天津滨海新区软土地基路堤沉降规律研究

摘要基于软土区域路基压缩性高、沉降大、固结变形持续时间长等特点，本文结合天津滨海新区南港工程部分断面沉降观测数据，对软土地基的沉降机理及其发展规律以及沉降量的预测方法等进行了探讨，取得了如下主要成果：1.阐述了天然软土的变形破坏机理，提出了从弹塑性力学角度出发，天然软土沉降变形的三个阶段；采用荷载与沉降速率曲线拐点分析法分析了该软土区域的沉降变形规律；在填土高度超过2m以后，绝大部分施工期沉降已经完成。后续沉降很小，沉降速率迅速减小。2.利用双曲线法对超载实测沉降曲线的拟合，验证了预压处治方法的有效应力系数；采用双曲线预测了软土地基的最终沉降，并得到了较好的拟合效果。3.分析得出在软土地区路基工程中，沉降系数随填土高度、密度、速率的增加而增大，随着硬壳层的厚度，软土厚度和强度的增加而减小，随着地基处理类型从单纯预压类→竖向排水体类→复合地基类→挤密桩类的变化而减小。4.结合工程实际，按沉降系数公式计算得到的沉降系数要大于反算所得的沉降系数，由于偏大的数值对工程来说是偏于安全的，所以在设计中采用沉降系数公式计算所得的沉降系数是可行的。关键词：道路工程软土路基变形规律双曲线沉降预测控制措施III AbstractBasedonthecharactersofsubgradesuchashighcompression,largesettlementandlongtimeconsolidationdeformationinsoftsoilregion,combinedwithsettlementobservationdataofsomesectioninacertainengineeringofBinhaiNewAreainTianjin,thispaperdiscussedonthesettlementmechanism,developmentlawandsettlementforecastmethodofsoftsoilfoundation,mainresultsweremadeasfollowing:1.Deformationdamagemechanismofnaturalsoftsoilwasdescribed,thethreestagesofsettlementdeformationofnaturalsoftsoilwereputforwardfromtheangleofelastic-plasticmechanics;settlementdeformationlawofthesoftsoilregionwasanalyzedbyusingloading-settlementratecurveinflectionpointmethod;afterfillingheightexceeding2m,mostsettlementhadbeencompletedduringconstruction.Subsequentsettlementwassmallandsettlementratedecreasedquickly.2.Hyperbolicmethodwasusedforoverloadmeasuredsettlementcurvefitting,whichverifiedeffectivestresscoefficientofpreloadingtreatmentmethod;hyperboliccurvewasusedtopredictthefinalsettlementofsoftsoilfoundation,gettingabetterfittingeffect.3.Itcouldbeobtainedthroughanalysisthat,insoftsoilsubgradeengineering,subsidencecoefficientincreasedwithincreaseoffillingheight,densityandrate,decreasedwithdecreaseofthecrustlayerthicknessandthethicknessandstrengthofsoftsoil,anddecreasedwithchangeofthefoundationtype“simplepreloading→verticaldrainage→compositefoundation→compactionpile”.4.Combiningtheprojectpractice,thesedimentationcoefficientbysedimentationcoefficientformulacalculationwaslargerthanthesedimentationcoefficientbybackcalculation,duetoahighervaluewasrelativelysecurefortheproject,sothesedimentationcoefficientbysedimentationcoefficientformulacalculationinthedesignwasfeasible.Keywords:roadengineering;softsoilsubgrade;deformationlaw;hyperbolicsettlementprediction;controlmeasuresIV 目录第一章绪论............................................................11.1研究背景与目的......................................................11.2国内外研究现状......................................................11.2.1沉降预测研究现状................................................11.2.2沉降计算研究现状................................................31.2.3沉降规律研究现状................................................51.2.4沉降控制技术研究现状............................................61.3研究内容与方法......................................................7第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价..............................82.1概述................................................................82.2南港工业区的地质分区及地质特点......................................82.3南港工业区软基处理方法研究.........................................112.3.1陆域（一般软基区）道路路基处理方案.............................112.3.2陆域（沟渠鱼塘区）道路路基处理方案.............................122.2.3海域（吹填预压区）道路路基处理方案.............................122.3.4地质分界位置道路路基处理方案...................................132.3.5邻接构造物（桥梁、涵洞）位置道路路基处理方案...................132.4沉降观测方法.......................................................142.5沉降观测效果评价...................................................162.5.1一般换填处理路段地基沉降规律...................................162.5.2超载预压路段地基沉降规律.......................................172.5.3素土回填区沉降规律.............................................19第三章软土区域路基施工沉降控制技术...................................243.1天然软土的变形破坏机理分析.........................................243.2路堤填筑期稳定控制方法.............................................253.2.1St～δh法.....................................................253.2.2拐点法.........................................................263.2.3加速度法.......................................................27V 3.2.4典型断面分析...................................................293.3超载预压的原理及设计...............................................333.3.1超载预压的原理.................................................333.3.2设计中应注意的问题.............................................343.3.3卸载控制方法及控制标准.........................................353.3.4典型断面分析...................................................383.4小结...............................................................39第四章软土区域路基沉降预测...........................................404.1概述...............................................................404.2基于曲线拟合的软土地基沉降预测.....................................414.2.1双曲线法.......................................................414.2.2软土地基沉降全过程预测.........................................474.2.3公路软土地基沉降计算及沉降系数.................................544.3公路软土地基沉降系数的确定.........................................564.3.1沉降系数影响因素分析...........................................564.3.2公路软土沉降系数公式...........................................574.4试验工程沉降系数计算值与实测值比较.................................59第五章结论与建议.....................................................625.1主要结论...........................................................625.2进一步工作建议.....................................................62参考文献...............................................................64攻读硕士学位期间参与的科研项目.........................................68攻读硕士学位期间发表的论文.............................................68致谢.................................................................69VI 长安大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景与目的天津滨海新区南港工业区沿海地区广泛分布着滨海相软土，在该地区修建市政道路时往往采用搅拌桩处理或铺设透水垫层、土工格栅等浅层处理手段加固软土地基；同时还会设计堆载预压以满足工后沉降要求。堆载预压的时间和荷载大小决定了工后沉降的控制效果，如何协调好沉降控制和施工工期要求是工程中关注的重点问题。研究表明沉降速率与工后沉降有着对应关系，目前规范给出的预压期和路面期沉降速率控制标准过于笼统，且不完全适用于南港工业区，本次研究针对南港不同地质区域路段的工后沉降要求，分预压方式和处理方法不同提出了相应的预压期和路面期沉降速率控制标准。1.2国内外研究现状对于软土区路基沉降规律及控制技术的研究，国内专家学者主要从理论分析、数值分析、现场试验及室内试验展开。对软土地基而言，沉降量是其主要的控制指标，常用的分析方法包括理论分析法，数值分析法以及实测资料推算法。理论分析法通过引入了不少假定，在太沙基等人创立的经典土力学的基础上建立的，该法具有参数要求少且易取得、直观、简单的特点；而随着计算机应用的普及，人们可以把复杂的土工计算问题编制成计算程序，通过计算机[1]运算，得到了计算较准确的结果数值分析法。1.2.1沉降预测研究现状软土路基沉降的预测是指根据现场监测数据资料队沉降进行推算，其方法主要方法[2-3]有经验公式法、三点法、Asaoka法、灰色系统法、遗传算法和神经网络法等。（1）经验公式法经验公式法也称曲线拟合法，其求解最终沉降量主要是通过对沉降过程用与沉降曲线相似的曲线进行拟合，后外延推求最终沉降量。曲线拟合法包括有双曲线法、指数曲线法、抛物线法、泊松曲线法、及“S”形曲线法等等。而双曲线法、指数曲线法、抛[4-8]物线法及“S”形曲线是纯经验的曲线配合法。泊松曲线法又称为Verhulst沉降预测模型，是基于德国生物学家Verhulst的生物繁衍与人口增长特性提出的。此模型曲1 第一章绪论线开始段增长缓慢，中间段增长快，尾端增长趋势越来越小，这符合饱和粘土的沉降一[9]时间发展关系。（2）Asaoka法Asaoka法又称图解法，其预测的沉降量对于时间间隔的划分较敏感，由日本学者[10]Asaoka于1978年提出，根据实测的沉降量推算工后沉降量的方法。（3）遗传算法遗传算法是处理复杂优化问题的理想方法，在整个操作过程中，控制着一个解群而不仅局限于一个点。与同常规优化方法相比，遗传算法并不直接和模型参数接触，而是处理代表参数的编码，这大大提高了搜索效率，并可避免陷入局部极值。在求解时，不计算目标函数的微分，故对目标函数和约束条件没有苛求，这在处理高度非线性问题方[11-12]面与传统方法相比具有明显的优势。（4）灰色系统法灰色系统理论由邓聚龙首先提出，该方法通过观测得到的较少信息，建立所需微分方程的动态模型，进一步认识结构的形态和运行机制。其研究对象是“部分现象己知，[13]部分现象未知的”、“小样本”、“贫信息”不确定的系统。对于灰色系统法的研究，国内外很多专家学者对灰色系统理论在沉降预测中的应用做了一些研究工作，我国韩汝才等利用灰色理论建立了相应的预测GM（1，1）模型，[14-17]对地基沉降进行了不等时距的预测。杨涛等基于传统双曲线沉降预测法基础上，提出一种软土地基上路堤分级施工情况下沉降预测的新模型，该模型考虑了土体变形的非线性特性和固结性质随荷载的变化，[18]将沉降拟合方程中的待定参数在2个不同荷载级中分别确定。（5）人工神经网络对于神经网络在预测沉降方面的研究，李凡等利用提出的小波神经网络，并利用其收敛迅速的特点，预测了高速公路软土地基的最终沉降量。而徐晓宇等根据位移分解原理，用基于免疫进化的新型遗传神经网络模型外推偏差，采用皮尔曲线提取沉降趋势，[19-21]提出了皮尔-遗传神经网络模型，该种预测模型考虑到了沉降单调增长的特殊性。现有的三层模型，虽然可以较好的预测一级加载下得路堤沉降，但对多级加载的路堤沉降预测还有待讨论。为了更好的进行预测，提高预测的准确度，金鑫用改进的BP神经网络，并结合镇溧高速公路的典型断面的实测资料，对一级和多级加载条件下的路堤沉[1]降进行预测。2 长安大学硕士学位论文为了对软土地基的沉降进行准确的预测，部分研究者采用多种预测模型进行预测，并得到了较好的效果。例如赵明华建立的最优加权几何平均组合沉降预测模型，该模型采用最优加权组合建模理论，结合Logistic曲线和Gompertz曲线的共性和个性，通过以组合模型的对数误差平方和最小为目标函数来确定最优的加权系数，并依此进行沉降预测。通过工程实际应用，验证了该最优组合沉降预测模型的可行性。计算结果表明，该预测模型的精度高于Logistic模型和Gompertz模型的预测精度，同时可靠性也高于各个单一预测的模型[22-23]。为了减小由于模型本身而产生的预测误差对不同模型的线性组合估计框架进行了优化。P.S.A.Freitas利用高斯径向基函数网络算法可以通过递归法或自适应法来有效确定的优点，研究了神经网络组合预测模型和基于神经网络的预测模型两种预测方法，并提出采用组合预测估计或者组合不同预测模型的结果对两种预测模型的结果进行决策，[24]同时对于因大量非平稳时间序列而产生的问题，建议用预滤波方法来解决。根据工程经验，虽然单一的预测方法简单易行，与组合预测模型相比，组合预测既能综合利用多种预测方法提供的信息又能提高预测精度。但对于组合模型而言，不同机理的沉降预测方法组合时，以误差的平方和或离差绝对值之和最小为准则的组合预测不一定能如实地反映其有效性。李涛通过工程实际的数据分析，认为采用以有效度最大为[25]准则的优性组合预测，可对沉降进行有效、准确的预测。为了准确的进行沉降预测，曾勇、唐小我在分析权重非负约束情况下最优组合预测的结构特征的基础之上，提出了一种精确计算非负权重最优组合的简化单纯形方法及一种基于二元最优组合的迭代寻优算法，并通过实际工程的观测数据分析，证明了迭代算[26]法的收效性和极限状态的最优性，有效性和高速性。1.2.2沉降计算研究现状为了准确的进行沉降治理，需对沉降量准确计算，设计处治方法。目前国内外常用的计算路基沉降量的方法有分层总和法、应力路径法、反分析法、有限单元法和无限单[27-29]元法。（1）分层总和法分层总和法计算采用的假定为地基土在外荷载下的变形只发生在有限的厚度范围内（即压缩层），即地基土可按直线变形体考虑。地基的最终沉降量为各个分层的变形3 第一章绪论量的总和，首先将压缩层内的地基土分为若干层，每一层的变形量通过各个分层的应力[30-32]利用土体应力-应变关系求解。（2）应力路径法应力路径法由T.w.Lambe于1964年提出。当地基土在荷载作用下时，土体中各点的固结应力状态有显著差异，即应力路径不同，具体表现为土体中的各点主应力值和方[74]向会随着荷载和时间的变化而变化。应力路径法的计算步骤如下：（a）选择需要计算沉降的地基点；（b）计算这些点的初始自重应力及附加应力；（c）通过三轴试验，求解在固结应力作用下计算点固结前、后的垂直应变；三轴试验中先使土样在自重应力下固结，然后再对土样施加附加应力，（d）计算地基初始和固结沉降，其计算方法为[34-35]用量得的自重及附加应变乘上计算地基土层厚度。（3）有限单元法有限单元法的使用模型主要为非线性弹性邓肯-张双曲线模型，采用的土体本构关系除可采用非线性弹性、弹塑性、等多种本构模型外，还可采用复杂的土体本构关系[36-38]。在采用有限元计算荷载作用下路基或路堤的位移和应力时，将二者看作一个整体进行有限元单元划分，并形成计算离散体系。但有限单元法在我国的使用只限于理论的[39-45]研究和重要工程、重点地段的试算。（4）三维沉降计算方法由于地基土在荷载作用下处于三向应力状态，其产生的沉降有竖向压缩变形及侧向变形，尤其对于软土地基而言，其高含水量和流变特性将会导致土体在侧向变形引起的沉降比重较大，所以软土地基的沉降变形应该考虑三维条件下的应力变形。对于地基土的三维受力，有限单元法可以综合考虑进行计算分析，同时从弹性理论的应力应变关系[46]出发的黄文熙三维压缩法，采用地基土体为各向同性弹性体的假定，也可计算沉降变形量；Lmabe的应力路径法，司开普顿一比伦的半经验法利用室内模型试验，通过模拟[47-49]三维应力的影响，并依据试验所得参数也可进行计算沉降量；此外我国《建筑地基基础设计规范》推荐的沉降计算方法，通过将一维沉降计算结果乘上一个经验修正系数来反映侧向变形对最终沉降量的影响，但该经验系数通过大量实测资料统计分析后得到[50]的一个范围值。（5）差分法差分法主要通过差分方程的求解计算沉降，如在研究中用差分网格将软土区域离散，用差分公式近似代替所研究课题微分方程中导数，从而得到差分方程。对于差分法4 长安大学硕士学位论文[51-52]的研究，始于上世纪40年代利用差分法对Terzaghi一维固结问题的求解；80年代初，我国学者赵维炳、钱家欢对比奥固结问题的研究就曾采用中心差分法；与常规方法相比，差分法考虑了土层的多层次、土应力-应变的非线性、排水距离对次固结的影响等，在计算程序中把土层不均匀性、土层参数的非线性变化等因素进行了全面的考虑。[53-54]同时差分法也能计算软基路堤的沉降-时程曲线。（6）反分析方法计算沉降量反分析方法对沉降的计算主要结合现场实测数据，之后反演分析确定各类未知参[55-56]数，然后计算沉降量。目前国内外已对反分析进行广泛的研究。鉴于弹塑性和粘弹塑性位移反分析方法的理论发展很快，反分析方法的本构模型已由弹性模型发展到了弹塑性和粘弹塑性模型，但其应用仍存在一定的问题，如对隐式非线性问题的研究，只能[57-58]用直接法确定最优参数值。1.2.3沉降规律研究现状（1）在荷载作用下，地基土中的应力状态将发生变化，这种变化进而会引起地基的变形，导致路基出现沉降。软土具有抗剪强度低、压缩性高、渗透性小且灵敏性高的特点，在荷载作用下，其变形有如下特征：①荷载作用下沉降量大，这主要是因为软土的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，荷载作用下压缩沉降变形远超过一般路堤；②侧向变形大，这种特性主要正对饱和软土，在受荷初期，饱和软土中的水来不及排出，导致土体发生侧向挤出，而沉降则随并随着水的逐步排出，土体体积收缩，一步发展；③渗透性低、压缩稳定所需时间长，软土沉降发展缓慢主要是因为土体中水的存在。软土受其结构的影响尽管孔隙比大，但单个孔隙却很小，水在空隙中流动困难，因此在[59]受荷载以后水难以很快排出。（2）通过对大量高速公路软土路基沉降现场观测资料统计分析，认为软土路基沉降变化包括四个发展阶段：发生-发展-稳定-极限。①发生阶段：该阶段的土体在荷载作用下，沉降变形呈现线性增加。在荷载作用下，土体处于弹性状态，此时，土中孔隙水没有发生流动，土体发生瞬时剪切变形；②发展阶段：该阶段土体测点的沉降速率随着填土荷载的增大和时间的增长增大。在较大的荷载作用下，随着土体孔隙水的排出，超静孔隙水压减小，土体的体积压缩，压缩变形进入弹塑性变形阶段；5 第一章绪论③稳定阶段：该阶段的土体沉降速率逐渐减小。稳定阶段土体受的荷载保持不变，孔隙水压力逐渐消失，土体的固结过程尚未完全完成，土骨架开始出现粘滞蠕变；④极限状态：该阶段的土体的沉降变形不再发生，沉降速率减小为零，沉降达到极限状态，此时土体对应的沉降即为地基的最终沉降量。（3）为进一步了解软土地区土体的沉降变形规律，有关学者对我国软土地区13处路基80余个沉降观测断面的试验资料进行了整理分析，认为软土地区的沉降有如下规律：①在计算中软粘土可以近似视为饱和，即软粘土的天然孔隙比e0与含水量w之间具有较好的线性关系，其饱和度Sr基本不变。②对于软土地基的沉降变形主要是对其在荷载作用下进行研究，在和在作用下，不同的工程施工期及排水处理措施均会对软如的沉降变形产生一定的影响：由地基的排水与荷载的作用有关，当软土地基排水处理未达到深层时和涉及深层排水时，软土地基的沉降比St0/S∞从St0与S∞之比随施工期变化的散点图可以看出将随施工期的增大而增大。当施工期一定时，不作排水又小于处理后沉降比St0/S∞，且二者的差值较大。这表明，地基的沉降速率在对地基作排水处理后变大，且采用慢速施工时，虽不对软土地基作深层排水处理，可使地基总沉降同样有所减小。对地基作深层排水处[60-63]理后，在同样的施工条件下其总沉降量反而增大。1.2.4沉降控制技术研究现状对软土路基的沉降控制不仅要保证在施工期间，路堤满足强度和稳定性要求，不发生局部或整体剪切破坏，同时还应保证软基路面在使用其将结构完整和车辆行驶平稳、安全、舒适。根据国内外的工程控制经验，对软基的沉降控制主要是采用适当的方法，[64-65]加速软土的排水固结，增强软土路基的强度，使构造物基础设计经济、安全。路基失稳或过量沉降的现象时有发生，但高速公路对路基沉降的高要求，而路基沉降控制处理方法较多但各自存在一定的不足，因此，要正确选择软基处理方法，确保工程质量和施工进度。路基处理的没有严格的分类，国内将软基沉降控制的处理方法按作用机理、处理深度、处理时效或处理土性等进行了分类。在工程实际应用中，路基处理方法主要包括换填垫层法、深层密实法、排水固结法、化学加固法、加固路基法、其它加固方法，同时[66-67]在复杂情况下，也可采用几种处理方法的综合，以达到预期的处理效果。软土路基变形是影响高速公路建设的技术难题之一，虽然软土变形规律研究已经取6 长安大学硕士学位论文[68-69]得许多成果，但是由于软土变形机理的复杂性，仍有许多问题进一步的研究。1.3研究内容与方法1.结合天津滨海新区南港工程实际，阐述了软土区域路基沉降的观测方法，并对各监测内容、方法及监测效果进行了评价。2.通过对监测结果的分析，分析得出了工程所处区域内软土地基的沉降变形规律。3.针对工程实际提出了该区域内软土路基沉降的控制技术和处治方法，并通过对处治后的路基进行沉降观测，客观的评价了各沉降控制方法的处治效果。7 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价2.1概述实际工程通常将总沉降量分为施工期沉降量和竣工后沉降量（沉降工后）。施工期的沉降和差异沉降可以通过土方填筑和整平来消除，因此对公路的后期使用没有太大影响；而工后沉降特别是工后差异沉降会影响行车舒适性，降低道路的通行能力，严重损害了道路建设的社会效益和经济效益。如何提高软基处理质量减少工后沉降，受到工程界和学术界的广泛重视。2.2南港工业区的地质分区及地质特点南港工业区位于天津滨海新区中南部片区的大港区，规划面积约200平方公里，其中航道港池水域约38平方公里，成陆162平方公里。已有的陆域约为40平方公里，还需填海122平方公里。南港工业区地质构造单元属于黄骅坳陷的中部，自北向南处于板桥凹陷和北大港构造带及岐口凹陷的北部。南港工业区濒临渤海，是典型的淤泥质海岸，岸滩坡降平缓，岸线稳定。南港工业区内场地按其形成方式可分为天然陆域区、海域素土回填成陆区及海域吹填成陆区，南港工业区内规划建设的道路分布在不同的地质分区内，如红旗路位于天然陆域区，海港路海域素土回填成陆区，前进道位于海域吹填成陆区。有些道路情况更为复杂，自西向东穿越天然陆域区、海域素土回填成陆区及海域吹填成陆区，如南堤路。不同的地质区内的地质情况不同，需采用有针对性的软基处理方法，因而对不同地质分区的地质特点研究是非常必要的。南港地区的建设环境主要包括以下几个方面：（1）工程地质复杂南港工业区工程地质情况非常复杂，南北方向水平地质分层较为均匀稳定，南北差异较小；东西方向分别以海防路、南港四街（B01）为界，水平方向地层分布情况差异性相对较大，自西向东包括既有陆域区、海域素土回填成陆区、海域吹填成陆区三种地质区域，如图2.1，三种地质区域的工程地质情况见柱状图表2-1、表2-2、表2-3。8 长安大学硕士学位论文图2.1地质区域分区图表2-1既有陆域区工程地质柱状图成因地质时代编号厚度(m)岩土名称示意图例土层描述褐色软塑粉质粘土和杂色松散由大量Qm111.00~4.00人工填土层石子废土等组成属中压缩性土3灰黄色可塑无层理含铁质属中压缩性Q4a120.8~2.5粉质粘土层土灰色流塑~软塑状态有层理含贝壳属高3a10.50~14.30软粘土、淤泥质土压缩性土2Q4m3b1.50~3.80粉质粘土灰色软塑状态有层理含贝壳属中压缩性土4a1.50~9.70粉质粘土黄灰~灰黄色可塑无层理含铁属中压缩性土质1Q4a14b2.00~6.90粉土黄灰~灰黄色密实状态无层理含铁质属低压缩性土表2-2海域素土回填成陆区工程地质柱状图成因地质厚度(m)岩土名称示意图例土层描述时代编号褐色软塑状态由粉质黏土、黏土、淤泥Qm111.00~3.10人工填土层质土组成，属高压缩性土结构性差欠均匀2a2.50~4.50粉质黏土灰色流塑~软塑状态有层理含贝壳属中~高压缩性土Q2m2b10.90~12.80淤泥质黏土、灰色流塑~软塑状态有层理含贝壳属高4软黏土压缩性土2c1.20~2.20粉质黏土灰色软塑状态有层理含贝壳属中压缩性土9 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价Q1h31.00~2.20粉质黏土、黏黑灰~浅灰色软塑~可塑状态无层理含4土有机质腐植物属中压缩性土Q1a14~5.50粉质黏土褐黄色可塑状态无层理含铁质属中压4缩性土表2-3海域吹填成陆区工程地质柱状图成因地质厚度(m)岩土名称示意图例土层描述时代编号灰色软塑～松散状态粉质黏土、粉土Qm113.00~4.30人工填土层土质，表层含竹片、塑料布属中压缩性土2a0.50~1.30淤泥质黏土灰色流塑～软塑状态有层理，含贝壳属高压缩性土2b0.60~1.30粉土灰色中密状态无层理含贝壳属低压缩性土Q2m2c1.20~2.60粉质黏土灰色软塑状态有层理含贝壳属中压缩4性土2d9.00~10.30软黏土、淤泥灰色流塑～软塑状态有层理含贝壳属质黏土高压缩性土2e1.80~2.70粉质黏土灰色软塑状态有层理含贝壳属中压缩性土Q1h32.10~2.60粉质黏土黑灰～浅灰色可塑状态无层理含有机4质腐植物属中压缩性土Q1a14~4.00砂性大粉质灰黄色可塑状态无层理含铁质属中压4黏土缩性土经现场调查分析，南港工业区吹填区土体具有以下工程特性：（1）土体物质组成及工程性质不均一，时间因素对其影响较大；（2）含水量和孔隙比很大，重度小；（3）塑性指数大，一般在15以上；（4）强度很低，承载力很小，且灵敏度很高；（5）压缩性很高，沉降量很大；（6）渗透性小，沉降速度慢；（7）自重作用下吹填土获得的固结比天然软土大，也表明吹填软土比天然软土具有更大的欠固结特性、可压缩特性。（2）水文环境恶劣南港工业区地处渤海之滨，是天津市水文地质分区最下游的一个区。在850m深度范围内为松散岩类孔隙水：包括第四系含水岩组和第三明化镇组上段，区内无浅层淡水分布，第四系上部为咸水体覆盖，水质极差，水文环境恶劣。因此，南港工业区为典型的滨海盐渍化软土区，主要表现为细颗粒的氯盐渍土。春季蒸发，盐分结晶，土发生盐10 长安大学硕士学位论文胀；夏季淋洗，盐颗粒溶解，孔隙增加，土发生溶陷；钠离子的水化半径较大，盐渍土-2-易吸湿软化；土中含较多的Cl和SO4，分别对钢筋和混凝土具有腐蚀作用。特别是当进入构筑体中的盐溶液浓缩后，盐分结晶，对构筑体产生挤压破坏。这些破坏严重危害到道路设施的安全运营，应当采取有效的措施改良盐渍土，使其能够满足工程应用。（3）建设条件差在南港工业区建设过程中，由于南港地区地处渤海之滨，为典型的盐渍化软土区域，路网设施短缺、不完善，物料进出困难，本地建筑材料缺乏，周边有诸多油田，地下油气管线密布，因而给施工带来了很大的困难，建设条件极差。2.3南港工业区软基处理方法研究2.3.1陆域（一般软基区）道路路基处理方案陆域（一般软基区）是指南港工业区内位于陆地区域的低填方道路，即路基填土较低，路面基本与周边规划地坪高程一致的道路。根据地勘资料，工程场地地面以下1～3m多为吹填土和杂填土，土质结构性差、欠均匀，主要由粉质粘土及淤泥质土质组成，土质含水量较高、强度较低，由于填垫时间短且未经过分层压实，故压缩性高。人工填土层以下17m左右为淤泥质土层，土质呈灰色，流塑～软塑状态。该土层承载力低，压缩性高，土层厚度大，是南港工业区的主要软土层。根据现场填土标高及规划高程可知，道路路面结构及路基基本位于杂填土（陆域）或吹填土（海域）厚度范围内。而杂填土（吹填土）承载力、低压缩性高，无法直接作为路基持力层使用。通过上述各种路基处理方式的分析论证及滨海新区类似工程所采用的软基处理方式可得出结论：换填（置换）法是一种实用、经济、施工周期短、见效迅速的软基处理方式，南港陆域（一般软基区）道路路基最优处理方案首选换填法。浅层换填（置换）法即通过将软弱地基部分或全部挖除，用透水性好、强度较高的材料（如山皮土、砂砾、碎石、钢渣等）进行回填的软基处理方式。但杂填土（吹填土）下存在深厚的软土层(软弱土层)，该层土质压缩性高、承载力低，换填的散体材料势必在该层产生较大分散性沉陷。为了解决这个问题，必须从加强换填材料的整体性，使其成为一个整体承托层（即“人工硬壳层”）的角度入手，使得来自上部的自重应力及附加应力能够均匀的分散到软弱土层上，避免局部的应力集中产生不均匀沉降或者承载力11 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价丧失。土工合成材料的选择正是解决次问题的最好选择，其加筋作用可有效限制地基土的侧位移及软土的挤出趋势，提高地基的抗滑稳定性，使地基下沉趋于均匀，防止破裂面的形成。特别是近年来，三向土工格栅的应用让软基的浅层处置效果提升到了一个新的高度。三向土工格栅对传统土工格栅的网孔形状进行了革命性的创新，从矩形变为三角形，肋条厚度和节点有效性也同时得到改进，极大地增强了土工格栅对粒料的约束和嵌锁，从而提高了力学稳定层的结构性能，并可以大幅度提高地基承载能力，减少变形。因此，结合南港的地质特点，陆域（一般软基区）道路路基最优处理方案是：三向土工格栅与浅层换填处理组合应用，这种处理方式要比一般土工格栅更有效的改善软基路段的土基承载力，提高路基整体性，减少道路沉降。2.3.2陆域（沟渠鱼塘区）道路路基处理方案根据以上各章节对南港软基特点的研究，结合各种软基处理方式适用性的比较，陆域（沟渠鱼塘整平区）道路路基处理采用换填结合土工合成材料处理法。具体处理方式如下：（1）淤泥深度≤1.5m的鱼塘沟渠段路基处理如下：先清除淤泥至原状土，清表后先通铺两层竹笆，再通铺一层高强经编复合土工布，填筑透水性好、强度较高的材料至路面结构以下80cm，然后在该材料处通铺一层三向土工格栅，再填筑40cm透水性好、强度较高的材料，在该材料顶面用土工格栅反包2m，并在其顶通铺一层三向上工格栅，然后铺筑40cm厚碎石，上工格栅在碎石顶面反包2m，然后在碎石上通铺一层防水土工布（两布一膜形式），最后施作路面结构。（2）淤泥深度>1.5m的鱼塘沟渠段路基处理如下：先清除表层lm淤泥，在淤泥顶通铺两层竹笆，再通铺一层高强经编复合土工布，填筑透水性好、强度较高的材料至路面结构以下80cm，然后在该材料顶通铺一层三向土工格栅，再填筑40cm的透水性好、强度较高的材料，在该材料顶面用土工格栅反包2m，并在其顶通铺一层三向上工格栅，然后铺筑40cm厚碎石，土工格栅在碎石顶面反包2m，然后在碎石上通铺一层防水土工布（两布一膜形式），最后施作路面结构。2.2.3海域（吹填预压区）道路路基处理方案海域吹填区首先通过围埝将该区分成若干个长方形或梯形区域，然后逐项对每个区域进行吹填预压。根据后期沉降观测的部分数据显示，该方法可能存在几个薄弱区域。经过仔细分析研究初步推测结果为：在长方形区域或梯形区域的一端通过管道将泥和砂12 长安大学硕士学位论文吹入海里，而泥和砂的注入方式可能是一个类似圆形的循环方式连续注入，这就造成了除灌入端之外的其它几个角端可能存在缺少填料而无法达到密实状态，因而形成几个薄弱区域。因此，待真空预压完成后根据其地质勘探报告选择最优的地基处理方案。针对容易出现死角的区域采取相应的加固措施，以满足后期的要求，其它区域可以根据以往处理吹填区域路基的工程经验提出最优化的处理措施。一般区域的地基处理是采用浅层换填与三向土工格栅相组合的处理方式。特殊薄弱区域应根据地质勘测报告先进行水泥搅拌桩等软基处理，然后再采用浅层换填与三向土工格栅相组合的处理方式。2.3.4地质分界位置道路路基处理方案地质分界位置指陆域与海域(吹填范围)交界处，分界线两侧地质差异较为严重，海域部分为吹填处理范围，虽然经过真空预压，但根据天津沿海地区真空预压处理效果推断，仅经过三个月预压期，吹填土仍处于欠固结状态，真空预压结束后，吹填土在外界荷载作用下与陆域土层相比仍将产生较大的沉降量，此位置路基若不做特殊处理，分界线两端的沉降差异将导致道路产生横向裂缝，导致行车舒适性降低。基于此问题，我们采取逐级换填的处理方式，使得沉降在大范围内逐级分散，从而消除不均匀沉降带来的负面效应。具体处理方式为：根据海域吹填处理深度，由下向上逐级开蹬，同时在开蹬处铺设三向土工格栅，以消除不均匀沉降。处理方式为浅层换填结合三向土工格栅处理。2.3.5邻接构造物（桥梁、涵洞）位置道路路基处理方案邻接构造物（包括桥梁、涵洞）位置是道路不均匀沉降的多发地带，究其原因主要为以下两个方面：一方面，桥梁（或涵洞）位置多采用桩基础或进行了深层处理，构造物本身沉降量极低，而道路沉降量则难以将沉降控制在如此小的范围之内，故在桥头会出现差异沉降，导致“桥头跳车”现象的发生；另一方面，桥头往往是路基填土较高的位置，高填土导致地基附加荷载增大，加速了土基的沉降与固结，在同等条件下使得桥头高填土位置产生较大的沉降量；如此更进一步加剧了“桥头跳车”的严重性，这种现象在天津滨海软土地区更为明显。本课题通过对适合南港工业区采用的软基处理方式的论述分析可知，南港工业区内在邻接桥梁位置的路基处可采用水泥搅拌桩、高压旋喷桩或预应力管桩。高压旋喷桩加固软土地基效果要好于水泥搅拌桩，但造价比水泥搅拌桩高，预应力管桩造价与高压旋13 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价喷桩基本相当，但施工速度快，使用于工期紧张的工程采用。邻接涵洞位置的路基处推荐采用高压旋喷桩或水泥搅拌桩的软基处理方式。2.4沉降观测方法地表沉降不但是反映路堤标高的变化及纵横向大小的差异，而且还是反映路堤软土的变形性质和稳定性的一个重要数值，还可以应用于控制路堤的填筑速率，确定预压卸载施工路面的时间，预计工后沉降的发展，防止地基剪切破坏等，直接反映能否满足路堤设计的要求。（1）仪器与设备：地表沉降观测采用分节装配式沉降板（见图2.2）。沉降板由底板、金属测杆和保护套管组成。混凝土管桩处理段沉降板底板为60×60×1cm的钢板，水泥搅拌桩处理段底板为尺寸20cm×20cm×1cm的钢板，塑料排水板处理段底板为50×50×1cm的钢板。测杆均为直径3cm，长度为20～30cm带箍丝扣连接的钢管，保护套管为直径7cm的PVC管并配以护盖。观测仪器采用莱卡Na2型水准仪及配套测微器，水准尺为河北珠峰仪器仪表设备有限公司生产的铟钢水准尺，观测精度可达到0.1mm。图2.2沉降板构造（2）仪器埋设埋设时，根据预定的断面进行坐标放线，混凝土管桩处理段沉降板埋设在路基中心位置原地面下10cm处；水泥搅拌桩处理段沉降板埋设于路基中心和左右路肩桩头及两搅拌桩中间桩间土位置；塑料排水板处理段沉降板埋设于路基中心及左右路肩和11米位置原地面下10cm处。沉降板埋置时先用砂找平，放上焊接了钢管的沉降板，使钢管保持竖直，基底稳固，然后用7cm直径的PVC管保护，盖好管帽。该断面所有沉降板和保护套管放好后，在路基两侧设置定位桩，以方便接管时寻找管位，最后回填基14 长安大学硕士学位论文坑土并夯实。（3）观测方法初次埋好后测量管口标高，回填夯实待下一层压实完成后，挖出沉降管，再次测管口标高，两次标高之差即为沉降量，测量完成后接管掩埋夯实，如此循环至路堤施工标高，沉降接管见图2.3。这种观测方法由于沉降管总是埋在压实层以下，每次测量均需人工开挖和掩埋，比较费时烦琐，但受到施工破坏相对较少，保证了观测结果的可靠性。图2.3沉降接管（4）观测要点①沉降观测要求四个固定：一定观测人员，二定观测仪器和设备，三定观测线路和观测方法，四定观测环境和条件，以保证观测精度。②经常检查水准仪，发现仪器有误差立即到有资质单位校正。③观测数据现场计算，及时判断每项结果是“正常”、“异常”、或“错误”，发现数据有错误或不沉降反而上升，则应对测点再次观测，测点没问题就进一步检查水准点是否有变化；发现数据有异常，应分析原因并监视地基变形和稳定动态的发展，及时控制施工加载速率，防止地基发生剪切破坏和塑性屈服。（5）观测频率①路堤填筑期在施工期间位移观测应每填筑一层土观测一次；如果两次填筑时间间隔较长，每3天至少观测一次。如果发现有异常沉降，则每2天观测一次或每天观测一次，以密切注意沉降异常的动态。在日沉降速率不大于l0mm/d时方可填筑下一层。②路堤预压期预压期第一个月每7天观察一次，第二个月每10天观察一次，第三个月每半月观15 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价察一次，第四个月以后观测应视地基稳定情况而定，一般半月或每月观测一次。2.5沉降观测效果评价软基处理工程中，软基的变形是相当复杂的。它的变形性状除了与软土本身的特性有关外，还受到填土形状、填土速度、软基处理方法等因素的影响，特别是软土具有结构性。软土的灵敏度越高，其结构性越强，这使得高灵敏度的软土的变形性状在结构破坏前后表现出较大的不同。现就根据现场实测的浅层沉降、侧向变形及孔隙水压力等观测成果进行分析。2.5.1一般换填处理路段地基沉降规律GY21观测点位设置于创业路与津岐公路交口处，为本次新建创业路工程道路起点，属一般路段，路基处理形式采用换填处理。GY21断面沉降规律曲线如图2.4所示。54/m32沉降填土高度填土高度10050100150200250300350-1-2时间/d-3/cm-4沉降-5-6图2.4GY21断面填土高度-沉降-时间图监测时间超过300天。从图中可以看出，监测期内，该断面累计沉降量为5.34cm。最初，沉降随着填土高度的增加近似呈线性增加规律，监测显示80天，沉降达到4.87cm以后，整体沉降趋缓，这时的沉降量占监测期间整体沉降量的91%左右。GY18观测点位设置于创业路K0+514.015桥东侧桥头处，路基处理形式采用换填处理。GY18断面沉降规律曲线如图2.5所示。16 长安大学硕士学位论文4/m沉降2填土高度填土高度0050100150200250300350时间/d-2/cm沉降-4-6图2.5GY18断面填土高度-沉降-时间图从图中可以看出，监测期内，该断面累计沉降量为5.28cm。监测期持续325天以上，第85天以前，沉降值为4.76cm，这表明在监测期内的前26%的时间内，完成监测期内总沉降量的90%。GY8观测点位设置于创业路K2+297.033钢筋混凝土圆管涵西侧，路基处理形式采用换填处理。GY8观测断面沉降规律曲线如图2.6所示。3/m2沉降填土高度填土高度10050100150200250300350-1时间/d-2/cm-3沉降-4-5图2.6GY8断面填土高度-沉降-时间图从图中可以看出，监测期内，该断面累计沉降量为4.87cm。开始阶段，沉降随着填土高度的增加近似线性增加；监测显示84天时，沉降达到4.4cm，占整个监测期间沉降的90%；从后沉降趋缓。2.5.2超载预压路段地基沉降规律南堤路路基处在淤泥质土上，淤泥质土含水量高，孔隙比大，压缩性高。该道路17 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价在建设初期采用超载预压，为获得预压效果，指导后续工作的实施，必须对预压完成后的道路进行沉降观测。本课题以南堤路为例来研究其预压后的沉降规律。本次观测历时134天，从2011年5月17到2011年9月30号止。现列取K0+180、K2+750、K3+900等三个观测断面作代表进行分析。其中K0+180观测点位设置于津歧路桥头，K2+750观测点位设置于高架桥至东侧桥梁处，K3+900观测点位设置于临时路与终点处，路基处理形式均采用换填处理。/m50填土高度020406080100120140时间/d-5沉降填土高度-10/cm-15沉降-20-25图2.7南堤路K0+180断面填土高度-沉降-时间图监测期内，该断面累计沉降量为22.70cm。开始阶段，沉降随填土高度近似线性增加；大约在34天左右，沉降增加规律不再是线性，此时的沉降约为18cm左右；80天左右，沉降已完成整个监测期间沉降的98%，此时的沉降为22.34cm；此后沉降趋缓。/m50填土高度020406080100120140时间/d-5沉降填土高度/cm-10沉降-15-20-25图2.8南堤路K2+750断面填土高度-沉降-时间图监测期内，该断面累计沉降量为23.42cm。开始阶段，沉降随填土高度近似线性增18 长安大学硕士学位论文加；大约在11天左右，沉降增加规律不再是线性，此时的沉降约为11.10m左右；70天左右，沉降已完成整个监测期间沉降的96%，此时的沉降为22.56cm；此后沉降趋缓。5/m0020406080100120140填土高度-5时间/d沉降填土高度-10/cm-15沉降-20-25-30图2.9南堤路K3+900断面填土高度-沉降-时间图监测期内，该断面累计沉降量为26.11cm。开始阶段，沉降随填土高度近似线性增加；大约在14天左右，沉降增加规律不再是线性，此时的沉降约为16.94cm左右；65天左右，沉降已完成整个监测期间沉降的98%，此时的沉降为25.52cm；此后沉降趋缓。2.5.3素土回填区沉降规律根据素土回填区道路的建设情况，为了对比预压期与工后沉降的变化规律，选择南港六街沉降数据进行分析研究。本次沉降变形监测断面及监测点位布设遵循以下原则：道路中央设置绿化带的分别沿上行线和下行线两侧布设，一般路段每隔200m布设一个监测断面，每监测断面布设4个监测点位，在桥头、涵洞两侧和填方较高路段增加监测断面；道路中央未设置绿化带沿道路沿线两侧及中间布设，一般路段每隔200m布设一个监测断面，每监测断面布设3个监测点位，在桥头、涵洞两侧和填方较高路段增加监测断面。19 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价图2.10南港六街K2+600断面填土高度-沉降-时间图图2.11南港六街K3+015断面填土高度-沉降-时间图20 长安大学硕士学位论文图2.12南港六街J2+346.9断面填土高度-沉降-时间图图2.13南港六街HQ11+372.7断面填土高度-沉降-时间图21 第二章软土区域路基沉降观测方法与效果评价图2.14南港六街HQ11+386.7断面填土高度-沉降-时间图图2.15南港六街HQ13+380.4断面填土高度-沉降-时间图22 长安大学硕士学位论文图2.16南港六街HQ14+437.3断面填土高度-沉降-时间图23 第三章软土区域路基施工沉降控制技术第三章软土区域路基施工沉降控制技术3.1天然软土的变形破坏机理分析天然软土在施加荷载之后，相对于压应力的增加，土体产生一定的压缩应变，在饱和的条件下这种压缩过程就叫固结。软土在加荷速度较快时的固结过程与颗粒滑移密切相关。滑移的结果导致土颗粒接触点增加、水膜变薄和孔隙比减小，从而可以抵抗荷载的增加，这是传统认为的的变形机理，包括弹塑性理论和次固结理论。但是，天然土体在长期荷载作用下存在另一种可能，我们称之为结点固化变形机理，即荷载的缓慢增加允许土颗粒接触点上发生缓慢的物理化学作用，产生接触点的强度增加以抵抗荷载的增加。土体固化过程中颗粒间不发生滑移，土体保持原状结构，但接触点处的水膜可能变薄，从而孔隙比也会随之有所减小，但这一数量与土颗粒滑移引起的减小量相比微乎其微，这便是天然土体中存在高孔隙比的原因。另外，结点固化可增加土骨架刚度，由孔隙水原来承受的一部分荷载转由骨架承担，故填土后期常发生孔隙水压力消散现象。按地基极限承载力理论，软基破坏的一般形式是冲剪破坏，其特征是不在基脚下出现明显的连续滑动面，而是基础随着荷载的增加，发生土体压缩做近乎垂直地向下移动。当荷载继续增加达到某一数值时，基脚连续刺入，基脚附近土体发生垂直剪切破坏。以固结理论来分析，增加荷载后，地基土发生剪切变形产生侧向位移，引起瞬时沉降，由于瞬时沉降仅是剪切变形，故对地基承载力并无提高。随着排水固结，土体压缩引起固结沉降，从而提高地基承载力。根据以上变形机理，沈珠江院士把软土的变形破坏划分为三个阶段。第一阶段，土体结构基本完好状态下的变形。不排除土体有破损，即使结构完好也不能排除弹性变形，同时原来因水膜变化而松弛的接触点距离会再次靠拢，因此认为这一段的孔隙比不发生变化的假设不一定合理。另外，由于这一阶段固结系数很大，故在现场不可能产生大的侧向变形。这一阶段基本上是弹性变形；第二阶段，结构大量破损阶段。土体除了颗粒间的滑移外，还伴随有结构的塌陷，其压缩性甚至远高于重塑土的压缩。在不排水的条件下，必然会使孔隙水压力急剧上升，原来由骨架承受的一部分压力转移到孔隙水上，孔隙压力系数增加，甚至可能大于1。由于B>1，所以在荷载增加24 长安大学硕士学位论文的同时，有效应力不增加甚至会减小。这时候土体主要是剪切变形，伴随有大量水平位移的产生。这一阶段主要是塑性变形阶段；第三阶段，土的性质己接近重塑土，土颗粒间的滑移成为变形的主要原因。从弹塑性力学角度出发，也可将软土变形破坏分为三个阶段。第一阶段为弹性阶段，土体在这一阶段仅发生压密，土体应力较小，应力与应变成正比例关系；第二阶段为局部塑性变形阶段，应力与应变呈非线形关系，随着应力的增大，应变的速率加大；第三阶段为剪切破坏阶段，随着应变进一步增加，在土体内形成一个贯通的塑性变形区，此时，即使应力增量不大，应变也会发生较大地增长。3.2路堤填筑期稳定控制方法现场的主要观测项目有竖向沉降、侧向位移以及孔隙水压力，通过对这些数据的整理和分析，国内外提出许多判断路堤稳定性的方法，比较常用的有如下几种方法：3.2.1St～δh法在路堤填筑过程中，将现场实测的路堤中心沉降St与最大侧向位移δh绘制在以St为横坐标、δh为纵坐标的图上，通过St～δh曲线来定义参数α1、α2（如图3.1所示）。采用参数α1、α2来判断地基的稳定性，其标准是：当α2≥α1+30º或α2≥40º时，地基处于不稳定状态，需要降低路堤填筑速率。图3.1St～δh关系示意图St～δh法的基本原理是：在软土地基上填筑路堤的瞬时加载阶段，路堤的最大侧向位移与路堤中心沉降St大致相等（处于一维固结状态下），1979年Tavenas通过对深厚软基上的土堤工程的数据分析证实了这一观点点，并进一步地认为，在地基沉降固结期间，路堤坡脚处的最大侧向位移约是路堤中心沉降St的20%。Miyabe、Park25 第三章软土区域路基施工沉降控制技术（1994、1997）等人通过许多工程实例，验证了该方法得有效性。3.2.2拐点法（1）荷载增量与孔隙水压力增量曲线（∑ΔP-∑Δu）拐点分析法∑ΔP表示累计填土荷载，∑Δu表示累计孔压增量。当∑ΔP-∑Δu关系曲线出现明显向上的非线性转折拐点时，即曲线斜率突然增大，则意味着该监测点附近的土体产生塑性破坏，路基存在失稳的可能性。理论依据：孔隙水压力是土体应力变化的重要指标。通过孔隙水压力数据分析，可以判断地基土体是否处于稳定状态。软粘土孔隙水压力增量Δu可表示为Δu=KUΔP，其中KU为荷载孔隙水压力系数。地基土体在稳定状态下，孔隙水压力增量与荷载增量呈线性关系，由此可判断地基土体是否稳定。当累计荷载增量与累计孔隙水压力增量关系曲线出现非线性转折，即KU增大时，说明地基土体已出现局部剪切破坏，若任其继续发展，地基则发生失稳破坏。（2）荷载与沉降速率曲线（∑ΔP-∑Sv）拐点分析法∑ΔP表示累计填土荷载，∑Sv表示累计表面沉降速率。当∑ΔP-∑Sv关系曲线出现明显向上的非线性转折拐点时，即曲线斜率突然增大，则意味着该监测点附近的土体产生塑性破坏，路基存在失稳的可能性。理论依据：表面沉降是最基本、最重要的观测对象之一，它是地基固结变形的直观反映，因此利用它可以判断地基是否稳定。将日沉降量时间序列进行一次或多次累加，消除或减弱其中的随机因素，这样可使所蕴含的确定信息得到加强，也使监测数据关系曲线规律性增强。（3）荷载（或填土高）与侧向位移速率曲线（∑ΔP-∑Vh）拐点分析法∑ΔP表示累计填土荷载，∑Vh表示累计日最大侧向位移速率。当∑ΔP-∑Vh关系曲线出现明显向上的非线性转折拐点时，即曲线斜率突然增大，则意味着该监测点附近的土体产生塑性破坏，路基存在失稳的可能。理论依据：侧向位移反映了不同深度地基土体的侧向变形，它是判断地基是否处于稳定状态的重要指标。产生最大位移量的位置与地基土体性质有直接关系，一般位于地表以下软土层的中部。地基土体的侧向位移是由剪切变形引起的，附加应力越大，剪切变形量也越大。当应力增加到一定程度时，剪切变形突然增大，土体破坏，此时地基侧向位移量突然增大，荷载大小与侧向位移量不再保持原有关系。由此就可以判断地基土是否稳定。将累计填土高度或累计荷载与相应的侧向位移速率作为一个26 长安大学硕士学位论文时间序列，采用累加的办法消除或减弱其中不确定随机因素，使确定趋势得以加强。3.2.3加速度法如果路堤是稳定的，则随着路堤填筑的进行，沉降和侧向位移随时间的变化曲线趋于某一定值，因而其沉降速率和侧向位移速率是不断减小并趋于零的，否则地基土处于不稳定状态，需要采取必要加固措施。其沉降量和侧向位移随时间变化与地基稳定状态的关系，如图3.2所示。图3.2沉降量（或侧向位移）随时间变化与地基稳定状态的关系示意由图3.2可知，通过分析加载过程中的侧向位移加速度或沉降加速度（即位移速率的变化率或沉降速率的变化率），可以判断地基土的稳定状态。在分级加载的每一层填土过程中，如果地基土处于稳定状态，则其侧向位移和沉降会随时间增长而不断增大并趋于一个稳定值，侧向位移速率和沉降速率的总趋势不断减小，侧向位移加速度和沉降加速度总趋势都小于并趋向于零。所以，在一层土填完以后和下一层土开始填筑之前，如果地基土的侧向位移加速度或沉降加速度大于零，则说明地基土处于不稳状态，必须采取措施使侧向位移加速度或沉降加速度降到小于零，才可以进行下一层的填筑。在路堤填筑过程中，地基土处于临界破坏状态时，如果不采取有效措施，一般不超过2～3天、甚至经历更短的时间，破坏就会发生。因此，我们以天为最小时间单位计算侧向位移或沉降的速率和加速度，以每一层土的填筑周期为一个观测判断时段（一般为6～8天）。在此时段内，必须密切监测地基土的最大侧向位移和路堤的中心沉降，一般情况下需要每天观测一次数据，并整理分析。如果有破坏迹象，应缩短数据观测间隔时间，以便及时做出符合实际情况的判断，必要时采取应对措施。其判别公式是：27 第三章软土区域路基施工沉降控制技术侧向位移加速度法：vvDm(1)Dm()aDtD(m1)vDm(1)tD()m（3.1）vDm()ta0处于稳定状态Da0可能处于不稳定状态D2式中：a为侧向位移加速度，mm/d，当a≥0时，地基土可能处于不稳定状态，DD需要缩短观测时间段，加强观测，并及时收录数据进行整理分析；v为第m+1个Dm(1)时间段的侧向位移平均速率，mm/d；v为第m个时间段的侧向位移平均速率，Dm()mm/d；t为时间间隔，d；D为第m+1个时间段的最大侧向位移，mm；D为(m1)()m第m个时间段的最大侧向位移，mm。路堤中心沉降加速度法：vvSm(1)Sm()aStS(m1)vSm(1)tS()m（3.2）vSm()ta0处于稳定状态Sa0可能处于不稳定状态S2式中：a为路堤中心沉降加速度，mm/d，当a≥0时，地基可能处于不稳定状SS态，需要缩短观测时间段，加强观测，并及时收录数据进行整理分析；v为第m+1Sm(1)个时间段的路堤中心沉降平均速率，mm/d；v为第m个时间段的路堤中心沉降平均Sm()速率，mm/d；t为时间间隔，d；S为第m+1个时间段的路堤中心沉降，mm；(m1)S为第m个时间段的路堤中心沉降，mm。()m28 长安大学硕士学位论文在上述判别公式中，侧向位移加速度法为主要判别公式，路堤中心沉降加速度法为辅助手段。在路堤填筑过程中，只要侧向位移加速度a<0，即便路堤中心沉降加速度Da≥0，仍可继续填筑，但要缩短观测时间段，加强现场监控。因为路堤中心沉降的加速S并非仅由侧向位移的加速引起，大部分是由于地基的固结排水的加速进行所引起，而这种加速沉降是趋于安全的。由于地基土硬壳层以及加筋土工布等因素的影响，有时候地基土的最大侧向位移并非发生在施加荷载的瞬间，而是存在时间滞后效应，所以侧向位移速率并非一开始就达到最大。在每一层土的填筑周期内，一般为6～8天，侧向位移加速度a可能要经D历一个从小到大再逐渐减小的过程，这属于正常现象，只需在侧向位移加速度a增加D过程中加强现场监控即可。但是在下一层土填筑前，必须保证侧向位移加速度a<0。D3.2.4典型断面分析以南堤路断面为例进行分析，采用荷载-沉降速率曲线（∑ΔP-∑Sv）拐点分析法进行分析。3.53.02.5/cm/d2.01.51.0累计沉降速率0.50.0-0.5020406080100120荷载/kPa图3.3南堤路K0+180断面∑ΔP-∑Sv图29 第三章软土区域路基施工沉降控制技术1.41.21.00.8/cm/d0.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2020406080100荷载/kPa图3.4南堤路K1+100断面∑ΔP-∑Sv图1.21.00.8/cm/d0.60.4累计沉降速率0.20.0-1001020304050607080荷载/kPa图3.5南堤路K1+300断面∑ΔP-∑Sv图1.61.41.21.0/cm/d0.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.6南堤路K1+500断面∑ΔP-∑Sv图30 长安大学硕士学位论文1.81.61.41.21.0/cm/d0.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.7南堤路K1+700断面∑ΔP-∑Sv图1.61.41.21.0/cm/d0.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.8南堤路K1+900断面∑ΔP-∑Sv图1.81.61.41.21.0/cm/d0.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.9南堤路K2+200断面∑ΔP-∑Sv图31 第三章软土区域路基施工沉降控制技术1.81.61.41.21.0/cm/d0.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.10南堤路K2+400断面∑ΔP-∑Sv图1.81.61.41.2/cm/d1.00.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.11南堤路K2+600断面∑ΔP-∑Sv图2.01.81.61.41.2/cm/d1.00.80.6累计沉降速率0.40.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.12南堤路K2+750断面∑ΔP-∑Sv图32 长安大学硕士学位论文1.81.61.41.21.0/cm/d0.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.13南堤路K2+900断面∑ΔP-∑Sv图1.81.61.41.21.0/cm/d0.80.60.4累计沉降速率0.20.0-0.2-1001020304050607080荷载/kPa图3.14南堤路K3+100断面∑ΔP-∑Sv图从以上各图中可以看出，所有断面沉降都趋于稳定，曲线没有出现明显的向上拐点。在填土荷载大于30kPa~40kPa后，累计沉降速率趋于稳定，这说明随着填土高度的增加，沉降速率逐渐减小。在填土高度超过2m后，绝大部分施工期沉降已经完成，后续沉降很小，沉降速率迅速减小，沉降趋于稳定。3.3超载预压的原理及设计3.3.1超载预压的原理超载预压是将一大于原设计荷载p的过量荷载p也加在地基土上，其中pp/称fSsf为超载系数，经过一段时间后，再移去p。经过超载预压后，若受压土层各点的有效S竖向应力大于设计荷载引起的附加总应力时，则今后在设计荷载作用下地基土将不会33 第三章软土区域路基施工沉降控制技术[40-41]再发生主固结沉降，同时减小并推迟次固结沉降的发生。（1）超载预压消除主固结沉降Aldrich和Johnson曾讨论了超载所产生的主固结问题，如图3.15所示。在设计荷载p单独作用时，其沉降－时间曲线如虚线（f）所示，最终固结沉降量为S。在超载ffpp作用下，其沉降－时间曲线为（f+s）所示，最终固结沉降量为S。从图上可fSfS知，在时间t超载预压的沉降量达到S时，即可移去过量荷载p。这样不但缩短了预SRfS压时间，而且如果受压土层各点的有效竖向应力大于设计荷载引起的附加总应力，则今后在设计荷载作用下地基土将不会再发生主固结沉降。图3.15堆载预压引起的主固结沉降（2）超载预压减小次固结沉降卸除超载后，地基土体由原来的正常固结状态变成超固结状态，次固结系数变小。且超载越大，超载卸除后发生次固结沉降的时间越推迟，土的次固结系数越小。3.3.2设计中应注意的问题（1）关于主固结沉降。当受压土层的平均固结度满足式（3.3）时，在使用荷载作用下，地基仍有可能发生主固结沉降。其原因是由于土的性质不同，某一时间，受压土层内超静孔隙水压力的分布是不均匀的。pfUH()（3.3）fsppfs（2）在超载预压的过程中，由于路堤产生的沉降，降低了超载预压的填土高度，应考虑增加预压沉降的附加超载，使在超载预压过程中始终保持路堤填筑高度不低于设计超载pp的填筑高度，保证在设计超载下预压。fS34 长安大学硕士学位论文（3）超载预压时，因为超载增大了路堤的填筑高度，往往超过了地基的极限高度，因此必须注意路堤的稳定性，采用分级施加预压荷载，控制加荷速率并监测地基的稳定性。3.3.3卸载控制方法及控制标准确定荷载预压期是预压阶段的主要工作。在施工设计阶段已经对填土预压规定了预压期，但这个预压期只能作为一个控制指标，不能用它来作为预压结束的天数，必须根据现场实测沉降观测来分析确定路堤超载的卸载时间。利用沉降实测资料进行卸载控制的主要方法有：（1）工后沉降值法路基工后沉降指的是道路达到设计使用年限的路基沉降与路面铺筑前已发生的地基沉降之差。对于超载预压，预压期内地基完成的沉降量不能小于道路设计使用期限内的沉降量与容许工后沉降之差。路基工后沉降分析式为：SS()S[]S（3.4）rftfsr式中：S—路基工后沉降量；rS—永久荷载的最终沉降量；f()S—超载到t时刻完成的沉降量；tfs[]S—容许工后沉降量。r理论和实践均表明，填土厚度与其对应的最终沉降基本成线性关系。《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96）对高等级公路的工后沉降标准规定见表3.1。在施工中判断工后沉降是否达到这一标准，应根据沉降观测资料推算总沉降，然后以此计算工后沉降。推算方法使用比较广泛的有双曲线法、星野法、指数曲线法。表3.1高等级公路工后沉降标准容许工后沉降工程位置桥台与路堤相邻处涵洞或箱形通道处一般路堤道路等级高速公路、一级公路≤0.10m≤0.20m≤0.30m二级公路（采用高级路面）≤0.20m≤0.30m≤0.50m（2）平均速率法35 第三章软土区域路基施工沉降控制技术平均速率法指的是当施加荷载完成以后，路基中心的月沉降速率或连续两个月沉降观测值小于某一个限值时，便可进行卸载。在广佛高速公路建设中，郑启瑞等人提出了沉降速率卸载标准[]V：沉降速率连续三个月小于5mm/月。该标准在深汕高速公路、S京珠高速公路等多条高速公路上得到广泛应用。在杭甫高速公路建设中提出的沉降速率卸载标准为：一般路段小于2-3mm/月，桥头路段小于lmm/月。刘吉福推导证明了，在恒载阶段t时刻的剩余沉降S与沉降速率V存在以下关系：rS[42]VSSr[]S[]V根据容许工后沉降r确定沉降速率卸载标准S，然后当实测沉降速率小于沉降[]V速率卸载标准S时便可进行卸载。（3）有效应力面积比法朱向荣于1988年对超载卸除后地基的残余变形进行了研究，结果表明超载卸除后土层的残余应变与卸载时土层的平均固结度及超载比有关。当固结度相同时，土层的残余应变随卸载量的增大而减小；当卸载量一定时，土层的残余应变随平均固结度的[44]提高而减小。为了消除永久性荷载下的固结与次固结变形，应将超载保持到固结与次固结变形等于使用荷载下的最终沉降，即当压缩土层的平均固结度达到下式要求时，才可以卸载。SSfscU（3.5）mSfs对于双面排水的粘土层，土层虽达到了平均固结度Ut，但土层中间部位相当大的一部分土体，在超载卸除后的使用荷载作用下，由于孔隙水压力没有消散，土层会继续固结，而靠近排水上下边界的土层则处于卸载状态。针对这一问题，超载不应卸除，直至土层中间部位固结度达到设计值。对于超载卸除后土体的变形特征，主要表现为：①卸载大小和卸载时间的影响。超载卸除将使土体次固结系数Ca减小，且卸载越大，Ca减小越大，土体发生次固结的时间越推迟。②超载卸除后土样的变形和时间关系。卸除后土体发生回胀变形，卸载越大，回胀变形越大。整个变形过程可分为三个阶段：卸载瞬间土样中产生负孔隙水压力，土36 长安大学硕士学位论文样吸水产生膨胀变形；当负孔压基本消散后，由于土颗粒蠕动土样继续产生次回胀变形；一定时间以后，土体次固结变形逐渐占主导地位，并且发生次固结的时间随卸载的增大而推迟，当卸载量足够大时，在很长时间内土样仍以回胀变形为主。③土的残余变形受有效应力面积比作用，有效应力面积比即卸载后土中总应力面积与卸载前土体中的有效应力面积之比。土体次固结系数及残余变形随有效应力面积比的减小而减小。根据有效应力原理，当持荷时间一定，土在超载作用下的有效应力也即卸载后的土体前期固结压力一定时，卸载越大，土的超固结比越大，土的有效应力面积比越小。当堆载与超载大小一定，则堆载与持荷时间越长，土的有效应力面积比越大，卸载后土的前期固结压力越大；由于使用荷载一定，则卸载后土的超固结比越大，也即卸载后土样的有效应力面积越小，但超固结比越大，次固结系数减小越多，发生次固结的时间也越迟。有效应力面积比可按潘秋元提出的计算式，表示为：使用荷载下地基中的总应力面积有效应力面积比R＝卸载前地基中达到的有效应力面积为了同时考虑超载卸除时地基平均固结度和超载比对地基残余变形的影响，以有效应力面积比R作为超载预压设计和卸载控制的标准。在路堤荷载作用下，当R=1时，土层将不会产生主固结变形，但仍会产生一定的次固结变形；当R<1时，在使用期，工后沉降很小，一般卸载控制标准为R0.75-0.80。参照固结度的概念，刘吉福提出了有效应力系数的概念，定义如下：()uutt0U（3.6）ef式中：为时路中线处平均总应力；为使用荷载下路中线处的平均总应力面积；tfu为时路中线处平均孔压；u为路中线处平均初始孔压。tf与固结度定义类似，有效应力系数与有效面积比成倒数关系。采用有效应力系数时，[U]1.25。e设预压时填土厚度为T，根据预压期观测资料可以计算求得预压荷载对应的H，利用式（3.7）可以计算求得使用荷载对应的填土厚度T：e37 第三章软土区域路基施工沉降控制技术HeTT（3.7）eH根据T、T可以计算求得路中线处的和：etfTK（3.8）tzTK（3.9）fez结合孔压观测资料，可以计算求得有效应力系数。通过计算使用荷载下的总应力面积和卸载前的有效应力面积，可以计算有效应力面积比，总应力等于附加应力与自重应力之和，附加应力可以利用附加应力与填土t高度z的关系式计算求得。此时可以计算有效应力系数，它与有效应力面积比成正比关系。地基规范还规定，卸载前受压土层的平均固结度必须达到80%以上。目前，对于地基土固结度还存在两种观点，即按地基沉降定义的平均固结度和按应力定义的平均固结度。3.3.4典型断面分析选择南堤路K0+180作为实例分析，《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96）规定，行车荷载对沉降的影响是很小的，可忽略不计。利用双曲线法对超载预压至2011年9月30日实测的沉降曲线进行拟合，得到超载后的最终沉降S为27.27cm。2520沉降15双曲线法/cmModelHyperbl10Equationy=P1*x/(P2+ReducedChi-0.52431沉降Adj.R-Square0.98867ValueStandardEr5沉降P127.2690.62197沉降P220.1331.680270-20020406080100120140时间/d图3.16双曲线法拟合最终沉降量38 长安大学硕士学位论文S27.2722.704.57cm30cmr此结果满足规范要求，可进行超载卸除。3.4小结本章通过天然软土的变形破坏机理的分析，认为软土地基的变形可以分为三个阶段，即弹性阶段、局部塑性变形阶段和剪切破坏阶段。同时，依据软土的变形机理提出了路堤填筑期沉降稳定的控制方法。关于软土路基的沉降控制，提出了超载预压控制技术，并对超载预压原理进行分析，提出了卸载控制方法及控制指标。最后，本章以天津滨海新区南港个工程路段的典型断面为例，对软土路基的沉降规律进行了分析验证，根据处治控制效果，对超载预压控制技术的处治效果进行了评价。39 第四章软土区域路基沉降预测第四章软土区域路基沉降预测4.1概述在软土地区修建高速公路一直是公路建设的一个重大技术课题。由于计算理论、数学模式的不同，各地软土性质的差异，以及勘察手段、施工工艺的差别，使软土地基路堤稳定和变形问题更为复杂和突出。多年的高速公路建设说明，软土地基路堤是公路建设问题集中地段，也是影响高速公路建设工期、造价和运营水平的重要因素。随着交通事业的发展，软土地区的高速公路不仅要求路堤稳定，而且对工后沉降有很高要求，特别是需要严格控制工后不均匀沉降量，为此国外各国都规定了相应的软土路堤工后沉降指标。根据国内资料介绍，美国对桥头引道规定容许差异沉降为12.7mm～25.4mm，路面容许沉降不作规定，一般路段工后沉降在0.30m～0.61m是容许的；法国要求桥头引道部分的容许工后沉降为3cm～5cm，一般路段为10cm；德国交通部1990年新颁布的《软弱地基上道路建设规范》规定，预压荷载的高度及作用时间必须保证，道路运营期由于堤身自重及行车荷载作用，不引起地基土的初期加荷。我国交通部颁《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96）中对高速公路路堤容许工后沉降（路面设计年限内残余沉降）作了如下规定：桥台与路堤相邻处不大于10cm，涵洞或箱型通道处不大于20cm，一般路段不大于30cm。从已建软土地区高速公路运行情况看，工后沉降较大，特别是存在“桥头跳车”现象，轻者影响车辆行车速度，严重的导致交通事故。因此，软土路堤由稳定控制转为稳定和变形共同控制，沉降的观测和预测成为控制软土地基沉降的重要工作。沉降观测是验证设计与指导施工的重要手段，沉降观测资料不仅可以用来控制软土地基的稳定性，更重要的是进行沉降预测，推算地基最终沉降量，计算工后沉降量以及计算沉降速率等，确定预压稳定后铺筑路面时间和验证设计是否正确合理。沉降预测能反映软土地基的实际沉降以及地面沉降对高速公路的影响程度。具体来说，沉降预测有实用上和科学上两方面的意义。实用上的意义是可以检查地面的稳定性，及时发现问题，以便采取措施；科学上的意义包括更好的理解沉降机理，建立正确的预报地基沉降理论和方法。因此，革新和改进软土地基沉降计算和预测的方法具有重大学术价值和社会效益。40 长安大学硕士学位论文预估路堤沉降的方法主要有两大类：一类是通过对地基的土样做试验来获取地基土的参数，选择合适的计算模型来计算地基的沉降量；另一类是通过对实测的沉降数据进行回归分析，以获得沉降规律，从而预测路堤的沉降量。对于前一种方法，由于土的本构关系和模型参数确定起来困难，在工程中很难采用。因此，如何通过实测沉降数据预测路堤后期沉降量和最终沉降量便成为工程技术人员关注的问题。目前该类基于曲线拟合的软土地基沉降预测方法主要有双曲线法、星野法、浅岗法、S型曲线法等。4.2基于曲线拟合的软土地基沉降预测4.2.1双曲线法①双曲线法预测地基沉降的原理双曲线法是一种经验推导法，沉降模式如图4.1所示，采用的假定为下沉平均速度以双曲线形式减少，其表达式用（4.1）表示：t填土高度（m）t=0时间（日）0S∞SS起点日沉降量（m）图4.1双曲线s-t关系曲线图41 第四章软土区域路基沉降预测)0-stt/(sθαt图4.2α、β参数值确定ttass（4.1）ta()tta式（4.1）可改写为式（4.2）：tta()ttassta（4.2）式（4.1）及（4.2）式中：tsa、a——拟合计算起始参考点的时间与沉降值；st、t——拟合曲线上任意点的时间与对应的沉降值；、——通过观测值求出的系数，化为直线时的截距与斜率，如图4.2所示；t经推导，当时，最终沉降量可按（4.3）进行计算：1ss（4.3）a双曲线法推算最终沉降值的过程中，为防止最终沉降推算值的偏差严重，需剔除反差的数据，因此对沉降观测时间提出一定的要求，观测时间不得小于半年，以确保有足够的实测资料。采用双曲线预测分析法，以南堤路断面为例进行沉降预测，预测最终沉降量结果如下：42 长安大学硕士学位论文0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10ModelHyperbl/cmEquationy=P1*x/(P2+ReducedChi-0.52431Adj.R-Squar0.98867-15ValueStandardErEP1-27.2690.62197累计沉降EP220.13321.68027-20-25图4.3南堤路K0+180断面沉降双曲线法预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofEModelHyperbl-10Equationy=P1*x/(P2/cmReducedChi0.41163Adj.R-Squar0.99289ValueStandardE-15EP1-28.3280.74859累计沉降EP226.8952.21503-20-25图4.4南堤路K1+100断面沉降双曲线法预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10ModelHyperblEquationy=P1*x/(P2+x/cmReducedChi-S0.80816Adj.R-Square0.98627ValueStandardErr-15EP1-29.40181.21061EP232.65663.85792累计沉降-20-25图4.5南堤路K1+300断面沉降双曲线法预测43 第四章软土区域路基沉降预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10ModelHyperbl/cmEquationy=P1*x/(P2ReducedChi-1.36296Adj.R-Squar0.97499-15ValueStandardEr累计沉降EP1-28.8971.20563EP221.5542.98585-20-25图4.6南堤路K1+500断面沉降双曲线法预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10ModelHyperbl/cmEquationy=P1*x/(P2+ReducedChi-0.84951-15Adj.R-Squar0.98475ValueStandardErEP1-29.5660.94425累计沉降EP221.2892.27134-20-25图4.7南堤路K1+700断面沉降双曲线法预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10ModelHyperbl/cmEquationy=P1*x/(P2+ReducedChi-0.88543-15Adj.R-Square0.98452ValueStandardErEP1-30.1221.02123累计沉降EP223.24752.52118-20-25图4.8南堤路K1+900断面沉降双曲线法预测44 长安大学硕士学位论文0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10ModelHyperblEquationy=P1*x/(P2+/cmReducedChi-1.67645Adj.R-Square0.9709-15ValueStandardErEP1-29.4601.26029EP219.47352.8473累计沉降-20-25图4.9南堤路K2+200断面沉降双曲线法预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10/cmModelHyperblEquationy=P1*x/(P2+ReducedChi-S0.9915Adj.R-Square0.97933-15ValueStandardErrEP1-26.91760.88502累计沉降EP216.69952.02573-20-25图4.10南堤路K2+400断面沉降双曲线法预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降-10HyperblFitofEModelHyperbl/cmEquationy=P1*x/(P2+ReducedChi-S1.56889-15Adj.R-Square0.97416ValueStandardErrEP1-30.39521.20265累计沉降EP219.04242.6038-20-25图4.11南堤路K2+600断面沉降双曲线法预测45 第四章软土区域路基沉降预测0020406080100120140160时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10/cmModelHyperblEquationy=P1*x/(P2+x)-15ReducedChi-Sq0.4669Adj.R-Square0.99006ValueStandardErrorEP1-27.37300.50271累计沉降EP216.951821.27057-20-25图4.12南堤路K2+750断面沉降双曲线法预测0020406080100120140时间/d-5累计沉降HyperblFitofE-10ModelHyperbl/cmEquationy=P1*x/(P2+ReducedChi-S1.2649-15Adj.R-Square0.9776ValueStandardErrEP1-29.61471.01873累计沉降EP219.41132.40997-20-25图4.13南堤路K2+900断面沉降双曲线法预测双曲线法沉降预测是基于非线性回归方法，为了衡量回归效果的好坏，引入一个数量指标：n~2()yyii2i1R1（4.4）n2()yyii1~2其中y为实测沉降值；y为实测沉降平均值；y为计算沉降值。R称为标准差，用ii2来衡量所配的曲线与沉降观测值拟合的好坏，它的平方根R称为相关系数。R和R愈大（愈接近1），则表明曲线回归效果愈好。由图4.3~图4.13可以看出，采用双曲线法预测最终沉降的标准差均不超过1.27，表明该方法有较好的拟合效果，并且随着沉降观测值的增多误差减小，预测的工后沉降46 长安大学硕士学位论文均满足规范要求高速公路一般路段主控制段工后沉降允许值不大于30cm的控制标准。4.2.2软土地基沉降全过程预测根据实测资料预测地基沉降常用的方法是假定地基沉降服从某种数学模型，利用实测数据样本动态的确定模型中的待定参数，从而预测未来的沉降量和最终沉降量。这类数学模型主要有两种：一是预测全过程的数学模型，有成长曲线模型、Weibull模型等；二是预测工后沉降的数学模型，以对数模型、双曲线模型为代表。成长曲线一般有逻辑斯蒂（Logisticcurve)曲线方程和龚帕斯（Gompertzcurve)曲线方程。10/m00100200300400500600700800填土高度-10时间填土高度-20沉降/cm沉降-30-40-50图4.14软土地基填土高度-沉降-时间图上图是一实测的典型的软土地基填土高度-沉降-时间图。由图中可以看出：沉降在初始阶段近似线性增加，这时主要发生瞬时沉降。在出现第一个拐点之后，随着填土高度的增加，沉降速率增加，这时主要发生主固结沉降。之后又出现一个拐点，沉降速率趋缓，逐渐趋于一个稳定的值，这个就是最终沉降，这一阶段主要发生的是次固结沉降。沉降曲线全过程成反“S”形。以往的沉降预测曲线大多不能反应这一特征，因而其预测效果有时也不尽如人意。逻辑斯缔曲（Logistic）为S型曲线，由德国数学家、生物学家P.F.Verhust于1837年在研究人口时得到的。在对软土地基沉降全过程进行拟合并预测最终沉降时，采用该曲线与传统双曲线法、浅岗法、对数曲线法等相比具有优势。Logistic曲线方程为：AA12SA（4.5）tp21(/)tt0SAAt式中，t为t时刻的累计沉降量；1、2、p、0为拟合参数。47 第四章软土区域路基沉降预测由其表达式可以看出，当t时，SA，即参数A为预测的最终沉降量。以22南堤路K0+180断面为例，分别采用双曲线以及Logistic曲线进行沉降预测，结果如下图所示。0020406080100120140时间/d-5沉降双曲线Logistic曲线-10/cm沉降-15-20-25图4.15采用双曲线及Logistic曲线对南堤路K0+180沉降预测图表4.1南堤路K0+180断面双曲线沉降预测ModelEquationy=P1*x/（P2+x）ReducedChi-Sqr0.52431Adj.R-Square0.98867ValueStandardErrorP1-27.269470.62197P220.133281.68027表4.2南堤路K0+180断面Logistic曲线沉降预测ModelLogisticy=A2+（A1-A2）（/1+Equation（x/x0）^p）ReducedChi-Sqr0.10097Adj.R-Square0.99782ValueStandardErrorA1-0.126230.31296A2-24.215630.31795x017.030930.55888p1.434320.06503EC206.47867EC5017.03093EC8044.770448 长安大学硕士学位论文由表4.1、表4.2可以看出，Logistic曲线对于软基沉降全过程预测具有更好的适用性。双曲线法预测的最终沉降量为-27.27cm，其的标准差为0.62197；Logistic曲线预测的最终沉降量为-24，22cm，其的标准差为0.31795。由图可以直观地看出，Logistic预测的最终沉降量更加准确。以下采用Logistic曲线，对南港六街前进道、港北路一期观测断面进行沉降全过程预测。①南港六街前进道观测断面软基沉降全过程预测0050100150200250300350累计沉降时间/d-1LogisticFitofEModelLogisticy=A2+(A1-A2)/(1Equation+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.00281-2Adj.R-Square0.99813ValueStandardError/cmEA1-0.02420.05015EA2-4.380930.04005Ex026.497860.70056-3Ep1.362050.04746EEC209.57604累计沉降EEC5026.49786EEC8073.32221-4-5图4.16南港六街前进道J2436.9断面沉降预测图0050100150200250300350累计沉降时间/d-1LogisticFitofEModelLogisticy=A2+(A1-A2)/(1Equation+(x/x0)^p)-2ReducedChi-Sqr0.00643Adj.R-Square0.9963/cmValueStandardErrorEA1-0.011440.07569EA2-4.74920.07404-3Ex030.764951.22188Ep1.280050.06569EEC2010.41636累计沉降EEC5030.76495EEC8090.86499-4-5图4.17南港六街前进道HQ11373.7断面沉降预测图49 第四章软土区域路基沉降预测0.0050100150200250300350-0.5累计沉降时间/dLogisticFitofE-1.0ModelLogisticy=A2+(A1-A2)/Equation-1.5(1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sq0.00238Adj.R-Square0.99815/cm-2.0ValueStandardErroEA1-0.034220.04467EA2-3.887590.03355-2.5Ex028.80900.69914Ep1.512760.05318累计沉降EEC2011.5223-3.0EEC5028.8090EEC8072.0305-3.5-4.0图4.18南港六街前进道HQ12386.7断面沉降预测图0050100150200250300350累计沉降时间/d-1LogisticFitofEModelLogisticy=A2+(A1-A2)/(Equation1+(x/x0)^p)/cmReducedChi-Sqr0.00471-2Adj.R-Square0.99711ValueStandardErrorEA10.025590.06623EA2-5.033010.11022Ex039.270182.01179累计沉降-3Ep1.02550.05109EEC2010.16188EEC5039.27018EEC80151.75802-4-5图4.19南港六街前进道HQ13380.4断面沉降预测图0.0050100150200250300350-0.5累计沉降时间/dLogisticFitofE-1.0ModelLogistic-1.5y=A2+(A1-A2)/(1Equation+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.00415/cm-2.0Adj.R-Square0.99665ValueStandardErrorEA1-0.052350.05987EA2-3.865990.03873-2.5Ex024.727280.7997Ep1.555250.07084累计沉降EEC2010.14055-3.0EEC5024.72728EEC8060.29636-3.5-4.0图4.20南港六街前进道HQ14437.3断面沉降预测图50 长安大学硕士学位论文图4.16~图4.20为采用Logistic曲线，对南港六街前进道的5个典型断面软基沉降进行了全过程预测。由图可以看出，Logistic曲线与实测沉降曲线拟合的效果非常好，最终沉降预测值的标准差均小于0.12，大部分仅为0.03~0.04左右。②港北路一期观测断面软基沉降全过程预测0.00100200300400累计沉降时间/d-0.5LogisticFitofEModelLogistic-1.0y=A2+(A1-A2)/(Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.02264Adj.R-Square0.97015/cmValueStandardError-1.5EA1-0.089850.13432EA2-3.773470.45026Ex096.8832224.92985Ep0.986840.17584-2.0EEC2023.77723累计沉降EEC5096.88322EEC80394.76258-2.5-3.0图4.21港北路一期K0+420断面沉降预测图0.00100200300400时间/d-0.5累计沉降LogisticFitofE-1.0ModelLogisticy=A2+(A1-A2)/(Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.02269-1.5Adj.R-Square0.97909ValueStandardError/cmEA1-0.055480.12502EA2-4.275030.41623-2.0Ex0106.206419.46577Ep1.120780.16893EEC2030.82988EEC50106.2064累计沉降-2.5EEC80365.8723-3.0-3.5图4.22港北路一期K0+620断面沉降预测图51 第四章软土区域路基沉降预测0.00100200300400-0.5累计沉降时间/dLogisticFitofE-1.0ModelLogisticy=A2+(A1-A2)/(Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.02397Adj.R-Square0.9731-1.5ValueStandardError/cmEA1-0.118020.1344EA2-3.829740.35984Ex084.1384216.15799-2.0Ep1.080630.1759EEC2023.327EEC5084.13842累计沉降EEC80303.47982-2.5-3.0-3.5图4.23港北路一期K0+812断面沉降预测图0.00100200300400-0.5累计沉降时间/dLogisticFitofEModelLogistic-1.0y=A2+(A1-A2)/(Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.0129Adj.R-Square0.98457ValueStandardError-1.5/cmEA1-0.152640.08861EA2-3.625230.25623Ex0101.0470712.69847Ep1.252280.15801-2.0EEC2033.40042EEC50101.04707EEC80305.70008累计沉降-2.5-3.0-3.5图4.24港北路一期K0+820断面沉降预测图0.00100200300400累计沉降时间/d-0.5LogisticFitofEModelLogistic-1.0y=A2+(A1-A2)/(Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.01159Adj.R-Square0.98658ValueStandardError/cm-1.5EA1-0.093450.08544EA2-3.330110.16596Ex073.159396.68493Ep1.324630.14361-2.0EEC2025.68974累计沉降EEC5073.15939EEC80208.34372-2.5-3.0图4.25港北路一期K0+828断面沉降预测图52 长安大学硕士学位论文0.00100200300400累计沉降时间/d-0.5LogisticFitofEModelLogisticy=A2+(A1-A2)/(-1.0Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.00622Adj.R-Square0.99128ValueStandardError/cm-1.5EA1-0.039840.06894EA2-3.483730.20415Ex090.4557210.78026Ep1.047970.09819-2.0EEC2024.09544EEC5090.45572累计沉降EEC80339.57618-2.5-3.0图4.26港北路一期K1+070断面沉降预测图0.00100200300400时间/d累计沉降-0.5LogisticFitofEModelLogistic-1.0y=A2+(A1-A2)/(Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.01436Adj.R-Square0.9783/cmValueStandardError-1.5EA1-0.042230.10971EA2-3.361020.28738Ex073.5278514.08678Ep0.976360.13973EEC2017.77528累计沉降-2.0EEC5073.52785EEC80304.1497-2.5-3.0图4.27港北路一期K1+540断面沉降预测图0.00100200300400累计沉降时间/d-0.5LogisticFitofEModelLogisticy=A2+(A1-A2)/(-1.0Equation1+(x/x0)^p)ReducedChi-Sqr0.02264Adj.R-Square0.97015ValueStandardError/cm-1.5EA1-0.089850.13432EA2-3.773470.45026Ex096.8832224.92985Ep0.986840.17584EEC2023.77723-2.0EEC5096.88322累计沉降EEC80394.76258-2.5-3.0图4.28港北路一期K1+790断面沉降预测图53 第四章软土区域路基沉降预测采用Logistic曲线对港北路一期典型监测断面进行了软基沉降全过程预测，如上图4.21~图4.28所示。从图中可以看出，绝大部分断面最终沉降预测值的标准差均小于0.2，个别断面的最终沉降预测值的标准差相对稍大，但也小于0.5。分析主要由以下原因造成：这些断面在沉降趋缓阶段的监测频率不够，监测点较少。前期的监测频率较大，而沉降曲线缓和段（次固结沉降阶段）中监测点很少，这使得曲线拟合是，因为采用最小二乘法拟合，导致预测的最大沉降值的标准差稍大。但总体拟合效果仍较理想。由此也可以得到结论：Logistic曲线与其他曲线拟合方法一样，监测频率以及监测期对其预测效果有较大影响。这一点是在软土地基监测中应当特别注意的。4.2.3公路软土地基沉降计算及沉降系数软土地基处理方案取决于沉降计算和稳定计算的结果，取决于经济、工期、技术发展和施工水平等诸多因素。一般应根据当地的地质特点、材料来源等条件，按照业主的要求选取经济合理的处理方案。在软基设计工作中要进行大量的沉降计算工作，以使地基的变形不影响高速公路的使用。沉降系数是沉降计算的修正系数，是指在原沉降计算的基础上略加修正，以弥补计算参数的不足，使计算结果更加接近实际。但是以往的沉降计算中，对沉降系数取值相对比较粗糙，因人而异，因经验而异，往往有一定随意性（相对于其他参数一般都是经过土工试验确定的）。沉降计算作为软基施工处理设计的重要依据。需对其沉降量进行计算，目前常用的方法仍为半理论半经验法，其基本思路为首先采用分层总和法理论计算主固结沉降量（Sc），其中分层总和法的参数只能采用压缩试验资料e-p曲线或压缩模量Es，通过经验进行计算，然后通过求解得到的主固结沉降量（Sc）和结合沉降系数（ms）对最终沉降量（S）进行计算。（1）计算主固结沉降量（Sc）——分层总和法1）采用e-p曲线对固结沉降量（Sc）进行理论计算：nee01iiShci（4.6）i11e0i式中：Sc——固结沉降量；n——设计压缩范围内土层层数；e0i——自重荷载下各分层的稳定孔隙比；54 长安大学硕士学位论文e1i——自重荷载和附加荷载下各分层的稳定孔隙比；hi——各分层的初始厚度。2）采用压缩模量对固结沉降量（Sc）进行计算n1Scphii（4.7）i1Esi式中：E——各分层的压缩模量；sip——各分层中点处的附加应力。i（2）采用求解得到的沉降系数（ms）与主固结沉降量（Sc）计算最终沉降量（S）SmS（4.8）sc沉降系数实际上是沉降计算的修正系数，是为了使沉降计算结果更加符合实际而采用的一个经验系数。在沉降计算中有两个问题与实际不符，其一，室内固结试验是在环刀内的土样，是有侧限压力的，而实际路堤荷载下的地基是无侧限压力的，所以实际沉降应大于试验值；其二，根据分析，现沉降的过程包括瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三个阶段。而最终沉降量（S）主要由瞬时沉降S、主固结沉降S和次固结沉降Sdcs三部分组成，即：SSSS。限于室内试验的条件限制，固结试验的最终读数只包括dcs了瞬时沉降、主固结沉降和一部分次固结沉降，尚剩余大部分次固结沉降没有测出。鉴于以上原因，沉降计算需要采用沉降系数去进行修正。（2）采用应力面积法理论计算主固结沉降量（Sc）1）根据建筑地基基础设计规范(GB50007)计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论。其最终变形量可按下式进行计算：np0SmsScms(ziizi1i1)i1Esi(4.9)S式中：——地基最终变形量（mm）；Sc——按分层总和法计算出的地基变形量（mm）；ms——沉降计算经验系数55 第四章软土区域路基沉降预测n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数（图6.27）；p0——相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力(kPa)；Esi——基础底面下第i层土的压缩模量（MPa），应取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算；zi、zi-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；i、i1——基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，可按本规范附录K采用。我国《公路软土地基路堤设计与施工技术规范JTJ017-96》中认为：“沉降系数为一经验系数，应根据现场沉降观测资料确定。它的大小与地质条件、荷载强度、加荷速度等因素的影响，在不同条件下大小不同，一般为1.1～1.7，具体应用时要根据现场情况取值计算。”我国的规范中的地基沉降系数是一个范围，并没有一个确定的值，很难确定和衡量其精度，具有很大的随意性。4.3公路软土地基沉降系数的确定4.3.1沉降系数影响因素分析在软土地区路基工程中，沉降系数的影响因素包括填土的高度(H)、容重()、工程施工速率(V)、采用的地基处理类型方法(N)、软土层的厚度(h)、强度及渗透固结性1质(Y)以及硬壳层厚度(h)等，可用下式表示：2mf(H,,V,N,h,h,Y)（4.10）s12这些影响因素可以概括为两类：荷载和地基。其中路堤高度及填土密度，填土施工速率属于荷载方面；而软土的强度及渗透固结性质，以及改变地基土性的地下处理类型，[74-76]软土层厚度及位置，硬壳层的应力扩散作用等则归属于地基方面的影响因素。。沉降系数的计算分析中，瞬时沉降S可按一种简单的弹性变形进行考虑，日本《软d土地盘路堤设计》中提出瞬时沉降可按下式计算：SAH（4.11）d56 长安大学硕士学位论文式中：A——地基的瞬时沉降系数，AE12.40.44，E——按无侧限抗压强度ququ试验得到的变形模量的地基瞬时沉降系数加权平均值；——填土的容重；H——填土的高度。式（4.9）中A反映了受地质条件影响的系数。虽然式中表示土的变形模量越大，其瞬时沉降越小。但是，该式中并没有反映出软土层的位置对沉降系数的影响。在荷载的作用下，地基中的附加应力随深度的增大逐渐减小，其瞬时沉降大多只出现在软弱层。因此，对于同样厚度的软土层而言，只有考虑硬壳层的作用，才能对分析表层的软土与深层软土不同的瞬时沉降进行研究。在实际工程中，”硬壳层”是指强度稍高的覆盖在软土层之上的表层，在没有破坏的情况下可表现出一定的应力扩散，同时，随着硬壳层厚度的增大，其应力扩散作用越明显。除此之外，硬壳层的存在还会降低地基土承受的附加应力，沉降系数，进一步减小地基的沉降。根据工程经验，较厚硬壳层低路基的沉降系数有可能小于1，其厚度在还可以用以判断软土层的位置，对软土层进行分类。结合上述分析，各种因素对ms影响见表4.3。表4.3沉降系数的影响因素评价影响因素因素变化ms的变化趋势填土高度随着高度的增加增大填土密度随着密度的增加增大填土速率随着速率的增快增大地基处理类型单纯预压类→竖向排水体类→复合地基类→挤密桩类减小硬壳层随着硬壳层厚度的增加减小软土厚度随着软土层厚度的增加减小软土强度随着强度的增加减小4.3.2公路软土沉降系数公式沉降系数计算公式的研究主要通过对实测数据的整理推导求得，其中还需要结合其他的研究理论。中交第一公路勘察设计研究院张留俊等根据京津塘高速公路软基试验工程实测沉降系数，参考塘沽和国内其它工程的资料及经验，通过对沉降系数与各影响因素的一般关系的总结，得到了沉降系数综合计算公式：0.70.2m0.123(HVH)Y（4.12）s式中：H——填土的高度（m）；57 第四章软土区域路基沉降预测——地基处理类型差异系数（取值见表4.4）；V——填土速率不同的修正系数（取值见表4.5）；Y——地质条件影响的修正系数（取值见表4.6）；3——路堤填土的密度（kN/m）。表4.4地基处理类型修正值（θ）地基处理类型挤密砂桩类砂井类无地下处理修正值0.700.951.10表4.5填土速率修正值（V）分期加载一般填土快速填土速率填土速率或速率<0.02m/d速率在0.02～0.07m/d之间>0.07m/d修正值V0.0050.0250.05表4.6地质因素修正值（Y）地质因素修正值Y软土层中夹有明显的排水层－0.1软土层中没有明显的排水层0>25Kpa－0.1软土层平均不排水强度<25kPa0>5m0软土层厚度3～5m-0.05<3m-0.1<2.5m02.5～5.0m-0.1硬壳层厚度5.0～7.0m-0.2>7.0m-0.3与表4.4相比，表4.7对地基处理类型进行了补充。表4.7补充后的地基处理类型修正值（θ）地基处理类型挤密桩类复合地基类竖向排水体类单纯预压类修正值θ0.70～0.850.85～0.950.95～1.101.10地质因素修正值中，表4.5中没有考虑不同类型软土的不同工程性质。新的《公路软土地基路堤设计与施工技术指南》中对软土的分类提出了新的划分标准，与表4.5相比较，软土可按其成因类型、物理力学与化学性质等指标进行细分，分为软弱土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土和泥炭，软土的不同划分进而会影响地基类型的修正值，软土厚58 长安大学硕士学位论文度、密度以及硬壳厚度的修正值，调整后的修正值见表4.8。表4.8改进的地质因素修正值（Y）地质因素修正值Y软弱土类孔隙比<1.0一般取-0.2（饱和黄土取-0.25）一般淤泥质土孔隙比1.0～1.5-0.05淤泥孔隙比1.5～3.00泥炭土类孔隙比>3.0+0.2>8m0软土层厚度3～8m-0.05<3m-0.1<0.5m00.5～3.0m-0.1硬壳层厚度3.0～5.0m-0.15>5.0m-0.20由式（4.10）可知，ms的确定要综合各种因素条件的组合与各因素的相互作用。这就导致ms值的不确定性，很难从大量实测资料推导或者求解出其相应的表达式。虽然ms的取值虽然不确定，但其值的一般为1.1～1.7之间，在某些特殊情况下，其精度控制在±0.05范围内就能够满足要求。因此，对于某特定的地区，通过对地质条件进行修正，并选定标准地层，找出ms与其它因素的相关对应关系，就可求得该地区的一个近似值。4.4试验工程沉降系数计算值与实测值比较可得：Sm（4.13）sSc由公式（4.13）中可知，要计算沉降系数，必须求出地基的最终沉降量和主固结沉降量。其中地基最终沉降量可以由实测沉降资料通过曲线拟合得到，主固结沉降按实测地质资料利用分层总和法计算得出。根据天津市南港工业区开发有限公司南港工业区南堤路工程岩土勘察报告，选取6号钻孔土体运用应力面积法进行地基沉降计算。1．基底附加应力认为地基受到条形荷载影响，根据南堤路路面设计规划图，路面宽度为60m，坡度59 第四章软土区域路基沉降预测为1:1.5，地基所承受的上部荷载为2．确定平均附加应力系数i已知路面宽度，坡度及上部填土高度，故可求出基础宽度B=66m。由于L/B≥10，所以运用平均附加应力系数图表可以查出相应位置的平均附加应力系数表4.8平均附加应力系数计算值zz/b1.31.30.0196970.99932.61.30.0393940.99863.610.0545450.998262.40.0909090.9968515.49.40.2333330.9885182.60.2727270.982520.42.40.3090910.9765243.60.3636360.9692840.4242420.95529.51.50.4454550.952425首先确定沉降深度zn，根据公路软土地基路堤设计与施工技术规范，当基底宽度B>15m时，Δz取1.5m。根据所确定的平均附加应力系数，计算路基中心点的最终沉降，计算结果如下表：表4.9应力面积法计算最终沉降zEsi(m）MPa(m)(mm)(mm)1.31.30.99931.301.299094.210.8311.442.61.30.99862.601.297274.210.8122.253.610.99823.590.997162.315.1737.4262.40.99685.982.387582.336.3373.7615.49.40.988515.229.24183.689.85163.61182.60.982517.692.46214.618.73182.3420.42.40.976519.922.23565.514.23196.57243.60.96923.263.33546.817.17213.742840.95526.743.484206.10219.8329.51.50.952428.001.2612202.21222.04上表中z=29.5m时，深度范围内的计算沉降量为222.04mm，相对于28-29.5m深度范围内（按规范取Δz=1.5m）土层计算沉降量为2.21mm<0.025×222.04mm，满足要求，故沉降计算为29.5m。60 长安大学硕士学位论文=222.04mm=22.2cm根据公式sms，计算得到经验系数mscs表4.10地基最终沉降及经验系数K0+K1+K1+K1+K1+K1+K2+K2+编号180100300500700900200400最终沉24.1725.4030.4924.4425.7325.8824.8823.37降Sm1.11.11.41.11.21.21.11.1sK2+K2+K2+K3+K3+K3+K3+K3+编号600750900100300500700900最终沉25.9924.9025.5826.0925.4926.2326.1926.71降Sm1.21.11.21.21.11.21.21.2s根据中交第一公路勘察设计研究院张留俊等根据京津塘高速公路软基试验工程实测沉降系数得出的沉降系数的综合计算公式：0.70.2m0.123(HVH)Ys进行计算根据《高等级公路软土地基路堤设计与施工技术》当基础底面附加应力po≤0.6MPa，。故可以选用地基沉降系数进行设计计算。61 第六章结论与建议第五章结论与建议5.1主要结论软土广泛分布在我国东南沿海、环渤海和部分内陆地区，这些地区的许多工业与民用建筑、公路、铁路、港口码头和水利等工程常常不得不兴建在软粘土地基上。因此。由于软土地基压缩性高，固结变形持续时间长，所以在工程设计中软土地基沉降量、沉降速率的预测及处治方法是工程设计的关键。本文结合天津滨海新区南港工程部分断面沉降观测数据，对软土地基的沉降机理及其发展规律以及沉降量的预测方法等进行了探讨，取得了如下主要成果：1.通过对国内外关于软土区域沉降的研究现状的总结分析，阐述了天然软土的变形破坏机理，提出了从弹塑性力学角度出发，天然软土沉降变形的三个阶段：弹性变形阶段、局部塑性变形阶段及剪切破坏阶段。并结合变形机理，以工程典型断面为例，采用荷载与沉降速率曲线拐点分析法分析了该软土区域的沉降变形规律，认为随着填土高度的增加，沉降速率逐渐减小；在填土高度超过2m以后，绝大部分施工期沉降已经完成。后续沉降很小，沉降速率迅速减小。2.阐述了超载预压处治软土地基的原理及方法，并利用双曲线法对超载实测沉降曲线的拟合，验证了预压处治方法的有效应力系数，得出有效应力面积成正比关系。3.采用双曲线预测了软土地基的最终沉降，并得到了较好的拟合效果，并且随着沉降观测值的增多误差减小。4.软土地基沉降在初始阶段近似线性增加，这时主要发生瞬时沉降。在出现第一个拐点之后，随着填土高度的增加，沉降速率增加，这时主要发生主固结沉降。之后又出现一个拐点，沉降速率趋缓，逐渐趋于一个稳定的值，这个就是最终沉降，这一阶段主要发生的是次固结沉降。沉降曲线全过程成反”S”形。5.结合工程实际，按沉降系数公式计算得到的沉降系数要大于反算所得的沉降系数，由于偏大的数值对工程来说是偏于安全的，所以在设计中采用沉降系数公式计算所得的沉降系数是可行的。5.2进一步工作建议62 长安大学硕士学位论文建议对依托工程工后沉降变形进行长期观测，并与类似的地基土监测成果进行对比分析，同时收集全国范围其它地区软土区域路基沉降相关数据和分析资料，在此基础上修改和总结软土区域路基土沉降施工技术和监控量测技术，及变形控制指标。63 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致谢致谢在本毕业设计论文即将完成之际，我想对所有曾经给过我帮助和支持的人们表示衷心的感谢。首先要感谢的是养育我的父母，他们给了我无私的爱，我深知他们为我求学和生活所付出的巨大的牺牲和努力，至今我一直无以为报，在这里仅表达我对他们的深深地思念和感恩。感谢我的导师杜秦文，他在学习和工作方面给了我大量的指导，让我学到了很多知识，获得了实践锻炼的机会。他对我的严格要求以及为人的诚恳都将使我终身受益。除此之外，还对我的生活给予关怀，使我可以顺利的完成在校外的毕业设计任务，在此祝愿他身体健康，全家幸福！感谢一起来实习的同事们，他们在我第一次参加实际项目开发过程中给了我莫大的帮助和鼓励。感谢在学校的和同样在外面实习的同学一直以来对我的关心和帮助，他们是我学习、工作和生活上的伙伴，也是面对困难和挑战时的战友。感谢长安大学的老师们，谢谢他们这三年来对我的教育，让我懂得了如何做事，更让我明白了如何做人。我的同学们，感谢他们在大学期间在学习和生活上给予我的帮助。还有很多我无法一一列举姓名的师长和友人给了我指导和帮助，在此也一并表示衷心的感谢，他们的名字我一直铭记在心！最后，衷心的感谢在百忙之中抽出时间审阅论文的专家教授老师。69