下载文档原格式
２０１３年第８期 （总第２３４期） 黑龙江交通科技
ＨＥＩＬＯＮＧＪｌＡＮＧ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＫＥＪＩ Ｎｏ．８，２０１３
（Ｓｕｍ Ｎｏ．２３４）
浅谈软土地区路基 尚仕彬 （贵州科达公路工程咨询监理有限公司）
摘要：介绍了软土的工程性质、软土地基的固结计算、地基沉降计算和软土路堤的施工观测与控制。 关键词：软土；地区；地基 中图分类号：Ｕ４１６．１ 文献标识码：Ｃ 文章编号：１００８—３３８３（２０１３）０８—００６０—０１
１软土地基的固结计算 （１）沉降问题 使地基的沉降在加载预压期大部分完成或基本完成，减 少路堤的工后沉降。 （２）稳定问题 加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力 和稳定性。 路堤经常利用排水固结法来加速地基土的抗剪强度增长， 缩短工程的工期。可利用路堤本身重量分级逐渐加载，使地基 土强度的提高适应上部苟载的增加，最后达到设计荷载。 排水固结法由排水系统和加压系统组成。设置排水系 统在于改变地基的排水条件，缩短排水距离。排水系统由竖 向排水体与水平排水垫层组成。加压系统指起固结作用的 荷载。 砂井是软土地基加固措施中常用的有效措施之一。软 土地基设置砂井、塑料排水板等竖向排水体后改善了排水条 件，缩短了排水距离，大大加速了地基的固结速率，使地基土 强度得以迅速提高，从而保证了路堤的稳定。 砂井设计包括砂井直径、间距、深度、布置形式、砂垫层 材料和厚度的合理选择以及砂井地基的固结度计算。 ２地基沉降计算 ２．１地基沉降量计算 软土地基采用砂井加固，不仅地基固结产生固结沉降， 同时地基承受荷载之后，发生侧向变形，产生形变沉降。 地基的沉降是在旌工期间及竣工以后逐渐完成的，所以 需要分别计算施工期间的沉降以及竣工后的沉降，用来估算 施工期间因沉降需增加的土石方数量和确定路堤的加宽值。 软土地基的沉降量为固结沉降．ｓ 与形变沉降．ｓ 两部 分之和。 Ｓ ＝Ｓ ＋Ｓｄ （１） 固结沉降．ｓ 可根据单向压缩的分层总和法计算。 ｎ ｎ ｐ．一ｐ． Ｓ ＝∑△ｓ ＝ 半 （２） ‘ ‘Ｊ １－ １ｆ 根据国内外一些实测沉降资料，在不考虑次固结沉降的 条件下，最终沉降量可按式（３）计算 Ｓ ＝ｍＳ （３） 式中：ｍ为修正系数，与地基土的变形特性、荷载条件、加荷 速率等因素有关；对于饱和黏性土，采用堆载预压排水固结 法处理时，ｍ＝１．２—１．４；采用真空预压排水固结法或复合 收稿日期：２０１３—０４—１８ 作者简介：尚仕彬（１９７５一），男。助理工程师。 ・６Ｏ・ 地基处理时，ｍ＝１．０—１．２。 梯形条状荷载在弹性变形阶段因侧向变形而产生的沉 降量常用下式计算 Ｊｓ ＝Ｆ警 （４） Ｂ＝ｂ ４－ａ／２ 式中：Ｆ为沉降系数；Ｂ为换算荷载宽度；Ｑ为地基顶面中心 线处的垂直应力； 为地基土的弹性模量。 ２．２路基面加宽及土方量增加计算 软土路堤建成后，在运营期间基底会产生下沉。沉降形 状近似为一抛物线，因此在施工路基厦支挡结构期间由于基 底沉降而增加的土方数量为 △ ：÷△乩 （５） ｊ 为了保持路基沉降后的路基宽度，设计软土路堤的路基 面宽度时每侧必须留加宽量。软土路基面每侧加宽值Ａｂ， 根据路基工后沉降量与道床边坡坡率由式（６）计算确定 △６＝Ｋｈｍ（Ｓ—ＡＳ） （６） 式中：ＡＳ为地基在施工期间的沉降量，ｍ；ｍ为道床边坡坡 率，ｍ＝１．７５：Ｋ为折减系数，一般取０．５～０．６。 ３软土路堤的施工观测与控制 在软土地基上填筑路堤，由于路堤荷载是逐渐增加的． 因此孔隙水压力也就是逐渐消散的。为了掌握路堤在施工 期间的变形动卷，必须对软土地基上的施工进行观测。这样 既可以保证路堤在施工中的安全和稳定，也可以正确预测工 后沉降，便于工后沉降控制在设计允许的变形范围内。 软土地基上填筑路堤时，应在边坡坡脚外设置边桩，在路 堤中心线地面上设置沉降观测设备，进行水平位移和沉降观测。 利用边桩和路堤地基面沉降观测设备量测的数据，控制填土速 率，保证路堤在填筑过程中的稳定。根据沉降观测数据进行最 终沉降量推算，使路基的工后沉降量在设计范围之内。当地基 沉降与设计有出入时，可以根据实测数据采取相应的措施完善 设计，使地基处理达到预定的目标。 路堤填土速率应满足下列要求： （１）天然地基及采用排水固结法处理的地基，填筑时间 不应小于地基抗剪强度增长需要的固结时间：． （２）路堤中心沉降每昼夜不得大于１０ ｍｍ，边桩水平位 移每昼夜不得大于５ ｍｍ。 采用排水固结法加固地基的地段，应提前安排施工。施 工完毕后应放置一段时间，必要时可增大荷载进行预压。
D iscussi on on Con structi on M on itor i n g Techn i que of Steel P i pe 2enca sed ConcreteArch Br i dge over Handan Shuyuan R i verW E I Yong 1,L I U Guo 2jun2(1.Sichuan H igh way Engineering Supervisi on Office,Chengdu 610041,China;2.School of Civil Engineering,South west J iaot ong University,Chengdu 610031,China )Abstract:Citing the bridge engineering over Hebei Handan Shuyuan R iver as examp le,constructi on monit oring technique of steel p ipe 2encased concrete arch bridge is discussed .Thr ough monit oring stress and linearity,this paper puts for ward and introduces the app licati on of parameter identification method in construction monit oring of steel p i pe 2encased concrete arch bridge .Key words:steel p ipe 2encased concrete;arch bridge;constructi on monitoring收稿日期:2009-05-26作者简介:徐奋强(1975-),男,山东荷泽人。
高速铁路软土地基沉降计算方法浅析摘要:高速铁路软土地基沉降计算是高速铁路路基的主要研究课题之一,由于实际地质条件的复杂性,理论计算的沉降往往与实际值有较大的差异。
大量的工程实践表明,要准确地计算软土地基的沉降,特别是预测工后沉降,仍是高速铁路建设中要解决的关键问题。
因此,本文对目前各种文献出现过的高速铁路软土地基沉降计算方法加以总结,为进行软土地基沉降计算提供方法上的参考。
关键词:高速铁路软土地基沉降计算方法软土地基沉降计算方法,早在20世纪初,Terzaghi等人就曾建立了经典的软土地基沉降分析法,以后又有很多人为该方法的改进和完善做出了重要贡献。
自20世纪70年代以来,随着计算机技术的进步,采用有限元分析法计算地基沉降也已成为可能,但时至今日,地基沉降课题仍然困扰着土木工程技术人员。
就一般的土木工程而言,仍在普遍沿用Terzaghi等人建立的经典分析法。
在实用设计中,工程人员的经验和技术往往起着关键的作用。
究其原因,可概括为如下几个方面:一是新的理论和技术尚未成熟,且对技术人员的素质和工程测试手段提出了很高要求;二是地基沉降的分析需要理论与实践密切地结合,而工程技术人员总希望地基沉降的计算方法能尽可能地简便直观,所需试验参数少而易确定,对各种工程情况均有良好的适应性,这就难免使地基沉降分析中需要加入一定的经验成分;三是地基沉降分析中涉及到地面外荷载的计算、土中应力的计算、土体固结度的计算、土体变形的计算以及土体试验参数的选用等许多环节,各环节之间又互有影响,其相互关系也随时间变化,因此,地基沉降的分析也是一项复杂的系统工程,每一环节的疏忽都可能导致错误的结果。
1 计算方法1.1 常规计算方法按分层总和法计算最终沉降,计算分层沉降时考虑瞬时沉降、主固结和次固结沉降。
计算沉降速率时,则采用Terzaghi的一维固结理论。
这种方法采用了一系列假定,与实际情况不完全符合,但由于简单易用,所需参数可在常规试验中确定,因而仍是实际工程中国内外最通用的方法,被纳入许多国家的规范。
沉降计算经验系数
沉降计算经验系数是指在沉降计算中使用的经验值系数，用来根据工程实际情况进行调整。
常见的沉降计算经验系数包括以下几个：
1. 地基类型系数：考虑地基的类型和性质，包括软土、黏土、砂土等不同地基类型的系数。
2. 荷载类型系数：考虑不同荷载类型对沉降的影响，包括建筑物的荷载、交通荷载、自然荷载等。
3. 建筑物形式系数：考虑建筑物的形式和结构特点对沉降的影响，包括建筑物的高度、面积、柱网布置等因素。
4. 水位变化系数：考虑地下水位变化对沉降的影响，包括地下水位的上升或下降对沉降的调整系数。
5. 施工方式系数：考虑施工方式对沉降的影响，包括基坑开挖、土方开挖、地铁施工等施工方式的系数。
这些经验系数一般基于历史经验和实测数据得出，可根据具体工程情况进行调整和修正，以提高沉降计算的准确性和可靠性。
软土地区地基加固的沉降计算 在软土地区桥梁扩大基础工程或高路堤挡土墙基础工程中， 均存在回填或高筑等路基形成过程， 使得软土地基在填土荷载作用下， 应力状态发生变化， 导致土体产生变形, 本文主要根据太砂基的固结理论为基础， 采用Microsoft Excel 来编制土体沉降及固结分析程序，分析土体在回填施工过程中或施工结束后土体的总沉降历程以及深层某层某点的沉降历程以及土体相应的总固结度， 并结合实际某工程实测面层沉降数据之分析， 说明本程序的功能以及应用。
一 、土体沉降的计算 在实际工程中， 由于受施工过程, 地基土体本身情况复杂性的影响， 地基土在受荷后的变形情况是十分复杂的， 但按土体受荷后沉降发生的次序， 主要可分以下三个部分， 即初始沉降， 固结沉降和次固结沉降。初始沉降主要包括以下三个部分： a) 基础受荷后， 地基土体会发生剪切变形， 尤其在靠近基础边缘处， 由于应力比较集中， 剪切变形范围更大； b) 地基土体受荷后产生的侧向变形而引起的沉降； c) 地基土中的砂土层在受荷后产生的沉降。以上三部分沉降假定地基土受荷后立即产生的，是属于初始沉降。固结沉降是由于土体受荷后压缩将土体孔隙中的水份逐渐排挤出而产生的缓慢沉降， 次固结沉降是由于土体颗粒骨架在持续荷载作用下发生蠕动而引起的变形。由于该部分沉降发生的持续时间很长， 而沉降数值一般较小， 在本文中没有考虑。 根据上面叙述， 地基土体的沉降可用下式表示： S = Sd＋Sc ………(1) 式中： Sd : 由于地基土因受荷后发生的剪切变形, 侧向变形以及地基土中的砂土层所引起的初始变形， 该部分沉降认为加荷后立即产生。 Sc : 地基土因固结变形而引起的最终沉降。 S : 地基土体受荷后所产生的总沉降。 由于地基土的初始变形Sd的影响因素比较多, 计算比较复杂困难, 为进一步简化, 上式可写成: S = Sd＋Sc = m•Sc ……(2) 式中: m: 沉降经验系数, 表示地基土受荷后发生的剪切变形、侧向变形、以及地基土中砂层的沉降影响系数, 与地基土的变形特性、荷载条件、加荷速率以及土体的固结状态、灵敏度等因素有关。 一次聚然加荷或一次等速加荷结束后任一时刻的地基沉降量为 St = ( m - 1 + Ut ) Sc ……(3) 式中: St : 加荷开始后t时刻的土体沉降量; Ut : 加荷开始后t时刻的土体总固结度。 在实际工程施工实施过程中, 很多路基形成过程是由许多分级加载形式实施的, 因此, 为求任一时刻t的土体累计沉降量应对各个时刻的St值加以修正, 使其与修正的固结度相适应, 因此, 上述公式可修正为: St = [(m-1) +Ut]•Sc ……(4) 式中: Pt : 加荷开始后至t时刻的累计荷载; ∑P: 总荷载; Sc : 土体的固结沉降值。 对正常固结之饱和土体: Sc = •hi•log ( )i……(5) 对欠固结之饱和土体: Sc = •hi•log ( )i……(6) (5)、(6)两式各符号意义如下: Cc : 土体的压缩指数; eo : 土体的原状孔隙比; Po : 计算深度处的土体自重有效应力; P : 计算深度处土体的附加应力; hi : 土体计算的分层厚度; Pc : 地基土体的前期固结压力。
二、土体的固结度计算 土体的固结度计算是根据太沙基固结理论方程为基础所进行的, 考虑到实际工程中施工加载过程的复杂性, 对太沙基的理论公式进行修正, 具体叙述如下: 太沙基固结理论方程为: =Cvx + Cvy + Cvz 根据太沙基固结理论方程解, 大面积堆载条件下和瞬时加荷条件下的砂井地基平均固结度的计算公式如下: a) 竖向固结度公式为: Utv=1- . ……(7) 其中: m = 1, 3, 5…… 式中: Tv = ……(8) b) 水平向固结度公式为: Uth = 1 - e ……(9) 式中: F(n) = •ln(n) - ……(10) Th = ……(11) 上叙各式中: Uth、Utv : 分别为加载开始后t时刻的水平向和竖向平均总固结度; Ch、Cv : 分别为土体在水平向和竖向的固结系数; H : 竖向渗泾长度; de : 砂井有效直径。 若为三角形布臵时 de = 1.05 d 若为正方形布臵时 de = 1.128 d d为砂井(或塑料板等)的间距 n : n = de/dw 砂井之井径比 dw : 砂井直径或塑料板等效折算等效直径。 c) 砂井地基瞬时加载之平均总固结度公式为: Ut = 1 - ( 1 - Uth)•( 1 - Utv ) …… (12) 如前所述, 由于实际工程施工实施过程中, 很多是属于多级逐渐加载情况(如图-1), 因此, 需对上述固结度计算公式进行修正, 修正后的多级加载的地基固结度公式如下: Ut’ = Ut ( t - ) • ……(13) 上述(13)式即为所谓改正太沙基固结度计算公式。 式中: Ut’ : 砂井地基在多级荷载作用下, 从第一级加载开始后t时刻的平均总固结度; Ut : 瞬时加荷条件下某一级加载后t时刻的平均总固结度; Tio: 第i级加载的起始时间; Tif : 第i级加载的终了时间, 当计算加荷期间的固结度时 Tif 应改为t ; Pi : 第i级等速加荷之增量, 如计算逐级加载过程中某一时间点的固结度时,应取用该时间点的荷载增量值△Pi ; ∑P: 各级荷增量之累加, 即总荷载; Si : 第I级荷载作用下的最终沉降量, 当计算该级加荷期间的总固结度时, Si应改为 △Si , △Si为对应于该级加荷过程中t时刻的荷载增量(Pi 作用下所产生的最终沉降量; ∑S: 由总荷载所产生的最终沉降量; t : 计算固结度的时间点。
三、程序的编制及功能 根据上面关于土体在多级荷载作用下的沉降及固结度的计算方法, 本文采用Microsoft Excel 软件来编制土体沉降历程及固结度计算程序, 其编制要点及程序的主要功能叙述如下: 1. 编制要点: 本程序主要是针对高架道路桥梁基础的清淤及回填的要求而编制的, 考虑到超载及清淤回填以及安全区的卸载时的荷载形式, 共分七级加载, 其荷载图式如图-2, 其荷载时间关系曲线见图-3或图-7。 2. 程序组成: 本程序由下列八个表面独立, 但计算数据相互联系的文件形成的程序群体组成: i) 沉降计算点的钻孔地质资料文件: 该文件是将要计算沉降地点附近的地质资料, 经综合分析后形成, 包括计算点区域的土层分层情况, 各土层的分层顶底标高, 土层厚度、容重、压缩系数以及天然孔隙比等, 程序中能考虑计算点处多达8层土的情况; ii) 施工实施计划时间表: 该文件是将要计算沉降历程或固结度地点附近的陆域形成施工实施计划要实施的施工计划时间表输入进去, 以便形成施工加载曲线, 为了使得此程序具有广泛的通用性, 本程序考虑了多达七级的分级加载历程, 并在其中考虑了砂井(或塑料板)加固施工时间、超载预压和卸载以及卸载和回填的计算, 为便于本程序具有一定的通用性, 除考虑了回填或吹填土容重以及各级强度根据其标高以及水上、水下和清淤区之间的关系和各种可能。 iii) 总固结沉降计算文件: 该程序主要考虑了在大面积回填荷载、清淤区域内的条形梯形荷载以及超载条形荷载作用下的固结总沉降的计算, 沉降计算按(5)式采用分层总和法计算, 每层土分五等分, 和前面i)一样, 考虑了多达8层土的总沉降计算。 iv) 固结度计算文件: 该程序主要是根据实际或设计工程中砂井参数, 如加固深度、布臵形式、砂井(或塑料板)间距, 加固深度范围内土体的竖向、水平向渗透系数, 结合I) 的土层指标, ii)的施工实施计划以及iii) 的总固结沉降, 来进行土体的固结沉降历程计算, 是本程序的计算核心, 它能一次计算多达20个时间点的沉降数值和固结度数值, 且分别考虑了多级荷载作用下的改进太沙基法, 以及初始沉降对总固结沉降的影响(沉降经验系数m值)以及先超载后卸载的土体回弹影响。 v) 固结度曲线: 该文件是将前面iv)的计算结果, 将有关的固结度数据摘取出而绘制而成的土体加固历程曲线。 vi) 沉降历程曲线: vii) 土体沉降或固结历程结果表: 该文件是将前面vi) 的计算结果及有关数据摘录出来而整理成的计算结果数据表, 和上述v)、vi) 的曲线相对应。 viii) 土体沉降或固结度参数表: 该文件是将有关沉降和固结度历程计算的输入数据分别从以上各文件中摘录出来而整理成的计算参数表, 以便计算者校对输入数据的正确与否, 能比较容易地发现输入数据中的错误。 3. 程序的功能及应用: 本程序的主要功能如下: i) 软土地基面层总沉降及其沉降历程的计算; ii) 软土地基下深层某点在砂井加固范围内的沉降历程计算; iii) 软土地基某一时间点面层或深层沉降历程数据可利用本程序对其进行行算, 可以将计算结果和实测结果进行比较, 并可进一步对土体的固结情况作出比较准确的评价以及对影响土体沉降的各种因素进行分析。
四、结论 本程序主要目的是土体的观察沉降计算分析, 比较及综合评价, 但由于工程在施工过程中的复杂性, 加之在编制过程中刻意考虑使此之具有通用性, 因此, 在类似工程中, 只要荷载加载形式符合图-2, 荷载-时间曲线符合图-3或图-7的形式, 本程序便可适用。另外, 本程序在计算过程中, 由于能够直接和计算者见面, 各种计算参数和计算结果能直接显示在屏幕上, 方便使用者发现错误及时调整得到满意的结果, 计算结果可以直接以图表的形式打印出, 但本程序存在着以下几个问题: 1. 关于沉降经验系数m和回弹系数: 如前所述, 沉降经验系数是考虑土体在荷载作用时的初始沉降(变形)影响, 它的影响因素很多, 加之实际工程的复杂性, 因此, 它是一个实践性很强的参数, 必须根据具体工程的客观实际情况, 附近类似工程的实测资料的分析, 以及受荷条件土体的变形特性等作综合分析后确定。 2. 在程序中土体的固结情况是假定为正常固结, 荷载形式为大面积堆载, 这和实际情况不尽相同, 影响土体的竖向固结度以及沉降总值的计算。 3. 本程序的砂井加固是考虑在第四级加荷后进行的, 在砂井施打以前各级荷载仅有
