海域公路路基沉降特性研究

◎ 徐建勇　浙江省交通规划设计研究院钱丽英 李仁智　浙江浙交检测有限公司刘旭 王福喜　河海大学岩土工程科学研究所



海域公路路基沉降特性研究

◎ 徐建勇浙江省交通规划设计研究院
钱丽英 李仁智浙江浙交检测有限公司
刘旭 王福喜河海大学岩土工程科学研究所

摘要：海域公路路基通常面临高填方、地质条件差等多重不利因素的影响，导致其工后沉降偏大，影响正常使用。对工后沉降较大的路基进行一定的预抛高处理，将有效节约路面后期使用及维护成本；而进行预抛高计算的关键，在于对路堤沉降发展趋势的预测。利用土体固结理论推导建立的土体固结预测模型，已是陆域公路沉降预测常用的方法之一；通过对海域公路路堤应用该计算模型进行分析与预测，对工程建设提出合理化建议，并以工后一年的沉降监测数据检验该计算模型，得出结论：该计算模型在海域公路路基沉降预测中，具有较好的准确度。本文在此预测模型基础上利用SP1.0软件编制沉降预测程序，并通过某实际工程验证了程序的准确性。

关键词：固结理论 沉降预测 预抛高 海域路堤

1.引言

随着国内、国际贸易的进一步发展，国民经济对港口的需求也越来越高。由于大陆海岸线水深限制，许多深水港只能建在近海的岛屿上，那么其疏港公路的海域部分通常会有海域路堤或跨海大桥形式。其中海域路堤两侧临海，通常面临着高填方及深厚软土的双重影响，加上项目建设周期有限，使路堤的沉降量在施工期无法充分发生；这些因素将导致路堤工后沉降偏大，路面、防浪墙标高低于设计值，致使疏港公路在风大潮高期无法正常使用。在施工期（预压期）较为有限的情况下，适当对路堤进行预抛高处理，将有效的节约后期路堤的使用及维护成本，提高工程质量。

目前路堤沉降的监测资料分析、预测主要方式有两类：①通过监测资料时间序列的变化趋势预测海堤工后沉降的过程，如经验公式法、Asaoka法、灰色理论等己在该领域得到了应用，但这些模型的参数概念并不清楚，缺乏对土体沉降机制上的认识；②对采集的土样进行室内土工试验，确定地基土的固结系数后，通过太沙基固结理论推求现场土层沉降过程。由于室内试验条件与现场土层条件、荷载分布情况存在较大差异，且室内土工试验受到取土质量、试样代表性、试验技术水平及计算方法等各因素的影响，造成室内试验得到的固结系数与实际情况有较大出入，从而影响海堤沉降预测结果的可信度。此外，目前路堤沉降研究对象多为陆域公路路堤，而直接对海域路堤的研究较少。

本文依托某实际工程段海域路堤部分为研究对象，就尝试以基于土体固结理论建立起来的计算模型，来分析并预测海域路堤沉降的发生过程及趋势，对路基路面施工提供合理化建议，并评估计算模型的适用性。

2.项目概况

某实际工程2标段大部分路堤和3标段全部路堤均为海域路堤段，该段采用二级公路标准，设计速度为80km/h，路基宽度12.0m。本文针对这两个标段的分界点K5+500断面进行沉降分析预测。

2.1断面地质概况

图1　项目概览　

图2　工程地质纵断面图

图3　K5+500横断面断面设计示意图

2.2断面设计概况

K5+500路基横断面两侧各设有2级反压护道，总宽达130m，路基面宽为12m；软基处理方式为塑排板+等载预压，塑排板处理深度30m（未打穿软土层），间距1.2m；该观测断面设置5个沉降观测点。其断面示意图如下：

该路段路面设计高程7.92m，设计预压方式为等载预压，考虑到后期沉降补方因素，于2013年初将预压荷载填至8.5m左右。至2014年中预压期结束时，路面高程降至8.1m左右，此时路基路中沉降速率仍有20mm/月。这样情况下直接卸载铺设路面，可能导致工后沉降偏大，影响路面标高，后期用沥青层加铺代价较大，这种情况下对路基进行预抛高是比较经济的选择。

3.计算模型的建立和预测

3.1太沙基固结理论

早在1925年，太沙基就建立了单向固结基本微分方程，并获得了一定初始条件和边界条件下的解析解，这一方程迄今仍被广泛应用。

多级加载下，天然地基平均固结度按下式计算：

其中：h为土层最大竖向排水距离，单面排水情况即软土层的厚度；Cv为土体竖向固结系数。

多级加载下，砂井打穿软基平均固结度按下式计算：

式中 bsz——计算参数函数，

其中：Th为土体水平固结时间因子，

FJ、G分别为考虑涂抹和井阻效应的因子。

3.2平均固结度表达式

在海域公路路基通常为深厚软基，多为砂井未打穿软土层情况，其多级加载平均固结度按下式计算：

多级加载平均固结度按下式计算：

式中：U1、U2——分别为砂井处理层与下卧层的固结度。

整体平均固结度的求解：

因为海涂通常地址为深厚软土，故假设压缩层软土为均质，且计算深度取值够深，则路堤荷载产生的有效应力按三角形分布，根据分层总和法有：

设处理层沉降量对总沉降量的贡献率为 q ，则

其中：S、S1、S2——分别为总沉降量、处理层沉降量和下卧层沉降量。

于是可得地基整体平均固结度，

以 ax，bz，bsz为参数进行反演，便可得到塑排板未打穿软土层时地基平均固结度的计算公式。

4.程序的编制、功能及使用

4.1程序界面及使用

软件功能及使用方法简介：

程序运行后，得到图4界面；在“数据管理总表”中可罗列需要计算和管理的段落号，鼠标右键点击总表可对段落信息进行“添加”、“编辑”、“删除”操作。

双击段落号对应的“表头”可以打开该段落数据，并可在“标签管理”中选择需要查看段落数据。

选择需要查看的段落数据后，便得到图5界面。在桩号列表中罗列已经记录的桩号断面资料，点击列表中的桩号可分别查看各桩号详细信息。

在地基处理方式信息栏中，选择地基处理方式，包括“天然地基”、“塑排板”、“柔性桩”和“刚性桩”。在计算塑排板处理地基时，“直径”应输入等效直径。计算深度一般取可压缩土层厚度。设计使用荷载为路堤荷载加上路面结构物换算荷载，该参数用于计算超载比，若不需要计算有效超载比，该项可不填或随便填一个非“0”值。

图4　程序操作界面

图5　数据总表

图6　编辑数据

图7　标段数据打开　

图8　桩号列表

图9　地基处理方式信息栏

图10　加载信息输入表

图11　预测方式信息栏　

图12　结果输出表

图13　功能键

图14　状态栏

在荷载信息栏中，填入荷载变化信息。需要注意的是：结束天数≥开始天数，并且小于下一级荷载的开始天数。当某一级荷载填筑开始天数＝结束天数，就认为该级荷载为瞬时加载。

在预测信息栏中输入预测参数。其中“控制标准”用于预测路基的稳定，范围0～8，当选择控制标准为“0”时，程序不进行路基稳定分析。“预测点个数”范围为10～50，“步长”为两个预测点间相隔的天数，范围10、15、20……90。

空程序默认从最后一次实测数据开始预测，步长为预测点间隔，单位为（天）。例如：某断面最后一次实测数据为第200天，步长设为30，则预测点天数为230、260、290……。若需要较大预测点天数，可以在结尾中填入想要的天数。例如，想预测15年后沉降量，和无穷天后沉降量，则可以在“结尾”处输入“5500100000”；各数从小到大排列，以空格符分开，个数小等于预测点个数即可。

在沉降预测栏中，需要手动填入实测天数和对应的沉降量，即图12中框起的部分。其它数值均为计算所得，无需填写。程序计算结果将显示在此表中。

程序计算界面提供3个功能按钮，分别为“计算”、“绘图”、“保存”。

当实测数据输入完毕后，点击“计算”进行沉降预测计算，并根据需要分析路堤稳定性。“绘图”按钮提供将计算结果输出到Excel文件，并自动绘出沉降与加载曲线。

计算分析完毕后，在界面状态栏中显示计算过程内部参数的取值。供研究人员对计算结果进行人工分析，以便获得更准确的计算结果。

4.2程序准确性验证

选取申嘉湖高速公路练杭段3个代表性断面，分别使用SP1.0进行沉降预测，结果如下：断面1，K6+515。地基处理方式：直径16cm塑料套管桩，处理深度19m间距1.7m。采用符合地基预测模型，根据工程地质资料，计算深度取值25m。通过448天的观察数据进行预测结果如图15。最后观测数据为747天，从图中可以看出，预测模型能较好的计算得到沉降发展曲线。

图15　K6+515时间-荷载-沉降量关系图

图16　K10+980时间-荷载-沉降量关系图

图17　K28+370时间-荷载-沉降量关系图　

图18　实测沉降预测沉降曲线对比

断面2，K10+980。地基处理方式：塑排加超载预压，塑料排水板打设深度22米间距1.4m。采用塑排（砂井）地基预测模型，根据工程地质资料，计算深度取值32m。通过554天的观察数据进行预测结果如图16。最后观测数据为916天，从图中可以看出，预测模型能较好的计算得到沉降发展曲线。

断面3，K28+370。地基处理方式：水泥搅拌桩桩长12m，间距1.3m。采用复合地基计算模型进行沉降预测。根据工程地质资料，取计算深度15m。通过375天沉降观测数据进行预测，结果如图17。最后观测数据为661天，从图中可以看出，预测模型能较好的计算得到沉降发展曲线。

以上3个案例分别从复合地基和砂井地基的角度对程序的准确性进行佐证。其预测相关性均高于0.99，充分体现了SP1.0的优良可靠性。

5.沉降分析预测

利用根据上述计算理论编制的程序，结合K5+500断面3年多的沉降观测资料进行分析预测，结果可见图18。

该路段预压期于2014年6月结束开始路面施工，该路段为了减少工后路面的维护成本，对路基进行了预抛高处理，抛高35cm，设计沉平时间为3年，并于2014年8月完成路面施工。从2014年8月至2015年8月的一年内实测工后沉降数据看，预测沉降量为17.2cm，实测沉降量为16.5cm，预测沉降与实测值较为贴近。预测至2017 年8月，路基工后沉降量为34.5cm，基本满足预抛高设计要求。

该项目多数其它路段沉降预测效果与K5+500断面类似，本文不再赘述；个别断面因沉降板被破坏，沉降观测记录不完整，对其所进行的沉降预测效果一般。

6.结语

在高填方、深厚软基的海域路堤的施工中，由于荷载高和土质差等多重因素，导致路堤的沉降收敛过程可能非常缓慢，在没有充裕时间进行堆载预压的情况下，通过对路基进行适当的预抛高，可以有效降低使用后期的维护成本，确保工程质量。进行预抛高计算的关键在于对路堤沉降发展趋势的预测。

本文针对某实际工程段K5+500断面，利用3年多的实测沉降数据，应用基于土体固结理论推导建立的土体固结预测模型，分析预测该断面的工后沉降，并提出该路段相应路基预抛高值；后经过工后一年的沉降观测数据，检验了之前工后沉降预测的准确性；这说明，在有较完整沉降观测记录的情况下，此预测模型有着较好的沉降预测准确性，该模型能够适用于高填方、深厚软基的海域路堤工况；并且针对该预测模型，本文利用SP1.0软件编制沉降预测程序，通过申嘉湖高速练杭段验证了程序的准确性，证明该程序能适用于不同的地基处理条件如：天然地基、排水板地基、复合地基（柔性桩、刚性桩）。

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