沿海地区高速公路软基路堤沉降变形研究

沿海地区高速公路软基路堤沉降变形研究　　摘要：沿海地区高速公路软基路堤工程力学性质较差，且易受到扰动影响，土性参数的试验取值困难，使得告诉公路路基的设计与施工成为工程中遇到的主要技术难题。本文主要探讨路基沉降变形的组成、特点及规律。关键词：软基路堤、沉降变形、组成、特点、规律Abstract:softembankmentengineeringmechanicalpropertiesispoorExpresswayincoastalareas,andarevulnerabletodisturbance,testvaluesdifficultsoilparameters,thedesignandconstructionofhighwaysubgradetoldbecomethemaintechnicalproblemsencounteredinproject.Thispapermainlydiscussesthecomposition,characteristicsandruleofsubgradesettlementdeformation.Keywords:softbaseembankment,settlement,composition,characteristics,law中图分类号:U412.36+6文献标识码：A文章编号：8 沿海地区大多沉积了较深厚的海相、滨海相淤泥和淤泥质软土，其表层则被受风化、淋滤作用所形成的硬壳层所覆盖。软土地基具有高压缩、低强度、低渗透等特点；硬壳层一般具有中等或低的压缩性，较高的强度。由于软土的工程力学性质较差，且易受到扰动影响，土性参数的试验取值困难，使得软土地区公路路基的设计与施工成为工程中遇到的主要技术难题，也对高速公路的设计和施工提出了很高的要求[1][2]。本文主要分析软基路堤的沉降变形组成、特点及规律，为更好的解决这个难题提供理论支持。1、高速公路软基路堤沉降变形组成在软土地基上兴建高等级公路通常需要填筑一定高度的路堤，在路堤荷载作用下，在地基内部将产生应力和固结变形。土体受力后引起的变形可分为体积变形和形状变形。体积变形主要由正应力引起，它只会使土的体积缩小压密，不会导致土体破坏。而形状变形主要由剪应力引起，当剪应力超过一定限度时，土体将产生剪切破坏，此时的变形将不断发展。通常在地基中是不允许发生大范围剪切破坏的。本文中所讨论的沉降主要是指由正应力作用引起体积变形所产生的沉降。天然软土在荷载施加之后，为了抵抗压应力的增加，土体会产生一定的压缩应变，在饱和的条件下，这种压缩应变的产生过程就叫固结。软土路基沉降包括堤身及地基两部分，经典土力学认为地基土的沉降量，按其变形特征分为三部分：瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降，如图1所示。8 图1路基沉降的三个组成部分其计算公式为：S∞=Ss+Sd+Sc式中：S∞—地基最终沉降量；Ss—地基的次固结沉降（亦称为次压缩沉降、蠕变沉降）；Sd—地基的瞬时沉降（亦称为初始沉降、不排水沉降）；Sc—地基的固结沉降（亦称为主固结沉降）。（1）瞬时沉降是在荷载作用下土没有任何体积变化的畸变所引起，所以它发生非常迅速，这只是一个理想的概念，尽管沉降不是立即发生的，仍可认为饱和软土中的孔隙水来不及排出时所发生的沉降，其体积基本保持常数，土体只发生形变而没有体变。瞬时沉降与加载方式和加载速率有很大的关系。（2）主固结沉降是由于荷载置于地基上后，随着时间的延续，孔隙水从土体中流出，引起体积随时间的减少，因而地基体系逐渐发生沉降。它是由于外荷载引起超孔隙水压力8 的水力梯度促使水从土体内排出，而应力增量转移到土体骨架上而发生的沉降。在此阶段水流的速率受到土的孔隙压力、渗透性和压缩性的影响，随着孔隙压力的消散，水流的速率将降低，随后孔隙压力消散基本完成，达到不变的有效应力状态。这部分变形为固结变形，与时间有关，且主要发生体积的变化，对应的沉降为主固结沉降。（3）次固结沉降是由于超静水压力消散后，主固结变形完成后，在有效应力作用下土骨架的徐变所致，是路基土中土粒骨架在持续荷载下蠕变所引起的，次固结变形的大小与孔隙水排出的速率无关，而是取决于土骨架本身蠕变性质。次固结的速率与含水量、孔隙比、有机质含量、温度等因素有关，与软土的厚度无关[3]。事实上，瞬时固结、主固结和次固结都是在受力后同时开始发生的，只是在某个阶段以一种沉降变形为主而己，且不同性状的土三个组成部分的相对大小及时间是不同的[4][5]。高速公路软基路堤的沉降量由两部分组成：施工期沉降和工后沉降。（1）施工期沉降：固结排水法以路基填土作为荷载，荷载通过基础传给地基，在地基内部产生应力和变形，从而引起基础的下沉，这部分沉降主要为瞬时沉降和主固结沉降。（2）工后沉降：由于深厚软基固结速度慢，软土路基在道路路堤自重和路面荷载下继续施工期间未完成的固结沉降，并且在开放交通以后，还会增加新的沉降，这种新沉降是8 公路路基在相应的车辆荷载作用下发生附加沉降。忽略瞬时沉降的影响，工后沉降主要是因孔隙水压力消散而产生的主固结沉降与因土骨架蠕变产生的次固结沉降组成。对于较厚的软土层，在路基填筑至设计高程以后的几年内，主固结引起的沉降变形是主要的。深厚软土的主固结并不是同步完成的，而是由浅入深逐步发展的。深部的淤泥由于其排水距离长，排水条件差，在相同的时间内，其固结的速率及固结度较表层的软土低。因此在表层软土固结基本完成以后，深部的软土还在固结之中，从而引起缓慢的沉降变形。2、高速公路软基路堤沉降变形特点基础沉降量的大小，首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，基础的沉降大。其次，与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载产生的大。由于路堤高度差异和地基的不均匀沉降，使得路面产生不均匀变形。路基不均匀沉降超过了一定的限度，将导致路面的功能性、结构性破坏，使公路不能满足设计要求。图2软基的沉降和侧向位移8 由图2可见，随着填土荷载的加大，路基各个部位都有不同的沉降量，路中心沉降量最大，路肩次之，坡角处沉降量最小。其沉降曲线形状类似于盆底状，在接近路肩处至坡脚处，由于荷载应力减少，其沉降量也呈衰减趋势，其发展趋势并没有在坡脚处终止，但并不会很大，而且基本上没有很大的变化。由于软土具有抗剪强度低、压缩性高、渗透性小等特点，软土路基在荷载作用下，引起的路基沉降，一般具有以下变形特征：（1）沉降量大，由于软土主要由粘粒和粉粒组成，其中粘粒含量很高，其天然含水量大，孔隙比大于1.5，抗剪强度低，承载力低，所以受荷后压缩量大，沉降量超过一般路堤。（2）侧向变形大，饱和软土受荷初期，土中水来不及排出，土体易于发生侧向挤出，并随着水的逐步排出，土体体积收缩，竖向沉降进一步发展。　　（3）变形时间长，由于软土本身的性质以及较大的软土厚度，孔隙水消散缓慢，并且下部软土排水较困难，使得固结时间长，因此竖向沉降和侧向变形延续的时间都很长。3、高速公路软基路堤沉降变形规律根据软土路基沉降变形的机理和特点分析及高速公路软基路堤的大量沉降观测资料，总结出软土路基沉降变化基本上经历4个过程[6]：8 （1）发生阶段：在对软土路基刚加载时，土体处于弹性状态，土中的孔隙水来不及排出，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，软土地基的侧移速率较大，沉降呈线性增加。（2）发展阶段：随着填土高度的增长，荷载不断加大和时间的增长，地基土中的孔隙水逐渐排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体逐渐压密产生体积压缩变形，进入弹塑性状态，此时土体的沉降速率增长很快。（3）稳定阶段：当加载完成后，荷载不再增加，孔隙压力不断减小并接近完全消散，固结过程尚未完全完成，土体的沉降将随着时间的推移而继续增加，沉降速率逐渐变小，土体不断发生固结。（4）极限阶段：当时间足够长时，沉降达到极限状态，沉降量不再增加，沉降速率降为零，此时的沉降为地基的最终沉降量。4、结语沿海地区高速公路的软土地基在路堤荷载作用下，地基内部将产生应力和固结变形，这种由于土的压缩性构成了路基沉降的主要原因。土体受压力后的变形主要是由于土体发生排水固结产生的变形沉降。软土地基沉降包括瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分。施工期沉降主要为瞬时沉降和主固结沉降；工后沉降主要由主固结沉降和次固结沉降组成。参考文献：8 [1]张诚厚,袁文明,戴济群.高速公路软基处理[M].北京:中国建筑工业出版社,1997[2]经绯,刘松玉,邵光辉.软土地基上路堤沉降变形特征分析[J].岩土工程学报,2001,23(6):728~730[3]刘增贤.软基工后沉降的观测与分析[J].中外公路,2002[4]肖峰.珠江三角洲地区软土路基沉降机理及规律研究[D].武汉:武汉理工大学,2004[5]汤连生,刘增贤,王洋.软土路基工后沉降组成分析研究[J].城市勘测,2002,(2):6~9[6]赵明华,刘煜,曹文贵.软土路基沉降发展规律及其预测[J].中南大学学报,2004,35(1):157~168