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堆载预压法处理高速公路路基的卸载时机研究

刘吉福  
【摘要】: 我国沿海及部分内陆地区分布着大量软黏土,高速公路软基处理通常采用堆载预压法,根据堆载预压法预压荷载与路基设计荷载的关系分为欠载预压、等载预压和超载预压。三种预压方法均涉及卸载和施工路面的问题,均需确定卸载时机。卸载过早工后沉降大,不但增大养护工作量,而且造成桥头跳车,进而危及行车安全、舒适性和行车速度。卸载过迟延长工期,降低经济效益和社会效益。因此,采用堆载预压法处理的高速公路软基路基确定卸载时机非常重要,并受到重视。 工程实践中,采用堆载预压法处理高速公路路基的卸载时机确定通常采用工后沉降法和沉降速率法,利用实测沉降得到沉降速率、预测工后沉降,当沉降速率小于卸载沉降速率标准、工后沉降小于容许工后沉降时,可卸载和施工路面。这两种方法简单实用、应用广泛。 虽然非常重视卸载时机确定,但是堆载预压法处理高速公路路基的卸载时机确定效果不理想,大部分高速公路的工后沉降大于预测工后沉降,跳车现象普遍,其原因有:(1)考虑的工后沉降组成不完整;(2)未正确考虑路基预压荷载与设计荷载差值对卸载时机确定的影响。另外,沉降速率法确定的卸载时间往往迟于工后沉降法预测的时间,而沉降速率法缺少理论依据,使人无所适从。对不同的路段、不同容许工后沉降均采用相同的沉降速率标准也是不合适的。 针对高速公路软基路基确定卸载时机存在的问题,在查阅文献、借鉴已有成果的基础上,通过理论分析、室内实验、现场测试等手段,开展了以下研究工作: 1.为考虑路基预压荷载与设计荷载差值对确定卸载时机的影响,研究了堆载预压法处理的高速公路软基路基荷载与沉降的关系。首先推导了高速公路路基荷载下地基中附加应力公式,利用其分析了地基中附加应力与路基填土厚度的关系;利用压缩实验和应力控制三轴试验研究了软黏土压缩模量与荷载的关系。研究表明,路基荷载小于200kPa时,地基20m深度内的附加应力与路基填土厚度基本成正比、软黏土压缩模量变化不大,从而得到高速公路路基沉降与路基荷载基本成正比的结论。其次,利用高速公路软基路基现场实测资料分析了路基瞬时沉降、固结沉降与路基荷载的关系。研究表明,堆载预压法处理的高速公路软基路基沉降与路基荷载基本成正比,进一步分析表明高速公路软基路基的沉降与路基填土高度也基本成正比。 2.为了合理计算工后沉降、确定卸载时机,分析了工后沉降与剩余沉降的关系、工后沉降的组成,提出了工后沉降计算方法及利用实测沉降推算工后沉降的方法。建议工后沉降包含路基工后压缩、汽车荷载产生的瞬时沉降、路面荷载产生的再压主固结沉降、工后原压主固结沉降、工后次固结沉降等,工后主固结沉降不考虑养护加铺的影响,工后沉降其它组成部分应考虑养护加铺的影响。工后次固结沉降建议采用等效时间,提出了等效时间简化计算方法,其计算结果较理想。 3.通过理论分析和压缩试验、现场测试等手段分析了利用表面沉降推算工后沉降的误差。对各土层分别推算最终沉降然后累加得到总沉降,将之与利用表面沉降推算的最终沉降进行对比表明,利用实测表面沉降推算成层地基的最终沉降存在一定误差,通常情况下利用表面沉降推算成层地基的工后沉降的误差可以忽略不计,软黏土下卧层较厚的工程误差较大,建议采用各土层的沉降监测资料预测工后沉降。 4.利用室内常规压缩试验、长期压缩试验、现场试验研究了推算最终沉降与次固结沉降的关系。研究表明,双曲线法推算的最终沉降对应的时间与主固结时间的之比约为2~4,双曲线法推算的最终沉降只包括了30~60%的工后次固结沉降,采用双曲线法推算工后沉降时还应考虑工后次固结沉降。 5.为了统一工后沉降法和沉降速率法、并合理确定卸载沉降速率标准,研究了软基沉降速率与剩余沉降的关系。首先,分析曾国熙固结度公式的误差,利用该公式和Voigt-Kelvin黏弹性模型推导了沉降速率与剩余沉降的关系。研究表明,沉降速率与剩余结沉降成两直线组成的折线关系,两条直线的交点对应主固结沉降的终点,沉降速率与剩余主固结沉降成线性关系,与剩余次固结沉降成正比关系;对符合双曲线的时间~沉降曲线推导分析表明沉降速率与剩余沉降的平方成正比。然后,利用室内压缩试验、模型试验、现场监测资料,分析了沉降速率与剩余沉降的关系,试验表明,软基沉降速率与剩余沉降成两直线组成的折线关系,两条直线的交点对应主次固结的分界点;软基沉降速率与剩余沉降的平方基本成正比关系。 6.在上述研究的基础上,提出了考虑路基压缩、路面再压沉降、次固结沉降、荷载大小等因素的工后沉降法和沉降速率法,并推导了相应公式,实测工后沉降表明利用本文方法确定卸载时机效果较理想。 最后,对需要进一步开展的工作方向进行了简要的说明。


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