高速公路軟土地基沉降變形研究

精品文檔-下載后可編輯高速公路軟土地基沉降變形研究【摘要】軟土地基具有高壓縮、低強(qiáng)度、低滲透等特點(diǎn)，本文主要分析了高速公路軟土地基的變形機(jī)理、沉降變形組成、變形特點(diǎn)以及變形規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】軟土地基；變形機(jī)理；組成；特點(diǎn)；規(guī)律

軟土的工程力學(xué)性質(zhì)較差，在外界作用力的影響下易發(fā)生擾動(dòng)，軟土的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)比較困難，致使在軟土地區(qū)的路基的設(shè)計(jì)與施工比較困難。本文主要對(duì)高速公路軟土地基的變形機(jī)理、特點(diǎn)、規(guī)律進(jìn)行了分析。

1高速公路軟土地基沉降變形機(jī)理

在軟土地基上進(jìn)行高速公路的建設(shè)一般都需要填筑一定高度的路堤，由于土本身具體壓縮性，地基內(nèi)部在路堤荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和固結(jié)變形，這是造成路基沉降主要原因。

軟土在外界荷載的作用下，軟土內(nèi)部為了抵抗壓應(yīng)力的不斷的增加，軟土的內(nèi)部會(huì)因此產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，軟土在處于飽和的狀態(tài)下，這個(gè)過(guò)程被稱為固結(jié)。天熱的土體天然土體一般是由礦物顆粒構(gòu)成骨架體，孔隙水和氣填充骨架體孔隙而組成的三相體系。飽和土由土顆粒和水組成，土顆粒之間存在膠結(jié)物，有些沒(méi)有粘結(jié)，但它們都能傳遞荷載，從而形成傳力的骨架，稱為土骨架。

土體在外界荷載的作用下，會(huì)產(chǎn)生水壓力和有效應(yīng)力。外界荷載一部分有土體空隙中存在的水承擔(dān)，這部分被稱為孔隙水壓力：另外一部分的作用力由土體的骨架分擔(dān)，這部分被稱為有效應(yīng)力。所謂有效，是指在外界荷載作用力下，引起的壓縮和強(qiáng)度有效，顆粒之間總荷載的傳遞與土體本身的總截面的比值被稱為有效應(yīng)力?？紫端畨毫煞譃殪o水壓力和孔隙水壓力兩部分。孔隙水壓力是指由于外界荷載的存在而產(chǎn)生的水壓力的增加量；靜水壓力指的是土體在荷載作用之前就存在于土體內(nèi)部。

對(duì)土體壓縮性的研究可知：①土顆粒的壓縮性遠(yuǎn)比水的小，完全可以忽略不計(jì)；②在飽和土中，孔隙水的壓縮量與土骨架的壓縮量比較，數(shù)值很小，此時(shí)土骨架的壓縮顯然對(duì)土的固結(jié)起控制作用。就工程上常遇到的壓力（約100～600KN/m2）而言，土粒本身和孔隙中水的壓縮量，不到土體總壓縮量的1/400，因此常可略去不計(jì)；而孔隙中氣體的壓縮變形，一般情況下，只有在土的飽和度很高，孔隙氣以封閉氣泡形式出現(xiàn)時(shí)才發(fā)生。這時(shí)，土中含氣量很少，因此，它的壓縮量在土體總壓縮量中所占的比重也不大。除了在某些情況需要考慮封閉氣體的壓縮外，一般也可忽略不計(jì)。因此，土體的變形是孔隙流體的流失及氣體體積減小、顆粒重新排列、粒間距離縮短和骨架體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果。

2高速公路軟土路基沉降變形組成

軟土路基沉降包括堤身及地基兩部分，經(jīng)典土力學(xué)認(rèn)為地基沉降包括瞬時(shí)沉降si、主固結(jié)沉降sc、次固結(jié)沉降ss三部分。則軟土路基的最終沉降量為

S=Si+Sc+Ss。

瞬時(shí)沉降是在荷載作用下土沒(méi)有任何體積變化的畸變所引起，所以它發(fā)生非常迅速，這只是一個(gè)理想的概念，盡管沉降不是立即發(fā)生的，仍可認(rèn)為飽和軟土中的孔隙水來(lái)不及排出時(shí)所發(fā)生的沉降，其體積基本保持常數(shù)，土體只發(fā)生形變而沒(méi)有體變。瞬時(shí)沉降與加載方式和加載速率有很大的關(guān)系。

主固結(jié)沉降是由于荷載置于地基上后，隨著時(shí)間的延續(xù)，孔隙水從土體中流出，引起體積隨時(shí)間的減少，因而地基體系逐漸發(fā)生沉降。它是由于外荷載引起超孔隙水壓力的水力梯度促使水從土體內(nèi)排出，而應(yīng)力增量轉(zhuǎn)移到土體骨架上而發(fā)生的沉降。在此階段水流的速率受到土的孔隙壓力、滲透性和壓縮性的影響，隨著孔隙壓力的消散，水流的速率將降低，隨后孔隙壓力消散基本完成，達(dá)到不變的有效應(yīng)力狀態(tài)。這部分變形為固結(jié)變形，與時(shí)間有關(guān)，且主要發(fā)生體積的變化，對(duì)應(yīng)的沉降為主固結(jié)沉降。

次固結(jié)沉降是由于超靜水壓力消散后，主固結(jié)變形完成后，在有效應(yīng)力作用下土骨架的徐變所致，是路基土中土粒骨架在持續(xù)荷載下蠕變所引起的，次固結(jié)變形的大小與孔隙水排出的速率無(wú)關(guān)，而是取決于土骨架本身蠕變性質(zhì)。次固結(jié)的速率與含水量、孔隙比、有機(jī)質(zhì)含量、溫度等因素有關(guān)，與軟土的厚度無(wú)關(guān)。

一般來(lái)說(shuō)高速公路軟基的沉降量包括施工期間沉降和工后沉降。

施工期沉降是指路基填土產(chǎn)生的荷載通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基，在地基內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和變形，從而引起基礎(chǔ)的下沉，這部分沉降主要為瞬時(shí)沉降和主固結(jié)沉降。

工后沉降：施工完成以后，由于公路軟弱土基深厚固結(jié)速度慢，在路堤自重和路面荷載下作用下延續(xù)施工期間未完成的固結(jié)沉降，這種新沉降是路基在相應(yīng)的車輛荷載作用下產(chǎn)生的附加沉降。對(duì)于較厚的軟土層，在路基填筑至設(shè)計(jì)高程以后的幾年內(nèi)，主固結(jié)引起的沉降變形是主要的。

3高速公路軟土路基沉降變形特點(diǎn)

基礎(chǔ)沉降量的大小，首先與土的壓縮性有關(guān)，易于壓縮的土，基礎(chǔ)的沉降大。其次，與作用在基礎(chǔ)上的荷載性質(zhì)和大小有關(guān)。一般而言，荷載愈大，相應(yīng)的基礎(chǔ)沉降也愈大；而偏心或傾斜荷載所產(chǎn)生的沉降差要比中心荷載產(chǎn)生的大。

由于路堤高度差異和地基的不均勻沉降，使得路面產(chǎn)生不均勻變形。路基不均勻沉降超過(guò)了一定的限度，將導(dǎo)致路面的功能性、結(jié)構(gòu)性破壞，使公路不能滿足設(shè)計(jì)要求。軟土層厚的路段沉降大，而軟土層薄的路段則沉降較小，由此造成公路縱、橫向沉降不均勻，路面排水和平整性也受到影響，汽車無(wú)法高速行駛，尤其在橋頭過(guò)渡段，不均勻沉降問(wèn)題更加突出，橋梁一般采用樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)，沉降較小，與其相連的公路路堤一般較高，由此造成的沉降大，會(huì)在橋頭附近產(chǎn)生較集中的沉降差，易引發(fā)橋頭跳車現(xiàn)象。

由于軟土具有抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性小等特點(diǎn)，軟土路基在荷載作用下，引起的路基沉降，一般具有以下變形特征：

3.1沉降量大，由于軟土主要由粘粒和粉粒組成，其中粘粒含量很高，其天然含水量大，孔隙比大于1.5，抗剪強(qiáng)度低，承載力低，所以受荷后壓縮量大，沉降量超過(guò)一般路堤。

3.2側(cè)向變形大，飽和軟土受荷初期，土中水來(lái)不及排出，土體易于發(fā)生側(cè)向擠出，并隨著水的逐步排出，土體體積收縮，豎向沉降進(jìn)一步發(fā)展。

3.3變形時(shí)間長(zhǎng)，由于軟土本身的性質(zhì)以及較大的軟土厚度，孔隙水消散緩慢，并且下部軟土排水較困難，使得固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，因此豎向沉降和側(cè)向變形延續(xù)的時(shí)間都很長(zhǎng)。

4高速公路軟土路基沉降變形規(guī)律

根據(jù)軟土路基沉降變形的機(jī)理和特點(diǎn)分析及公路軟土路基的大量沉降觀測(cè)資料，總結(jié)出軟土路基沉降變化基本上經(jīng)歷4個(gè)過(guò)程：

發(fā)生階段：在對(duì)軟土路基剛加載時(shí)，土體處于彈性狀態(tài)，土中的孔隙水來(lái)不及排出，土體的側(cè)向變形使土體發(fā)生瞬時(shí)剪切變形，在荷載增加的最初階段，軟土地基的側(cè)移速率較大，沉降呈線性增加。

發(fā)展階段：隨著填土高度的增長(zhǎng)，荷載不斷加大和時(shí)間的增長(zhǎng)，地基土中的孔隙水逐漸排出，超靜孔隙水壓力逐步消散，土體逐漸壓密產(chǎn)生體積壓縮變形，進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，此時(shí)土體的沉降速率增長(zhǎng)很快。

穩(wěn)定階段：當(dāng)加載完成后，荷載不再增加，孔隙壓力不斷減小并接近完全消散，固結(jié)過(guò)程尚未完全完成，土體的沉降將隨著時(shí)間的推移而繼續(xù)增加，沉降