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高速公路路基沉降計算探討
【論文關(guān)鍵詞】高速公路；路基沉降；沉降計算
【論文摘要】在高速公路軟土地基路段的建設(shè)過程中，考慮到軟土地基的復(fù)雜性，為了控制施工進度，后期的施工組織與安排，如何正確計算路基的工后沉降是一個重要問題，本文介紹了用于路基沉降計算的常用方法和一些新方法，并對它們的優(yōu)缺點進行了剖析，同時對各種方法的計算結(jié)果與實際情況作了比較，為準(zhǔn)確計算路基的沉降量提供了方法上的參考。
1．前言
在公路施工過程中，為了控制施工進度，指導(dǎo)后期的施工組織與安排，同時保證路基的穩(wěn)定與適用，需要對路基的最終沉降量進行計算預(yù)測。高速公路對地基要求甚高，為了實現(xiàn)其“安全、舒適、高速”的服務(wù)目的，在使用年限內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)較大的工后沉降，同時還應(yīng)避免不均勻沉降的發(fā)生。隨著我國“五縱七橫”高速公路網(wǎng)的全面展開，高填方路堤和軟土路基也越來越多，如何準(zhǔn)確地預(yù)測它們的沉降量將會是高速公路建設(shè)中的一個重要課題。目前用于計算沉降的方法很多，主要有傳算方法、根據(jù)現(xiàn)場實測資料推測的經(jīng)驗公式法、數(shù)值計算法等。本文擬在對傳統(tǒng)的計算方法作一的同時，側(cè)重于對新的計算方法作一介紹。
2．傳統(tǒng)計算方法
經(jīng)典的沉降計算方法將沉降分為瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分。瞬時沉降包括兩部分：由地基的彈性變形產(chǎn)生的和由地基塑性區(qū)的開展，繼而擴大所產(chǎn)生的側(cè)向剪切位移引起的。對于固結(jié)沉降的計算，主要采用分層總和法。次固結(jié)沉降常采用分層總和法根據(jù)里蠕變試驗確定參數(shù)求解。最終沉降量的計算通常采用固結(jié)沉降值乘以經(jīng)驗系數(shù)的方法。
2.1分層總和法
分層總和法是先求出路基土的豎向應(yīng)力，然后用室內(nèi)壓縮曲線或相應(yīng)的壓縮性指標(biāo)，壓縮系數(shù)或壓縮模量分層求算變形量再總和起來的方法，這種方法沒有考慮路基土的前期應(yīng)力。e-lgp曲線法可以克服這個不足，能夠求出正常固結(jié)、超固結(jié)和欠固結(jié)情況下路基土的沉降。但這兩者都是完全側(cè)限條件下的變形計算方法，所以司開普頓和比利提出利用半經(jīng)驗的方法來解決這個問題。關(guān)于分層總和法的介紹比較多，這里不再贅述。使用該方法有一點必須引起重視，就是壓縮層深度的選擇，這可以從位移場角度和應(yīng)力場角度加以考慮，具體可參見參考文獻[1]。
2.2應(yīng)力路徑法[2]
直接用有效應(yīng)力路徑法來計算沉降的步驟是：①在現(xiàn)場荷載下估計路基中某些有代表性(例如土層的中點)土體單元的有效應(yīng)力路徑；②在試驗室做這些土體單元的室內(nèi)試驗，復(fù)制現(xiàn)場有效應(yīng)力路徑，并量取試驗各階段的垂直應(yīng)變；③將各階段的垂直應(yīng)變乘上土層厚度即得初始及最后沉降。
有效應(yīng)力路徑法可以克服估計初始超孔隙壓力以及固結(jié)沉降的街接上存在不夠合理的地方這個缺點，但它無法避
免用彈性理論來計算土體中的應(yīng)力增量。
3．現(xiàn)場實測資料推測沉降
由于荷載作用下路基沉降需要一段時間才能完成，所以通過前期的沉降觀測資料可以推算路基的最終沉降量。
3.1對數(shù)配合法
由路基固結(jié)度常用式U=1-ae-bt及其定義式，在實測的初期沉降-時間曲線上任意取3點且使它們之間的時間間隔相等，可得最終沉降量。為了使推算結(jié)果精確一些，時間間隔值盡可能取大一些，這樣對應(yīng)的沉降差值就要大一些。
3.2雙曲線配合法
該法認(rèn)為時間沉降量為一雙曲線，可由此確定路基的沉降量。但用該公式的計算結(jié)果與實測比較后發(fā)現(xiàn)偏離較大[3]，推算的最終沉降量也偏大，如果沉降過程的觀測歷時較長，而且在求算最終沉降量時著重于后一階段的沉降曲線的話，就可得到較好的結(jié)果。
雙曲線配合法模型簡單實用，預(yù)測值較實測值稍微偏大，偏于保守，但對工程沉降預(yù)測有利。
3.3指數(shù)函數(shù)配合法
指數(shù)函數(shù)配合法即在沉降時間關(guān)系曲線上，取最大橫載段內(nèi)的三點，并使三點的時間間隔相等，將三點的時間與相應(yīng)的沉降代入固結(jié)度的常用式U=1-ae-bt即可得指數(shù)函數(shù)配合法的具體表達式，由于上述方法中采用了實測的三點時間和對應(yīng)沉降值，該方法又稱三點法，三點的選擇以沉降曲線趨于穩(wěn)定的階段，且三點間隔盡可能大最為有利，此時推算的沉降值最準(zhǔn)確。
4．其他計算方法
4.1原位試驗法[4]
通過原位試驗來確定沉降量的方法主要有：平板載荷試驗法、靜力觸探法、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗法和旁壓試驗法。其中平板載荷試驗法主要適用于砂土地基，該方法是對一定面積逐級施加荷載增量，并測量由這些增量所引起的沉降，可得到荷載與沉降的關(guān)系曲線，該方法通常要進行尺寸效應(yīng)修正。靜力觸探法如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗法是利用由大量的資料分析所得到的這些試驗結(jié)果與土的壓縮性指標(biāo)之間的關(guān)系來計算沉降。旁壓試驗法是用旁壓試驗得到的模量應(yīng)用彈性理論得到預(yù)估沉降量，該方法將沉降分為二部分：由球形應(yīng)力張量引起的沉降和由偏斜應(yīng)力張量引起的沉降。
4.2有限單元法[5]
有限單元法是將地基和結(jié)構(gòu)作為一個整體來分析，將其劃分網(wǎng)格，形成離散體結(jié)構(gòu)，在荷載作用下算得任一時刻地基和結(jié)構(gòu)各點的位移和應(yīng)力。該方法可以將地基作為二維甚至三維問題來考慮，反映了側(cè)向變形的影響。它可以考慮土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性特性，采用非線性彈性的本構(gòu)模型，或者彈塑性本構(gòu)模型。目前用得最廣的是鄧肯-張雙曲線模型。它可以考慮應(yīng)力對變形的影響，還可以考慮土與結(jié)構(gòu)共同作用，考慮復(fù)雜的邊界條件，考慮施工逐級加荷，考慮土層的各向異性等。從計算方法上來說，是一種較為完善的方法。它的缺點是計算工作量大，參數(shù)確定困難，要做三軸排水試驗，目前主要用于重要工程、重點地段的計算。
4.3反分析法
反分析法是依靠在工程現(xiàn)場獲取位移量測信息反演確定各類未知參數(shù)的理論和方法[6]。在反分析確定了路基參數(shù)后再根據(jù)所選擇的模型能準(zhǔn)確地求出路基的沉降量。進行反分析計算要注意的問題有：一個可靠的反分析必須依靠一套可靠和完整的數(shù)據(jù)測定；在反算某些參數(shù)時，總要對其他一些輔助參數(shù)進行實測，有時還需要估計；進行反分析首先要對整個模型某種假定，這些假定的可靠度將影響反分析的適用性；在反分析的模型選擇、介質(zhì)特性假定等方面，經(jīng)驗的工程判斷將起到重要作用。
5．結(jié)論
不同的計算方法有不同的優(yōu)缺點，不同的適應(yīng)范圍。在實際工程的沉降計算中，并不單純地依賴于某一種方法，只有對每一種計算方法的原理、優(yōu)缺點和計算結(jié)果的質(zhì)量都有了了解之后才能在實際運用的過程中靈活地選擇適合的計算方法。
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