巖體力學(xué)論文

1、高填方路堤沉降分析摘要：隨著國家西部大開發(fā)決策的實(shí)施，高填方路堤的沉降規(guī)律已經(jīng)成為工程界越來越關(guān)注的問題。然而由于填料力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性及種種原因，高填路堤的沉降規(guī)律在交通土建部門研究的不多。西部山區(qū)的高等級公路建設(shè)中, 不可避免的出現(xiàn)大量的高填方路堤。從目前投入運(yùn)營的高速公路來看, 普遍反映出路堤沉降、特別是工后不均勻沉降問題較為嚴(yán)重。高填方路基的沉降問題相對于穩(wěn)定問題表現(xiàn)得更為普遍、更為突出, 是路基的主要病害之一。關(guān)鍵詞：高填方路堤;檢測手段;沉降A(chǔ)bstract;With the implementation of the western development strategy,the

2、 rule of settlement of the high embankment has become the problem to which engineering have paid moreand more attention. However the mechanical properties of filling for complexity and a variety of reasons, Few studies about the rule of settlement of the high embankment in communications civil engin

3、eering department.In the mountains of western construction of high-class highway,a large number of the high embankment appear of unavoidable. In the present state of the throw in operation freeway,it is more serious problem that embankment settlement, especially the problem of after construction une

4、ven settlement in universal. The problem of the high embankment settlement that is more universal and more outstanding is relatived to the problem of stability,which is one of the major embankment diseases.Keywords：high embankment;test facility;settlement1 緒 論 公路是國民經(jīng)濟(jì)的重要命脈，由于其特有的優(yōu)越性和靈活性而發(fā)揮著其它運(yùn)輸方式所不可

5、替代的作用。公路建設(shè)又是國家最主要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，它的迅速發(fā)展對于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)并推動其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。近年國內(nèi)公路建設(shè)的規(guī)模和水平有了很大的提高，尤其是高速公路以其車速快(最高時速一般為120Km/h)、行車安全、通行能力大、運(yùn)輸成本和貨物耗損低而成為我國公路發(fā)展的首要目標(biāo)。隨著“十五規(guī)劃”的實(shí)施和“五縱七橫”國家道路主干線系統(tǒng)的建設(shè)，我國的高速公路正逐步從東部向中西部延伸，在中西部地區(qū)高速公路沿線的地質(zhì)條件也愈來愈復(fù)雜，工程難度不斷增加，如湖南的耒宜高速公路、潭邵高速公路、衡棗高速公路、常張高速公路、常吉高速公路等，由于沿線多為丘陵山區(qū)，地形與土質(zhì)條件復(fù)雜，高填深挖及半填

6、半挖極其普遍。填切交界高差6-10m以上者常見，高填方路堤大量出現(xiàn)，最大填方高度20余米甚至達(dá)30余米。為了使高速公路在使用年限內(nèi)能夠很好地運(yùn)營，高速公路對于工后沉降、差異沉降和路面平整度都提出了很高的要求。一般要求在設(shè)計使用年限內(nèi)，路面的工后沉降量應(yīng)小于30厘米，橋頭路堤應(yīng)小于10厘米；對平整度要求更高，其標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)在1.8毫米以內(nèi)，不應(yīng)在人工構(gòu)造物與路堤銜接處產(chǎn)生差異沉降。由于高速公路對地基沉降的要求十分嚴(yán)格，所以如何較為合理地預(yù)估路基后期沉降量就成了高速公路建設(shè)中的一個重要問題。以往，在我國東部公路建設(shè)中遇到的問題主要是軟基沉降問題，對于這個問題，國內(nèi)外開展了大量的研究并取得了許多成果，然

7、而在高路堤方面則缺乏全面系統(tǒng)的沉降觀測資料和研究成果。同時，由于我國幅員遼闊，東西部高速公路建設(shè)過程中遇到的地質(zhì)問題差異較大，所以不能簡單地將在東部積累的經(jīng)驗(yàn)用于中西部，而必須重視中西部地區(qū)的地質(zhì)特殊性,如湖南境內(nèi)就大量存在紅砂巖和高液限粘土等不良土質(zhì)。為此，針對中西部地區(qū)出現(xiàn)的高路堤，開展高路堤沉降觀測和沉降變形特性的研究可以極大地豐富和發(fā)展這一領(lǐng)域的成果，同時通過對實(shí)測的路基沉降觀測資料進(jìn)行整理分析可以預(yù)測高路堤沉降過程，據(jù)此可以指導(dǎo)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，推算各結(jié)構(gòu)層次的施工時間表，改進(jìn)有關(guān)的施工工藝，直接為公路施工決策提供科學(xué)依據(jù)，并起到指導(dǎo)施工、保證工程質(zhì)量和加快進(jìn)度的目的。2 路基沉降計

8、算方法2.1影響路基沉降計算的因素路基沉降分析中存在大量的不確定性因素，這些不確定性因素，使得路基沉降的理論數(shù)值計算分析的精確性大為下降。許多學(xué)者曾較系統(tǒng)地闡述了地基沉降分析中的不確定性因素，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：2.1.1 計算模型的不確定性很多文獻(xiàn)都詳細(xì)分析了計算模型的問題，由于無論采用哪種模型，都不可能絕對準(zhǔn)確地（有時誤差還很大）反映實(shí)際情況。針對不同的土質(zhì)材料，許多學(xué)者已經(jīng)提出許多本構(gòu)模型和屈服準(zhǔn)則，不同的模型反映的側(cè)重點(diǎn)不一樣，所得到的結(jié)果差異也很大。甚至有時提出的模型可能較為全面地反映了土的性質(zhì)，但因?yàn)槠浔緲?gòu)關(guān)系的極其復(fù)雜，使得數(shù)值計算相當(dāng)繁瑣，這樣也難以在工程中廣泛應(yīng)用。計算模

9、型的不確定性是一個較為復(fù)雜的問題，這和土粒粒度、成分和土體結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時也和它所受外力的種類和方向、周圍環(huán)境、地下水的變化等因素有關(guān)。國外學(xué)者Ditlevsen和Kiureghian等人對工程結(jié)構(gòu)的計算模型不確定性進(jìn)行了研究，相比之下，在巖土工程領(lǐng)域，研究成果還很少，目前唯有Bourdeau和Ashmaxy簡單地對線彈性和理想彈塑性不確定問題進(jìn)行了探討。2.1.2 荷載的不確定性對于高速公路來說，荷載主要包括路基土體及面層的自重和車輛荷載。路基土體在實(shí)際施工中的加載方式變化很大，采用不同的加載方式和加載速率，路基的沉降時間曲線顯著地不同。加載速率對初期沉降有明顯影響，而對后期沉降影響不大。施工

10、填筑速率緩慢時，土中孔隙水壓力有較充分的排出和消散時間，路基的沉降便隨路堤填土荷載的緩慢增加而逐漸進(jìn)行。施工填筑速率過快，土體沒有充分固結(jié)，那么就會造成較大的工后沉降。對于車輛荷載作用下路基的沉降問題，目前的處理辦法一般只將其轉(zhuǎn)化成靜載。但實(shí)際上，車輛荷載和靜載相比有很大的不同，天然土體及復(fù)合土體在車輛荷載作用下的性質(zhì)與其在靜載作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)也有很大的不同。路基在車輛荷載作用下引起的累積變形可以分為兩部分：在可變荷載作用下土體中的殘余應(yīng)變引起的變形和土體中由于可變荷載引起的孔壓消散產(chǎn)生的固結(jié)變形。正確估算道路構(gòu)筑物在可變荷載作用下的沉降，對實(shí)際工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2.1.3路基上材料

11、參數(shù)的不確定性大量的試驗(yàn)、統(tǒng)計結(jié)果和工程實(shí)踐表明，土性參數(shù)存在著變異性，而且變異系數(shù)遠(yuǎn)比一般的人工材料大。路基沉降計算的精度在很大程度依賴于土性參數(shù)統(tǒng)計分析的精度。除容重外，地基土的彈模、泊松比以及強(qiáng)度參數(shù)(如c,值)也都存在著變異性。Cambo的研究表明，土泊松比的變異性不大，可以不作為隨機(jī)變量處理，但彈模的變異性十分明顯。土體強(qiáng)度參數(shù)的變異性一般較大，尤其是c值，有時變異系數(shù)高達(dá)0.5左右。此外，由于地基沉降往往為一定范圍內(nèi)土性的平均特性所控制，而土性參數(shù)一般又表現(xiàn)出明顯的空間變異性，不同位置土性參數(shù)具有相關(guān)性，因此，土體材料參數(shù)通常需采用隨機(jī)場模型加以模擬。國內(nèi)權(quán)威人士指出：“在計算科學(xué)

12、日新月異的今天，計算參數(shù)與實(shí)際情況相比所具有的精度己遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程結(jié)構(gòu)的精確分析,如果不考慮設(shè)計參數(shù)的不確定性，結(jié)構(gòu)的精確分析所能取得的效益將被粗略的經(jīng)驗(yàn)性安全指標(biāo)所淹沒”。在地基沉降未能全面實(shí)現(xiàn)概率分析以前，基于參數(shù)的反演分析方法是解決參數(shù)不確定性問題的較好途徑。2.1.4 幾何尺寸的不確定性 從總體上看，這一方面的研究成果還較少，目前已出現(xiàn)的成果主要反映在土層厚度不確定性的模擬以及土體內(nèi)變異物位置和尺寸的不確定性對沉降的影響。2.1.5 初始條件和邊界條件的不確定性在軟土路基的沉降計算分析中，必然要關(guān)系到確定計算模型的初始條件和邊界條件。由于路基所處的地下水水位都是隨機(jī)變化的，所以其初始孔

13、壓和邊界孔壓均存在不確定性。由于巖土工程中存在著大量的不確定性因素，這些客觀存在的不確定因素己使常規(guī)的分析方法顯得力不從心。只有在路基沉降計算中充分考慮這些不確定因素所帶來的影響，才能進(jìn)一步提高計算的精度。2.2路基沉降預(yù)估方法路基沉降預(yù)測的方法主要有三種：以經(jīng)典土力學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)預(yù)測方法、本構(gòu)理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計算法和根據(jù)實(shí)測沉降資料預(yù)測法，如圖1-1所示。圖1-1地基沉降預(yù)估方法總結(jié)傳統(tǒng)的沉降預(yù)估方法是建立在太沙基等人創(chuàng)立的經(jīng)典土力學(xué)基礎(chǔ)之上，其中引入了許多簡化假定，在預(yù)估時將地基沉降分為瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分，并按分層總和法分別計算。瞬時沉降是在外荷載加上的瞬間，土體中的孔隙

14、水來不及排出時所發(fā)生的沉降，即地基土在不排水加載期間所產(chǎn)生的沉降。此時土體只發(fā)生形變而沒有體變，荷載使土體產(chǎn)生剪切變形。固結(jié)沉降又稱為主固結(jié)沉降，是荷載置于地基上后，隨著時間的延續(xù)，地基土中的孔隙水逐漸排出過程中所發(fā)生的沉降。在此過程中，孔隙水排出，孔隙水壓力轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力，土體逐漸壓密，產(chǎn)生體積壓縮變形。次固結(jié)沉降的主要部分是在地基土中的超靜孔隙水壓力完全消散以后，亦即在有效應(yīng)力不變的情況下所發(fā)生的沉降。此種方法包括一維沉降計算法和從土的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)而改進(jìn)的沉降計算方法。數(shù)值計算法是近代土力學(xué)研究的產(chǎn)物。70年代以來，隨著計算機(jī)和數(shù)值計算方法的飛速發(fā)展，對土體本構(gòu)關(guān)系認(rèn)識的不斷深入，人們可以

15、將復(fù)雜的地基沉降計算問題編制成計算機(jī)程序，通過計算機(jī)運(yùn)算，得到較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。其中有限元法和有限差分法應(yīng)用較廣。前面已經(jīng)敘述，在高速公路設(shè)計和施工中客觀存在的不確定因素使得常規(guī)的路基沉降計算分析方法計算的沉降量和實(shí)際沉降量有較大的出入，因此出現(xiàn)了根據(jù)實(shí)測沉降資料的預(yù)測方法，此種方法預(yù)測精度相對較高，同時通過對此種方法的大量運(yùn)用可以積累這方面的資料和實(shí)際監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)供日后借鑒。為此，許多高速公路都開展了沉降觀測工作，如京津塘(1987)、滬嘉(1989)、廣佛(1990)、廣深珠(1992)、滬寧(1992)、杭甬(1992)、佛開(1994)、廣珠(1995)、耒宜(1999)、衡棗(2001年

16、)、常張(2003)和常吉(2004)等高速公路，以此來對高速公路的設(shè)計和施工提供依據(jù)并指導(dǎo)施工。根據(jù)對現(xiàn)場實(shí)測沉降資料的整理分析和研究，提出了許多沉降預(yù)估的方法，如雙曲線法、指數(shù)曲線法、泊松曲線法、淺崗法、星野法、三點(diǎn)法、沉降速率法、灰色預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法、模糊綜合評判法和反分析法等。傳統(tǒng)沉降預(yù)估方法和數(shù)值計算方法都需要對土樣做大量的實(shí)驗(yàn)來獲取盡可能接近實(shí)際的參數(shù)，但由于土是一種變異性很大的工程材料，在其漫長的形成過程中，經(jīng)歷了自然和人為因素的作用，其性質(zhì)十分復(fù)雜，因而通過勘察、取樣、試驗(yàn)得到的土體參數(shù)是十分離散和不確定的，具有空間變異性，同時，從經(jīng)濟(jì)方面來考慮，勘探的密度及試驗(yàn)的次數(shù)不

17、可能達(dá)到絕對令人滿意的程度，所有這些無形中都影響了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)實(shí)測沉降資料預(yù)測法是在較為充分的取得路基沉降資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的沉降預(yù)測，能綜合考慮各種復(fù)雜因素對土體性質(zhì)的影響，因此其預(yù)測精度相對較高，但該類方法中的不同方法有其各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，因此在實(shí)際的高速公路地基沉降預(yù)估中，應(yīng)該在對每一種預(yù)估方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍等全面了解后，根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，靈活選用不同方法進(jìn)行預(yù)估分析。3 高填方路基的沉降常見表現(xiàn)及危害3.1 高填方路基的沉降常見表現(xiàn)為：路基的沉陷和路基滑動兩種形式。引發(fā)病害的主要因素與填土高度、路基填料、邊坡坡度、地基土質(zhì)性質(zhì)、水文狀況、路基壓實(shí)及施工等有關(guān)。3

18、.2. 高填方路段沉陷后易發(fā)生的危害： 高填方路段經(jīng)常緊接大型結(jié)構(gòu)物，以橋梁為例，橋梁大多為剛性結(jié)構(gòu)物, 由于臺背回填土與路基填筑土各自的彈性模量差別極大, 出現(xiàn)的沉降也存在較大差別, 極易出現(xiàn)橋頭跳車, 影響道路的正常運(yùn)營; 高填方路段出現(xiàn)較大沉降后, 致使路面開裂、基層斷裂, 加速路面的破損, 嚴(yán)重危路面的正常使用; 高填方路段的沉降進(jìn)一步發(fā)展, 可致使路基整體沉陷, 橫向擠壓, 出現(xiàn)路基失穩(wěn)、崩塌, 造成道路的損毀。4 病害的處理高填方路段產(chǎn)生病害的治理措施一般有: 換填土法、固化劑法、粉噴樁法、灌漿法和鋪設(shè)玻纖土工格柵法。下面結(jié)合以往治理高填方路基下沉、路面開裂等病害的情況, 介紹經(jīng)常

19、采用的治理措施。4.1. 換填土法路基整體較好,局部路基下沉,經(jīng)常采用換填土法?；静襟E: 將原路基出現(xiàn)病害部分的填料挖除, 把擾動的浮土清理干凈,整平碾壓達(dá)到壓實(shí)度要求后, 用符合規(guī)范要求的填料回填。換填時注意: 挖補(bǔ)面積要擴(kuò)大, 且每層挖成臺階狀, 由下往上, 逐層整平碾壓, 壓實(shí)度要求高出原路基壓實(shí)度 1% 2% 。4.2. 布設(shè)土工格柵法高填方路段路基下沉不明顯, 只是在路面上出現(xiàn)了縱向的開裂, 經(jīng)過一段時間的觀測, 發(fā)現(xiàn)沉降趨于穩(wěn)定, 可采用這種方法。步驟: 將裂縫兩側(cè)的瀝青路面用切割機(jī)對稱切除( 寬度以 1. 0 m2. 0 m 為宜) ,鋪設(shè)土工格柵, 用鋼釘固定, 重新鋪筑瀝青

20、路面。4.3. 灌漿法路基下沉的面積大、情況較嚴(yán)重, 宜采用灌漿法。灌漿法是利用液壓、氣壓或電化學(xué)原理, 對路基下沉部分鉆孔, 孔深應(yīng)穿透薄弱層。然后通過注漿管將漿液均勻地注入地層中, 漿液以充填、滲透和擠壓等方式灌入填料的空隙, 漿液將原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成一個整體, 使路基整體成為一個穩(wěn)定的固結(jié)體。由于漿液的擴(kuò)散能力和灌漿壓力的大小密切相關(guān), 所以不同填料及形態(tài)的路基, 采用的灌漿壓力主要取決于路基的密實(shí)度、強(qiáng)度、初始壓力、鉆孔深度、灌漿位置及操作規(guī)程等因素。一般對碎石土、砂礫土填料的路基, 壓力控制在 0. 5 M Pa 1. 5 M Pa 之間; 對于黏性土填筑的路基, 由于其滲透

21、性很小, 需加大壓力, 注漿壓力為 1. 5 M Pa 4. 0 M Pa。灌漿法施工程序如下: 1) 布孔。布孔一般原則為滿足路基強(qiáng)度的要求, 布孔要結(jié)合灌漿的特點(diǎn)、路基形態(tài)等因素來考慮。既要充分發(fā)揮灌漿孔的效率, 又能保證漿液灌注在路基加固范圍內(nèi), 防止留下空白區(qū)和跑漿, 布孔時還應(yīng)視路基實(shí)際情況而定。布孔方法: 根據(jù) 原路基施工時的原始記錄, 估算路基孔隙率, 通過試驗(yàn)測定灌漿量, 然后確定鉆孔數(shù)量。 如果需要全幅灌漿, 應(yīng)采用等距離梅花形方格網(wǎng)布孔, 中間孔淺, 邊緣孔較深?？拙嘁话阋?2. 0 m 2. 5 m 為宜。2) 鉆孔。為確保原路基不受損壞, 成孔的孔徑應(yīng)盡量小, 且必須采

22、用干鉆法, 嚴(yán)禁加水, 否則路堤受水浸泡, 路基原結(jié)構(gòu)受到破壞, 造成更嚴(yán)重的后果。鉆孔 深度視路基高度和路基填料等情況而定。3) 下注漿管。首先選取適當(dāng)?shù)淖{管, 注漿管底部預(yù)留 20 cm 30 cm 空隙, 確保漿液的灌注流暢。鉆孔口要密封, 一般用填充膨脹水泥的方法 , 以保證漿液不從鉆孔口溢出。4)注漿。灌漿壓力是保證灌漿質(zhì)量的重要因素 。如果壓力過小, 漿液流不到預(yù)計范圍內(nèi), 擴(kuò)散范圍小易形成空白區(qū); 如果壓力過大, 則會損 壞原路基結(jié)構(gòu), 頂破路面或沖垮邊坡 ,以致使?jié){液沿路基薄弱部位沖出路基, 達(dá)不到灌注的目的。結(jié) 論 路基沉降一般在路基完成后 月才能逐漸趨于穩(wěn)定，如果路面組織

23、施工時沒考慮到這一因素，則很容易發(fā)生路面早期破損等質(zhì)量問題。因此，要減少或消除路基、路面質(zhì)量隱患，就一定要重視地基沉降所帶來得影響。針對高填土路基的沉降原因, 在施工實(shí)踐中采取行之有效的全面預(yù)防和處置措施, 不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn), 施工中應(yīng)重視現(xiàn)場調(diào)查、勘察, 嚴(yán)格按照規(guī)范施工, 從而降低高填土路堤的不均勻沉降的產(chǎn)生和發(fā)展, 確保路堤具有足夠的穩(wěn)定性和耐久性, 提高高填土路堤承受反復(fù)荷載和各種自然因素破壞的能力。 參 考 文 獻(xiàn) 1 徐曉宇，王桂堯，匡希龍.基于皮爾遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高路堤沉降預(yù)測研究.公路交通科技，2006，12 交通部第二公路勘察設(shè)計院.路基.第二版.北京：人民交通出版社，19963

24、姚祖康.道路路基和路面工程.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1994，1-44 折學(xué)森.軟土地基沉降計算.北京：人民交通出版社,1998，1-305 劉創(chuàng)明 郭長學(xué) 高填方路堤施工學(xué)習(xí)指南 6 JTG D30-2004，公路路基設(shè)計規(guī)范、JTJ033-95，公路路基施工技術(shù)規(guī)范、JTJ059-95，公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程.7 王朝暉,李學(xué)乾.秦沈客運(yùn)專線地基系數(shù)檢測及影響因素探討鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2001(1O).8 黃秋麗,張凡.核子儀在小浪底主壩質(zhì)量控制中的應(yīng)用鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000(4).9 魏青( 1978 ) 臨沂交通工程咨詢監(jiān)理中心 2009 10 聶武軍 王瑞 劉潤星 內(nèi)蒙古公路工程局 內(nèi)蒙古 200711 鐘才根, 等1 高速公路軟基路堤沉降速率控制J 1 華東公路, 2002 (3) : 42 - 44112 徐澤中, 等1 滬寧高速公路軟基路堤沉降動態(tài)控制方法研究J 1 水利水電科技進(jìn)展, 1998 (4) : 31 - 35113 路基檢測技術(shù)綜述 楊新安1 孟凡江2 孫經(jīng)川3 (1. 同濟(jì)大學(xué)城市軌道與鐵道工程系上海20