在高速公路施工过程中, 为了保证路基的稳定, 控制施工进度, 指导后期的施工组织与安排, 需要对路基的最终沉降量进行计算预测。高速公路对地基要求甚高, 要求其在使用年限内不应出现较大的工后沉降, 同时还应避免不均匀沉降的发生。随着我国“五纵七横”高速公路网的全面展开, 高填方路堤和软土路基也越来越多, 如何准确地预测它们的沉降量将会是高速公路建设中的一个重要课题。目前用于计算沉降的方法很多, 本文拟对部分算法进行总结。
1 传统计算方法
经典的沉降计算方法将沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降包括两部分:由地基的弹性变形产生的和由地基塑性区的开展, 继而扩大所产生的侧向剪切位移引起的。对于固结沉降的计算, 主要采用分层总和法。次固结沉降常采用分层总和法根据里蠕变试验确定参数求解。最终沉降量的计算通常采用固结沉降值乘以经验系数的方法。
1.1 分层总和法
分层总和法是先求出路基土的竖向应力, 然后用室内压缩曲线或相应的压缩性指标, 压缩系数或压缩模量分层求算变形量再总和起来的方法, 这种方法没有考虑路基土的前期应力。e-lgp曲线法可以克服这个不足, 能够求出正常固结、超固结和欠固结情况下路基土的沉降。但这两者都是完全侧限条件下的变形计算方法, 所以司开普顿和比利提出利用半经验的方法来解决这个问题。关于分层总和法的介绍比较多, 这里不再赘述。
1.2 应力路径法
直接用有效应力路径法来计算沉降的步骤是: (1) 在现场荷载下估计路基中某些有代表性 (例如土层的中点) 土体单元的有效应力路径; (2) 在试验室做这些土体单元的室内试验, 复制现场有效应力路径, 并量取试验各阶段的垂直应变; (3) 将各阶段的垂直应变乘上土层厚度即得初始及最后沉降。
有效应力路径法可以克服估计初始超孔隙压力以及固结沉降的街接上存在不够合理的地方这个缺点, 但它无法避免用弹性理论来计算土体中的应力增量。
1.3 现场实测资料推测沉降
软土地基的沉降观测是验证设计与指导施工的重要手段, 沉降观测资料除可用于控制路基的稳定性外, 更重要的是进行路基沉降预测, 即将沉降观测数据进行回归性分析, 所以可以通过前期的沉降观测资料运用适当的方法来推算路基的最终沉降量。主要常用以下两种方法:双曲线法和指数函数法。
双曲线法是在施工过程中经常用到的一种方法。该法认为时间沉降量为一双曲线, 即假定地基的沉降速度以双曲线的形式递减, 可由此确定路基的沉降量。
其中:ta、Sa为拟合计算起始点参考点的观测时间与沉降值;
t、St为拟合曲线上任意点的时间与对应的沉降值;
α、β为根据实测值求出的参数。
当上式中的t趋向于无穷大时, 变可得到双曲线法计算最终沉降量的公式:
但用该公式的计算结果与实测比较后发现偏离较大, 推算的最终沉降量也偏大, 如果沉降过程的观测历时较长, 而且在求算最终沉降量时着重于后一阶段的沉降曲线的话, 就可得到较好的结果。双曲线配合法模型简单实用, 预测值较实测值稍微偏大, 偏于保守, 但对工程沉降预测有利。
指数函数配合法即在沉降时间关系曲线上, 取最大横载段内的三点, 并使三点的时间间隔相等, 将三点的时间与相应的沉降代入固结度的常用式U=1-ae-bt即可得指数函数配合法的具体表达式, 由于上述方法中采用了实测的三点时间和对应沉降值, 该方法又称三点法, 三点的选择以沉降曲线趋于稳定的阶段, 且三点间隔尽可能大最为有利, 此时推算的沉降值最准确。
1.4 其他计算方法—有限单元法
有限单元法是将地基和结构作为一个整体来分析, 将其划分网格, 形成离散体结构, 在荷载作用下算得任一时刻地基和结构各点的位移和应力。该方法可以将地基作为二维甚至三维问题来考虑, 反映了侧向变形的影响。它可以考虑土体应力应变关系的非线性特性, 采用非线性弹性的本构模型, 或者弹塑性本构模型。目前用得最广的是邓肯-张双曲线模型。它可以考虑应力历史对变形的影响, 还可以考虑土与结构共同作用, 考虑复杂的边界条件, 考虑施工逐级加荷, 考虑土层的各向异性等。从计算方法上来说, 是一种较为完善的方法。它的缺点是计算工作量大, 参数确定困难, 要做三轴排水试验, 目前主要用于重要工程、重点地段的计算。
2 结语
沉降观测的计算方法有很多, 本文仅对沉降观测的部分计算方法及其特点进行了介绍。不同的计算方法有不同的适应范围。在实际工程的沉降计算中, 我们并不单纯地依赖于某一种方法。只有熟练的掌握了各种方法才能在实际运用的过程中灵活地选择适合的计算方法。
摘要：在高速公路路基的施工特别是软土路段地基施工过程中, 由于软土地基的特殊性, 为了保证路基的稳定, 控制施工进度, 指导后期的施工组织与安排, 如何正确计算路基的工后沉降是一个重要问题, 本文介绍了用于路基沉降计算及预测的一些方法, 并对它们的优缺点进行了分析, 同时将其计算结果与实际情况作了比较, 为准确计算路基的沉降量提供了方法上的参考。
关键词：高速公路,路基沉降,沉降计算及预测
参考文献
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