南洞庭湖地区软基施工预压期沉降分析

胡 波， 李友云, 张宇辉, 张定权

(1.湖南益南高速公路开发有限公司， 湖南 益阳 413000； 2.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

0 引言

我国内陆地区广泛分布着湖相、河相沉积的软弱地基，洞庭湖地区有湘资沅澧四大水系汇入洞庭湖，形成了广泛沉积的湖泊相软土。该地区软土地层主要为流 — 软塑状淤泥质粉质黏土、砂纹淤泥质土及软塑状黏土，软土层中存在厚度不一、有一定水平纹理的粉细砂层[1]。

有效控制路基沉降是在软土地基上进行公路建设的关键环节，对于填筑期与运营期路基沉降研究，袁怀宇[2]依托修建某高等级公路实际工程，针对河滩相软土地基施工提出了最薄弱层法。郑立善等[3]通过碎石桩软土路基有限元模型，研究软土固结沉降变形规律。刘维正等[4]提出了交通荷载作用下的软土路基长期沉降的计算方法，开展了长期沉降的参数敏感性分析。对于预压期路基沉降，夏士龙等[5]依托某沿海道路，发现堆载预压初期是沉降的黄金期，当土方加载时间过长后，预压期沉降较设计值会减小，工后沉降时间长，差异沉降也会增大。杨涛等[6]基于双曲线拟合法，对等载预压建立了卸荷沉降速率标准的计算公式，研究表明沉降速率与剩余沉降的平方呈线性关系。马浩[7]依托芜宣高速公路工程，依据现场实测资料，对预压期沉降速率在等载、超载及欠载3种工况下的控制标准进行了阐述，提出典型路段路面结构层的施工控制标准。李君[8]基于路基填筑期沉降观测数据，预测了地基最终沉降量，将预压时间、预压高度、工后沉降结合起来，建立堆载预压动态设计方法。张军辉等[9]对采用不同路基处理方式的软基沉降进行预测分析，指出采用双曲线模型法预测沉降能取得较高的可靠度。

目前，我国对于洞庭湖区的高速公路软土路基沉降研究较少，本文通过南洞庭湖地区某高速公路路基预压期沉降观测数据分析，研究预压期路基沉降规律，对在湖区修建公路及控制预压加载卸载时间有一定参考作用。

1 软土特性及处治方法

1.1 软土特性

拟建路段软土路基分布于全线，主要为淤泥质粉质黏土、砂纹淤泥质土。其天然含水率较高，淤泥质粉质黏土的最大天然含水量为63.06%，砂纹淤泥质土的最大天然含水量为58%，土体一般呈软塑状；天然孔隙比较大，淤泥质粉质黏土的最大天然孔隙比达1.8，砂纹淤泥质土的最大天然孔隙比达1.3；压缩性较高，淤泥质粉质黏土的最大压缩系数值为1.046MPa-1，砂纹淤泥质土的最大压缩系数值为0.83MPa-1，属高压缩性土。

1.2 处治方法

1.2.1PHC管桩

软基处理方案中，PHC管桩因具有施工工期短、处理效果好、施工质量易控制、处理深度大等优点而被广泛采用。PHC管桩复合地基中管桩与桩间土体能共同承担上部荷载，有效提高路基承载力、减少总沉降量、降低工后沉降、防止桥头跳车等[10]。拟建路段PHC管桩采用外径300mm、壁厚70mm的A 型张法预应力混凝土管桩，管桩砼为C80，按正方形布设，桩距为2～3m，桩体向下穿透软土层并嵌入硬层中1.0m，向上平地面线，桩帽顶设置40cm厚碎石垫层，碎石粒径2～4cm。

1.2.2土预压法

土预压法，即传统的堆载预压法，利用土方进行等载或超载预压，路基完成排水固结即预压期结束后，将路基设计标高以上的土方卸载后进行路面施工。拟建路段采用等载预压，预压土方和路床顶部20cm采用素土填筑，压实度85%，预压结束后将土方卸载，翻挖路床顶部20cm，按路床的标准处治并压实。

2 预压期软基的沉降变化特征分析

沉降观测采用沉降板，埋设位置为路中心及两侧路肩处，本文中断面沉降数据均为路中心处沉降，沉降板尺寸为40cm×40cm×1cm，测杆直径为4cm，沉降板观测采用S1型水准以二级中等精度要求的几何水准测量高程，观测精度小于1mm。

2.1 预压期沉降曲线拟合

对断面预压期沉降量进行分析，采用最小二乘法对这些断面进行曲线拟合，拟合曲线类型采用双曲线。以断面K33+070为例，用最小二乘法建立时间t与总沉降量S之间的经验公式。

断面K33+070观测时间与路面总沉降量见表1。表中观测时间间隔0d所对应的总沉降量为填筑期结束累计沉降量，即路基填筑到设计标高，进入到预压期之前已经产生的路基沉降值(下文图表中0d意义均与此相同)。

假设S=f(t)是双曲线型：

S-S0=y=t/(at+b) (a>0)

式中：S是路基总沉降量；S0是路基填筑期已完成的沉降量，断面K33+070为273 mm；y为预压期内累计沉降量；t为观测时间；a、b为拟合参数。

世俗化一直是儒家当然也是陆九渊心学的重要思想倾向。在中国传统中儒家一直以入世的主张而与另两种强调出世的思想佛家和道家有着泾渭分明的区别。

表1 K33+070沉降数据观测次数观测日期观测时间间隔△ti/d本次沉降量/mm本次沉降日平均速率/(mm/d)总沉降量S/mm16.200——27327.212221.8329537.1513171.3131248.319110.5832358.232040.2032769.132110.0532879.271420.14330810.101310.08331

若引入新变量：y(1)，t(1)

则双曲线y=t/(at+b)变为：y(1)=a+bt(1)，转化为求方程y(1)=a+bt(1)的最小二乘解。

断面拟合准备数据如表2所示。

表2 断面拟合准备数据观则次数It/dy/mmt(1)y(1)[t(1)]2t(1) y(1)112220.083 30.045 50.006 90.003 8225390.040 00.025 60.001 60.001 0344500.022 70.020 00.000 50.000 5464540.015 60.018 50.000 20.000 3585550.011 80.018 20.000 10.000 2699570.010 10.017 50.000 10.000 27112580.008 90.017 20.000 10.000 2∑4413350.192 50.162 90.009 60.006 1

解法方程组

得:a=0.0129，b=0.3767。经验公式：S=273+t/(0.012 9t+0.3767)

实测曲线与拟合曲线如图1所示。

图1 K33+070沉降曲线图

从图1可以看出，预压期内的沉降观测曲线与拟合曲线基本重合，预压期的沉降量与时间符合双曲线关系，实测点均匀分布在拟合曲线两侧，无较大偏差。断面K33+070预压期沉降量主要产生于预压初期，结合表1，最大平均日沉降速率发生在6月20日至7月2日，达1.83mm/d。软基预压期卸载采用双标准控制法: ① 工后沉降量小于设计容许值； ② 沉降速率符合一定的标准，对于等载预压路段，要求连续2个月桥头的月沉降速率小于3mm、一般路段小于5mm。在8月3日至10月10日这2个月内，断面K33+070的月累计沉降量分别为5mm和3mm，平均日沉降速率分别为0.12mm/d和0.11mm/d，剩余沉降预测为20mm，小于设计容许值，可以卸载并进行路面阶段施工。

表3 断面拟合曲线监测断面拟合函数K32+047S=121+t/(0.022 5 t+0.625 4)K32+500S=253+t/(0.025 6 t+1.009 9)K32+640S=342+t/(0.018 5 t+0.235 1)K32+730S=177+t/(0.024 3 t+0.534 2)K32+800S=293+t/(0.020 6 t+0.492 8)K32+875S=377+t/(0.016 0 t+0.460 5)K32+950S=148+t/(0.014 7 t+0.507 3)K33+070S=273+t/(0.012 9 t+0.376 7)

2.2 断面总沉降量预测分析

基于2.1节中各断面拟合曲线，对各断面总沉降进行预测，得到表4预测最终沉降量和剩余沉降量。

地基处理方式均为PHC管桩复合地基，预压方式均为土预压(等载预压)。从表4可以看出，预压期结束后，路基剩余沉降量差别不大。总体而言，8个断面的沉降主要发生在路基填筑期，该期间内沉降完成率基本达到70%以上，断面K32+500沉降完成率最高，达到了85%;预压期结束后，断面沉降完成率均达到90%以上，断面K32+640沉降完成率最高，达到了98%。从填筑期、预压期以及剩余沉降量占比来看，填筑期沉降量占比最大，预压期次之，剩余占比最小，可见湖区修建高速公路要严格控制好路基填筑期与预压期的沉降，待土体完成固结后再进行路面施工。

表4 沉降预测表处理方式监测断面软土深度/m填筑高度/m预测最终沉降量/mm填筑期结束累计沉降量/mm预压期结束累计沉降量/mm预压期结束剩余沉降量/mm断面位置K32+04775.4816612115610桥头加密K32+500135.229325328211桥头加密K32+6406.54.93963423915一般路基K32+73074.22191772109圆管涵过渡段PHC管桩+土预压K32+80074.234229333210一般路基K32+87584.1844037742317一般路基K32+9508.54.321614819719桥头加密K33+070154.5735127333120通道过渡段

2.3 一般路基典型断面预压期沉降规律

为研究一般路基预压期沉降规律，从表4中选取K32+640、K32+800、K32+875共3个典型观测断面进行分析。

所选取的断面地基处理方式均为PHC管桩复合地基，预压方式为土预压。从表4可知，在预压期内，3个断面累计沉降量分别为49、39、46mm；预压期结束后剩余沉降量依次为5、10、17mm，符合《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》(JTG/T D31-02—2013)关于工后沉降的要求。断面K32+800与断面K32+875软土深度与填土高度接近，地基处理方式和预压方法相同，预压期内沉降量和预压期结束剩余沉降量相差不大，但最终沉降量相差较大，达到98mm，这表明填筑期间填土速率等因素会对沉降产生较大影响，但这些因素对预压期的沉降影响较小。

图2为一般路基典型断面预压期沉降曲线图，由图可知：在预压初期，预压效果较为明显，截止到预压期第45d，3个断面预压期内累计沉降量分别为42、32、39mm，占预压期总沉降的85%、82%、84%；预压期末期，即最后1个月内，3个断面的沉降量分别为3、2、0mm，通过延长预压时间未取得更为明显的预压效果。

图2 一般路基典型断面预压期沉降曲线图

2.4 桥头典型断面预压期沉降规律

表4中桥头典型断面有K32+047、K32+500、K32+950，预压期内实测沉降值分别为35、29、49 mm，预测最终沉降量分别为166、293、216 mm。其中断面K32+047与K32+500的填土高度接近，分别是全线桥头沉降量最小和最大的2个断面，最终沉降量相差133 mm。从填筑期，预压期以及剩余沉降量来看，预压期内沉降量与剩余沉降量相差不大；相差较大主要表现在路基填筑期时段内，2个断面处理方式相同，填土高度相差0.28 m，而软土深度相差6 m，说明软土深度对路基填筑期沉降量产生较大影响，对路基预压期沉降量影响较小。

图3为桥头典型断面预压期沉降曲线图。与一般路基相同，桥头断面在预压初期能明显看出预压效果，预压期内前45d产生的沉降分别占预压期总沉降的77%、72%、83%，预压期最后30d产生的沉降分别占预压期总沉降的8%、10%、6%。

图3 桥头典型断面预压期沉降曲线图

2.5 断面类型对预压期沉降量的影响

预压期沉降量受许多因素影响，包括不同软基处理方式、预压期断面类型等。不同方式处理软基的沉降率与沉降速率不同，预压期沉降量与时间存在双曲线关系。本文着重研究断面类型对预压期沉降量的影响，选取相同处理方式、软土深度及填土高度相近的断面进行比较，绘制出不同类型断面预压期沉降曲线图，如图4所示。断面K32+047、K32+640、K32+730依次为桥头、一般路基和圆管涵过渡段断面，预压期内累计沉降量分别为35、49、33 mm，预测的最终沉降量为别为166、396、219 mm，预压期沉降量分别占最终沉降量的21%、12%、15%。这是由于一般路基断面的情况与其他断面情况相比较为简单。首先，填筑材料不同。一般路基填土采用黄土进行填筑，黄土是一种特殊的率相关岩土材料，具有高压缩性，其弹塑性压缩系数和前期固结压力对荷载极为敏感，因此在荷载作用下，呈现出较为复杂的率相关力学特性；而桥头断面、结构物过渡断面采用的是碎石土进行填筑，碎石土一般由颗粒较大的碎石和颗粒较小的土粒组成，经压实后具有强度高、变形小和渗透性好的优点，对试验段进行碎石土混合料室内大型直剪试验，获得试验段碎石土混合料的抗剪强度参数。用碎石土进行填筑时，路基是分层填筑，在压缩过程中土体排水固结速度快，因此达到压缩稳定需要的时间短。由于地基排水固结作用，沉降持续产生，而填筑材料不同，断面沉降也有所差异。其次，二者在地基处理方式上都采用了PHC管桩，但桩距有所差异。桥头断面、结构物过渡段桩距为2 m，布置较为密集，一般路基断面桩距为3 m，较为稀疏。从沉降量大小来看，在预压期内一般路基沉降量大于桥头断面和结构物过渡段断面；从沉降量占比来看，预压期内一般路基断面沉降占比最小，结构物过渡段次之，桥头断面最大。结果表明：结构物存在与否对路基预压期沉降量占比产生较大影响，一般路基预压期沉降量占总沉降量最小，涵洞过渡段次之，桥头加密段最大。

图4 不同类型断面预压期沉降曲线图

3 结论

通过对洞庭湖区某高速公路预压期进行沉降观测数据分析，得到以下几点结论：

1) 预压期沉降采用双曲线法进行拟合，拟合程度较高，依据拟合曲线可对路基总沉降量预测，求得的剩余沉降值对预压卸载时间选择有一定指导作用。

2) 预压期内软基沉降规律整体趋势是预压初期沉降大，预压末期沉降较小，预压45 d内，路基沉降占预压期总沉降80%，通过延长预压时间获取更好的预压效果较难实现。

3) 在其他条件相同时，路基预压期沉降量占总沉降量比值受到结构物影响，一般路基占比最小，为12%；涵洞过渡段占比次之，为15%；桥头加密段占比最大，为21%。