软土地基路桥过渡段不均匀沉降计算分析

赵 杰 王新君 孙志胜

我国沿海广泛分布软土地基,在该地区修建道路极易出现工后沉降过大的病害。对于一般填土路段,一般表现为整体下沉,对路面结构受力特征的影响并不显著。然而,对于与结构物(桥涵构造物)相连的软基段,则由于结构物一般采用桩基进行加固处理,其工后沉降可视为零,从而与软土地基段形成较大的差异沉降,造成路面呈现波浪起伏,严重影响交通舒适性及安全性。为了减小这种差异沉降,可采用排水固结法进行加固处理,然而,受施工工期的限制,再加之沿海地区软土层深厚,工后沉降是不可避免的。因此,需要对路桥(涵洞)过渡段的差异沉降进行合理的预测,本文结合某具体工程,研究了砂井地基沉降计算方法及不同预压高度对工后沉降的影响,对类似工程有较好的指导意义。

1 地基总沉降计算

采用袋装砂井预压处理时,其计算沉降的方法有很多,本文采用三维变形和单向压缩法计算袋装砂井预压地基的最终沉降量。该法是将地基的变形和压缩当作两个独立的部分。考虑变形时,假定土的体积不变,认为侧向变形引起的地基沉降是在加荷后就立即产生的,亦即弹性变形。考虑压缩时,则假定土层无侧向变形,也就是在无侧向变形的条件下的单向压缩。

因此,对于正常固结或稍超固结的黏土,在附加荷载作用下,地基的最终沉降量S可用式(1)表示:

其中,Sd为由于地基侧向变形所引起的沉降量;Sc为由于地基固结所引起的最终沉降量;e1为地基中各分层中点在自重应力下相应的孔隙比;e2为地基中各分层中点在自重应力和附加应力共同作用下相应的孔隙比;Δhi为各计算分层的厚度。

采用沉降系数表示对侧向变形及其他因素的地基最终沉降计算。可将式(1)改为:

其中,m为沉降系数,与地基的变形特性、荷载条件、加荷速率等因素有关,通常取 m=1.1～1.4。

2 砂井地基固结度的计算

1)竖向平均固结度的计算。

根据太沙基一维固结理论有:

2)径向平均固结度的计算。

如砂井的间距为d,则它的影响圆的间距de为:

当等边三角形排列时:

当为正方形排列时:

根据巴隆固结理论有:

其中,dw为砂井的直径。

3)砂井地基平均总固结度计算。

3 工程计算实例

结合某沿海高速公路结构物(箱涵)下地基差异沉降进行分析。地基处理形式是砂桩,结构物以下及超出结构物2.0 m外的砂桩间距为1.2 m,一般布置为1.5 m,直径为0.5 m,长度为15.0 m。砂桩的弹性模量为 2.1×105kPa,泊松比为 0.26。上部覆土高度为2.5 m,箱涵尺寸为2.0 m×4.0 m。底板厚度为0.4 m。

若采用袋装砂井处理形式分析可能的差异沉降。袋装砂井作三角形分布,直径为0.07 m,间距为1.2 m,处理长度为12.8 m,沉降系数m=1.3。上部堆载预压时间为两个月,荷载为42 kPa。据统计,砂井部分的竖向固结系数 Cv=1.78×10-3cm2/sec,水平向固结系数Ch=6.72×10-3cm2/sec。可知两个月后固结度为96%,故可考虑此时已基本固结。根据分层总合法,得差异沉降 Δ=0.06 m。

合理确定覆土高度可以有效减小地基的差异沉降,覆土高度太大或太小都有可能使得差异沉降变大,因此,确定一个合理的覆土高度,对于减小上部荷载带来的差异沉降有着较好的效果。通过计算可画出覆土高度和差异沉降的曲线,见图1。

从图1可见,这个例子中,最佳覆土高度约为3 m,在这个高度可以更有效的减小荷载带来的差异沉降。

4 结语

本文结合具体软土地基采用砂桩及砂井处理方法,探讨了差异沉降的形成机理及计算方法,提出了最佳覆土高度的概念,可为类似工程提供一定的借鉴意义。

[1] 王亦麟.软土地基桥头跳车处理探讨[J].公路交通科技,2000(1):28-30.

[2] 金世章.软土地段矩形箱涵涵身沉降分析[J].铁道标准设计,2003(2):25-26.

[3] 肖南军.袋装砂井排水固结法在公路软基处理中的应用[J].中华建设,2009(4):70-71.

[4] 孙贵华,王恺敏.临海滩涂堆载预压联合排水固结地基处理技术的应用与效果检测[J].建筑施工,2009,31(4):261-263.

[5] 容亘萍.软土地基沉降分析的研究现状综述[J].山西建筑,2008,34(3):139-140.