深厚软土路基沉降预测方法及工程应用

刘智 唐昌意 问建学 王胜 马祖遥

珠海市规划设计研究院 中交公路规划设计院有限公司

摘 要：深厚软土路基工后沉降偏大的问题普遍存在，工后沉降控制是软土路基处治设计的难点，以珠海高栏港已竣工的三虎大道二期市政道路为研究对象，开展了现场沉降监测，对常用软土路基工后沉降的预测方法和理论进行了归纳，采用5种沉降预测方法分别对控沉疏桩复合地基和真空联合超载预压处治路段进行了工后沉降预测，预测结果表明：工后沉降最大值分别为72.21 mm和65.70 mm,均小于规范要求的300 mm,说明软土路基处治方案是合理可行的；工后沉降预测值由大到小排序为：对数法>双曲线法>浅岗法≈指数法>星野法，对数法预测工后沉降更符合珠海深厚软土路基工程实际。

关键词：深厚软土路基;沉降预测方法;工后沉降;双曲线法;对数法;

位于西江出海口的珠海地区普遍分布有深厚软土，软土具有高含水量、高压缩性、大孔隙比、抗剪强度低、渗透性差、结构性强、欠固结、呈流塑状态等工程特性[1],是导致已建成路基发生较大工后沉降的主要原因。

为了有效控制软土路基的工后沉降问题，路基设计规范[2,3]对设计使用年限内软土路基工后沉降做出了严格要求，见表1。

表1 容许工后沉降 导出到EXCEL

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现行国家标准[4,5,6]推荐根据地基的沉降规律选取三点法、双曲线法、浅岗法和星野法等沉降预测方法进行沉降预测。

本文依托已竣工的三虎大道二期市政道路工程，开展工后沉降观测，并采用不同的预测方法进行工后沉降预测及对比分析。分析结果可进一步验证软土路基处治方案的合理性，具有很好的工程指导意义。

1 软土路基沉降预测方法介绍

1.1双曲线拟合法

双曲线拟合法是目前应用较多的一种预测方法，该方法假定地基的沉降速率随时间以双曲线的形式递减[7]计算方法如下，示意如图1。

St=S0+t−t0a+b(t−t0)         (1)St=S0+t-t0a+b(t-t0)         (1)

图1 双曲线法推导沉降示意 下载原图

a+b(t−t0)=t−t0St−S0         (2)a+b(t-t0)=t-t0St-S0         (2)

式中：St为任意时刻t的沉降量；S0、t0为初始沉降量和对应的监测天数。

以(t-t0)/(St-S0)为纵坐标，以t-t0为横坐标，绘制双曲线法求解a、b示意图如图2所示，其中a为截距，b为直线的斜率，根据式(3)可计算出最终沉降。

S∞=S0+1/b (3)

图2 双曲线法求解a、b示意 下载原图

利用双曲线进行工后沉降预测时，需要选取填筑结束后稳定的数据来进行拟合预测，该方法抗数据波动性强，预测数据较稳定[8],研究表明双曲线适用于软土地基的沉降预测[9]。但利用双曲线法属于经验方法，预测沉降量往往偏大，但对工程是相对有利的[10]。

1.2指数曲线法

曾国熙等[11]首先提出了采用指数曲线法对地基沉降进行预测，这一方法亦被称为“三点法”。在不考虑次固结沉降时，由Terzaghi固结度计算公式，地基土的沉降量可由下式进行计算：

St=S∞(1-αe-β t)+Sd (4)

式中：Sd为瞬时沉降；α和β为与排水固结条件有关参数。

在实测的沉降～时间曲线中，取恒载阶段中的任意三点(t1,S1)、(t2,S2)、(t3,S3),并使得t3-t2=t2-t1,代入到式(4)中后可以解得：

β=1t2−t1lnS2−S1S3−S2         (5)S∞=S3(S2−S1)−S2(S3−S2)(S2−S1)−(S3−S2)         (6)β=1t2-t1lnS2-S1S3-S2         (5)S∞=S3(S2-S1)-S2(S3-S2)(S2-S1)-(S3-S2)         (6)

利用指数曲线法求解参数时，需要注意[12]:(1)选点前应对沉降～时间曲线进行光滑处理，使之成为规律性较好的曲线，然后再选点；(2)为减少推算误差、提高预测精度，要求三点时间间隔尽可能大，且应保证t3-t2=t2-t1。

1.3星野法

星野法推算最终沉降时，应选取恒载阶段的监测数据，并采用式(7)进行拟合：

(t−t0)((St−Su))2=a+b((t−t0))         (7)(t-t0)((St-Su))2=a+b((t-t0))         (7)

式中：Su为瞬时沉降(mm);t0为修正时间起点(d);a为拟合直线的截距(d/mm2);b为拟合直线的斜率(mm-2)。

星野法求解a、b示意图可参照图2,将纵坐标改为(t-t0)/(St-S0)2即可，根据式(8)可计算出最终沉降。

S∞=Su+1/b−−−√         (8)S∞=Su+1/b         (8)

1.4Asaoka法

Asaoka法(又称浅岗法)是应用较多的预测方法之一，Asaoka 根据Mikasa 一维固结方程推导出沉降预测的一阶微分方程[13]:

S+a1dSdt=b         (9)S+a1dSdt=b         (9)

式中：S为总固结沉降，由于方程取一阶，沉降中不包括次固结沉降，当数据取自加荷结束以后，瞬时沉降已完成，所以S中可以包括瞬时沉降；t为时间；b为常系数。将式(9)写成差分格式，时间步长取单位1,可得：

St+1=β0+β1St (10)

以St+1为纵坐标，St为横坐标，作求解β0、β1示意图如图3所示，其中β0为截距，β1为直线的斜率，根据式(11)可计算出最终沉降。

S∞=β01−β1         (11)S∞=β01-β1         (11)

图3 浅岗法求解β0、β1示意 下载原图

1.5对数曲线法

根据沉降与时间关系曲线的变化趋势，采用对数曲线对监测数据进行拟合(如图4),可以得到拟合公式(12),当拟合精度R2接近1时，说明沉降与时间呈很好的对数关系，可以根据参数a和b计算任意时刻的沉降。

St=bln(d)+a (12)

2 工程概况

2.1项目概况

三虎大道二期市政道路工程位于珠海市高栏港经济区，城市主干路，设计车速为60 km/h, 路幅近期实施宽度36 m, 远期宽度50 m, 项目地理位置如图5所示。

图4 对数法拟合曲线 下载原图

图5 项目地理位置 下载原图

2.2地质条件

根据勘察报告，场地内埋藏的地层主要有填筑土层、第四系海陆交互相沉积层。地层自上而下分别如下，物理力学参数如表2。

表2 岩土物理力学参数指标 导出到EXCEL

(1)填筑土<1>:

褐黄、灰褐色，尚未完成自重固结，层厚1.3～9.4 m。

(2)淤泥<2-1>:

灰黑色，含有机质，局部含少量贝壳碎片，具臭味，呈饱和、流塑状态，局部含少量中粗砂，层厚10.2～25.9 m。

(3)黏土<2-2>:

褐黄色、灰白色，主要成分为黏粒，土质一般较纯，局部含约50%粗砂，呈饱和、可塑状态，层厚0.70～3.4 m。

(4)淤泥质黏土<2-3>:

灰黑色，含有机质，局部含腐植质，略具臭味，呈饱和、流塑状态，层厚2.9～12.7 m。

(5)黏土<2-4>:

褐黄色、灰白色，主要成分为黏粒，土质较纯，呈饱和、可塑状态，层厚2.0～2.8 m。

2.3软土路基处治方案

根据本项目勘察报告，起点至K1+160段路基范围分布有厚度较大的抛石石堤，采用控沉疏桩复合地基处治，其余路段采用真空联合超载预压处治，如图6。

图6 典型设计地质剖面 下载原图

(1)控沉疏桩复合地基处治方案。

采用PHC-400(95)-A型管桩，桩间距3.0～4.0 m, 矩形布置，桩底打穿淤泥<2-1>层，且进入黏土<2-2>层，静压施工工艺，桩顶设置2.0 m×2.0 m×0.3 m的盖板，盖板顶设置0.5 m褥垫层(内设2层土工格栅),路基土填筑后预压90 d, 工后沉降≤0.3 m。

(2)真空联合超载预压处治方案。

采用SPB100-C型塑料排水板，正方型布置，板间距1.0 m。板底打穿淤泥<2-1>层。水平排水垫层采用60 cm的中粗砂。密封系统采用3层密封膜+四周黏土搅拌墙，超载土方厚度1.0 m。满载预压期120 d, 工后沉降≤0.3 m。

3 沉降监测及工后沉降预测

3.1沉降监测方案及成果

(1)沉降监测方案。

项目竣工后开展沉降监测，针对2种不同处治方案，布置了2个监测断面，每个断面布置4个监测点，其中测点1和测点4位于行车道路面边缘，测点2和测点3位于中央分隔带行车道路面边缘，监测频率为1次/月，监测点布置断面如图7所示。

图7 监测点布置断面 下载原图

单位：cm

(2)监测成果。

各监测点共监测12次沉降数据，根据监测数据作沉降与时间关系曲线如图8和图9所示。

图8 沉降与时间关系曲线(控沉疏桩复合地基) 下载原图

图9 沉降与时间关系曲线(真空联合超载预压) 下载原图

3.2工后沉降预测

分别选取控沉疏桩复合地基和真空联合超载预压路段监测断面中的2个监测点数据(图7中的测点3和测点4),采用5种沉降预测方法进行工后沉降预测，预测结果如表3～表7所列。

(1)工后沉降预测值由大到小排序为：对数法>双曲线法>浅岗法≈指数法>星野法。

(2)控沉疏桩复合地基处治方案工后沉降预测最大值为72.21 mm,小于规范要求的300 mm,表明控沉疏桩复合地基处治方案是合理可行的。

(3)真空联合超载预压处治方案工后沉降预测最大值为65.70 mm,小于规范要求的300 mm,表明真空联合超载预压处治方案是合理可行的。

表3 双曲线法工后沉降预测结果 导出到EXCEL

表4 指数法工后沉降预测结果 导出到EXCEL

表5 星野法工后沉降预测结果 导出到EXCEL

表6 浅岗法工后沉降预测结果 导出到EXCEL

表7 对数法工后沉降预测结果 导出到EXCEL