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市政道路工程软土地基的设计及沉降控制措施分析

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  摘要:本文结合某市政工程实例,对当前市政道路工程软土地基加固技术方案的选择、软基路堤的沉降控制方法等几方面进行简要分析,根据实际工程资料提出合理的沉降控制标准。
中国论文网 /7/view-13114937.htm
  关健词:市政道路工程;软土地基;设计;工后沉降量;控制措施
  
  市政道路对路基变形的要求较高,既要保证路基填筑过程中以及路堤在永久荷载作用下地基的稳定性,更要减少或消除工后沉降量,避免桥涵与路段连接处出现过大的沉降差或沿路段纵向、横向的不均匀沉降,防止道路运行后出现桥头跳车、路面不平整和开裂损坏等现象。控制引起路面变形的工后沉降最是一个关键,设计时应准确推算最终沉降量并求得路堤在不同历时加载强度下地基的固结度。由于市政道路成带状分布,线长且跨越的地质条件较多,推算结果是否与实测值相符涉及诸多因素,如地质勘察、地基处理方案选择等,这些都关系到工后沉降控制的成效。
  1软土地基工程地质勘察
  工程地质勘察报告提供的土工试验成果总表以及按标段的分层试验成果统计表是作为软土地基处理的设计依据。但对于天然地基土,即使取自同一分层的土样,它们的试验指标往往差异也很大,这是各个土样自身性质差异的反映,不能完全归结于试验误差。当把这种分层统计指标或代表性压缩曲线推广到全标段沉降计算时,经多条市政道路实践证明,计算结果与实测成果有较大的差别,甚至严重失真。为了减少因土体性质差异造成的计算偏差,采用合理的勘探思路显得尤为重要。实践中可采用较多的鉴别孔进行普遍勘察,并与技术孔相结合,选择具有操作简单、性能良好的鉴别孔对全线软土层,特别是土层变化复杂地段进行详细划分,通过十字板或静力触探等试验确定软土层的深度和范围,测定某项土性参数。而在控制断面则以技术孔作为原状取土孔,通过各项土工试验掌握各土层的物理力学特性,以提供基础的设计参数。技术孔的位置应在构造物(桥、涵、通道)或土层变化复杂的地段进行选取。
  2市政道路工程常用的软基处理方法及适用条件
  市政道路常用的软基处理方法有换填法、抛石挤淤法、堆载预压法及水泥搅拌桩。一般根据软土的厚度选用不同的方法。(l)当软土厚度小于2.0m时,采用换填法。将软土全部挖除,然后分层碾压填筑路基土至交工面。处于地下水位以下的可采用开山石作为填料。(2)当软土厚度介于2.0~4.0m时,采用抛石挤淤法。抛填片石过程中,应将隆起的淤泥挖除,抛填完成后用重型振动压路机进行碾压。(3)当软土厚度大于4.0m时,常用堆载预压法或水泥搅拌桩。堆载预压法造价经济而施工工期长;水泥搅拌桩复合地基处理,工期短但造价较高。大范围的深厚软土处理常选用排水固结堆载预压法,桥头过渡段一般采用水泥搅拌桩处理。
  3市政道路软基处理的设计与计算
  换填法和抛石挤淤法设计较简单,本文仅对排水固结堆载预压法进行详细阐述。对于深厚淤泥层的处理,堆载预压法能取得良好效果,且经济可靠,各地区均己广泛应用。其原理是在软土上作用先期临时荷载,使土体的孔压随孔隙水的排出而逐渐消散,软土发生固结变形,从而减少道路在使用期间的沉降。
  3.1堆载预压的设计
  堆载预压分为等载预压和超载预压。当预压荷载等于将来的永久使用荷载则为等载预压,当超过将来的永久使用荷载则为超载预压。在超载条件下达到相同沉降量的预压时间比等载预压的时间要短,能大大缩短工期,因此,预压力的设计时常采用一定比例的超载。
  3.2竖向排水体及排水系统设计排水固结堆载预压法的排水系统由竖向排水体、砂垫层、碎石盲沟和集水井构成。竖向排水体是人工设置的排水通道,目的是为了缩短排水距离,加速土层的固结。竖向排水体的形式经历了普通砂井、袋装砂井、塑料排水板等发展阶段。由于塑料排水板具备了施工方便、质量稳定、经济可靠等特点,目前已广泛采用,袋装砂井只有在塑料排水板无法施上时才被采纳,如施工场地上方有架空高压线通过。
  塑料排水板的内部为聚乙烯或聚丙烯加工而成的多孔道板带,外包土工织物滤套,具有隔离土颗粒和渗透功能,通过在软土地基中设置竖向塑料排水板,水平方向设置排水通道,然后在地面分级堆载预压,将土体中的孔隙水排出,从而使地基发生沉降,地基土逐渐固结,达到提高地基承载力和稳定性的目的。
  塑料排水板有两种布置方式,正方形布置和梅花形布置,般间距0.9~l.lm,插板底部要求打穿淤泥层。
  3.3固结沉降计算
  (l)沉降计算沉降可分为瞬时沉降,固结沉降和次固结沉降:
  S=Sd+Sc+Sa(1)
  式中,S、Sd、Sc.和Sa分别为总沉降、瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降。瞬时沉降为土体发生剪切变形而产生的沉降。在大面积均载作用下,由于剪切变形很小,瞬时沉降可忽略不计。次固结沉降主要发生在淤泥层,可由土层的次固结系数、主固结完成时间、道路使用时间和土层厚度进行计算:
  Sa=Cah/(1+e)・1og(t1/t0)
  式中,Sa为次固结沉降,Ca为次固结系数,h为淤泥层厚度,e为孔隙比,t1为道路使用时间,t0为主固结完成时间。
  主固结沉降用分层总和法计算,将整个压缩土层划分成适当厚度的分层,计算各分层的沉降量再求总和:
  Sc=ΣSi(3)
  式中,S为主固结沉降,Si为分层固结沉降。淤泥和淤泥质土的沉降可根据附加应力的大小、土层的固结状况和压缩指数计算,其它土体的沉降可根据土层应力的变化情况利用压缩系数或压缩模最计算。(2)固结计算软土中有竖向排水插板的平均固结度可按竖向排水固结度和径向排水固结度进行计算,它们之间有如下关系:
  U=1−(l−U2)(l−U1)(4)
  式中,U为土层的平均固结度,U2,U1,分别为竖向、径向排水平均固结度。
  4市政道路软基路堤沉降动态控制方法
  4.1最终沉降量的推算
  在路堤的实际施工中,大多采用多级加载方式,各级荷载的起止时段一般相差较大,且软土层埋深的不同,现场实测的沉降过程线大多呈多段式沉降递增型曲线,每一次加载即出现沉降徽明显加快的过程,稳定后沉降速率随之放慢。为了提高推算成果的质量,必须重视沉降板、杆的埋设和连接效果以及沉降观测的精度。当加载值达到包括路面荷载在内的总荷载值后,必须维持3个月以上的恒压,在此期间实测到具有精度较高的2~3次沉降观测成果可作为外延和推算依据。推算方法按收敛规律来选择,一般采用双曲线法或指数法推算最终沉降量,这样理论比较合理。实际操作时,由于各种原因如施工过程造成观测点破坏、沉降观测资料不连续等,可采用较简便的沉降速率控制法来推算最终沉降量。
  
  图1沉降板及沉降杆结构示意图
  1沉降杆2套管3肋板4沉降板
  
  4.2沉降动态控制方法
  在路堤施工全过程中要实施有效的动态控制,必须确立合理的控制标准,以确保各结构层的施工厚度并达到路面一次铺筑成功和路面工程厚度变动址最小的目的。具体操作时可按3~4等水准测堆精度的月沉降速率进行控制。在路堤填筑期,应控制填筑的速率,使之与地纂固结速率相适应,尽址减少附加沉降量。对于一般路堤,原地面沉降速率应小于10mm或孔隙水压力系数≤0.6;对于桥头路堤,原地面每昼夜沉降速率可控制在5mm以内。在堆载预压期,当般路堤或桥头填筑至路床顶面后,原地面连续2个月的实测沉降速率应小于3~5mm/月,如果是超载预压,沉降速率应小于8mm/月。当路提施工至基层顶面后,若原地面连续2个月的实测沉降速率应小于3mm/耐月即可填筑沥青混凝土下面层。对于道路与桥头连接部分,桥头沉降引起的纵坡变化必须小于△i=0.4~0.6%住沉降差应小于3~4cm。若能满足上述标准,道路即可进行初期养护处理。
  4.3工程实例
  某市政道路全线软土采用超载预压辅以塑料板排水固结处理,桥头路堤过渡段采用水泥搅拌桩复合地基。道路按照上述沉降控制标准进行施工,竣工三年后,沿全线设置的70个软基路堤观测点测得数据如下表1
  
  表1
  
  从表中看出,沉降速率区间越小,工后沉降总值越小;工后沉降平均值随沉降速率区间增大而增加。沉降速率介于3.0~6.0mm/月的只有4个点,而满足工后沉降设计要求(小于3m/月)的有66个点,占总数94.2%,说明地基处理效果良好。
  5结论
  选择合适的勘探手段,采用合理的地摧处理方法,可以使道路工程的设计和施工取得事半功倍的效果。要建成一条高质量的市政道路,对路堤施工全过程的沉降动态观测尤其重要,按照上述提出的沉降控制标准,等载情况下桥头3mm/月、路段5mm/月,超载情况下8mm/月,可确保路面结构层施工厚度变动量最小,并能有效减少工后沉降量,保证道路工程的质量。

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