路堤工程的几种变形控制标准比较

　　路堤工程的几种变形控制标准比较摘要:变形控制是信息化施工中的重要环节,对设计和施工起着控制作用。对于高填土的路堤工程,比较有代表性的控制标准有规范中的变形速率控制方法、日本的松尾方法和杭甬高速公路经验方法。本文结合建在软土路基某高速公路路堤工程信息化施工对这3种控制标准进行了比较分析,认为采用经验方法,即路基内最大水平位移增量与路堤中心沉降增量之比值,作为信息化施工计算程序的变形控制标准比较可靠,该值适于判定软土路基的稳定性。关键词:路堤;变形控制;信息化施工Abstract:ThemethodofControllingDeformationisanimportantpartininformation-orientedconstruction,bankmentengineering,therearesomerepresentativemethodsofcontrollingdeformation,i•e•thera-tioofdeformationtotimesuggestedinHighulainJapanandanexperientialratioduringexpressethodsofcontrollingdeformationareanalyzedandparedthroughoneinformation-orientedconstructioncaseofanexpressbankmentbuiltonsoftfoundation•Itsconcludedthattheexperientialratioofthemaximumlateraldisplacementincrementundertheslopeofembankmenttothegroundsettlementincrementatthemiddleofembankmentisareliableandstablecriticalvalueofcontrollingdeformation•Keybankment;Controllingdeformation;Information-orientedconstruction0　前言信息化施工是岩土工程发展的方向,为岩土工程不确定因素引起的设计和施工的难题提供了一个合理的解决方法。对路堤工程而言,信息化施工利用变形监测结果反分析路基的土性参数,再用这些参数预测路基的变形,按照变形控制标准判断路基的稳定性,如果稳定则继续按原设计施工,否则修改设计进行下一阶段施工。可见,变形控制标准是信息化施工中的重要环节,对施工和设计起着控制作用。一般变形控制标准是根据地区施工经验获得的。对于高填土的路堤工程,目前比较有代表性的控制标准有3种,即规范方法、松尾方法和经验方法。本文结合软土地区某高速公路路堤工程信息化施工分析,对这3种控制标准进行比较,以期寻求一个合理的适合软土地区路堤工程信息化施工的控制标准。1　几种变形控制标准1•1　规范方法在路堤填筑中,如果加荷过快,当在地基中一定范围内剪应力达到某一临界值时,将使地基以弹性变形为主进入以塑性变形为主阶段,此时侧向变形及沉降将明显增大,如果荷载再继续增加,地基中塑性区将继续扩大,以至于有可能发生地基的整体破坏。从地基变形看,沉降和侧向水平位移的绝对值并不能很好地表明地基的稳定程度,更重要的指标是地基的沉降速率和侧向水平位移速率。行业标准《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ 017-96)[1]中对地基稳定性的观测项目包括地表面位移边桩的水平位移观测、地面隆起量观测和测斜管水平位移观测。规范对稳定性的控制标准是:沿路堤中心线地面沉降速率不宜大于10mm/d;坡脚水平位移速率不宜大于5mm/d。《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95)对此也作了同样的规定。根据工程实践经验,对砂井或塑料排水板地基,中心地面沉降速率可放宽至15~20mm/d。1•2　松尾方法松尾(Matsuo)和河村(Kaura)[2]通过统计分析多个地方的失效路堤工程的资料得出了一个路堤极限破坏的预测方法。该方法采用路堤中心地面的沉降量S和路堤坡脚处的水平位移量δ,不同应力水平(q/qf,qf为路堤破坏时的应力,q/qf=1•0表示处于极限破坏状态)下δ/S与S(单位:m)之间的统计关系如图1。图中三角形标记为观测值,正方形标记为有限元方法分析值,回归得到的公式表示如下分级加荷路堤工程向极限状态的路径如图1中箭头所示。开始加荷时,箭头从原点出发;当处于间歇期时,沉降量继续增加,路堤趋向稳定,如虚线箭头所示;当水平位移量增长过快,就很容易达到极限破坏曲线导致路堤失效。通过在极限破坏控制图上绘制坐标点,可以估计施工过程中任意时刻路堤工程的安全程度。Matsuo和Kaura的路堤破坏预测方法在日本得到了广泛地应用。1•3　经验方法杭甬高速公路试验段观测结果分析表明[3],某一时段内坡脚下地基内最大水平位移增量Δδmax和路堤中心地面沉降增量ΔS比值的大小同加载过程有着密切的关系,表2是Δδmax/ΔS随时间变化情况。a段处于加载前期,路堤填土高度尚在临界高度以下;进入b段后,填土逐渐接近临界高度,Δδmax/ΔS比值随之增大到0•368;进入c段后,填土高度已达到临界高度,Δδmax/ΔS比值急剧上升到最高点0•460,此时坡脚外地表已有外移和隆起现象,表明路堤濒临破坏;以后停载一段时间后,地基固结度有了一定的提高,土体强度增大,限制了侧向变形,故在以后区段,随着加载和预压的反复交替,Δδmax/ΔS比值有明显的下降趋势,表明水平位移衰减速度比沉降快,地基已逐渐稳定。这说明,当水平位移与沉降的比值相对急剧增大时,地基就有失稳的危险。当沉降速率小于控制速率,而水平位移速率超出了控制速率,这时Δδmax/ΔS比值会增大,地基失稳的可能性较大。反之,侧向变形很小,沉降较大,地基依然是不大可能失稳的。杭甬高速公路以Δδmax/ΔS=0•368作为路堤工程安全判断标准。2　实例分析2•1　概况某高速公路路堤底宽39m,坡度1∶ 1•5。路基采用SPB-1型塑料排水板,长10•0m,正三角形分布,间距1•0m。地表面铺设了中粗砂砂垫层。地基土由上而下为:粉质粘土,层厚2•0m;淤泥质粉质粘土,层厚7•5m;粘质粉土,层厚0•75m;粉砂,较厚,未揭穿。设计施加的预压荷载达7m左右,采用分级加荷,从开始填土到填土结束共历时200天。设计的荷载与时间过程线见图2。荷载大致分为4级,其中第3级(136~157d)和第4级(188~200d)施加的荷载较大,分别为43kPa和41kPa,历时也较短,有可能使土体达到极限状态。因此,这里采用笔者编制的路堤工程信息化施工程序BAK[4]对这两级荷载阶段进行位移预测。程序采用弹性模型,并与Biot理论耦合。预测的方法是采用136d(188d)的实测位移值反分析土性参数,再用反分析得到的参数正分析(预测)157d(200d)时的位移值。2•2　结果分析表3是根据堆载136d、188d实测和用BAK程序预测157d、200d时的路堤坡脚处水平位移δ、最大水平位移δmax和路堤中心地面处垂直位移S,以及采用这些预测和实测值计算的位移速率Δδ/Δt、ΔS/Δt和水平位移(增量)与垂直位移(增量)之比值Δδmax/ΔS、δ/S。从表中数据可以看到: (1)从表中位移速率预测值Δδ/Δt、ΔS/Δt来看,如果认为每天的实测位移速率无大的变异,则显示这两个堆载阶段路堤是稳定的,平均水平位移速率和垂直位移速率分别小于规范控制标准(或放宽的控制标准)。(2)从路堤坡脚处水平位移增量与中心沉降增量比值Δδmax/ΔS看,第4级堆载阶段比值增大较多,是第3堆载阶段比值的2•2倍,与杭甬高速公路控制标准0•368很接近。(3)将预测的δ/S与S点绘到图1路堤工程极限破坏控制图,发现第3堆载阶段预测值基本对应应力水平为0•6的回归曲线,第4堆载阶段预测值基本对应应力水平为0•7的回归曲线。根据公式(1)采用应力水平0•6和0•7时的系数a、b、c计算得到第3和第4堆载阶段的S分别为47•2cm和79•6cm,这两个堆载阶段预测的S夹于47•2~79•6cm之间,说明采用松尾方法判断这两个堆载阶段的应力水平在0•6~0•7之间,路堤是安全的。从实际的施工情况看,第3堆载阶段路堤是稳定的;而第4堆载阶段地基侧向挤出严重,坡脚外地表面已有较明显的隆起,据此可以判断在该阶段路堤已接近或达到极限状态。因此可以采用Δδmax/ΔS=0•35作为该路堤安全控制标准。3.实际上,沉降和水平位移是地基变形的两个方面,它们之间一般表现出一种近似线性的关系,但当地基承受的荷载达到一定程度,地基接近失稳时,地基内的软土明显地向外挤出,从而使地基内的水平位移显著增大,并使原来的沉降与水平位移关系发生突变。水平位移相对于沉降越大,表明软土的侧向挤出越严重,地基越有失稳的危险;越小则表明地基变形以固结为主,稳定性好。因此,沉降与水平位移关系的变化可以反应出地基的稳定情况。而路堤的破坏首先是从路基内部某些点受剪达到极限破坏状态,产生很大的剪切变形(水平位移),周围点又相继破坏最后延伸到地表形成贯通面而导致整体滑移破坏。因此,路基内部最大的水平位移能指示出土体的受剪程度和破坏面位置。需要说明的是,本文没有因此否定规范中位移速率控制方法和日本的松尾方法。由于本文程序预测的时间较长,没有计算每一天路基产生的位移值,而只计算了平均的水平位移和垂直位移速率。而规范中的位移速率是实际每天量测得到的地面垂直位移和水平位移速率。如果实际的位移速率没有大的变化,那么采用平均速率是可以的。但是实际每天的位移速率会有一定的变化,某一天的位移速率可能已经超过了控制标准,而平均位移速率可能还低于控制标准。当预测时间较短时,平均位移速率跟实际每天的位移速率将会比较接近,这时平均位移速率起到了一定的参考作用。事实上,若不考虑针对砂井地基沉降速率的放宽值,第4堆载段预测的路基中心地面平均沉降速率已超过10mm/d的标准。松尾方法在日本的应用比较广泛,但在中国软土路基进行稳定性预测的适用性还有待于继续探讨。本文提出的路基内部最大的水平位移增量与路堤中心地面垂直位移增量的比值Δδmax/ΔS在杭甬高速公路建设中得到了成功应用。由于该比值在路基失稳以前每一堆载阶段都保持了一种近似的线形关系,因此更适用于路堤工程信息化施工计算程序的变形控制标准。至于Δδmax/ΔS的大小应与土性及其分布有关,不同的土性和分布该比值是不一样的。4　结论信息化施工为路堤工程的设计和施工提供了一个新的思路,是今后路堤工程施工的发展方向。鉴于变形控制标准是信息化施工的一个关键环节,本文结合软土地区路堤工程实例分析了几种代表性的变形控制标准,认为信息化施工中路基稳定性预测采用路堤坡脚处最大水平位移增量与路堤中心沉降增量之比值Δδmax/ΔS作为安全控制标准比较可靠,该值适于判断软土路基的稳定性。