高速公路软基沉降预测误差分析

汪卫东

(安徽省公路桥梁工程公司,安徽合肥 230031)

高速公路软基沉降预测误差分析

汪卫东

(安徽省公路桥梁工程公司,安徽合肥 230031)

简要介绍了当前高速公路软土地基沉降预测不准确而产生的危害,分析了软基沉降预测误差产生的原因,并提出了减少软基沉降预测误差的方法。

软土地基沉降;预测误差分析;高速公路

0 引言

在高速公路建设中,软基工后沉降一直是众人关注的焦点问题之一,特别在沿江沿河沿湖地区,由于淤泥层厚,软土的工程性质极差[1],所以对高速公路软基沉降的预测问题一直未能很好地解决,给施工组织带来了很多困难。有些高速公路在建成通车后不久,就因路基沉降过大而导致路面开裂或桥头错台,甚至经过多次翻修也未能彻底整治病害,在人力物力上造成很大浪费。目前,高速公路软土地基沉降预测和实际沉降情况相差甚远,例如,沿江高速公路SD六标段试验段某断面预测沉降150 cm,实际沉降达190 cm。因此,很有必要对软基沉降预测及其产生的误差进行系统的分析讨论。

1 软基沉降预测误差产生原因[2]

1.1 对软土特性认识不足所导致的误差

对软土的认识和利用,特别是土的结构性研究不够,是造成沉降预测存在误差的主要因素之一。

不同成因、不同类型的软土所表现出的物理力学性质不同,受外荷后,产生沉降的规律必然存在差异。

例如,具有结构性的软土,有其自身的特性:

(1)力学特性与应力水平有关,应力水平较低,结构所受有效应力小于结构抗力时,此时土的变形为压缩变形(固结变形);应力水平较高,结构所受有效应力大于结构抗力时,软土结构受到破坏,此时土的变形已不是固结变形,故所表现出来的压缩性发生突变。

(2)结构性不可逆,一旦破坏,极难恢复,从而加大土的变形量。

(3)应力—应变具有一定的剪胀性。

关于土的结构性对软基沉降的影响研究得还远远不够。将有结构性的正常压密粘土与超压密粘土相混淆的情况时有发生,这势必造成在沉降预测中带来很大误差。

1.2 了解软土变形机理所导致的误差

软土属于多孔介质,它是由土粒固体骨架与充满在骨架内的液体孔隙水、气体三相体系组成。三者在自然应力状态下保持相对的平衡,受外荷作用后,三者之间的平衡被打破,在形成新的平衡状态过程中,作用于液、气体上的应力逐渐向土骨架转移。液、气应力消散,土骨架有效应力增长的过程,称之为土的固结变形。此外,土颗粒的蠕变、结合水向自由水的转化和压缩而引起的软土变形称之为次固结变形。

目前,人们对软土变形机理研究多以扰动饱和土为研究对象,对于原状土、非饱和土的变形还研究得不够,而且,软土的次固结变形机理尚不清楚,对如何测定和划分软土的固结变形和次固结变形还存在争议。

1.3 勘测过程中所导致的误差

天然土的性质不同一般的均质材料,它具有空间和时间的变异性。各种勘测方式所能揭示的仅是有限范围的情况,不可能完全反映软土的真实面目。

软土在地下的空间分布确定过程中,由于高速公路的纵向长度远远大于横向长度,沿线地质条件复杂,软土空间起伏非常大,而且各种勘测方式所能揭示的仅是有限范围的情况。因此,通过各种勘测方式所揭示的软土空间分布和软土分层,与软土实际在地下的空间分布有很大的差别。在钻进、取样、置放、开样、试验等过程中,软土容易发生结构、密度、应力及含水量的变化,从而降低了软土试验数据、原位测试指标的真实性。因此,各种勘测手段所获得的任何“原状土”的结构和物理力学性质都与实际软土有一定的差别,故通过勘测所得物理力学性质指标只是一种近似值。利用这些物性指标作为参数所计算出来的结果必然与实际有差别。

1.4 计算方法和计算模式所导致的误差

对于沉降计算,目前国内基本方法都是基于e—p压缩曲线的单向分层总和法,而没有考虑地基的侧向膨胀等原因,在实际计算时,都引用沉降计算经验系数 Ms。该方法的优点是简单实用,公式中各层的常规物理力学指标容易在试验中获得,试验费用低,因此应用广。但该方法的计算结果存在较大误差,分析其原因主要是:

(1)理论计算中变形模量 Es,1～2的应用范围为0.1～0.2MPa,而实际各分层土的竖向应力水平并非都在此范围内。

(2)Ms的确定背景不同于路基沉降。

(3)公路路基是柔性基底。

也曾有用曲线的e-lgp分层总和法,但由于有以下限制而应用不广:

(1)沉降修正系数的累积几乎为空白,这给计算带来很大困难。

(2)对于珠江三角洲地区常见的结构性准超固结土,其实验室先期固结压力 Pc也会很大,在沉降计算中若不作处理,则会使计算结果显著偏小。

(3)室内土工试验需测定压缩层内所有粘土层的压缩指数Cc和回弹指数Cs,这很不现实,也不可能。

尽管随着人们对土体的认识不断提高,从土的地质历史、土的应力状态、土的变形特征、计算方法等不同途径着手不断改进传统的计算模式,但目前仍没有一种理论分析计算模式能完全反映软土体的变形规律,因为这些计算模式都是建立在一定假设基础上的,这必然造成理论预测结果与实际沉降有差异。

1.5 加荷的多变性和复杂性所带来的误差

在沉降计算中,路基填土加荷是有一定规律的,然而实际施工中,填土加荷是复杂多变的,主要受制于路堤稳定、沉降速率、气候、土源、施工设备以及人为因索(诸如不及时检测)等诸多因素的影响。

另外,为减少工后沉降,通常对软基进行超载预压,路面施工时,用于超载预压的那部分填土的去除,是一卸载过程。路堤经历超载——卸载——施工路面(加载)过程,软基经历了预压——回弹——再压缩的过程,导致软基沉降规律复杂化。在开挖施工涵涧(管)过程中,软基沉降规律更为复杂,路堤经历超载——完全卸载——施工管涵加载——回填加载——超载——超载部分卸载——路面施工(加载)过程,软基经历的沉降更不容易弄清楚。此外,超载量的大小、超载时间等都影响卸载后软基沉降的发展。

可以说,在预测沉降中理论加荷不能完全反映实际施工中加荷的过程,因此预测沉降中很难反映实际情况下的软基沉降特征,这势必导致预测沉降与实际沉降有误差。

2 减少软基沉降预测误差对策

(1)软土的宏观工程性质在很大程度上受到微观结构的系统状态和整体行为的控制,因此加强定量研究软土结构性对地基变形特性的影响,并在变形中考虑这一因素,有利于提高软基变形机理的认识、沉降预测的准确性。

(2)沉降预测的准确性在很大程度上取决于地质资料的真实性和代表性。要取得真实性和代表性的地质资料,就必须加大勘探密度,尽可能地进行现场原位测试,推广采用薄壁取土器,减少对土样的扰动,室内试验尽可能采用自动化程度高的试验手段,以减少人为因素对测试结果的影响。

(3)寻求简便但更能反映实际情况的计算方法,这是减少误差的根本措施,若理论公式的推导过程较为合理,则沉降计算的系统误差可能大大减少,结合具体工程情况进行经验修正或反算分析也就更合理些。

(4)在预测沉降中理论加荷不能完全反映实际施工中加荷过程,因此预测沉降中很难反映实际情况下的软基沉降特性,这势必导致预测沉降与实际沉降有差异。为减少加荷多变性和复杂性所带来的误差,必须重视施工过程中的动态监测,及时调整沉降预测中的理论加荷,以尽量使理论加荷与实际加荷相一致。

3 沿江高速公路SD六标段软基沉降预测

沿江高速公路SD六标段软基采用了实测数据反分析法进行沉降预测,具体方法为:

(1)根据施工多级加载情况,利用沉降计算公式[3]:

(2)由于加载过程复杂(存在卸载、再加载情况),因此在计算中需考虑土的回弹和再压缩情况,通过计算机模拟计算,考虑土体的非线性影响,取土的回弹和再压缩模量为正常固结加载模量的10倍。同时在计算中按应力路径修正反演系数,以提高沉降预测结果的精度。

(3)根据沿江高速公路SD六标段地区独特的地质条件和已得到的研究成果,在计算中考虑土体次固结沉降的影响。次固结参数通过分析试验段原位实测资料和相似土样应变试验结果,用反分析法确定。

表1 预测沉降速率与实测结果对比

依据以上方法对沿江高速公路SD六标段部分断面进行了沉降预测(表1),从表中可知除个别断面存在较大误差外,其他吻合较好,这说明采用的预测方法具有一定的可靠性和置信度。

4 结论

进行软基沉降预测分析,目的是使预测结果最大限度地反映实际情况,为施工组织者提供可靠性高的数据。但由于地质条件的复杂性、现场施工条件的难以模拟性和观测数据的随机性等不可抗拒的客观因素,都会给沉降预测结果造成一定程度的误差。另一方面,由于土力学中的理论分析和计算模式都是建立在一定的假设基础之上,致使处理实际工程的计算方法本身就存在一定缺陷,导致预测结果特别是工后沉降和最终沉降产生偏差。尽管如此,仍可以通过较先进的数学手段使得到的预测结果与实际情况不致出现量级上的差别,让预测结果指导决策。

[1] J TJ 017-96.公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,1997.

[2] 张试厚,等.高速公路软基处理[M].北京:中国建筑出版社,1997.

[3] 朱百里,沈珠江,等.计算土力学[M].上海:上海科学技术出版社,1990.

责任编辑:文 月

U412

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1671-8275(2010)03-0026-02

2009-05-28

汪卫东(1970-),男,安徽合肥人,安徽省公路桥梁工程公司高级工程师。研究方向:路桥施工与管理。