路基沉降動態(tài)設(shè)計(jì)與計(jì)算同濟(jì)學(xué)習(xí)講義.ppt

路基沉降動態(tài)設(shè)計(jì)與計(jì)算,路基沉降動態(tài)設(shè)計(jì)與計(jì)算目的,優(yōu)化地基處理方案和設(shè)計(jì)參數(shù) 保證路堤施工質(zhì)量 保證路基工后沉降滿足控制標(biāo)準(zhǔn),最終沉降量常用計(jì)算方法, 沉降計(jì)算公式 塑料排水板（砂井）聯(lián)合堆載預(yù)壓主固結(jié)沉降 塑料排水板+真空聯(lián)合堆載預(yù)壓主固結(jié)沉降 復(fù)合地基（水泥攪拌樁、CFG樁）沉降計(jì)算方法,沉降計(jì)算公式,地基的總沉降量由三部分組成： 式中 瞬時(shí)沉降； 主固結(jié)沉降； 次固結(jié)沉降；,瞬時(shí)沉降 Sd,按暫規(guī)的彈性理論公式計(jì)算 式中 P路堤底面垂直荷載（kPa） E土的彈性模量（可由無側(cè)限抗壓試驗(yàn) 得到，取分層厚度的加權(quán)平均值）； F沉降系數(shù)，可查圖得到；,主固結(jié)沉降 Sc,根據(jù)壓縮模量ES、e-p、e-lgp曲線按分層總和法計(jì)算。,次固結(jié)沉降 Ss,式中,塑料排水板（砂井）聯(lián)合堆載 預(yù)壓主固結(jié)沉降,塑料排水板加固區(qū)平均固結(jié)度,式中,加固區(qū)以下平均固結(jié)度,按太沙基單向固結(jié)理論，平均固結(jié)度采用下式：,式中,逐漸加荷條件下的地基固結(jié)度修正,按改進(jìn)的高木俊介法計(jì)算： 或按太沙基法修正。,塑料排水板+真空聯(lián)合堆載 預(yù)壓主固結(jié)沉降,理論上可將真空壓力在土體內(nèi)的分布當(dāng)作分層總和法計(jì)算中的附加應(yīng)力分布，直接計(jì)算真空預(yù)壓的沉降，但鑒于目前測試手段存在的問題，真空壓力在地基中的傳遞并不很清楚，采用這種方法仍不成熟。 對于真空預(yù)壓的沉降計(jì)算，目前常用的方法是將膜下壓力換算成真空壓力，然后將壓力P作為地面荷載P0，即將真空壓力作為地面堆載，按堆載預(yù)壓的計(jì)算方法來計(jì)算真空預(yù)壓的沉降。這種方法雖然無法考慮真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓在加固機(jī)理上存在的差異，但由于簡單易行，且如果能根據(jù)實(shí)測資料總結(jié)出沉降修正系數(shù)，仍不失為一種好的方法。 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓沉降計(jì)算方法，可采用真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓先分別計(jì)算各自的沉降量后合并的方法。真空預(yù)壓沉降計(jì)算方法，可將膜下真空壓力換算為均布堆載（按實(shí)際情況選擇條形或矩形荷載），采用e-lgp曲線法估算。,復(fù)合地基（水泥攪拌樁、CFG樁） 沉降計(jì)算方法,分別計(jì)算加固區(qū)與下臥層的沉降，二者之和即為復(fù)合地基總沉降量的方法。,加固區(qū)沉降計(jì)算方法,復(fù)合模量法 應(yīng)力修正法 樁身壓縮量法,復(fù)合模量法,該法是將復(fù)合地基加固區(qū)的樁土構(gòu)成的復(fù)合體，采用復(fù)合壓縮模量ECS來評價(jià)復(fù)合土體的壓縮性。 式中 第i層復(fù)合土上附加應(yīng)力增量； Hi 第i層復(fù)合土層的厚度。 一般柔性樁復(fù)合地基采用面積加權(quán)平均法，表達(dá)式為 式中 m 復(fù)合地基面積置換率； 樁體壓縮模量； 土體壓縮模量。,CFG樁的沉降計(jì)算,2002年新修訂的建筑地基處理技術(shù)規(guī)范給出了CFG樁的設(shè)計(jì)規(guī)定，給出的沉降計(jì)算方法屬于復(fù)合模量法，即對加固區(qū)求出加固后的模量，然后按天然地基的分層總和法計(jì)算沉降。,各復(fù)合土層的壓縮模量等于其天然狀態(tài)下的壓縮模量乘以一增大系數(shù)，具體公式為：,應(yīng)力修正法,根據(jù)樁間土承擔(dān)的荷載Ps和樁間土的壓縮模量Es，忽略增強(qiáng)體的存在，采用分層總和法計(jì)算加固區(qū)土層的壓縮量S1。,式中,應(yīng)力修正系數(shù)，,下臥層沉降計(jì)算方法,應(yīng)力擴(kuò)散法 Boussinesq方法 等效實(shí)體法 Mindlin-Geddes法 當(dāng)層法,應(yīng)力擴(kuò)散角計(jì)算,Boussinesq方法,作用在下臥層土體上的附加應(yīng)力另外一種方法是按天然地基采用Boussinesq方法計(jì)算。,最終沉降量（剩余沉降）推算方法, 星 野 法 淺 崗 法 三 點(diǎn) 法 指 數(shù) 法 雙曲線法,星 野 法,沉降計(jì)算公式：,化為直線方程如下：,淺 崗 法,將沉降時(shí)間曲線劃分成相等的時(shí)間段。讀出相應(yīng)于時(shí)間t1,t2時(shí)的沉降量S1,S2 在以軸Si-1和Si的坐標(biāo)系中將沉降值S1,S2以點(diǎn)(Si-1,Si)畫出，同時(shí)作出Si=Si-1的45直線。 作直線使之盡量與這些點(diǎn)吻合，這條直線與45線相交的點(diǎn)就給出了最終固結(jié)沉降量,Si = 0 + 1 * Si-1 其中0為截距，可認(rèn)為是瞬時(shí)沉降；1為直線斜率，該直線與45直線的交點(diǎn)就是最終沉降。其步驟如下：,三 點(diǎn) 法,從沉降時(shí)間關(guān)系曲線上，取最大恒載時(shí)段內(nèi)的三點(diǎn)S1、S2、S3且,其中,指 數(shù) 法,式中,雙 曲 線 法,從沉降時(shí)間關(guān)系曲線上，取最大恒載時(shí)段內(nèi)的三點(diǎn)S1、S2、S3且,最終沉降量（剩余沉降） 推算方法建議,從恒載期預(yù)測某一時(shí)刻的沉降與實(shí)測值的比較可以看出，三點(diǎn)法和指數(shù)法沉降曲線收斂較快，與觀測沉降曲線偏差較大。雙曲線沉降速率與實(shí)測結(jié)果吻合較好，建議實(shí)際使用時(shí)可采用此方法。,路基沉降動態(tài)設(shè)計(jì)與計(jì)算內(nèi)容, 優(yōu)化地基處理方案和設(shè)計(jì)參數(shù) 合理控制填筑速率 預(yù)留高度設(shè)計(jì)計(jì)算 預(yù)壓時(shí)間、基床表層施工時(shí)間、鋪軌時(shí)間計(jì)算 路基預(yù)留寬度的估算方法,優(yōu)化地基處理方案和設(shè)計(jì)參數(shù),根據(jù)施工情況修正設(shè)計(jì)參數(shù)。 根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果優(yōu)化地基處理方案和設(shè)計(jì)參數(shù)（技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)境）。,合理控制填筑速率,軟土地基的穩(wěn)定性與施工時(shí)的加荷速率有密切關(guān)系，加荷過程中，一方面地基強(qiáng)度因排水固結(jié)而提高，另一方面由于外荷作用，地基剪應(yīng)力也在增大，為了保證地基的穩(wěn)定性，必須科學(xué)地進(jìn)行加載設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制加荷速率，對填土速率控制標(biāo)準(zhǔn)，公路、鐵路規(guī)范都采用沉降速率、水平位移速率作為控制指標(biāo)，一些重要工程同時(shí)也把超孔壓變化規(guī)律或單位時(shí)間內(nèi)填土高度作為控制指標(biāo)之一。,水平位移速率,在軟粘土地基上修筑堤壩或進(jìn)行堆載預(yù)壓，由于填土荷載使地基產(chǎn)生水平向位移，地表水平位移以坡腳附近最為靈敏。為了保證工程的安全，常常在坡腳處以及附近埋設(shè)邊樁或測斜管。,（a） k0+535斷面1測斜孔,（b ） k0+628斷面2測斜孔,超載預(yù)壓試驗(yàn)段水平位移速率（荷載）時(shí)間曲線,其水平位移速率與填土高度、填土速率直接相關(guān)。在填土高度2.25m前，最大水平位移小于1.5mm/d。隨著填土高度和填土速率增加，水平位移速率相應(yīng)增加，但整個(gè)填筑期，地表最大水平位移速率僅3.1mm/d，地基土最大水平位移速率僅3.8mm/d。,沉 降 速 率,在加荷過程中，如果沉降速率突然增大，說明地基可能產(chǎn)生較大的塑性變形，連續(xù)幾天出現(xiàn)大的沉降速率，可能導(dǎo)致地基土整體破壞。根據(jù)我國14座堤壩的統(tǒng)計(jì)，在填土過程中地基破壞前最大沉降速率每天平均為15mm至20mm。但也有在沉降速率10mm/d左右破壞的例子。,k0+535、k0+573兩斷面，沉降速率最大值分別為1.7和2.6cm/d。k0+628、k0+681兩斷面，沉降速率最大值分別為1.1和1.5 cm/d。,（a）k0+573斷面,（b） k0+628斷面,超載預(yù)壓試驗(yàn)段分層沉降速率（荷載）時(shí)間曲線,孔 壓 系 數(shù),國外某些工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，只要地基中孔隙水壓力u和荷載p之比即孔壓系數(shù)小于某一定值時(shí)，即可不斷加載，不致造成地基失穩(wěn)。所建議的控制指標(biāo)為u/p0.50.6.,（a） k0+535斷面,（b） k0+628斷面,最大超孔壓出現(xiàn)在軟土層中，最大孔壓系數(shù)出現(xiàn)在k0+535斷面，孔壓系數(shù)最大在0.60.7之間，此時(shí)地基土水平位移速率也最大，地表水平位移速率為2.63.1mm/d，沉降速率達(dá)到1.51.7cm/d。其他三個(gè)斷面孔壓系數(shù)均小于0.6。,京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定參考高速公路近幾年來在軟土地基路堤施工速率控制的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定控制填土速率的標(biāo)準(zhǔn)為：路堤中心地面沉降速率不大于1.0cm/d，坡腳水平位移速率不大于5mm/d。 實(shí)際上，加載速率的控制與地基土的性質(zhì)、加荷方式以及地基處理方法等因素有關(guān)。只有把孔隙水壓力、沉降、深層側(cè)向位移、邊樁位移等項(xiàng)觀測結(jié)果綜合起來分析，并注意加荷結(jié)果后數(shù)天內(nèi)的發(fā)展趨勢，才能正確地判斷地基是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)。 綜合以往的工程經(jīng)驗(yàn)及本試驗(yàn)段沉降速率、水平位移速率及孔壓系數(shù)的分析，可以得到這樣一個(gè)認(rèn)識：填土速率控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以坡腳水平位移速率為主，每天不大于5mm。而把路基中心地面沉降速率12cm/d作為參考標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)?shù)鼗林新裨O(shè)有孔隙水壓力計(jì)時(shí)，最大孔壓系數(shù)0.6也可作為參考。,預(yù)留高度設(shè)計(jì)計(jì)算,沉降修正系數(shù) 沉降修正系數(shù)，可按Es或計(jì)算主固結(jié)沉降，然后與實(shí)測沉降量比較進(jìn)行修正。,沉 降 正 系 數(shù),由于這四個(gè)斷面的軟土均處于超固結(jié)狀態(tài)，按e-lgp曲線法計(jì)算較Es小，結(jié)果與實(shí)測值更接近。建議按e-lgp法計(jì)算沉降，修正系數(shù)為0.9241.076。,基床表層底面和表面的預(yù)留沉降,基床表層是鐵路路基的關(guān)鍵部位，承受著列車傳遞的主要荷載，因此在施工過程中應(yīng)準(zhǔn)確地預(yù)估沉落量以保證基床表層的厚度。 由于基床表層的施工在預(yù)壓土柱卸載之后，屬卸載后再加載，按一般分層總和法計(jì)算預(yù)留沉降會偏大，其修正系數(shù)為0.50。,基床表層頂、底面預(yù)留沉降計(jì)算(cm),0+515-0+587.755段,0+589.245-0+708.255段,基床表層底面按5cm預(yù)留?；脖砻姘?cm預(yù)留。,預(yù)壓時(shí)間、基床表層施工時(shí)間、鋪軌時(shí)間計(jì)算,等載預(yù)壓 超載預(yù)壓,等 載 預(yù) 壓,預(yù)壓時(shí)間應(yīng)滿足：,最終沉降量（+次固結(jié)）-已完成沉降小于控制標(biāo)準(zhǔn),地基面沉降 (cm),按雙曲線方程式法預(yù)測，改良土路基的地基最終沉降量為64.7cm，夯填土路基的地基最終沉降量為67.6cm。 從地基面沉降曲線上可看出，2001年12月25日實(shí)測地基面沉降：改良土路基為55.4cm，夯填土路基為57.8cm，如果改良土路基、夯填土路基的地基最終沉降量分別按64.7cm和67.6cm、工后沉降按10cm的控制考慮，該路基的預(yù)壓期為6個(gè)月。如果考慮路基填土壓密下沉和運(yùn)行期間由列車引起的基床累積下沉，填土下沉量的高度百分比大致在0.3%左右，即本試驗(yàn)點(diǎn)路堤本體的壓密下沉量為1.35cm；經(jīng)動力試驗(yàn)，基床土的累積下沉量為12mm，因此地基土的工后沉降允許值為8.5cm，預(yù)壓期應(yīng)到2002年2月25日，即為8個(gè)月。,超載預(yù)壓,根據(jù)最終沉降量+次固結(jié)-已完成沉降小于控制標(biāo)準(zhǔn)來推算預(yù)壓時(shí)間的方法是保守的。,最終沉降預(yù)測結(jié)果表 單位：mm,超載預(yù)壓段次固結(jié)沉降計(jì)算表 單位：cm,超載預(yù)壓段最終沉降計(jì)算表（cm）,預(yù)壓時(shí)間與剩余沉降 (cm),超載預(yù)壓約六個(gè)月滿足工后沉降10cm的要求。,復(fù)合地基（CFG樁）,預(yù)壓時(shí)間應(yīng)滿足： 最終沉降量+軌道列車荷載產(chǎn)生的工后沉降-已完成沉降小于控制標(biāo)準(zhǔn),CFG樁加固最終沉降和預(yù)測成果表 單位：cm,恒載期預(yù)測某一時(shí)刻的沉降與實(shí)測值的比較,懸浮CFG樁,工 后 沉 降 與 預(yù) 壓 期,懸浮CFG樁填筑完成后13個(gè)月，工后沉降可滿足10cm的標(biāo)準(zhǔn)。,穿透軟土CFG樁,工 后 沉 降 與 預(yù) 壓 期,穿透軟土CFG樁填筑完成后3個(gè)月和8個(gè)月，工后沉降分別可滿足10cm和5cm的標(biāo)準(zhǔn)。,路基預(yù)留寬度的估算方法,地基沉降會造成路基寬度不足，因此，填筑時(shí)應(yīng)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)，在每層填土?xí)r應(yīng)采用適當(dāng)?shù)募訉捴?，使得路基最終寬度得到保證。 在軟土路堤中，設(shè)計(jì)部門會根據(jù)地質(zhì)情況，先提出一個(gè)在相應(yīng)荷載下的沉降量，主要是路基中心沉降量，根據(jù)路基橫斷面各點(diǎn)位置沉降比值規(guī)律可以推算各斷面的路肩及坡腳沉降量，可以由此提出一種近似計(jì)算路基加寬值的方法。,路基沉降分析圖,圖中 H為路肩填筑高度；L1為坡腳計(jì)算沉降量； Hy為已填筑高程；L2為路肩計(jì)算沉降量； X1為坡腳半幅加寬值；Ly為路肩沉降量； Xy為當(dāng)前層的半幅加寬值；m為邊坡坡率。,堆載預(yù)壓法路基預(yù)留寬度的估算方法, 路基底寬半幅加寬值 路基底寬半幅加寬值為X1，則 X1=mL1, 路基y層的半幅施工加寬值Xy,工期剩余沉降量為L2-Ly，則,整理為, 路基y層施工半幅寬度值,路基y層半幅寬度為,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法路基 預(yù)留寬度的估算方法,采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法時(shí)，除地基沉降一方