高速公路路基沉降计算探讨

高速公路路基沉降计算探讨【论文关键词】高速公路；路基沉降；沉降计算【论文摘要】在高速公路软土地基路段的建设过程中，考虑到软土地基的复杂性，为了控制施工进度，指导后期的施工组织与安排，如何正确计算路基的工后沉降是一个重要问题，本文介绍了用于路基沉降计算的常用方法和一些新方法，并对它们的优缺点进行了剖析，同时对各种方法的计算结果与实际情况作了比较，为准确计算路基的沉降量提供了方法上的参考。1．前言在公路施工过程中，为了控制施工进度，指导后期的施工组织与安排，同时保证路基的稳定与适用，需要对路基的最终沉降量进行计算预测。高速公路对地基要求甚高，为了实现其“安全、舒适、高速”的服务目的，在使用年限内不应出现较大的工后沉降，同时还应避免不均匀沉降的发生。随着我国“五纵七横”高速公路网的全面展开，高填方路堤和软土路基也越来越多，如何准确地预测它们的沉降量将会是高速公路建设中的一个重要课题。目前用于计算沉降的方法很多，主要有传统计算方法、根据现场实测资料推测的经验公式法、数值计算法等。本文拟在对传统的计算方法作一总结的同时，侧重于对新的计算方法作一介绍。2．传统计算方法经典的沉降计算方法将沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降包括两部分：由地基的弹性变形产生的和由地基塑性区的开展，继而扩大所产生的侧向剪切位移引起的。对于固结沉降的计算，主要采用分层总和法。次固结沉降常采用分层总和法根据里蠕变试验确定参数求解。最终沉降量的计算通常采用固结沉降值乘以经验系数的方法。2.1分层总和法分层总和法是先求出路基土的竖向应力，然后用室内压缩曲线或相应的压缩性指标，压缩系数或压缩模量分层求算变形量再总和起来的方法，这种方法没有考虑路基土的前期应力。e-lgp曲线法可以克服这个不足，能够求出正常固结、超固结和欠固结情况下路基土的沉降。但这两者都是完全侧限条件下的变形计算方法，所以司开普顿和比利提出利用半经验的方法来解决这个问题。关于分层总和法的介绍比较多，这里不再赘述。使用该方法有一点必须引起重视，就是压缩层深度的选择，这可以从位移场角度和应力场角度加以考虑2.2应力路径法直接用有效应力路径法来计算沉降的步骤是：①在现场荷载下估计路基中某些有代表性(例如土层的中点)土体单元的有效应力路径；②在试验室做这些土体单元的室内试验，复制现场有效应力路径，并量取试验各阶段的垂直应变；③将各阶段的垂直应变乘上土层厚度即得初始及最后沉降。有效应力路径法可以克服估计初始超孔隙压力以及固结沉降的街接上存在不够合理的地方这个缺点，但它无法避免用弹性理论来计算土体中的应力增量。3．现场实测资料推测沉降由于荷载作用下路基沉降需要一段时间才能完成，所以通过前期的沉降观测资料可以推算路基的最终沉降量。3.1对数配合法由路基固结度常用式U=1-ae-bt及其定义式，在实测的初期沉降-时间曲线上任意取3点且使它们之间的时间间隔相等，可得最终沉降量。为了使推算结果精确一些，时间间隔值尽可能取大一些，这样对应的沉降差值就要大一些。3.2双曲线配合法该法认为时间沉降量为一双曲线，可由此确定路基的沉降量。但用该公式的计算结果与实测比较后发现偏离较大，推算的最终沉降量也偏大，如果沉降过程的观测历时较长，而且在求算最终沉降量时着重于后一阶段的沉降曲线的话，就可得到较好的结果。双曲线配合法模型简单实用，预测值较实测值稍微偏大，偏于保守，但对工程沉降预测有利。3.3指数函数配合法指数函数配合法即在沉降时间关系曲线上，取最大横载段内的三点，并使三点的时间间隔相等，将三点的时间与相应的沉降代入固结度的常用式U=1-ae-bt即可得指数函数配合法的具体表达式，由于上述方法中采用了实测的三点时间和对应沉降值，该方法又称三点法，三点的选择以沉降曲线趋于稳定的阶段，且三点间隔尽可能大最为有利，此时推算的沉降值最准确。4．其他计算方法4.1原位试验法通过原位试验来确定沉降量的方法主要有：平板载荷试验法、静力触探法、标准贯入试验法和旁压试验法。其中平板载荷试验法主要适用于砂土地基，该方法是对一定面积逐级施加荷载增量，并测量由这些增量所引起的沉降，可得到荷载与沉降的关系曲线，该方法通常要进行尺寸效应修正。静力触探法如标准贯入试验法是利用由大量的资料分析所得到的这些试验结果与土的压缩性指标之间的关系来计算沉降。旁压试验法是用旁压试验得到的模量应用弹性理论得到预估沉降量，该方法将沉降分为二部分：由球形应力张量引起的沉降和由偏斜应力张量引起的沉降。4.2有限单元法有限单元法是将地基和结构作为一个整体来分析，将其划分网格，形成离散体结构，在荷载作用下算得任一时刻地基和结构各点的位移和应力。该方法可以将地基作为二维甚至三维问题来考虑，反映了侧向变形的影响。它可以考虑土体应力应变关系的非线性特性，采用非线性弹性的本构模型，或者弹塑性本构模型。目前用得最广的是邓肯-张双曲线模型。它可以考虑应力历史对变形的影响，还可以考虑土与结构共同作用，考虑复杂的边界条件，考虑施工逐级加荷，考虑土层的各向异性等。从计算方法上来说，是一种较为完善的方法。它的缺点是计算工作量大，参数确定困难，要做三轴排水试验，目前主要用于重要工程、重点地段的计算。4.3反分析法反分析法是依靠在工程现场获取位移量测信息反演确定各类未知参数的理论和方法。在反分析确定了路基参数后再根据所选择的模型能准确地求出路基的沉降量。进行反分析计算要注意的问题有：一个可靠的反分析必须依靠一套可靠和完整的数据测定；在反算某些参数时，总要对其他一些辅助参数进行实测，有时还需要估计；进行反分析首先要对整个数学模型某种假定，这些假定的可靠度将影响反分析的适用性；在反分析的模型选择、介质特性假定等方面，经验的工程判断将起到重要作用。5．结论不同的计算方法有不同的优缺点，不同的适应范围。在实际工程的沉降计算中，并不单纯地依赖于某一种方法，只有对每一种计算方法的原理、优缺点和计算结果的质量都有了了解之后才能在实际运用的过程中灵活地选择适合的计算方法。