路基沉降控制设计中的几个问题.doc

路基沉降控制设计中的几个问题【摘 要】 阐述了高速公路、高速铁路的路基沉降设计方法、影响因素，对计算中的几个实际问题进行了探讨1 前 言 当前，我国正处于大规模交通建设，高速公路和高速铁路将成为陆地城际间的主要交通干线路基设计的内容很多，其中最为引起工程师关注的问题是路基稳定和路基沉降控制尤其对于软土地区，路基的沉降控制设计将成为路基的核心技术设计，并且成为路基处理造价的控制性设计 本文根据作者近一段时间在路基工程上的咨询和思考，对路基沉降控制设计中几个工程师经常关心的问题，进行剖析，并提出一些见解，不妥之处请专家指正2 路基沉降的影响因素 根据路基的构造和建设运营特点，路基的沉降影响因素除地基条件外，似乎应包括以下几个方面： （1）附加荷载 附加荷载是指路面、路床、路堤的重量属于永久荷载标准断面见图1附加荷载引的沉降按沉降机理可以分为瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降图1 填方路基标准断面 （2）地下水位变化 地下水位上升时，地基土的含水率上升，强度降低，从而引起沉降地下水位下降时，土中的有效应力增加，同样引起沉降 （3）边沟水的入渗 路的两侧一般都设计有排水沟，其功能主要是降水期间提供路面排水去处。

平原地区的排水沟，集水主要通过蒸发和入渗消耗水的入渗会引起路基局部沉降3 沉降计算理论 当前，根据行业标准《公路路基设计规范》、《铁路路基设计规范》的规定，将沉降计算可以分为两种思路：一种分段详细计算法，另一种是主固结沉降修正法3.1 分段详细计算法 1：中国兵器工业北方勘察设计研究院 分段详细计算法是先分别计算瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降，然后再三者累加求得总沉降量 （1）瞬时沉降 对均质地基，瞬时沉降按下式计算： （1）式中 ： Sd—瞬时沉降 ν—泊松比 b—基础宽度（圆形基础表示直径） p0—对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力 Eu—不排水变形模量 IP—基础形状和刚度影响系数，见表1。

表1 基础形状和刚度影响系数Iρ基础形状圆形方形矩形l/b1.52.03.05.010.020.050.0100.0刚性基础0.790.881.071.211.421.702.102.463.003.43柔性基础中心点1.001.121.361.531.782.102.542.993.574.01角点0.640.560.680.770.891.051.271.491.802.00 （2）主固结沉降 主固结沉降的计算方法一般有两种：固结试验法、应力历史法固结试验法的计算原理是：根据附加应力分布和固结试验得到的每层土相应压力段的压缩模量，分层总和计算主固结沉降 计算地基变形时，地基内的应力分布,按各向同性均质线性变形体理论其变形量按下式计算： （2）式中 s---- 地基主固结沉降量； s'----地基主固结沉降理论计算值； ψS----经验系数； n----地基变形计算深度范围内所划分的土层数； p0----对应于荷载效应准永久组合时的原地面处的附加压力（kPa）； Esi----基础底面下第i层土的压缩模量（MPa），应取土的自重应力至土的自重应力与附加应力之和的压力段计算； zi、zi-1----基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）； αi、αi-1----基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

应力历史法的计算原理是：根据附加应力分布和高压固结试验求出的土的压缩指数和回弹指数，考虑土的固结历史，分层总和计算主固结沉降 对正常固结土，按下式计算： （3） 对超固结土，分两种情况： 第一种情况，当pzi+p0i≤pci时，用回弹指数Ce计算，若地基压缩层深度内有m层土属此类情况，则可按下式计算： （4） 第二种情况，当pzi+p0i＞pci时，分两段考虑，pc值之前用回弹指数Ce计算，pc值之后用压缩指数Cc计算若地基压缩层深度内有n层土属此类情况，则可按下式计算： （5）地基压缩层范围内有上述两种情况的土层，则其总沉降量为上述两部分之和即 （6） 对欠固结土，按下式计算： （7） 式中 s----总的主固结沉降量； sm----m层范围沉降量； sn----n层范围沉降量； hi----第i层土的厚度； e0i----第i层土的初始孔隙比； Cei、Cci----分别为第i层土的回弹指数和压缩指数； pzi、pci、p0i----分别为第i层土的自重应力平均值、前期固结压力和附加压力平均值。

（3）次固结沉降 主固结完成后的次固结沉降，按下式计算： （8）式中 ： ss —次固结沉降； h—压缩层厚度； t2—表示计算次固结的时刻； t1—主固结（固结度达到100%）完成的时刻； Cα—次固结系数3.2 主固结沉降修正法 主固结沉降修正法的原理是只计算主固结沉降，然后对主固结沉降量直接进行修正，得到总沉降量4 荷载组合4.1 永久荷载 永久荷载包括路面自重、路床自重和原地面以上的路堤自重4.2 可变荷载 可变荷载主要指车辆荷载、人群荷载、雪荷载、地下水升降引起的有效应力变化等4.3 偶然荷载 主要指地震荷载、其他不可预见荷载4.4荷载组合 当前计算路基沉降时，一般只考虑永久荷载作者认为，计算沉降时应考虑永久荷载和可变荷载的组合对不同荷载组合下的沉降量分别进行估计图2 石家庄浅层粉质黏土自重应力～压缩模量关系试验结果 注： 表示自重应力； 表示附加应力5 计算参数和经验修正系数 采用主固结沉降修正法计算时，涉及到的计算参数除了各层土的标高、重力密度外，还涉及到一个非常重要的参数，即压缩模量。

根据固结试验典型结果，压缩模量的大小与自重应力、附加应力有关自重应力和压缩模量关系的试验结果（石家庄浅层粉质黏土）见图2从图2可以看出，自重应力对压缩模量的影响最大，附加压力次之因此，沉降计算时，压缩模量的应根据实际土的压力段选取根据主固结沉降计算总沉降量时，往往需要根据实际情况乘一个修正系数这个系数就是经验修正系数行业标准《公路软土地基路堤设计与施工技术规范（JTJ017-96）》[1]给出的经验修正系数为1.1～1.7，《京沪高速铁路设计暂行规定（铁建设[2003]13号）》[2]给出的经验修正系数为1.1～1.4最近，新版行业标准《公路路基设计规范（JTG D30-2004）》[3]根据京津塘高速公路试验研究结果，给出了一个经验公式： （9）式中： ms—经验修正系数； γ—填料重力密度（kN/m3）； θ—地基处理类型系数，粉体搅拌桩处理取0.85，一般预压固结取0.90，塑料排水板 处理取0.95～1.10； H—路基中心高度（m）； V—填土速率修正系数，填土速率在0.02～0.07m/d之间时，取0.025； Y—地质因素修正系数，满足软土层不排水抗剪强度小于25kPa、软土层的厚度大于 5m、硬壳层厚度小于2.5m三个条件时，取0，其他情况取-0.1。

为便于直观，取 γ=19，θ =0.85, V=0.025，Y =-0.1，代入式（9）得到 ms 和H的关系见图3从图3可以看出，经验修正系数和路堤填方高度有关，填方高度越大，经验修正系数越大经验修正系数范围值为0.8～1.7图3 路堤高度和经验修正系数的关系（根据式9） 作者认为，应积极开展已建路基沉降的调查，逐渐建立地区性经验公式对于没有经验的地区，可以暂且按式（9）计算，并参考同类地区经验综合确定6 压缩层厚度 路基沉降量的大小，与沉降计算时采用的压缩层厚度很有关系图4是河北保沧高速公路一个断面的计算结果从图中可以看出，沉降计算采用的压缩层厚度越大，计算的最终沉降量越大 《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》JTJ017-96规定，沉降计算采用的压缩层，其底面应在附加应力与有效自重应力之比不大于0.15处当前，我国正处于大规模公路、铁路的建设时期，积极开展观测，尽早找出压缩层经验和规律也是很重要的一项技术工作7 工后沉降 由于路的建成需要一定时间（一般一年），所以设计阶段工程。