)變模型的分析

參考Sun等人提出的預(yù)測(cè)軟土累積軸向應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)公式（4），研究循環(huán)圍壓和循環(huán)偏應(yīng)力作用下對(duì)軟土造成的耦合影響[7]，并在此基礎(chǔ)上來(lái)完成本文對(duì)高速公路通車后工后沉降的預(yù)測(cè)工作。

εpa=a·CSRbN106c1+0.31ζampl-13（4）

式中：εpa——永久軸向應(yīng)變;

CSR——循環(huán)應(yīng)力;

N——交通荷載循環(huán)次數(shù);

a、b、c——回歸參數(shù);

ζampl——應(yīng)力路徑斜率。

3 案例分析

本文通過(guò)地質(zhì)勘察報(bào)告及估算的方法對(duì)路面-路堤-雙層地基動(dòng)力模型中路堤、亞黏土層以及淤泥質(zhì)亞黏土層的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了提取。此外，借助特性類似的土體來(lái)完成淤泥亞黏土層計(jì)算參數(shù)的選取，并進(jìn)行相應(yīng)的回歸分析，旨在驗(yàn)證預(yù)估的合理性與準(zhǔn)確性，如圖2所示。其中，AB段和CD段分別對(duì)應(yīng)的是參考時(shí)間線模型和瞬態(tài)時(shí)間線模型，蠕變時(shí)間線模型由BC段和DE段相互對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值如表1所示。

3.1 軟土地基在交通荷載下不同深度豎向動(dòng)應(yīng)力

對(duì)截面K68+300地基而言，交通移動(dòng)荷載在不同速度下產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力也會(huì)有所不同，具體如圖3和圖4所示。其中，z、y、x為正應(yīng)力，τxz為剪應(yīng)力，并運(yùn)用了輔助空間坐標(biāo)xt=x-Vt。可以看出，豎向動(dòng)應(yīng)力z的峰值波動(dòng)最為突出。此外，動(dòng)應(yīng)力的幅值與速度成正比，隨著速度增加而增大，與地基深度成反比，隨著地基深度增大而減小。如在亞黏土層中，地基深度z=4 m，汽車運(yùn)行速度為30 km/h時(shí)，z幅值為5.8 kPa，而當(dāng)汽車運(yùn)行速度上升至160 km/h時(shí)，1幅值達(dá)到了7.6 kPa，提高了31.0%;在亞黏土層中，地基深度z=10 m，汽車運(yùn)行速度為30 km/h時(shí)，z幅值為1.2 kPa，而當(dāng)汽車運(yùn)行速度上升至160 km/h時(shí)，z幅值達(dá)到了4.1 kPa，提高了241.7%。由此可見，動(dòng)應(yīng)力在土層中的分布情況會(huì)隨著交通荷載移動(dòng)速度的增加而加深。此外，在汽車運(yùn)行速度為30 km/m，地基深度從4 m上升至10 m時(shí)，z幅值會(huì)降低78%，而在汽車運(yùn)行速度為160 km/h時(shí)，z幅值會(huì)降低45%。

3.2 軟土地基在循環(huán)交通荷載作用下的工后沉降預(yù)測(cè)

經(jīng)研究，造成工后沉降的原因有兩種：（1）交通移動(dòng)荷載;（2）路堤的靜荷載。在計(jì)算地基動(dòng)應(yīng)力和工后沉降時(shí)，不但借助了Sun等人給出的經(jīng)驗(yàn)公式，而且還結(jié)合了本文提及的路面-路堤-雙層地基動(dòng)力響應(yīng)模型和蠕變時(shí)間線模型。在通車與不通車情況下，對(duì)截面K68+300的沉降情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以90 km/h作為此次計(jì)算的平均時(shí)速。在亞黏土層中，進(jìn)行回歸分析后，得到式（4）中a、b、c這三個(gè)系數(shù)的取值，依次為0.089、0.59、0.24，在淤泥質(zhì)壓黏土層中，得到的取值依次為0.011、0.6、0.21。對(duì)地基工后沉降造成較大影響的是交通移動(dòng)荷載，該高速路通車一年后，預(yù)測(cè)得到的工后沉降與實(shí)際結(jié)果基本吻合。為了進(jìn)一步明確式（4）的準(zhǔn)確性，對(duì)截面K93+570的工后沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，經(jīng)比較，實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，再次肯定了式（4）的準(zhǔn)確性。

4 參數(shù)分析

為了明確交通荷載移動(dòng)速度在30 km/h、90 km/h以及160 km/h時(shí)對(duì)軟土地基工后沉降造成的影響，進(jìn)行了檢測(cè)分析，得到的結(jié)果如圖5所示。可以看出，不同時(shí)速下的工后沉降情況基本相同，由此表明車輛的正常行駛不會(huì)對(duì)軟土地基的工后沉降造成太大的干擾，因此可以忽略掉。

本文為了探索軟土地基在不同路堤高度及超載情況下的沉降情況，進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。同時(shí)，為了進(jìn)一步挖掘軟土地基在不同路堤高度和超載情況下的工后沉降，以截面K68+300為例，進(jìn)行了研究與計(jì)算，得到的結(jié)果如表3所示。

基于表2～3可得出兩點(diǎn)結(jié)論：（1）要想降低軟土地基的工后沉降，可通過(guò)增加路堤超載來(lái)實(shí)現(xiàn);（2）蠕變變形與路堤超載成反比關(guān)系，會(huì)隨著其增加而減小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托工程實(shí)例，構(gòu)建了路面-路堤-雙層地基動(dòng)力響應(yīng)模型，在前人研究的基礎(chǔ)上給出了三種類型等效時(shí)間模型的函數(shù)表達(dá)式，并參考Sun給出的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)了軟土地基高速公路在通車后的沉降情況。

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