基于双曲线法的软土地基沉降预测与分析

2022-09-12

最终沉降量及工后沉降的确定都是软土地基上修建高等级公路至为关键的问题。常用分层总和法算得最终沉降量是根据无侧向膨胀压缩下土体孔隙体积的变化求得, 常小于实测值。大量的工程实践表明, 应用实测沉降观测资料推算终沉降量更为简单可行。本文将采用双曲线法综合分析佛山市北滘至乐从公路主干线软基研究段的沉降固结特性及其发展趋势。

1 工程概况

工程位于珠江三角洲地区, 沿线普遍分布有软土地基, 该类软土具有含水量高、压缩性高、渗透性低、天然强度低的特点, 地基处理方案的选择受软土空间分布、软土性质、工期等影响较大。选取D、F、H区为研究对象, D区采用塑料排水板+1层钢塑格栅, 桩号范围K11+880~K12+940, 长度60m。F采用管桩+塑料板+1层钢塑格栅, 桩号范围K11+980~K12+020, 长度40m。H采用袋装砂井+1层聚合格栅, 桩号K12+060~K12+130, 长度7 0 m。

2 影响沉降的相关因素分析

2.1 沉降随荷载及时间的变化规律

根据研究段的表面沉降监测资料绘制的各监测断面的荷载-沉降量-时间及荷载-沉降速率-时间过程曲线, 从中分析出沉降随荷载的变化表现出以下规律。

(1) 表面沉降随时间及荷载的增长而增大, 各区总沉降量均较小, 最大值为塑料排水板区的33.6mm。

(2) 每一级加载过程中, 沉降速率变大, 停载后沉降速率也逐渐衰减。

(3) 在加荷初期, 沉降量及沉降速率均较小, 一旦超过一定高度后沉降量及沉降速率将急剧增大。

上述沉降特征表明, 尤其是出现拐点的现象表明, 在土体承受较低应力时, 土体的结构性未被破坏, 土的压缩性较小, 路基填土荷载主要由土骨架来承担, 土体处于弹性变形阶段;随着荷载的不断增长, 土的抗变形能力相对越来越小, 土体的结构受到削弱, 地基对荷载的变化愈加灵敏, 在剪应力作用下, 出现侧向挤出变形, 沉降加大, 出现该点时所对应的填土高度同理论计算的极限填土高度基本相近。

2.2 软基处理方式对沉降的影响

表面沉降与软基的处理方式有着密切的关系, 不同的软基处理方式, 其沉降随时间的变化差异很大。不同处理区域经过5个月预压后的沉降情况分别为:K11+905采用塑料排水板+1层钢塑格栅, 累计沉降量260mm;K12+000采用管桩+塑料板+1层钢塑格栅, 累计沉降量107mm;K12+095采用袋装砂井+1层聚合格栅, 累计沉降量190mm。

通过比较各断面的沉降数据可以发现, 仅采用塑料排水板或袋装砂井+土工格栅的处理措施的平均沉降量要大于管桩+塑料板+格栅, 主要是由于这些方法是通过增加排水通道或增大软土层渗透系数、形成固结排水通道、加快超孔隙水压力的消散速率来达到提高软土固结速率的目的。

2.3 软土层厚对沉降的影响分析

工程实践表明, 在相同的软基处理下, 地表沉降量与软土厚度关系密切。其明显特征为软土层越厚, 累计沉降量也越大;在填土荷载及处理方式相近的情况下, 总沉降量受控于软土厚度的大小。另外, 一般而言, 在相同的填土高度的情况下, 由于应力扩散的作用, 同一断面路基中心位置的沉降量应大于路基两侧的沉降量。

3 总沉降量的推算

3.1 总沉降量的组成

地基的总沉降量包括三部分

式中:S∞为地基在荷载作用下产生的最终沉降量:Sd为瞬时沉降, 是由于剪切变形而产生的附加沉降, 而不是土体体积压缩产生的沉降;Sc为主固结沉降, 是指加荷后土体内孔隙水压力逐步消散而产生的体积压缩变形;Ss为次固结沉降, 是指主固结完成后继续产生的沉降。

3.2 双曲线法的原理

双曲线法是利用实测沉降~时间关系曲线 (如图1所示) , 采用双曲线函数进行拟合, 进而推算沉降的数学方法, 其公式纯属经验公式, 可表达为:

式中:t0为恒载起始时刻;S0为t0对应的沉降量;A、B为待定系数。

令:, 可将上式改写为:

由于算得的最终沉降量常小于实测值, 故引入计算经验系数Ms进行修正, Ms可理解为除了主固结沉降之外包括侧向挤出变形、次固结而引起的沉降。即S`∞=msS∞。根据本研究段总沉降量相对较小的情况, 建议总沉降量修正系数ms取值为1.10。

3.3 沉降预测与分析

研究区采用双曲线法的沉降预测结果如表1所示。

从表1中采用双曲线推算的最终沉降量显示, 本研究段修正后的地基最终沉降量为120.5mm~390.2mm, 占了路基填高的3.0%~9.8%。截至目前为止, 在预压5~6个月后各断面修正后最大剩余沉降量最大仅49.2mm, 最小18.5mm, 均满足了本条公路对工后沉降的要求, 这说明对于该类软土采用相应的处理方式是可行的。

图2、3列出了几个典型断面的实测沉降及预测沉降随时间的变化曲线, 相关性很好可近似认为该预测值即为实际值。