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高填方路堤工后沉降监测试验研究.pdf

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第34卷第3期公路交通科技Vol.34No.32017年3月JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentMar.2017doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2017.03.003高填方路堤工后沉降监测试验研究贾亮,贺世开,朱彦鹏,郭健(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050)摘要:为探讨高填方路堤在自重应力和汽车荷载作用下的工后沉降,在兰永一级公路某高填方路堤进行了工后沉降现场监测,分别在行车道和路肩位置布置单点沉降计,监测了工后沉降变化情况,分析了高填方路堤沉降随时间和空间的变化规律。以填方路基工后沉降原位监测结果为基础,探讨了高填方路基工后沉降预测回归模型。研究结果表明:路肩位置沉降大于行车道位置沉降;路基沉降随时间增加而增大,高填方路堤填筑结束1a后沉降趋于稳定;汽车荷载作用下路堤沉降不会出现较大的增长趋势;对数模型能较真实地反映高填方路基的工后沉降规律。关键词:道路工程;工后沉降;试验研究;高填方路堤中图分类号:U416.1文献标识码:A文章编号:1002-0268(2017)03-0015-05ExperimentalStudyonMonitoringofPost-constructionSettlementofHigh-filledEmbankmentJIALiang,HEShi-kai,ZHUYan-peng,GUOJian(SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,LanzhouGansu730050,China)Abstract:Toexplorethepost-constructionsettlementofhigh-filledembankmentundertheactionofselfweightstressandvehicleload,thepost-constructionsettlementofahigh-filledembankmentofLanzhou-Yongjingfirstgradehighwayismonitoredonsite.Single-pointsettlementmeterisembeddedinthedrivewayandshoulderposition,andthepost-constructionsettlementismonitored.Theregularitiesofthesettlementvaryingwithtimeandspaceareanalyzed.Basedonthein-situmonitoringdataofpost-constructionsettlementofthefilledembankment,someregressivemodelsforpredictingthepost-constructionsettlementarediscussed.Theresultshowsthat(1)thesettlementofshoulderpositionisgreaterthanthatofdrivewayposition;(2)thesettlementofembankmentincreaseswithtimegoing,thesettlementofhigh-filledembankmenttendstobestableoneyearafterfilling;(3)undertheactionofvehicleload,thesettlementoftheembankmentwillnothasabiggrowth;(4)logarithmmodelcandisclosetheregularityofthepost-constructionsettlementofhigh-filledembankment.Keywords:roadengineering;post-constructionsettlement;experimentresearch;high-filledembankment国内学者从现场监测、试验研究、沉降预测方0引言[1]面开展了高填方路基沉降的研究。冯忠居等依托路基是道路结构的基础,路基的稳定和变形控某高填方路堤工程,现场测试了原地表沉降量、分[2]制是确保汽车快速、安全、舒适运行的前提。对高层沉降量和地表水平位移。景宏君等采用离心模填方路堤,不仅要求施工中的安全可靠和竣工运营型试验,研究了黄土高路堤沉降沿其高度、路线纵[3]后的稳定,而且需要严格控制工后沉降,否则会出向和横断面方向的变化规律。黄涛等对强夯结合现局部路段的沉降过大,导致路基路面病害的发生。碾压控制高填方沉降机理进行了试验分析。匡希龙收稿日期:2016-05-19基金项目:国家自然科学基金项目(51568044);甘肃省交通厅建设科技项目(2013-0613)作者简介:贾亮(1978-),男,甘肃会宁人,博士,副教授.(jialiang1949@163.com) 16公路交通科技第34卷[4]等提出用龚帕斯曲线法预测高填方路基的工后沉的稳定性分析及通车运营期的安全性分析提供基础[5]降。景宏君等提出高路堤工后最终沉降量可采用数据。[6]灰色预测模型反映不均匀沉降趋势。王瑞甫等提1工程及地质条件出了基于改进D-P弹塑性的地基模型沉降计算理[7]论。肖衡林等以实测沉降数据为基础,得出时间1.1地质条件模型与泊松模型能较好地模拟沉降实测数据的结论。本试验段主要为残坡积地层,成份为黏性土及卵[8]王丽琴等提出了预测黄土路堤工后沉降的新模型。砾石,地层分布有:(1)黄土:厚度7.2~13.6m,[9]郑建国等提出了适用于黄土路基沉降预测的方法。浅黄色,土质较均匀,干燥~稍湿,含砂量较高,[10]刘奉银等采用层重固结法、层重未固结法得出黄主要以粉粒组成,可塑,Ⅱ级自重湿陷黄土。(2)[11]土高填方路堤最终沉降计算方法。孙笑等得到了黄土:厚度4.5~5.1m,浅红色,稍湿,土质较[12]典型断面高填方沉降变形规律。刘赪炜等提出了均匀,含砂量较高,黏粒含量高,硬塑。(3)卵一种适用于工程应用的半数值半解析方法。李华石:厚度2~4.6m,黄褐色~青灰色,分选性差,[13]等模拟了不同压实度对高填方路基沉降的影响。磨圆度较好,骨架成份以变质砂岩碎屑组成,粒径[14]吴国雄等分析了V形冲沟特有地形条件对超高路2~10cm,含量约占50%,最大粒径可见20cm,[15-16]堤变形的影响。吕庆等对高填方路堤工后沉降细砂及少量土充填。(4)泥岩:未见底,紫红色,做出了预测。中厚层状构造,泥质结构,成岩性好,泥质和钙质在兰州至永靖沿黄河一级公路高填方路基桩号胶结,岩芯断面新鲜,软硬不均匀,暴晒易龟裂,K24+400~405段布置单点沉降计,对高填方路堤岩芯呈短柱状。各层土体物理力学性质见表1。沉降进行长期监测,并对兰永一级公路路堤施工中表1各层土体物理力学参数表(平均值)Tab.1Physical-mechanicalparametersofeachlayersoil(average)压缩系数/压缩模量/承载力特层号土层名称层厚/m含水率/%重度/(kN·m-3标贯击数)孔隙比-1MPa征值/kPaMPa1黄土10.48.514.10.960.216.271502黄土4.816.514.90.890.237.681803卵石3.32124.81.15——194004泥岩未见底—25.3———>506001.2工程条件2数据采集及试验设备现场埋设情况兰永一级公路桩号K24+160~K25+838属于填2.1试验设备及现场埋设情况方路基,选择在最高填方桩号K24+400~405段布沉降设备采用单点沉降计。单点沉降计具有对土置沉降监测设施。该段路堤最大填高18.3m,路质要求低、外界干扰少、可手动也可自动采集等优基右侧为陡峻山坡,左侧为泄洪河沟,路基横断点。项目主要测试设备及型号为:沉降计用量程面为半填半挖路基。工程设计中按照挖方土体就200mm智能型JMDL-4720A、全密封标配机箱16点近利用原则,开挖的土方用作填方,不足填土就JMBV-1116综合采集模块、16通道JMZX-16ADTU近利用恐龙湾隧道开挖的卵砾石材料。从原地面手机上CMNET传输网模块、DSC测试系统软件JMZX-到路堤顶面具体填料为:原地面~12.3m为黄2007-1。用单点沉降计分别在左幅路基行车道和左路土,12.3~16.1m为砂卵石,16.1m~路基顶面肩处沿道路纵向不同深度布置两列监测点,具体沉降为卵砾石。计布置如图1所示,编号和埋置深度如表2所示。表2单点沉降计编号及埋置深度Tab.2Numbersandembeddeddepthsofsingle-pointsettlementmeters路肩622730622704622751622742622764622762单点沉降计编号行车道622724622674622680622736622723622701埋置深度/m369121518 第3期贾亮,等:高填方路堤工后沉降监测试验研究17图2路肩分层沉降与时间的关系Fig.2Relationshipbetweensettlementatdepthundershoulderpositionandtime图1单点沉降计布置示意图Fig.1Layoutofsingle-pointsettlementmeters图3行车道分层沉降与时间的关系2.2试验数据采集Fig.3Relationshipbetweensettlementatdepthunderdrivewaypositionandtime由于施工场地所限,沉降数据采集线临时设在月中旬以后路堤沉降趋于稳定。高填方路堤沉降监路堤表层土体中,大约每月到现场1次挖出数据线测19个月后,得到路肩位置顶面最大沉降量手动采集数据。中央分隔带位置放线确定后,在中51.02mm,行车道位置顶面最大沉降量36.71mm。央分隔带位置安放自动采集设备,通过CMNET无线3.2结果分析传输网自动采集数据,对路堤的沉降及稳定性作长(1)布置沉降监测设施的道路断面为半填半挖期观测,获取第一手可靠资料,为我省以后公路建路基,且填方地面横坡较陡,受原地形影响,填方设中高填方路堤沉降研究提供基础数据。路基会发生水平位移。由图1可知,路肩比行车道3试验结果与分析位置填方路基的水平位移大,较大的水平位移导致[17-8]路基出现较大的竖向沉降;同时路肩的填方厚3.1试验结果度大于行车道,较大填土厚度工后沉降较大,因而埋设沉降计后,2014年8月24日至2015年6路肩位置的沉降大于行车道位置的沉降。月30日,约每月到现场手动采集数据1次。2015年(2)兰永线是兰州市区到永靖县(刘家峡)的旅6月30日安装自动采集设备后,用自动采集系统采游线路,通行车辆以小型汽车为主,基本没有重型车辆,集数据。路肩位置分层沉降与时间的关系如图2所荷载相对较小。通车后车辆荷载对高填方路堤沉降的影示,行车道位置分层沉降与时间的关系如图3所示。响很小,路基的分层沉降没有出现明显的增大趋势。由图2、图3可知,路肩位置沉降大于行车道位(3)2015年12月至次年2月中旬,路堤不但没置沉降。路肩位置表面沉降相对较大,且一直呈现有出现沉降现象,反而出现缓慢升高现象,主要是由较大的增长趋势,其他位置沉降增加速度较慢。路于兰永线位于季节性冻土地区,路堤出现了冻胀导致基施工结束1a后沉降基本趋于稳定。2015年10月轻微的抬升。虽然路面结构设计中要进行防冻厚度验1日道路通车后,路基在车辆荷载作用下沉降没有出算,但从沉降实测数据发现路堤出现了轻微的冻胀。现较明显的增大趋势。道路竣工后第1年12月到次年2月中旬,路堤不但没有出现沉降现象,反而出4沉降理论分析结果与实测结果比较现了抬升,最大升高值出现在路肩位置的顶面,2月4.1沉降理论分析模型中旬升高达到峰值3mm,2月中旬路堤开始沉降,4高填方路基沉降理论模型主要有指数模型、 18公路交通科技第34卷双曲线模型、3点法幂函数模型、平方根模型、测最终路基的沉降量,进行预测值与实测值的对数模型及《建筑地基基础设计规范》分层综合对比。[9,16]模型等。大量实践证明,规范法采用的系数4.2理论结果与实测结果对比[10]偏大,故计算值均大于实测值。根据现场实际取路肩和行车道监测点工后沉降观测数据进行结果,采用指数模型、双曲线模型、3点法幂函回归分析,以最终(2016年5月5日)沉降量为例数模型、平方根模型及对数模型进行数据拟合预对比理论结果与实测结果,如表3、表4所示。表3路肩监测点工后沉降回归分析Tab.3Regressiveanalysisofpost-constructionsettlementofshouldermeasuringpoint对数模型指数模型幂函数模型平方根模型双曲线模型深度/m实测值/mm预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%15-21.74-22.664.23-22.161.93-23.568.37-20.96-3.59-22.091.6112-24.25-24.862.51-24.280.12-25.475.03-22.55-7.01-25.625.659-29.53-30.613.66-29.13-1.35-31.657.18-31.717.38-28.13-4.746-34.02-34.451.26-34.581.65-34.972.79-37.389.88-35.935.613-39.60-40.833.10-39.920.81-37.39-5.58-40.111.29-42.076.240-51.02-50.66-0.71-52.062.04-54.797.39-48.17-5.59-52.312.53表4行车道监测点工后沉降回归分析Tab.4Regressiveanalysisofpost-constructionsettlementofdrivewaymeasuringpoint对数模型指数模型幂函数模型平方根模型双曲线模型深度/m实测值/mm预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%预测值/mm误差/%15-18.03-17.32-3.94-18.221.05-18.422.16-19.025.49-19.105.9312-19.42-19.661.24-19.18-1.24-20.857.36-21.239.32-20.123.609-21.90-22.542.92-22.392.24-20.75-5.25-20.45-6.62-21.30-2.746-25.38-26.454.22-24.90-1.89-27.478.23-26.745.36-26.554.613-31.98-33.153.66-32.611.97-34.026.38-34.909.13-33.655.220-36.71-35.48-3.35-36.66-0.14-35.78-2.53-38.264.22-38.374.52从表3和表4可知,各回归参数模型最终沉降双曲线模型和对数模型中,对数模型能较好地反映量与观测值比较接近,其中指数模型的预测误差最高填方路基的工后沉降规律。小,最大误差仅为2.24%,对数模型和双曲线模型参考文献:次之,最大误差分别为4.23%和6.24%,幂函数模References:型和平方根模型预测误差稍大,分别为8.37%和9.88%,说明指数模型相比其他模型能较好地反映[1]冯忠居,曹文海.软弱地基上高填方路堤沉降观测及兰永线工程高填方路基的工后沉降规律。数值分析[J].兰州理工大学学报,2013,39(2):491-496.5结论FENGZhong-ju,CAOWen-hai.ObservationandNumericalAnalysisofSettlementofHighFilled(1)半填半挖高填方路堤沉降随时间增加而增EmbankmentonSoftSubgrade[J].JournalofLanzhou大,且填方高度较大的路肩位置沉降大于行车道位UniversityofTechnology,2013,39(2):491-496.置沉降。[2]景宏君,胡长顺,王秉纲.黄土高路堤沉降变形规律(2)高填方路堤沉降稳定时间较长,路堤填筑研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(增2):结束1年后沉降速率变小。5845-5850.(3)高填方路堤沉降监测19个月后,路肩位置JINGHong-jun,HUChang-shun,WANGBing-gang.路堤顶面最大沉降量为51.02mm,行车道位置路堤StudyonSettlementandDeformationLawsofHighLoess-顶面最大沉降量为36.71mm。fillEmbankment[J].ChineseJournalofRockMechanics(4)2015年12月至次年2月中旬路基的升高疑andEngineering,2005,24(S2):5845-5850.为冻胀,还需后续布置相关的监测设施进一步从试[3]黄涛,刘辉.强夯结合碾压控制高填方沉降的机理研究验角度验证。[J].西南交通大学学报,2007,42(2):158-162.(5)在指数模型、幂函数模型、平方根模型、HUANGTao,LIUHui.StudyonMechanismofHighFill 第3期贾亮,等:高填方路堤工后沉降监测试验研究19SettlementControlledbyDynamicCompactionandBedded-(6):23-28.EarthRolling[J].JournalofSouthwestJaotong[11]孙笑,赵明阶,汪魁,等.长安综合试车场高填方路University,2007,42(2):158-162.堤施工沉降控制数值模拟[J].重庆交通大学学报:[4]匡希龙,邹德强.基于龚帕斯曲线法的高填方路基工自然科学版,2012,31(2):257-260.后沉降预测新思路[J].公路工程,2008,33(1):SUNXiao,ZHAOMing-jie,WANGKui,etal.Numerical127-129.SimulationonSettlementsofChanganComprehensiveTestKUANGXi-long,ZOUDe-qiang.ANewThoughtonTrackwithHighFillEmbankment[J].JournalofPredictionMethodforSettlementAfterConstructiontoChongqingJiaotongUniversity:NaturalScienceEdition,HighEmbankmentBasedonCompertzCurveMethod[J].2012,31(2):257-260.HighwayEngineering,2008,33(1):127-129.[12]刘赪炜,韩煊,陈昌彦,等.高填方路基沉降预测的[5]景宏君,苏如荣,苏霆.高路堤沉降变形预测模型研半数值半解析方法[J].地下空间与工程学报,究[J].岩土力学,2007,28(8):1762-1766.2011,7(3):491-496.JINGHong-jun,SURu-rong,SUTing.StudyofLIUCheng-wei,HANXuan,CHENChang-yan,etal.ASettlementDeformationPredictionModelofHighSemi-analyticalandSemi-numericalMethodforSettlementEmbankment[J].RockandSoilMechanics,2007,28PredictiontoHighFillingEmbankment[J].Chinese(8):1762-1766.JournalofUndergroundSpaceandEngineering,2011,7[6]王瑞甫,陈华兴,刘宏力.高填方路基沉降计算方法(3):491-496.研究[J].中外公路,2007,27(6):14-16.[13]李华,陈晨,李向群.压实度对高填方路基自身沉降WANGRui-fu,CHENHua-xing,LIUHong-li.Studyof影响的数值分析[J].铁道建筑,2010(5):85-86.MethodofSettlementCalculationofHighFillEmbankmentLIHua,CHENChen,LIXiang-qiong.Numerical[J].JournalofChina&ForeignHighway,2007,27AnalysisaboutInfluenceofSoilCompactnessonHigh(6):14-16.FilledSubgradeSubsidence[J].RailwayEngineering,[7]肖衡林,李丽华,郭小川,等.山区高填方路堤沉降2010(5):85-86.预测方法[J].应用基础与工程科学学报,2015,23[14]吴国雄,曹竞荣,丁静声,等.V形冲沟超高路堤稳(1):154-160.定性三维效应研究[J].中国公路学报,2013,26XIAOHeng-lin,LILi-hua,GUOXiao-chuan,etal.(1):1-8.SettlementPredictedMethodofHighFilledEmbankmentWUGuo-xiong,CAOJing-rong,DINGJing-sheng,etal.inMountainArea[J].JournalofBasicScienceandResearchon3DEffectofV-shapedGullyonSuper-highEngineering,2015,23(1):154-160.EmbankmentStability[J].ChinaJournalofHighwayand[8]王丽琴,靳宝成,杨有海.黄土路堤工后沉降预测新Transport,2013,26(1):1-8.模型与方法[J].岩石力学与工程学报,2007,26[15]吕庆,尚岳全,陈允法,等.高填方路堤粘弹性参数(11):2370-2376.反演与工后沉降预测分析[J].岩石力学与工程学WANGLi-qin,JINBao-cheng,YANGYou-hai.New报,2005,24(7):1231-1235.ModelandMethodforForecastingPost-constructionLÜQing,SHANGYue-quan,CHENYun-fa,etal.Back-SettlementofLoess-fillEmbankments[J].ChineseanalysisofVisco-elasticParametersofFillingMaterialsandJournalofRockMechanicsandEngineering,2007,26SettlementPredictionforHigh-filledEmbankment[J].(11):2370-2376.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,[9]郑建国,王婷,张继文.黄土路基沉降量预测方法的2005,24(7):1231-1235.研究[J].岩土力学,2010,31(1):321-325.[16]刘宏,李攀峰,张倬元.九寨黄龙机场高填方地基工后ZHENGJian-guo,WANGTing,ZHANGJi-wen.Study沉降预测[J].岩土工程学报,2005,27(1):90-93.ofSettlementPredictionMethodsofLoessSubgrade[J].LIUHong,LIPan-feng,ZHANGZhuo-yuan.PredictionofRockandSoilMechanics,2010,31(1):321-325.thePost-constructionSettlementoftheHighEmbankmentof[10]刘奉银,赵然,谢定义,等.黄土高填方路堤沉降分Jiuzhai-HuanglongAirport[J].ChineseJournalof析[J].长安大学学报:自然科学版,2003,23GeotechnicalEngineering,2005,27(1):90-93.(6):23-28.[17]高成雷,赵文忠,凌建明,等.山区公路半填半挖路LIUFeng-yin,ZHAORan,XIEDing-yi,etal.Settlement基沉降控制指标与标准研究[J].岩土力学,2014,ofLoess-filledHighwayEmbankment[J].Journalof35(1):151-158.Chang’anUniversity:NaturalScienceEdition,2003,23(下转第25页) 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