软土地基沉降规律研究

2024-05-06

软土地基沉降规律研究（精选七篇）

软土地基沉降规律研究篇1

关键词：公路软土,路基沉降,原因,策略

1 案例概述

项目为江苏省苏州市吴江东西快速干线新建工程施工项目DXKS-A5标段中,该工程长为4.402km,工程造价为31788.7990万元,该工程施工包括路基、桥涵、排水与防护等工程,本文将就路基施工进行探究。

2 路基沉降原因分析

路基沉降的原因有很多,笔者将根据自身实践经验对主要原因进行分析研究。

2.1 路基压实度不合格

填土压实度不足,容易出现填方路基不均匀沉降变形,两侧裂开的现象。其产生的原因主要有下面几个方面:(1)施工受到限制。在施工的时候,气候干燥,部分路基的填料土块粉碎程度不够细、土的粒径较大,导致路基的压实度不均匀。有些慢车道与行车道并没有同步施工,拼接没有得到很好的处理,那么在拼接处也会出现碾压不到位,压实度不够的现象。(2)由于考虑到施工的安全与进度,振动压路机与三轮压路机碾压便数较少,碾压速度较快,与构造物衔接处不到位,使得路基压实不足,不到位,导致路基压实度没有达到标准。(3)未将填方土体的含水量控制好,碾压时含水量较大,导致压实效果不达标。(4)土的击实标准定的标准较低,试验检测标准要求较低,使得路基的压实度没有正真达到合格的标准。

2.2 地下水的影响

因地下水的交替作用,使得路基土体里的含水量不断变化,土体的容重也发生波动,更重要的是因毛细管的张力而导致的负孔隙水的压力能达到一定数值,再加上水的润滑、软化效应的影响,导致土体发生沉降变形。地基或路基中的地下水动态特征会严重影响到路基不均匀的沉降。其地下水的补给来源主要包括降雨补给、地下水的侧向补给及地表水的侧向补给。地下水的潜蚀作用与动态变化特征对土体强度、结构特征及有效应力分布产生很大影响,从而使得路基产生不均匀沉降。

2.3 对路基的填料选择不当

依照《公路路基施工技术规范》(JTGF10-2006)中的规定,不得使用含生活垃圾、草皮等的土,液限大于50%,塑性指数大于26及含水量不符合规定的土也禁止使用。如果使用了禁止的路基填料,那么将是路基安全的潜在隐患,如表1所示是对路基填料最小轻度和最大颗粒要求。

3 软土地路基沉降的防治措施

3.1 合理运用预应力管桩

预应力管桩是一种新兴的桩型,用于公路软土地基中,预防路基发生沉降。一般在桩顶上面浇筑一个桩帽,以增加承受路基荷载面积,并把填土大部分荷载利用土拱效应传递给桩体,之后再到土层里。为将桩间距尽可能地拉大,通常在桩头和上部填土之间设置二层土工格栅,从而使更多荷载传递到桩子上,在设计时,应该注意定桩间距与桩帽的尺寸,把沉降控制在合理范围,以取得好的效果。

在笔者担任项目副经理的苏州吴江东西快速干线DXKS-A5标段中,部分施工段落中就使用了预应力管桩作为该标段软土地基处理的施工方法,不仅保证了路基质量,还缩短了工程施工周期,减少由于施工对周边的环境影响。

3.2 运用高压旋喷桩提高地基承载力

高压旋喷桩作为在道路软基处理中的重要方法,能有效加固地基,降低沉降的发生率,因而在施工中得到广泛运用。其施工工艺将介绍以下几个方面:(1)高压旋喷桩加固利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层设计的深度,依靠水泥浆搅拌系统、高压注浆泵设备,以35MPa~40MPa的压力把水泥浆液从喷嘴中喷射出来,形成喷射流冲击破坏土层。一部分细颗粒随浆液冒出地面,其余土粒在射流的冲击力、离心力和重力等力的作用下,与浆液搅拌混合,浆液凝固后,便在土层中形成一个固结体。从而达到增加地基承载力。(2)高压旋喷桩施工工艺要点。(1)在旋喷桩施工区最外侧的一排桩采用间隔跳打的方法进行施工,其余位置采用不跳桩按次序施工。(2)旋喷机就位时机座一定要平稳,位置要准确,钻孔垂直度允许偏差≤1.5%,钻孔位置允许偏差≤±50mm。(3)喷射注浆前一定要检查高压设备和管路。设备的压力和管道的排量必须满足施工要求,管路系统的密封圈必须良好,各通道和喷嘴内不得有杂物。如水的压力(MPa):35~45,流量(L/min)100~120,喷嘴直径1.8~2.0mm;水泥浆压力(MPa)10~15,流量(L/min)80~100,水灰比1∶1.2左右。(4)喷射注浆作业后,由于浆液析水作用,一般均有不同程度收缩,使固结体顶部出现凹穴,所以应及时用回浆进行补灌。(5)在喷射注浆过程中,应观察冒浆的情况,以及时了解土层情况,喷射注浆的大致效果和喷射参数是否合理。采用单管或一重管喷射注浆时,冒浆量小于注浆量20%为正常现象,超过20%或完全不冒浆时,应查明原因并采取相应的措施。若系地层中有较大空隙引起的不冒浆,可在浆液中掺加适量速凝剂或增大注浆量,如冒浆过大,可减少注浆量或加快提升和回转速度,也可缩小喷嘴直径,提高喷射压力。(3)随着旋喷桩技术的不断的发展和工程施工经验的积累,旋喷桩的应用会更广阔,当新工艺、新技术、新设备、新材料运用能够得到进一步提升,旋喷桩的瓶颈突破后,旋喷桩利用会有更广泛的前景,更广泛地被利用与地基防治及加固中。

3.3 使用排水固结法

软土地基由很多粘浆、粘土构成,因而在施工时一定要考虑到这个方面,使用排水固结法是针对该特点的直接方法。该法可以降低地基沉降量,并增加地基的承载力,让原本不利于施工的地基变为适合施工建设。处理软土地基会延长一定的施工建设时间,因而要做好准备工作,以确保工程的进度。

4 结语

综上所述,本文对公路软土地基沉降的原因进行了分析,并提出路基监测方法及软土地基的处理措施,以供工程检测进行参考。其路基监测技术具有长期性、复杂性的特点,在公路工程建设中,应该根据实际需求灵活运用监测方法,因地制宜,制定切实的方案,因为检测工作关系到人民群众的生命安全,一定要做好路基检测的工作,提高我国公路软土地基监测的水平,进而促进我国公路工程建设健康持续发展。

参考文献

[1]周焕云,黄晓明.高速公路软土地基沉降预测方法综述[J].交通运输工程学报,2002(4):7-10.

高速公路软土路基沉降规律模拟研究篇2

软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土,具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。日本高等级公路设计规范将其定义为:主要由黏土和粉土等细微颗粒含量多的松软土、孔隙大的有机质土、泥炭以及松散砂等土层构成。地下水位高,其上的填方及构造物稳定性差且发生沉降的地基。

为了公路行车的安全,要求能对路基沉降的发展做出准确的预测,而路基沉降的影响因素很多,预测是个十分复杂的问题。

目前工程上的普遍做法是在施工及运营阶段对软土路基进行长期的沉降监控,以便发现安全隐患,但长期监测耗资大。因此有必要建立一个能解释软土路基沉降规律的模型,准确地预测沉降。

1研究方法

利用SAS软件绘制散点图,观察散点图的分布状态,选择合适的方程进行拟合,以求得最优的描述软土路基沉降规律的模型。

2软土路基沉降量的模型拟合

表1中数据为笔者工作过程中收集的中国东南部某条滨海公路的路基沉降情况数据,以此数据为基础绘制散点图。

根据散点图的分布规律,本研究共选了Logistic方程等24个模型对该高速公路的软土路基沉降情况进行了模拟,现将拟合精度在0.95以上的11个模型模拟结果及其精度整理(见表2)。

由表2可知,预测结果以Gauss模型为最佳。为了检验Gauss模型的适用性,现选择其他相关资料中的数据对其进行检验。

所用检验数据来自文献[1],数据整理见表3。

将表3中沉降量数据用Gauss模型拟合,拟合结果为:

y=64.230 1×(1-0.984 622e-0.000 84t2),R2=0.997 5。

此拟合表明Gauss模型在模拟该高速公路软土路基沉降时亦具有很高的精度。鉴于现有的此方面资料的有限性,无法用更多的资料求证这一结论。但两个资料采集地相距甚远,前者来自于我国东南部的滨海公路,后者来源于我国西南部的乐温公路,尽管地域上有差异,但二者得出的结论是一致的,这在一定程度上亦可说明Gauss模型的普适性。

摘要：针对影响路基沉降的因素多、预测复杂的问题,提出有必要建立一个能解释软土路基沉降规律的模型准确地预测沉降,通过研究分析,表明Gauss模型在模拟公路软土路基沉降时具有很高的精度,具有普遍适用性。

关键词：软土路基,沉降,模型

参考文献

[1]任东红,刘峰.乐温高速公路软土路基沉降与稳定性监测分析[J].公路与汽运,2005(5):51-54.

软土地基沉降规律研究篇3

软土地区桩基础设计, 常遇到桩端持力层的选择问题。地质勘察报告的结论与建议, 多倾向于采用较深、较密实的土层作为桩端持力层, 倾向于以端承力为主的摩擦端承桩, 这样的桩基础设计较为常见。但这种设计经常遇到一个矛盾, 就是桩基础的性价比。在市场经济条件下, 设计人员要考虑业主的经济要求, 桩端持力层的确定, 很大程度上决定了桩基础的性价比。本文试图从桩基的沉降计算着手, 对经济合理的桩端持力层选择方法进行讨论。

二、工程实例

1 工程概况

某26层高层建筑, 高98.5m, 框架-剪力墙结构, 为当地最高建筑。拟建场地在表层粉质黏土以下为35m厚淤泥质土, 再往下为56m厚黏性土, 中粗砂在地面以下96m处。

2 地基基础设计

地质勘察报告的“结论与建议”指出:拟建场地属于桩基工程地质条件相对较差的地段, 工程力学性能较好的第5-2层含砾中粗砂埋深96m左右, 建议本工程采用92m长的钻孔灌注桩, 桩径1200～1500mm。

设计采用1200mm直径、90m长钻孔灌注桩, 以第5-3层含砾中粗砂为桩端持力层, 单桩承载力特征值为6000kN, 桩间距约为3.6m, 共布置120根桩。基础采用上海地区常用的桩-厚筏底板基础, 厚度为2.0m。

业主对该工程的基础造价进行估算, 120根钻孔灌注桩共需约1100万元, 仅桩与2.0m厚承台板的造价就占到结构总造价的近30%。认为基础造价太高, 邀请的某顾问咨询公司认为可以降低基础造价40%左右, 设计认为不可能, 业主决定另行委托设计。

3 工程问题

某顾问咨询公司的技术人员仔细研究了地质勘察报告, 并考察了当地一些高层建筑的基础情况。如附近一幢13层高层住宅, 地基土情况与本工程类似, 采用30余米长预应力钢筋混凝土管桩, 计算沉降130mm, 但建成数年后实测沉降为20-30mm。考虑本工程采用直径600mm、长60m的预应力钢筋混凝土管桩, 以地质勘察报告中第4-2层粉质黏土夹粉土作为桩端持力层, 采用端承摩擦桩。用“实体深基础法”估算沉降, 由于当地离上海较近, 故沉降计算经验系数参照上海市标准《地基基础设计规范》DOJ 08-11999中的系数。

按上海市标准《地基基础设计规范》DBJ 08-11-1999“实体深基础法”计算的沉降值为79mm, 见表1。

根据沉降计算结果, 设计采用了480根直径600mm、长60m的预应力钢筋混凝土管桩, 单桩承载力特征值为1800kN, 按均匀布置。基础采用桩一厚筏底板, 厚度为1.5m。

单桩静载荷试验结果符合设计要求。建筑物竣工实测沉降值为15mm。由上海地区高层建筑桩基础的竣工沉降值一般占最终沉降值的40%-70%来看, 本工程的最终沉降值约为40mm左右, 小于计算值79mm。

该工程的桩造价共约580万元, 比钻孔灌注桩方案降低400余万元, 厚筏底板造价比修改前降低约80万元, 共降低近500万元, 折合每平方米建筑面积100元。桩与厚筏底板的造价占结构总造价的比例降低到20%左右。

4 失误原因分析

本工程的地质勘察报告, 未选择第4-2层土作为桩端持力层, 原设计对第4-2层土也未加考虑, 主要原因是该层土的压缩模量较小, 担心建筑物的沉降偏大。实际上根据目前的勘察手段, 深层地基土的压缩模量很难正确确定, 原状土样的采取受到很大的限制, 特别是粉性土、砂土扰动程度更大, 导致地基土的压缩模量偏小或失真。

此外, 上海地区的第5、8层黏性土由于其有较长的地质年代, 一般具有超压密性 (OCR～1) , 尤其是第8层黏性土的地质年代属于Q: (上更新世) , 根据一些工程采用薄壁取土器所得试验数据, 其超压密性的指数OCR=1.25-1.40, 这一点是在压缩模量上反映不出来的。本工程地点毗邻上海郊县, 地质条件与上海类似, 这也是前述13层高层建筑与本工程的计算沉降值明显大于实测沉降值的原因。

本工程还进行了100m深度内的原位测试与分层压缩试验, 由第4-2、4-3层的固结试验e-p分层曲线看, 满足本工程的桩基沉降计算要求。第5-2层粉砂、第5-3层含砾中粗砂的e-p分层压缩曲线缺失, 据地质勘察人员介绍, 与取土扰动有关。参照上海市标准《岩土工程勘察规范》DCJ08-37-2002中表13, 乙6“土的压缩模量足与原位测试成果关系”进行换算, 这两层土的压缩模量正: (指地基土在200-300kPa作用时的压缩模量) 为75MPa。

本工程修改设计时计算桩基础的沉降就采用上述数据。工程竣工时的实测沉降值表明, 参考上海地区有关规范对地基土压缩模量的取值是可行的。

结语

广东沿海、上海市、浙江沿海等地区, 从事软土地基基础设计与施工的工程技术人员间的相互交流及学习是提高我国软土地基处理技术水平的有效途径。

摘要：广东省湛江市与上海、浙江省宁波市等地区类似, 同属沿海, 建筑工程地基大都为软土地基。软土地区桩基础设计, 如何选定桩长, 即选择桩端持力层, 是桩基础设计与施工的关键。本文以具体工程实例为研究对象, 作了些探讨。

关键词：计算,沉降值,软土地基,桩长,桩基础

参考文献

[1]GB50007-2011, 建筑地基基础设计规范[S].

[2]JGJ94-2008, 建筑桩基技术规范[S].

软土地基沉降规律研究篇4

关键词：软土地基,路基稳定,影响因素,变化规律

在道路路基建设工程中, 经常会遇到各种复杂的地质条件, 在诸多不良地质条件中, 软土地基是工程设计过程中最常遇到的一种复杂的地质条件[1], 特别在沿海、沿江、沿湖地区。软土往往具有高含水率、高液限、高压缩性、高粘粒含量、排水性差、低强度等特性, 对道路工程建设具有较大的不良影响, 特别在一些道路工程中, 如果软土厚度较厚, 而地表的硬壳层较薄, 一旦在设计施工过程中未予重视, 这些软土地质条件往往会导致路基的失稳滑坡, 严重影响行车安全和道路的使用寿命[2,3]。例如江苏连云港地区, 公路建设过程中就存在因软土地基处理不到位, 导致路基滑坡的安全事故, 有时一条道路刚建成几年就破损不堪, 需要进行大中修, 这往往导致了大量人力财力的浪费, 与国家倡导的生态环保、资源节约的理念不符, 因此在道路工程当中, 对软土地基应尤为重视, 提高软土地基条件下道路的设计、施工、管理水平, 确保建成的道路能够较好地服务于社会。本文将结合软土地基的特点和工程设计施工的经验, 着重分析软土地基条件下对路基稳定性的影响[4,5,6], 找出其中一些变化规律, 为道路工程的设计施工提供参考。

1 软土地基的情况

本次研究将以江苏省盐城境内临海高等级公路道路工程中典型的软土地基为基础, 进一步分析软土地基对路基稳定性的影响变化规律, 结合地勘报告, 沿线土层主要指标和分布情况如下[7]:

(1) 硬壳层 (素填土) :内粘聚力c=33 k Pa, 内摩擦角10°, 重度18.9 k N/m3, 全线软土地基地表硬壳层厚度0~10 m。

(2) 淤泥质软粘土:内粘聚力c=8.0 k Pa, 内摩擦角0.7°, 重度17.6 k N/m3, 天然孔隙比e=1.277, 天然含水率w=47%, 液性指数IL=1.55, 其中软土厚度从3~22 m分布不等, 且埋深较浅。

(3) 粉质粘土:内粘聚力c=24.5 k Pa, 内摩擦角21.3°, 重度19.4 k N/m3。

从以上指标可以看出, 该路段路基软土地质条件较差, 从力学指标和液性指数可以明显看出, 该段软土强度非常低, 基本上处于流塑状态, 大部分路段硬壳层缺失或较薄, 软土厚度变化较大, 该种软土也是江苏地区比较典型的一种软土, 工程性质较差, 对路基的边坡稳定有着较大的影响, 在设计和施工过程中需要引起足够重视。

2 软土地基条件下路基边坡稳定分析模型的建立

基于以上工程中软土的不良特性, 本文将结合边坡稳定计算成果探索软土地基对路基稳定的影响规律, 结合实际工程, 研究了两种工况条件下路基的边坡稳定 (见图1、图2) , 边坡模型均是一级公路标准, 设计汽车荷载汽车—20级, 公路边坡坡率1∶1.5, 边坡稳定计算方法采用瑞典条分法。

3 软土地基对路基边坡稳定性规律探讨

3.1 一般路段工况条件下软土地基对路基稳定的影响分析

结合相应的地质条件和各层土的物理力学参数, 本研究主要考虑了影响路基稳定的几个主要因素, 着重分析了软土地基的硬壳层厚度H1, 软土厚度H2, 路基填土高度H对路基边坡稳定的影响, 具体分析结果如下:

(1) 不同硬壳层厚度 (软土埋深) 对路基稳定影响

在工程设计过程中, 软土地区硬壳层厚度对路基稳定有着重要影响, 在江苏等平原区道路工程中, 一般路基填土高度均不高, 本文分析了路基填土高度H=2 m的情况下, 不同硬壳层厚度对路基边坡稳定的影响, 见图3。

从图3中可以看出, 在该软土地质条件下, 路基边坡稳定与硬壳层厚度关系较大, 当硬壳层缺失时, 即H1=0时, 路基最容易发生滑坡现象, 随着硬壳层厚度的增加, 路基边坡稳定系数逐渐增加, 当硬壳层厚度H1≥3 m时, 路基边坡趋于稳定, 也就意味着当硬壳层厚度H1<3 m时, 路基填土高度H≥2 m时是极容易产生滑坡的, 因此在道路工程设计过程中, 在软土地质条件下, 针对硬壳层较薄的路段, 一定要控制填土高度, 当填土高度超过2 m时, 设计过程中应分析路基的边坡稳定性, 对于边坡易失稳的路段, 可以考虑采用路堤加筋、搅拌桩或PC管桩进行地基加固处理, 以提高路基的整体稳定性, 从而提高路基运营过程中的安全性和使用寿命。

在填土高度一定的情况下, 路基边坡的稳定系数与硬壳层厚度几乎呈线性关系增加, 随着硬壳层厚度的增加, 路基边坡稳定逐渐由易滑坡区转向稳定区, 该线性关系可以用如下公式表示:

式中:K为路基边坡稳定系数;H1为硬壳层厚度。

通过该公式可以初步分析出不同的硬壳层厚度条件下路基的边坡稳定, 从而在设计过程中控制好路基填土高度H, 为路基边坡稳定加固提供一定的参考价值。硬壳层厚度实际上也是软土埋深的另一种表现形式。从中可以得出结论, 软土埋深对路基边坡稳定有重要影响, 软土埋深越浅, 路基越容易失稳, 产生滑坡现象;软土埋深越深, 路基越稳定。

(2) 不同软土厚度对路基稳定影响

在工程设计过程中, 由于软土性质较差, 前面分析了软土地区硬壳层厚度对路基稳定性的重要影响, 同时在硬壳层厚度一定的情况下, 软土厚度对于路基稳定也存在较大的影响, 针对不同软土厚度条件下路基边坡稳定性进行了分析研究, 分析结果见图4:

从图4中可以看出, 在一定的路基填土高度和硬壳层厚度条件下, 路基边坡稳定系数随着软土层厚度的变化较为明显, 路基边坡稳定系数随着软土层厚度H2的增加逐渐减小, 即软土厚度越大, 路基越容易失稳, 因此在工程设计过程中, 当硬壳层厚度≤3 m, 路基填土高度≥2 m时, 位于深厚软路段的路基应重点考虑路基边坡稳定性, 对于容易失稳的路段采取一定的加固措施, 或者降低路基填土高度H。

从图4中可以明显看出, 在一定的路基填土高度和硬壳层条件下, 软土厚度越薄, 路基越稳定, 随着软土厚度的增加, 路基稳定性逐渐降低, 从图中可以看出, 一般情况下, 当软土厚度超过10 m时, 软土厚度的增加对路基稳定性影响逐渐减小, 即路基稳定性随着软土厚度的进一步增加降低的趋势逐渐变缓, 从而可以得出, 软土厚度对路基稳定性影响存在于一定厚度范围内, 超过这个厚度, 对路基稳定性影响将逐渐降低。

(3) 不同路基填土高度H对路基稳定影响

在实际工程当中, 软土地质条件下路基填土高度H对路基稳定性有着重要的影响, 见图5。

从图5中可以看出, 在一定软土厚度和硬壳层条件下, 路基边坡稳定性与路基填土高度H之间有着显著关系, 随着路基填土高度增加, 路基边坡稳定性显著降低, 在路基硬壳层厚度H1≤3 m的软土地质条件下, 路基填土高度H≥2 m时, 路基开始失稳, 可见在实际工程设计过程中, 对于这种地质条件下的路基填土高度一定要进行控制, 在条件允许的情况下, 尽量以矮路堤或低填路堤为主, 对于过高的路基段一定要进行稳定性计算分析, 对于不够稳定的路基要进行加固, 同时应增强高路基的监测, 确保道路的行车安全。

3.2 临河路段工况下软土地基对路基稳定的影响分析[8]

上文分析了一般路基段软土地基对路基稳定性的影响, 主要从路基高度H、硬壳层厚度H1、软土厚度H23个主要因素对路基稳定性进行了分析研究。然而在实际工程当中, 往往会遇到各种路基靠近河塘段, 俗称临河路基段, 这种路基段在软土地质条件下最容易产生滑坡, 路基离河塘段的安全距离B与路基稳定性的关系见图6:

从图6中可以看出, 路基填土高度H=2时, 路基坡脚离河塘距离B在0~13 m时, 路基边坡稳定系数K均在0.6~0.7之间, 路基易失稳产生滑坡, 离河塘的安全距离B>13 m时, 路基处于稳定状态, 即河塘对路基稳定影响较小。可见临河路段的路基边坡边坡稳定受到离河塘段距离B的影响较大, 越靠近河塘段路基越容易失稳, 离河塘段越远, 路基越安全, 因此在实际工程当中, 道路选线时应尽量避免靠近河塘段, 如果无法避免, 特别是当路基填土高度H≥2 m时, 在设计过程中应分析临河路段的路基边坡稳定性, 对于不稳定的路基采取相应地基加固措施, 确保路基稳定。

4 结论

本文就软土地基条件对路基边坡稳定变化规律影响进行了深入研究, 依托相关工程的软土地基参数, 充分分析了一般路段和临河段的路基边坡边坡稳定影响因素, 主要结论及建议如下:

(1) 软土地基条件下, 硬壳层厚度 (软土埋深) 对路基边坡稳定性有重要影响, 硬壳层厚度越薄, 路基越容易失稳, 特别是当硬壳层厚度H1≤3时, 路基填土高度越高, 越容易失稳, 因此在设计过程中应尽量避免破坏硬壳层, 选择合理的填土高度, 保留硬壳层, 针对硬壳层较薄的路段应充分分析其路基稳定性, 对于不够稳定的路基, 应采取相应的地基加固措施, 确保路基稳定和行车安全。

(2) 软土地基条件下, 当硬壳层厚度H1≤3 m时, 路基稳定性与软土厚度存在较大关系, 随着软土厚度的加大, 路基越容易失稳, 当路基填土高度H≥2 m时, 位于深厚软路段的路基应重点考虑路基边坡稳定性, 然而当软土厚度超过10 m时, 路基稳定性随着软土厚度的进一步增加变化较小, 可见浅层软土对于路基稳定性有重要影响, 在工程设计施工过程中应充分重视。

(3) 软土地基条件下, 路基填土高度对于路基稳定性有重要影响, 从研究过程中可以明显看出, 路基稳定性随着路基填土高度的增加显著降低, 特别当硬壳层厚度H1≤3 m, 路基填土高度H≥2 m时, 在设计过程中应分析其路基边坡稳定性, 对于不够稳定的路基进行地基加固, 在道路设计过程中, 软土地质条件下应尽量选用矮路堤, 以降低路基填高, 确保路基稳定。

(4) 道路工程中经常遇到临河路基, 路基与河塘之间的距离B对路基稳定性有重要影响, 路基越靠近河塘段越容易失稳, 因此在道路选线过程中应尽量避免路基靠近河塘段, 对于无法避免的路段, 应分析其路基稳定性, 对于不够稳定的路段采取相应的加固措施, 确保路基稳定。

参考文献

[1]JTG D30—2004公路路基设计规范[S].

[2]赵红.软土地基的路基稳定性验算[J].工程技术, 2010 (9) :405-406.

[3]郝林静.软土地基的路基稳定性分析[J].黑龙江交通科技, 2011 (10) :79.

[4]肖艳.软土地基路基设计与施工及使用评价[J].云南交通科技, 2000 (6) :24-25.

[5]孙忠弟.软土区域路基设计与处治[J].西安公路交通大学学报, 1994 (4) :108-113.

[6]陈廷福, 鲍孝红.路基主要病害的成因与处治[J].青海交通科技, 2004 (4) :26-28.

[7]江苏省临海高等级公路地质勘探报告[R].2010.

用组合模型预测软土地基桩基沉降篇5

软土一般是指抗剪强度较低，压缩性较高，渗透性较小的淤泥、淤泥质土等。温州为典型的软土地区，第四纪沉积物深厚且土层软弱，具有高含水量、高压缩性、低渗透性、低强度和强结构性等特性，该地区建筑物沉降具有沉降量大，沉降发展时间久的特点。近几年高层建筑量大面广地兴建，而这些建筑大部分使用桩基础。桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。其作用是将上部结构的荷载，通过较弱地层传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。

软土地基的桩基变形，是一个相当复杂的、困难的问题，但又是一个非常重要的问题。建筑物在荷载作用下，地基沉降、水平位移、不均匀沉降超过相应的允许值，将会影响建筑物的安全与正常使用，严重的会引起建筑物的破坏。所以，对于桩基变形性状的预测显得非常重要。从上世纪60年代开始，建筑物变形监测与预报模型逐渐丰富，目前，各国专家学者对变形观测数据处理都做了较深入的研究，形成了一套较为成熟的理论体系，如回归分析模型、滤波模型、时间序列模型、人工神经网络模型以及灰色理论模型等。然而，由于软土地基的桩基变形的不确定性与复杂性，传统的预测模型无法准确分析桩基变形的性状与规律。对其变形分析的研究需要采用新的思维方式和方法。为了尽可能将影响变形信息纳入变形预测中，使预测精度更符合实际，为建筑物的安全提供保障，需要对各种单一预测模型加以组合，即将组合预测模型运用于实际工程中。

本文结合温州地区某桩基工程项目，根据其在整个建设过程中所有的观测结果，首先运用三种经典数据处理模型：回归模型、时间序列模型和GM(1,1)灰色理论模型对建筑物沉降变形数据进行初步预测，然后利用组合模型进行分析。经大量数据的演算，分析了组合模型相对于单一模型在拟合及预测上的优点，探讨了不同组合模型建模方案在对历史数据的拟合及未知数据的预测上的不同特点，总结了各种组合模型的一般规律及其适用性。

1 沉降监测数据预测常用模型

组合模型是将单一模型的预测值经过一定组合而得到的，即单一模型对数据的预测是建立组合模型的基础，单一模型是组合预测模型的子模型。因此，单一模型的建模过程及其在实际工程中的预测显然是建立组合预测模型最基础的一步。常用的单一预测模型有多元线性回归分析法、时间序列分析法、灰色系统理论、卡尔曼滤波技术、人工神经网络和小波分析理论等。本文选取多元线性回归分析法、时间序列分析法和灰色系统理论作为组合模型的子模型，下面将对三种模型的建模过程以及在工程实例中的运用加以阐述。

(1)多元线性回归分析法

在实际观测中一个因变量往往受多个自变量的影响，因此需要建立一个变量(因变量)与多个因子(自变量)之间的非确定性的模型来分析所观测的变形量与外因之间的相关关系，这种模型即为多元回归模型。当预测对象y受到多个因素影响时，如果各个影响因素与y的相关关系可以近似地线性表示，这时则可以建立多元线性回归模型来进行分析和预测。

现在假设对某沉降对象进行了n次观测，在每次观测中有P个相同的外界因子对沉降产生影响，那么我们便可以建立如下的模型来预测沉降的发展趋势：

式中，下标t表示观测值变量，共有n组观测数据;p表示因子个数;β0,β1,…βp为待估参数。

(2)时间序列分析模型

建筑物的沉降量是时间上的一个变量,沉降量时间序列从其特征来看,可以看成趋势项和随机项的组合,对这两种变化项分别进行建模分析,然后再组合起来,可以更好地反映建筑物沉降量在时间上的变化特性,最终进行预测分析。根据土力学原理,建筑物的沉降与建筑物本身的重量及基础土质的力学特性有关,沉降量与时间的关系可以采用对数曲线进行拟合。

设观测时间为ti(i=1,2,…n)，对应沉降量为yi(i=1,2,…n)，建立观测时间与沉降量的拟合关系式：

令xi=lnti，则上式成为线性回归关系式：。按照最小二乘原理可以解得：

按照求解得的值建立趋势项拟合模型:

(3)GM(1,1)灰色理论预报模型

灰色建模的基本思路是:首先对数据进行累加处理(I-AGO)，使观测数据序列的随机因素影响淡化，从而提高观测数据序列的内在规律,然后再将数据序列建成一个变量具有微分、差分、近似指数规律兼容的灰色模型[1]。

设原始观测非负离散数列为：

其中n为序列长度。对x(0)进行依次累加生成，即可得到一个生成序列x(1)={x(1)(1),x(1)(2)…x(1)(n)}，对此生成序列建立一阶微分方程：

式中，a用来控制系统发展态势的大小,称为发展系数;u用来反映资料变化的关系，称为灰色作用量。根据最小二乘法解得该微分方程为：

式中，

由此可解得相应函数：

对做累减生成(I-AGO)，可得还原模型值：

2 组合模型的分类与预测效果的检验

自Bates J.M.和Granger C.W.J.首次提出组合预测方法以来，组合预测研究已经取得了很大进展[2]。所谓组合预测就是设法把不同的预测模型组合起来，综合利用各种预测方法所提供的信息，以适当的加权平均形式得出组合预测模型。组合预测最关心的问题就是如何求出加权平均系数，使得组合预测模型更加有效地提高预测精度。组合预测在国外称为combination forecasting或combined forecasting[3]。在国内也称为综合预测等[4]。

按组合预测与各单项预测方法的函数关系，组合预测可以分成线性组合预测和非线性组合预测。设预测对象存在m个单项预测方法，利用这m个单项预测方法得到的第i个单项预测方法的预测值为：fi,i=1,2…m。若组合预测值f满足：f=l1f1+l2f2+…+lmfm，则称该组合为线性组合预测。其中l1、l2、…、lm为各预测方法的加权系数。若组合预测值f满足：f=g(f1,f2，…，fm)，其中g为非线性函数，则称该组合为非线性组合预测[5,6]。本文采用线性组合模型对软土地基桩基沉降进行预测，运用最小二乘法、绝对误差最小法、算术平均法以及方差倒数法来确定权重大小。同时为检验预测效果的好坏，按照预测效果评价原则和惯例，可以采用下列评价指标作为参考。(1)平方和误差(2)平均绝对误差(3)均方误差;(4)平均绝对百分比误差(5)均方百分比误差

3 组合模型在某工程实例沉降预测中的研究

运用组合模型对历史数据进行一定目的的拟合是相应组合模型进行预测的必要步骤，做出合适的拟合有利于提高组合模型的预测精度。子模型的选取是建立组合模型的基础，选择合适的适量个数的子模型不但有利于组合模型的建模，还能节省预测成本。子模型的初步预测为组合模型的建模提供了数值基础。本文所选用的数据为温州某大厦软土地基桩基的平均沉降实测数据，采用多元回归分析模型、时间序列模型以及GM(1,1)灰色理论模型为子模型。桩基的平均沉降数据子模型拟合结果见表1。

适当组合模型结构的选取和模型参数的估计是建立组合模型的关键。只有依据不同的预测目的选取合适的组合模型结构，才能对预测做出准确的判断。在实际工程预测计算中，需要一个模型结构调整到模型适用性检验的反复过程，才能获得最佳的组合预测模型结构。

对于桩基平均沉降数据，首先用预测误差为目标函数的误差平方和线性组合构建目标模型，直接计算出三个子模型[次序为多元回归分析模型、时间序列模型以及GM(1,1)灰色理论模型]的权重，得结果：l11=0,l12=0.2041,l13=0.7959。若以绝对预测误差和达到最小的线性组合构造组合模型，利用子模型的数据可计算得三种子模型的最优权重系数分别为：l21=0.088,l22=0.1161,l23=0.7959。采用算术平均法可得三种子模型权重系数为：l31=l32=l33=1/3。采用方差倒数法计算得三种子模型权重系数为：l41=0.0983,l42=0.1424,l43=0.7593。线性组合模型预测楼体平均沉降值见表2，各组合模型拟合精度比较见表3。

4 结语

上述组合模型拟合结果和精度比较表明，每种组合模型精度均能满足工程需求。以工程实例中给出的四种组合模型做比较表明：(1)在权重系数的计算中，正权组合模型的各子模型的权是比较容易确定的，而最优权组合模型中各子模型的权需要经过一定的分析才能得出。(2)在平方和误差、平均绝对误差、均方误差、平均绝对百分比误差、均方绝对百分比误差五个误差评定指标中，以最小二乘准则所建立的组合模型较其他模型具有更高的精确度。(3)在绝对误差和这项评定指标中，以绝对误差最小值为目标的线性组合模型的精度最高。以绝对误差和达到最小为目标的解算中，各子模型的权重系数组合有无数种组合方案，但该模型的最优结果解算对最小二乘准则具有很强的依赖性。

参考文献

[1]张永波.基于灰色系统理论的预测模型的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2005.

[2]Bates J.M.,Granger C.W.J.The Combination of Forecasts[J].Operations Research Quarterly,l969,20(4):451-468.

[3]张正禄,黄全义,文鸿雁,等.工程的变形监测分析与预报[M].北京:测绘出版社,2007.

[4]戴华娟.组合预测模型及其应用研究[D].长沙:中南大学,2007.

[5]Anandalingam.G.,Chen L.Linear Combination of Forecasts:A General Bayesian Model[J],Journal of Forecasting,1989.8(3):199-214.

交通荷载作用下软土地基沉降分析篇6

1 软土地基静力变形特征

软土的变形特征为:1)沉降量大。因软土主要组成为粘粒及粉粒,且粘粒含量高,天然含水量大,一般孔隙比e>1.0,故受荷后压缩量大,其沉降量远超过一般路堤的沉降量。2)侧向变形大。饱和软土受荷初期,土中水来不及排出,土体易被于侧向挤出,并随着水的逐步排出,土体收缩,竖向沉降进一步发展。3)渗透性低,压缩稳定所需时间长。因颗粒组成以粘粒为主,尽管孔隙比大,但单个孔隙却很小,水在孔隙中流动困难,因此受荷后水难以很快排出,沉降发展缓慢。

在静力荷载,例如路堤荷载作用下,地基土中的应力状态发生变化,从而引起地基变形,出现路基沉降。大量现场沉降观测资料表明,软土路基沉降变化基本经历了发生→发展→稳定→极限的过程[2]。发生阶段:刚加载时,测点土体处于弹性状态,土中孔隙水来不及排除,由于土体的侧向变形使土体发生瞬时剪切变形,在荷载增加的最初阶段,沉降呈线性增加。发展阶段:随着荷载的不断加大和时间的延长,地基土中孔隙水被逐渐排出,超静孔隙水压力逐步减小,土体逐渐压密产生体积压缩变形,进入弹塑性状态。随着塑性区的不断开展,测点的沉降速率快速增大。稳定阶段:当加载不再增加,孔隙压力接近完全消散时。固结过程尚未完全完成,且土骨架粘滞蠕变开始出现,测点的沉降量将随着时间的推移而继续增加,但沉降速率逐渐变小。极限状态:当沉降时间足够长时,沉降量达到极限状态,沉降速率降为零,此时的沉降量为地基的最终沉降量。

2 交通荷载作用下软土地基变形特征

对于软土地基在交通荷载作用下的变形特性,首先要对循环荷载作用下软粘土室内试验特性进行研究。各国学者在这方面已进行了多次试验研究工作。周建等通过对循环荷载作用下饱和软土的临界循环应力比和门槛循环应力比的研究,提出了加荷周数与循环应力比之间的关系;同时,采用正常固结饱和软粘土应力控制的循环三轴试验,从应变的角度研究了循环荷载作用下土体的软化情况。蒋军等对循环荷载下软粘土的变形速率进行了试验研究,指出在循环荷载作用下,软粘土的应变速率衰减率与加载频率、循环荷载应力比无关,而与超固结度有关。Larew和Leonards认为土的动偏应力是影响变形的关键因素,并经过许多试验得到土的动应变随循环荷载增加而增加的规律。Andersen,Sangrey,France以及Oeilly等通过室内试验提出循环荷载可能降低或增加土的应力和累积变形的观点,这与土的应力历史和排水条件有关。同时,各国学者也对循环荷载下软土的变形同排水条件、试样的固结状态的关系进行了研究。在试验研究的基础上,各国学者提出了各种动力荷载作用下土体变形的计算方法。Seed等提出软化效应模式,以估算软粘土在动力荷载作用下的附加沉降量。白冰等在循环荷载试验的基础上,提出了动力荷载作用下计算软土残余变形的模式。另外,许多经验方程被用来预测粘性土在循环荷载下的永久性变形,其中由Monismith提出的指数方程被广泛地使用。Li和Selig通过对指数公式的修正,确定指数方程中的常数取值,考虑了荷载、土体应力、土体的物理状态等因素影响。

3 交通荷载作用下软土地基沉降组成

对于软土地基来讲,交通荷载作用下地基沉降占总沉降的绝大部分,要控制路基的变形就要估算地基下沉量。交通荷载作用下软土路基变形有三类:1)路堤及地基在本身的自重作用下的压密下沉;2)车辆行驶时可以恢复的那部分路基弹性变形;3)运营阶段由于交通荷载引起的累积沉降。

3.1 交通荷载作用下软土路基可恢复形变

实际上,在车辆的运行过程中,路基作为线路车辆—动力系统的组成部分,受动力作用产生变形。路基的动态响应可用变形和加速度来描述。其中,路基的变形可分为两部分:1)不可恢复的形变,称为塑性形变,与许多因素有关。2)可以恢复的形变,称为弹性形变。路基刚度是影响弹性形变的重要因素之一,所谓的刚度是指路基抵抗车辆荷载产生变形的能力。一般地,基床刚度越大,基床弹性形变越小。在荷载和线路相同的情况下,沼泽地的变形是砂砾石的2.5倍。

如果地基刚度提高不上去,对于轴载较大的车辆行车速度也同样不可能达到设计水平。同时当路基刚度过低时,车辆荷载在路面上产生的弹性形变必然大,即通过路面传至土基内的汽车垂直荷载,必然使土基产生较大的变形。一般荷载作用下路面表面出现的总沉降中,土基变形占到70%～80%以上。而土基的形变必然使路面也随之变形,严重时还会造成路面破坏。因此通过以上分析来看,对于软土地基上的低路堤高等级公路来讲,由于路堤的高度限制了路堤本身的刚度,同时由于软土地基的变形模量小,导致公路的整体路基的刚度小。当路基刚度低时会导致两个问题:1)弯沉值变大,使得路面结构层底部的拉应力过大,路面结构层出现裂缝,导致路面较早的破坏;2)弹性形变大,重载车辆达不到设计的车速,降低公路的服务水平。

弹性形变与作用于路基的荷载大小密切相关。相同线路的情况下,车辆荷载的轴重越大,运行的速度越高,路基的振动越厉害,特别是当运行速度引起的荷载频率接近线路结构的固有频率时,将产生共振,此时路基振动最剧烈。软土材料在荷载的作用下可以表现出弹性、塑性和粘性。因此在分析软土材料在受荷载作用时,必须分别考虑不同物理力学性质体现出来的变形。动荷载下饱和土体中孔压积聚现象很早就引起了人们的注意,这种现象在地震中表现得尤为显著。在软土地基上,当交通荷载作用时,由于行车动荷载和车辆通过时引起的振动,会使得地基中软土的孔压升高。当交通荷载长期作用时,由于地基中孔压的交替升高,地基软土中的孔压会经历一个积聚和消散的过程。伴随着孔压的消散,会发生固结现象,地基土的沉降会增加。

3.2 交通荷载作用下的塑性形变

动荷载作用下大部分的岩土材料都表现出位移,其位移包括可以恢复的弹性形变和不可恢复的塑性形变。这种塑性形变会随着循环荷载次数的增加而累积,表现为地基的永久沉降。由于软土结构强度低,在动荷载作用下表现出来的塑性形变较大。因此在分析交通荷载对软土的影响时,必须考虑交通荷载作用下累积塑性形变对高等级公路工后沉降的影响。岩土材料大多具有塑性,在外力的作用下,都会产生一些不可恢复的变形,特别是软土。对于软土来讲,本身的结构疏松、结构强度低、孔隙比大、可压缩的空间大,在较小的外力作用下会产生较大的变形。从软土的压缩回弹曲线上可以看出,软土的压缩指数和回弹指数差别是很大的,这种差别与塑性指数IP有一定的关系,国内有资料研究表明随塑性指数和孔隙比的增大,压缩指数和回弹指数差值也增大。这种塑性形变与软土的物理力学指标有很大的关系,特别是软土的液塑限,软粘土在动荷载作用下的塑性形变随着软土液塑限指标的增大而增加。同时与土样的含水量有着密切的关系,当含水量大时,土的疲劳应力降低,在循环荷载的作用下将产生较大的沉降。

4 结语

交通荷载作用下软土地基的沉降问题是岩土工程中的重要问题,特别是近年来,随着不良工程地质条件的增多,这一问题更加突出。深入研究交通荷载作用下软土地基的变形特点,建立交通荷载作用下软土地基沉降预测方法,并编制相应的规范,其重要性是不言而喻的。

摘要：对软土地基在静力荷载作用下的沉降特性,交通荷载作用下软土的动力特性以及交通荷载作用下软土地基的沉降组成进行了分析,对工程实际有一定的借鉴作用。

关键词：交通荷载,软土,地基,沉降

参考文献

[1][日]道路协会.道路土工软土地基处理技术指南[M].蔡恩捷,译.北京:人民交通出版社,1989.

[2]李进军,黄茂松,王育德.交通荷载作用下软土地基累积塑性变形分析[J].中国公路学报,2006,19(1):1-5.

软土地基经冲击压实后的沉降分析篇7

本文在总结冲击压实技术在改善软弱地基条件及填土碾压密实方面的机理、特点的基础上将其应用于绥满国道主干线内蒙古阿荣旗至博克图高速公路的工程实践,分析了公路地基总沉降和工后沉降,据此对冲击压实处治软土地基的施工质量进行评价。

1工程概况

绥满国道主干线内蒙古阿荣旗至博克图高速公路全线长161.36 km,属中低山、丘陵漫岗地貌,地貌形成的方式主要是侵蚀构造地形和堆积地形,地质情况比较复杂。其中,K113+400～K113+600路段路基填土高度为2.0 m～5.0 m,表层为粉土,多为弱泥炭质土,稍湿,层底深度为0.8 m～1.1 m,中密状态,水位0.7 m～1.5 m,高压缩性;下层为圆砾土,层底深度5 m,中密,砾石粒径大小不一,充填物多为砂类土,压缩性大。该段工程地质状况较差,因此需选取合适的处理方案对浅层地基进行处理,以提高地基的承载力,改善地基的不均匀性,减小地基变形。

针对地基存在的工程地质问题,结合冲击压实法在其他地区处理软基的工程经验,首先挖除软基换填砂砾,软土平均换填厚度为1.0 m,再进行冲击压实。采用3YCT3型三边形冲击压实机对换填砂砾分两层碾压,每层压实厚度为50 cm。冲击压实后,采用灌砂法分层检测了地基压实度,每个段落每个压实层取12个点。压实度检测结果见表1。

JTG F80/1-2004公路工程质量检验评定标准[4]规定:高速公路处理地基位于路床顶面以下3 m～5 m处,压实度设计值为93%。经处治以后,该路段两层压实度变异系数1.15%,均小于2.0%,表明地基压实的整体均匀性较高,有助于减小路基差异沉降。

2沉降观测及分析

2.1 实测沉降

为了观察冲击压实后地基的变形情况,在经冲击压实的砂砾层路中线位置埋设了沉降板,每填筑一层观测一次沉降变形;填筑结束后,每15 d观测一次沉降变形。沉降观测结果见表2。

2.2 泊松曲线预测沉降

根据工期沉降观测结果,可以采用泊松曲线模型预测工后沉降量,泊松曲线预测模型如下式: $y (t) = \frac{a}{1 + b e^{- k t}}$ 。其中,y为预测工后沉降,mm;t为工期,d;a,b,k均为模型的回归参数。当t→+∞时,y→a,即为路基总沉降量。

以表2中沉降观测结果为样本,通过Origin8.0软件进行回归分析,得到模型参数见表3,预测沉降量变化规律见图1。

预测总沉降量减去实测累计沉降量,即为剩余沉降量(见表4)。计算结果表明,软基处理后,地基剩余沉降量占总沉降量的7.9%～11.6%。剩余沉降绝对值为2.8 mm～4.0 mm,满足《公路路基设计规范》中一般路段路基容许工后沉降值为100 mm的要求。这表明以冲击压实为主的软基处理方法处理后的地基,工后沉降小,具有较高的变形稳定性。

3分层总和法计算地基沉降

原地基为软弱地基,直接填筑路基可能会引起地基过大的沉降,因而需要计算施以等量路基填筑荷载后原地基的沉降量,以分析地基稳定性,一般采用分层总和法计算地基土压缩变形,如下式:

$S = \sum_{i = 1}^{n} \frac{σ_{z (i)}}{E_{s i}} h_{i}$ 。