路基沉降動態(tài)設計與計算

1、路基沉降動態(tài)設計與計算路基沉降動態(tài)設計與計算路基沉降動態(tài)設計與計算目的路基沉降動態(tài)設計與計算目的優(yōu)化地基處理方案和設計參數(shù)優(yōu)化地基處理方案和設計參數(shù)保證路堤施工質量保證路堤施工質量保證路基工后沉降滿足控制標準保證路基工后沉降滿足控制標準最終沉降量常用計算方法最終沉降量常用計算方法 沉降計算公式沉降計算公式 塑料排水板（砂井）聯(lián)合堆載預壓主固結沉降塑料排水板（砂井）聯(lián)合堆載預壓主固結沉降 塑料排水板塑料排水板+ +真空聯(lián)合堆載預壓主固結沉降真空聯(lián)合堆載預壓主固結沉降 復合地基（水泥攪拌樁、復合地基（水泥攪拌樁、CFGCFG樁）沉降計算方法樁）沉降計算方法沉降計算公式沉降計算公式 地基的總沉降量由

2、三部分組成： 式中 瞬時沉降； 主固結沉降； 次固結沉降； dSscdSSSScSsS瞬時沉降瞬時沉降 Sdn按暫規(guī)的彈性理論公式計算 式中 P路堤底面垂直荷載（kPa） E土的彈性模量（可由無側限抗壓試驗 得到，取分層厚度的加權平均值）； F沉降系數(shù)，可查圖得到；FEPBSd主固結沉降主固結沉降 Scn根據(jù)壓縮模量ES、e-p、e-lgp曲線按分層總和法計算。次固結沉降次固結沉降 Ss iniiishttecS)lg(11121 ic次固結系數(shù)； ih 第 i 層厚度； 1t 相當于主固結 100的時間； 2t 需要計算次固結的時間，計至驗交后 20 年。 式中塑料排水板（砂井）聯(lián)合堆載塑料

3、排水板（砂井）聯(lián)合堆載預壓主固結沉降預壓主固結沉降塑料排水板加固區(qū)平均固結度塑料排水板加固區(qū)平均固結度 trzrzeU281 zrrz 2)(8deGJFchr 224Hcvz， 43)ln(nF，) 1)(ln(shkksJ，2)(wwhdHkkG ，weddn ，wsdds ； 式中加固區(qū)以下平均固結度加固區(qū)以下平均固結度 n按太沙基單向固結理論，平均固結度采用下式： tzzeU281 224Hcvz 式中逐漸加荷條件下的地基固結度修正逐漸加荷條件下的地基固結度修正n 按改進的高木俊介法計算：或按太沙基法修正。 111mmnTTtitmmiqUTTeeep塑料排水板塑料排水板+ +真空聯(lián)合

4、堆載真空聯(lián)合堆載預壓主固結沉降預壓主固結沉降n理論上可將真空壓力在土體內的分布當作分層總和法計算中的附加應力分布，直接計算真空預壓的沉降，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。n對于真空預壓的沉降計算，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，按堆載預壓的計算方法來計算真空預壓的沉降。這種方法雖然無法考慮真空預壓與堆載預壓在加固機理上存在的差異，但由于簡單易行，且如果能根據(jù)實測資料總結出沉降修正系數(shù)，仍不失為一種好的方法。n真空聯(lián)合堆載預壓沉降計算方法，可采用真空預壓和堆載預壓先分別計算各自

5、的沉降量后合并的方法。真空預壓沉降計算方法，可將膜下真空壓力換算為均布堆載（按實際情況選擇條形或矩形荷載），采用e-lgp曲線法估算。復合地基（水泥攪拌樁、復合地基（水泥攪拌樁、CFGCFG樁）樁）沉降計算方法沉降計算方法 分別計算加固區(qū)與下臥層的沉降，二者之和即為復合地基總沉降量的方法。 加固區(qū)沉降計算方法加固區(qū)沉降計算方法n復合模量法n應力修正法n樁身壓縮量法 復合模量法復合模量法n該法是將復合地基加固區(qū)的樁土構成的復合體，采用復合壓縮模量ECS來評價復合土體的壓縮性。 式中 第i層復合土上附加應力增量； Hi 第i層復合土層的厚度。 一般柔性樁復合地基采用面積加權平均法，表達式為 式中

6、m 復合地基面積置換率； 樁體壓縮模量； 土體壓縮模量。inicsiiHEpS11ipsPcsEmmEE)1 ( pEsECFGCFG樁的沉降計算樁的沉降計算 2002年新修訂的建筑地基處理技術規(guī)范給出了CFG樁的設計規(guī)定，給出的沉降計算方法屬于復合模量法，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算沉降。 各復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：akkspspffE/, 式中 akf 天然地基承載力標準值； kspf,復合地基承載力標準值，其算式如下： skpkkspfmmff1, 式中 m 面積置換率； pkf用應力表示的樁承載力； skf處

7、理后的樁間土承載力標準值； 為樁間土承載力折減系數(shù)。 應力修正法應力修正法 根據(jù)樁間土承擔的荷載Ps和樁間土的壓縮模量Es，忽略增強體的存在，采用分層總和法計算加固區(qū)土層的壓縮量S1。ssinisisisinicsiiSHEpHEpS1111式中應力修正系數(shù)， s111nms下臥層沉降計算方法下臥層沉降計算方法n應力擴散法nBoussinesq方法n等效實體法nMindlin-Geddes法n當層法應力擴散角計算應力擴散角計算設復合地基上附加應力為 p，作用寬度為 B,長度為 D，加固區(qū)厚度為 h，應力擴散角為（4，為土層內的內摩擦角加權平均值），則作用在下臥層上的荷載bP為： htgDhtg

8、BDBPPb22 對條形基礎，僅考慮寬度方向擴散，則為： htgBBPPb2Boussinesq方法 作用在下臥層土體上的附加應力另外一種方法是按天然地基采用Boussinesq方法計算。最終沉降量（剩余沉降）推算方法最終沉降量（剩余沉降）推算方法 星星 野野 法法 淺淺 崗崗 法法 三三 點點 法法 指指 數(shù)數(shù) 法法 雙曲線法雙曲線法星星 野野 法法 沉降計算公式： )()()(02001ttKttKAStS式中 S(t)隨時間變化的總沉降； S0 加載結束時假定的沉降； t0 與 S0相對應的時間； A,K 待定系數(shù)。 化為直線方程如下： )(110022220)(ttAKAsstty =

9、 0.0029x + 0.31530.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120140t-t0(t-t0)/(s-s0)2其中 KA221 為直線的截距； A21為直線的斜率。 當 t,則 SS0A0。 淺淺 崗崗 法法 n將沉降時間曲線劃分成相等的時間段。讀出相應于時間t1,t2時的沉降量S1,S2n在以軸Si-1和Si的坐標系中將沉降值S1,S2以點(Si-1,Si)畫出，同時作出Si=Si-1的45直線。n作直線使之盡量與這些點吻合，這條直線與45線相交的點就給出了最終固結沉降量 Si = 0 + 1 * Si-1 其中0為截距，可認為是瞬時沉降；1為直線

10、斜率，該直線與45直線的交點就是最終沉降。其步驟如下：y = 0.8265x + 328.011860187018801890190019101860186518701875188018851890189519001905Si-1Si三三 點點 法法 從沉降時間關系曲線上，取最大恒載時段內的三點S1、S2、S3且 tttt1223)()()()(2312232123sssssssssss)exp()exp(1 111ttsssd)exp(1)(tssssddt28 ，sssstt231212ln1其中指指 數(shù)數(shù) 法法 (t0)()ttdssss e)(0ttt0某一觀測時刻； s0對應于t0的

11、沉降量； 待定系數(shù)。 式中雙雙 曲曲 線線 法法 從沉降時間關系曲線上，取最大恒載時從沉降時間關系曲線上，取最大恒載時段內的三點段內的三點S1、S2、S3且且 tttt1223)()()(1111ttattsssstssss1223ta12 11)(121ssss最終沉降量（剩余沉降）最終沉降量（剩余沉降）推算方法建議推算方法建議 從恒載期預測某一時刻的沉降與實測值的比較可以看出，三點法和指數(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測結果吻合較好，建議實際使用時可采用此方法。路基沉降動態(tài)設計與計算內容路基沉降動態(tài)設計與計算內容 優(yōu)化地基處理方案和設計參數(shù)優(yōu)化地基處理方案和

12、設計參數(shù) 合理控制填筑速率合理控制填筑速率 預留高度設計計算預留高度設計計算 預壓時間、基床表層施工時間、鋪軌時間計算預壓時間、基床表層施工時間、鋪軌時間計算 路基預留寬度的估算方法路基預留寬度的估算方法優(yōu)化地基處理方案和設計參數(shù)優(yōu)化地基處理方案和設計參數(shù)n根據(jù)施工情況修正設計參數(shù)。根據(jù)施工情況修正設計參數(shù)。n根據(jù)試驗研究結果優(yōu)化地基處理方案和設根據(jù)試驗研究結果優(yōu)化地基處理方案和設計參數(shù)（技術、經(jīng)濟、工期、環(huán)境）。計參數(shù)（技術、經(jīng)濟、工期、環(huán)境）。合理控制填筑速率合理控制填筑速率 軟土地基的穩(wěn)定性與施工時的加荷速率有密切關系，加荷過程中，一方面地基強度因排水固結而提高，另一方面由于外荷作用，地

13、基剪應力也在增大，為了保證地基的穩(wěn)定性，必須科學地進行加載設計，嚴格控制加荷速率，對填土速率控制標準，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，一些重要工程同時也把超孔壓變化規(guī)律或單位時間內填土高度作為控制指標之一。水平位移速率水平位移速率 在軟粘土地基上修筑堤壩或進行堆載預壓，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邊樁或測斜管。（a） k0+535斷面斷面1測斜孔測斜孔（b ） k0+628斷面斷面2測斜孔測斜孔超載預壓試驗段水平位移速率（荷載）時間曲線超載預壓試驗段水平位移速率（荷載）時間曲線 其水平位移

14、速率與填土高度、填土速率直接相關。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，水平位移速率相應增加，但整個填筑期，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。 沉沉 降降 速速 率率 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，可能導致地基土整體破壞。根據(jù)我國14座堤壩的統(tǒng)計，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+62

15、8、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斷面斷面（b） k0+628斷面斷面 超載預壓試驗段分層沉降速率（荷載）時間曲線超載預壓試驗段分層沉降速率（荷載）時間曲線 -12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.040801201602003-3-20 2003-4-19 2003-5-19 2003-6-18 2003-7-18 2003-8-17 2003-9-16 2003-10-16沉降速率填土荷載-30-25-20-15-10-50501001502002003-3-20 2003-4-19 2003-5-19 2003-6-

16、18 2003-7-18 2003-8-17 2003-9-162003-10-16沉降速率填土荷載孔孔 壓壓 系系 數(shù)數(shù) 國外某些工程實踐經(jīng)驗認為，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，即可不斷加載，不致造成地基失穩(wěn)。所建議的控制指標為u/p0.50.6. （a） k0+535斷面斷面（b） k0+628斷面斷面 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，沉降速率達到1.51.7cm/d。其他三個斷面孔壓系數(shù)均小于0.6。n京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定參

17、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，規(guī)定控制填土速率的標準為：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。n實際上，加載速率的控制與地基土的性質、加荷方式以及地基處理方法等因素有關。只有把孔隙水壓力、沉降、深層側向位移、邊樁位移等項觀測結果綜合起來分析，并注意加荷結果后數(shù)天內的發(fā)展趨勢，才能正確地判斷地基是否處于危險狀態(tài)。n綜合以往的工程經(jīng)驗及本試驗段沉降速率、水平位移速率及孔壓系數(shù)的分析，可以得到這樣一個認識：填土速率控制標準應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作為參考標準。當?shù)鼗林新裨O有孔隙水壓力

18、計時，最大孔壓系數(shù)0.6也可作為參考。 預留高度設計計算預留高度設計計算n沉降修正系數(shù) 沉降修正系數(shù)，可按Es或計算主固結沉降，然后與實測沉降量比較進行修正。 斷面里程斷面里程推算最終沉推算最終沉降量降量(cm)Es 法法 法法主固結沉降主固結沉降(cm)修正系數(shù)修正系數(shù)主固結沉降主固結沉降(cm)修正系數(shù)修正系數(shù)k0+53569.372.90.95164.41.076k0+57363.368.90.91962.41.014K0+62852.953.90.98149.51.069K0+68143.951.10.85947.50.924沉沉 降降 正正 系系 數(shù)數(shù)pelg 由于這四個斷面的軟土均

19、處于超固結狀態(tài)，按e-lgp曲線法計算較Es小，結果與實測值更接近。建議按e-lgp法計算沉降，修正系數(shù)為0.9241.076。基床表層底面和表面的預留沉降基床表層底面和表面的預留沉降n基床表層是鐵路路基的關鍵部位，承受著列車傳遞的基床表層是鐵路路基的關鍵部位，承受著列車傳遞的主要荷載，因此在施工過程中應準確地預估沉落量以主要荷載，因此在施工過程中應準確地預估沉落量以保證基床表層的厚度。保證基床表層的厚度。n由于基床表層的施工在預壓土柱卸載之后，屬卸載后由于基床表層的施工在預壓土柱卸載之后，屬卸載后再加載，按一般分層總和法計算預留沉降會偏大，其再加載，按一般分層總和法計算預留沉降會偏大，其修正

20、系數(shù)為修正系數(shù)為0.500.50?；脖韺禹?、底面預留沉降計算基床表層頂、底面預留沉降計算(cm)(cm) 預留沉降預留沉降 計算計算斷面里程斷面里程基床表層產(chǎn)生的基床表層產(chǎn)生的沉降量沉降量軌道列車荷載產(chǎn)生的軌道列車荷載產(chǎn)生的沉降量沉降量基床表層基床表層底面預留底面預留沉降沉降計算計算修正修正計算計算修正修正k0+5357.83.95.52.86.7k0+5737.63.85.32.76.5K0+6286.03.04.22.15.1K0+6815.82.94.12.15.00+515-0+587.755段,0+589.245-0+708.255段,基床表層底面按5cm預留?；脖砻姘?cm預留

21、。預壓時間、基床表層施工時間、預壓時間、基床表層施工時間、鋪軌時間計算鋪軌時間計算n等載預壓等載預壓n超載預壓超載預壓等等 載載 預預 壓壓n預壓時間應滿足：預壓時間應滿足：最終沉降量（最終沉降量（+ +次固結）次固結）- -已完成沉降已完成沉降小于小于控制標準控制標準地基面沉降地基面沉降 (cm)(cm)測試時間測試時間200020008.228.229.89.89.259.2510.110.10 011.211.20 012.212.24 4200120011.81.82.132.133.203.204.144.145.105.105.235.236.236.23夯填土路基中心夯填土路基中

22、心1.31.32.72.74.04.05.25.29.49.413.813.821.521.529.629.636.036.040.340.342.742.743.443.447.047.0改良土路基中心改良土路基中心2.02.02.52.53.13.14.04.07.57.511.511.518.518.524.524.530.930.936.736.738.838.839.639.644.044.0測試時間測試時間200120017.177.178.248.249.199.1910.2910.2911.2511.2512.2512.25200220021.171.172.252.253.2

23、03.204.174.175.255.257.257.2510.1610.16夯填土路基中心夯填土路基中心49.249.252.252.254.054.055.655.656.956.957.857.858.358.359.159.159.559.559.959.960.260.260.760.761.3861.38改良土路基中心改良土路基中心46.346.349.349.351.251.253.453.454.454.455.455.456.056.056.856.857.457.457.757.758.058.058.558.559.259.2測試時間測試時間200320031.51.52

24、.132.133.193.196.76.7夯填土路基中心夯填土路基中心62.062.062.2362.2362.4562.4562.9262.92改良土路基中心改良土路基中心59.859.86 660.1560.1560.3960.3960.8760.87n按雙曲線方程式法預測，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。n從地基面沉降曲線上可看出，2001年12月25日實測地基面沉降：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，該路基的預壓

25、期為6個月。如果考慮路基填土壓密下沉和運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，即本試驗點路堤本體的壓密下沉量為1.35cm；經(jīng)動力試驗，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，預壓期應到2002年2月25日，即為8個月。超載預壓超載預壓n根據(jù)最終沉降量+次固結-已完成沉降小于控制標準來推算預壓時間的方法是保守的。最終沉降預測結果表最終沉降預測結果表 單位：單位：mmmm斷面斷面雙曲線法雙曲線法三點法三點法指數(shù)法指數(shù)法淺崗法淺崗法星野法星野法K0+573K0+573632.9632.9624.7624.7 620.7 620.76

26、26.0658.1658.1K0+628K0+628529.3529.3507.7497.9497.9520.2斷面斷面雙曲線法雙曲線法三點法三點法K0+535K0+535693.2693.2674.1674.1K0+681K0+681438.9438.9415.5415.5超載預壓段次固結沉降計算表超載預壓段次固結沉降計算表 單位：單位：cmcm斷面斷面里程里程K0+535K0+535K0+573K0+573K0+628K0+628K0+681K0+681時間時間2002004 412.12.30302002005 56.36.30 02002005 512.12.30302002004 4

27、12.12.30302002005 56.36.30 02002005 512.12.30302002004 412.12.30302002005 56.36.30 02002005 512.12.30302002004 412.12.30302002005 56.36.30 02002005 512.12.3030次固次固結沉結沉降降5.25.24.94.94.74.75.15.14.94.94.74.75.05.04.94.94.74.74.54.54.44.44.34.3超載預壓段最終沉降計算表（超載預壓段最終沉降計算表（cmcm）斷面里程斷面里程K0+535K0+535K0+573K0

28、+573K0+628K0+628K0+681K0+681最終沉降最終沉降74745 568683 357579 948483 3預壓時間與剩余沉降預壓時間與剩余沉降 (cm)(cm) 沉降沉降 計計算算斷面里程斷面里程預壓時間（月）預壓時間（月）剩余沉剩余沉降降k0+535k0+5356 69 96 6k0+573k0+5736 69 98 8K0+628K0+6286 610100 0K0+681K0+6816 69 98 8超載預壓約六個月滿足工后沉降10cm的要求。復合地基（復合地基（CFGCFG樁）樁） 預壓時間應滿足： 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準C

29、FGCFG樁加固最終沉降和預測成果表樁加固最終沉降和預測成果表 單位：單位：cmcm 預測預測方法方法斷面斷面雙曲線法雙曲線法三點法三點法K0+050K0+05044.644.640.140.1K0+060K0+06043.943.937.537.5K0+070K0+07033.433.429.929.9K0+080K0+08027.027.024.124.1恒載期預測某一時刻的沉降與實測值的比較恒載期預測某一時刻的沉降與實測值的比較 懸浮懸浮CFGCFG樁樁工工 后后 沉沉 降降 與與 預預 壓壓 期期工后沉降與工后沉降與 預預壓期壓期斷面斷面填筑完成后填筑完成后1313個個月剩余沉降月剩余

30、沉降（2004.12.12004.12.1）（雙曲線推算）（雙曲線推算）軌道列車荷軌道列車荷載產(chǎn)生的工載產(chǎn)生的工后沉降后沉降k0+010k0+0103.23.24.84.8k0+020k0+0205.25.24.84.8懸浮懸浮CFGCFG樁填筑完成后樁填筑完成后1313個月，工后沉降可滿足個月，工后沉降可滿足10cm10cm的標準。的標準。穿透軟土穿透軟土CFGCFG樁樁工工 后后 沉沉 降降 與與 預預 壓壓 期期 工后沉工后沉降與降與 預預壓期壓期斷面斷面 工后沉降工后沉降(cm)(cm)填筑完成填筑完成后后3 3個月剩個月剩余沉降余沉降（2004.2.12004.2.1）（雙曲線（雙曲線推算）推算）填筑完成填筑完成后后8 8個月剩個月剩余沉降余沉降（2004.7.12004.7.1）（雙曲線（雙曲線推算）推算）軌道列車荷軌道列車荷載產(chǎn)生的工載產(chǎn)生的工后沉降后沉降k0+070k0+0704.04.00.60.64.24.2k0+080k0+0803.