1、公路软土地基沉降的反演分析公.路与汽运第 2 期HighwaysAutomotiveApplications2003 年月公路软土地基沉降的反演分析曾庆军(广东交通职业技术学院土木系,广东广州 510650)摘要:在简要分析软土的公路工程特性的基础上,指出了常规沉降计算分析的不足 ,论证了公路软土地基反演分析的必要性及研究的关键点,以期充分利用大量公路软土地基监测数据.关键词:公路;软土地基;反演分析中圈分类号:U416.1 文献标识码:A 文章编号:1671 2668(2003)020028021 软土的公路工程特性我国沿海特别是大江,大河口附近多为河相,海相或泻湖相沉积层,多为淤泥,淤泥质
2、粘土,淤泥质亚粘土,具有高含水量,大孔隙,低密度,低强度,高压缩性,低透水性等特点.根据公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ01796),天然含水量35% 并大于液限,天然孔隙比1.0,十字板剪切强度35kPa 的土即为软土.因此,我国沿海地区大多为软土地基.在软土区修建高速公路不仅要求路堤稳定,对工后沉降亦有较高要求.2 软土地基沉降问题及其常规计算方法2.1 沉降分析是一关键土工技术在软土地基上修建公路路堤时,面临的主要问题是稳定和变形.稳定是路堤工程建设需满足的必要条件,由于路堤设计高度一般只有几米,稳定条件较易满足.软土地基变形成为路堤工程,特别是高等级公路路堤工程需要解决的主要
3、土工问题.在过去的软土地基设计中偏重于稳定性分析,认为只要满足稳定性要求,其它是次要的.如今高速公路的出现,对路面变形的要求非常严格,软土地基路堤设计由稳定控制转为变形控制.同时,软土地基的沉降问题成为路堤建设的关键性土工技术问题.2.2 沉降的常用计算分析方法路面工后沉降实际上主要由软土地基工后变形引起,路堤填料的变形在填筑过程中已基本完成,其密度在施工过程中可以人为控制,以确保路堤本身的工后变形较小.对路面工后沉降的预测和控制,就是对软土地基工后变形的预测和控制.2.2.1 一般软土地基的总沉降计算目前软土地基的沉降计算方法中,第一类是经验系数校正法,采用这种方法是出于对地基土的复杂性以及
4、理论分析结果不可能有很高的精度的认识,也很常用与实用;第二类方法看到了土的复杂性,同时也考虑了现代工程对设计质量要求的提高,在计算模式和手段上不断改进.目前沉降计算的改进有以下几种途径:考虑土的应力状态,如应力路径法;从土的变形特征来改进沉降计算,分阶段计算沉降;从计算方法上改进沉降计算,采用有限单元法和有限差分法,但此方法应用面不广且对设计计算人员的要求较高.到目前为止,应用面最广的还是经验系数校正法,即 S=mSc(“/7/,为一经验系数,其范围值为 1.11.7). 公路软土地基路堤设计与施工技术规范提及,与地基条件,荷载强度,加荷速率等因素有关.具体来说,主要有以下一些因素:在计算主固
5、结沉降时,由于采用路堤中点下的附加应力(它大于其它点下的附加应力)作为计算依据,沉降计算值显然会偏大;由于假设土层处于完全侧限状态,只产生一维变形,这又会使得沉降计算值比实际偏小;粘性土体的后续次固结也应该体现在修正系数 m 中,显然使得其值会增大;在主固结沉降计算时,有一个计算层的厚度问题,其确定带有人为性;荷载强度在公路中体现在路堤的填筑高度,强度不一样,其它条件相同时,沉降显然也不同;加荷速率,表现为路堤填筑速度;应力状态,公路工程施工,在堆载预压处理时,一般历程为挖土一填筑路堤加载一超载一卸载一路面施工,相应地软土地基会经历比较复杂的应力状态,对沉降的影响比较大;在堆载预压处理中,排水
6、系统的长度,密度等也会直接影响沉降量.以上 8 个因素不是孤立的,它们相互影响,在不同的具体工程中其所起的作用也不同.经验系数的总第 95 期公路与汽运HighwaysAutomotiveApplications29确定比较粗糙,很不稳定.2.2.2 饱和软土地基的沉降过程计算饱和软土的变形不但是工程上一个较为普遍的问题,也是岩土工程理论研究的一个根本课题.Terzaghi 提出的有效应力原理和一维固结理论把饱和软土变形问题首先引入理论研究,至今,Terzaghi 一维固结理论仍是工程中计算饱和软土沉降时应用最多的理论.在 Terzaghi 研究成果的基础上,研究者们将一维问题推广到多维问题,
7、其中,Biot 固结理论是解决多维问题最为经典的理论.在试验和工程实践中,人们进一步发现了饱和软土的次固结现象,由此发展了软土的流变理论,建立了许多流变模型,用以预测饱和软土的次固结变形.伴随着数值计算方法和计算机技术的发展,岩土工程研究者在不断改善试验技术的基础上,对土的应力应变关系进行了广泛深入的研究,在软土变形分析中进一步考虑了土的非线性,各向异性和结构性等较为复杂的性质.这些研究为软土地基变形的预测奠定了理论基础.使预测结果与实际更为接近和准确,以利于指导和控制施工.但本构模型不易确定,计算过程往往异常复杂而烦琐.3 软土地基的沉降反演分析3.1 岩土工程反演分析的必要性尽管对软土性质
8、已有较深入的认识,在计算上也有了较系统的方法,但由于软土的复杂性,其理论分析预测结果与实际仍存在较大的差距.特别是对于高等级公路路堤工程路面工后沉降计算精度要求甚高的这一类问题,由于不可避免地存在各种假定,地基处理施工过程对软土特性和整个地基变形的影响等,使预测结果很难达到设计要求,不利于指导和控制施工.基于以上原因,公路软土地基路堤设计与施工技术规范)(JTJ01796) 中规定 :软土地基上高速公路与一,二级公路路堤在施工过程中应进行沉降观测和稳定观测,并根据观测结果对路堤填筑速率和预压期等作必要调整;修建前应结合工程提前修筑试验路堤,以达到检验设计,指导施工的目的.要充分有效地做到以上两
9、点就必须将现有的理论分析方法同现场观测信息结合起来,对软土地基变形作出更为准确的预测,才能进一步指导和控制施工.这一过程的关键技术是岩土工程反分析理论的研究和应用,因此,研究软土地基变形的反演分析方法对在软土地基上进行高等级公路路堤建设具有重要的理论价值和实践意义.3.2 岩土工程反演分析的理论过程反演分析是利用工程中的实测值(如应力,孔压,位移等),通过数值计算确定岩土介质的力学参数,有时甚至是本构模型,与此同时求得所需的物理量.反分析又可分为模型参数反分析和具体模型识别.正分析和反分析两个过程可用图 1 来表示.反分析方法是太沙基观测方法的具体实现l 勘察 lI 几何参数 H 正演分析 H
10、 位移 l 匪要求 H 龛鬈篓 l 建设要求 lI 荷载参数H 垦堡塑孔压 I图 l 岩土工程问题的正分析和反分析过程3.3 公路沉降反演分析的几个关键问题3,3.1 多维分析如果假设变形方向是一维的,则反演过程要容易得多.为了弄清规律,本着由易到难的原则,则先要弄清楚假设土体变形是一维的情况,可以基于粘弹性固结理论,建立线性多级加载条件下饱和软土地基主次固结沉降的一维反演与预测公式,当然线性多级加载要比一次加载复杂,但比较符合公路修筑施工的实际加载过程.实际的变形是空间的三维情况,可先求解基于粘弹性的固结理论,采用 BIOT 固结理论,建立公路饱和软土地基主次固结沉降二维反演预测体系.3.3
11、.2 多层软土地基同时反演均质地基很少见,一般作为一种理想状况存在,软土地基实际上是多层的.反演分析的关键是参数的反演,然而由于每层地基的土性参数都不同,在同一层中的不同水平位置参数值也不一定相同.所以,这里的关键点其实是解决多个参数同时反演的求解问题.3.3.3 土体本构模型的优选识别本构模型(土体的应力应变关系式)的恰当选取是土工计算分析的第一个关键步骤.不同的本构模型反映土体性质的不同侧面,不同的土性显然其物理力学性质指标是不一样的.在计算时,一般先凭计算者的经验选定一种模型来计算,当有足够的观察数据后,再进行模型的识别.3.3.4 信息化施工进行公路软土地基沉降的反演分析,就是要充分利
12、用大量的试验监测数据合理预测施工期间与工后沉降量,实行信息化施工.要求所建立的反分析公.路与汽运第 2 期HighwaysAutomotiveApplications2003#-4“月沥青路面早期损坏技术分析何青龙(宁乡县公路管理局,湖南宁乡 410600)摘要:从路面结构,路面压实,施工组织,试验方法和路面材料几方面 ,分析了 2 条高速公路沥青路面出现早期损坏的原因-关键词:公路;沥青路面;早期损坏;技术分析;路面压实 ;路面材料中圈分类号:U416.217 文献标识码:A 文章编号:1671 2668(2003)02003003沥青路面的破坏形式主要表现为高温车辙,低温开裂和中温疲劳开裂
13、,这三大破坏形式是自 2O 世纪6O 年代以来大多数沥青路面工作者研究的对象.良好的沥青路面是使用年限内路面产生的各种破坏率(破坏修补面积占总面积的百分率)限定在某个百分率(各国要求不相同). 一般来说,竣工路面开放交通后经过 2 年的考验,路面产生的各种早期破坏率不超过 O.O1%,则认为没有早期破坏;路面破坏率超过OO1%愈多,则认为路面的早期损坏愈严重.在我国早期修建的京津塘(北京一天津一塘沽),沈大(沈阳一大连),济青 (济南一青岛 )等高速公路,采用了在欧美,日本等许多国家常用的 I 型密实式沥青砼,路面透水少,并没有明显的早期破坏现象.近年来,普遍对高速公路沥青路面的早期损坏严重感
14、到忧虑,尤其是许多沥青面层发生大面积的水损害破坏,有些是泛油与水损害同时发生.1 号高速公路在 1996 年 9 月通车后,从 1998 年春天起,有些标段开始陆续发生唧浆,松散,剥落,坑槽等典型的水损害破坏.2 号高速公路 1999 年底通车不到 1 年,就产生了车辙,推移,坑洞,裂缝等早期损坏.本文分析了这 2 条高速公路模型和反分析系统可以及时地处理数据,预报出下一阶段的可能沉降量,当有不利的预测情况时,应预先制定出应对方案或马上采取超前措施.3.35 其它关键问题考虑土体固结与变形的耦合作用,土体的蠕变效应以及三者的共同作用,并模拟实际施工过程,提出合理的反演分析模型并进行验证;施工允
15、许的条件下,结合模糊控制器原理,神经网络知识以及计算机硬件控制原理,建立监测数据自动采集系统.沉降反演分析研究的关键在于建立合理的计算模型和获得可靠的计算参数.近几年来复合地基理论,反分析方法和数值计算方法的研究为建立合理的计算模型和确定可靠的计算参数奠定了基础.监测数据自动采集与反馈系统在很多自动化仪器中已经应用很广,采集软件也较为成熟了,这为系统的制作提供了有利的条件.建成后出现诸多问题,严重者使工程失稳或失效.以往在处理不确定因素时,通常采用两种方法:一是提高安全系数;二是根据设计者的经验进行判断.前者显然是不经济的,后者无疑具有较大的危险性.对高速公路软土地基沉降进行施工期以至运营期的沉降量反演分析,充分利用已有的大量试验监测数据,建立恰当的模型去反演预测各个时期的沉降量,避免传统的沉降量计算方法,尤其是工后沉降量计算方法的不足,在施工可能的情况下,拟建立全横断面数据采集系统以及一套试验数据自动采集系统,自动反馈预报下一阶段的沉降量或其它信息,以采取合理措施进行下一阶段的信息化施工.参考文献:1JTJ01796,公路软土地基路堤设计与施工技术规范S.4 结束语.2龙荣广 -关于软土地基问题的探讨J- 公路与汽运,2002(4).传统的设计方法,即施工前确定设计方案并以此指导整个施工过程,常会导致工程在施工期间或收稿日期:2003 一 O115
