黄土路基沉降预测模型的构建及工程应用.pdf

-77-黄土路基沉降预测模型的构建及工程应用田平华1，刘彦珍2（1.宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750001；2.宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川 750001）摘要：以某省道改建项目为依托工程，采用现场沉降监测及室内土单元试样压缩试验，从土单元变形角度分析了黄土路基的沉降机理，根据黄土路基沉降现场监测结果，得出不同约束条件下黄土路基的沉降规律，然后构建了黄土路基沉降预测模型，并进行了计算验证，结果表明：提出的路基沉降预测模型可以大幅度地提高分层总和法的计算精度，为不同约束条件下黄土路基沉降计算提供参考。关键词：黄土路基；沉降机理；预测模型；约束条件中图分类号：U416.1文献标识码：BConstruction and engineering application of prediction model for loess subgrade settlementTIAN Pinghua1,LIU Yanzhen2（1.Ningxia Highway Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Ningxia Yinchuan 750001 China;2.Ningxia College of Construction,Ningxia Yinchuan 750021 China）Abstract:Relyingontheprojectrelyingonacertainprovincialandhighwayreconstructionproject,on-sitesettlementmonitoringandindoorsoilunitsamplecompressiontest,fromtheperspectiveofthesoilunitdeformation,analyzedthesinkingmechanismoftheloessingbase.Thesedimentationrulesoftheloessroadbase,andthentheforecastmodeloftheLoessRoadfoundationsettlementwasbuilt,andthecalculationverificationwasperformed.Theresultsshowedthattheroad-basedsedimentationpredictionmodelproposedinthisarticlecangreatlyimprovethecalculationaccuracyofthelayeredtotalmethod,andfortheloessingconditionsunderdifferentconstraintconditionsthecalculationoftheroadbaseprovidesareference.Key words:loesssubgrade;settlementmechanism;predictionmodel;constraintcondition引言在黄土高原沟谷区填方路基被多种多样形式的力约束着，约束条件的不同必然造成路基的变形规律也不相同，由于变形所引起的差异性沉降也存在很大的差别，目前采用传统的沉降计算方法已经不能满足当前高精度、高准确性计算沉降量的要求1-2。以某省道改建项目为依托，研究不同约束条件下的黄土路基沉降规律和相关特性，首先通过长时间对典型断面的黄土路基沉降情况的监测与观察，得到路基变形规律与实际数据，然后依据这些信息为基础，建立沉降预测模型，接下来结合室内不同约束条件下黄土的试验数据，深入研究不同部位土单元应力应变状态的变化规律以及对其泊松比的影响程度，最后对黄土路基变形特点进一步归纳总结分析。1 工程概况某省道路线所经区域地貌多属于山西黄土丘陵沟壑，该类地貌具有沟壑多且存在多处交叉、十分复杂的地貌形态等特征，在大自然水流的侵蚀和冲击作用下黄土会被切割，出现黄土梁或黄土峁等形状。本地区除存在狭窄黄土沟壑地理地貌之外，还有多处存在着发育侵蚀河谷地貌状况，此类地貌地形平缓，沟谷宽阔，沟槽深，边坡陡立，因此该类地貌时有出现滑坡和崩塌等地质灾害。勘察区存在的马兰组和离石组风积黄土通过室内试验测出该类土的粉砂含量均在78%以上。试验分析黄土和次生黄土物质成分，根据分析结果可知本区域的黄土有轻微的湿陷性或无湿陷性，因此对路线的选择没有影响。2 黄土路基沉降机理分析同室内侧限压缩试验相比，实际路基土单元所处的应力应变状态有所不同，上部附加应力作用在土单元上，土单元受力会出现侧向变形，由此原因造成的土体变形是引起路基沉降的最主要原因，目收稿日期：2022-09-16作者信息：田平华（1988），男，宁夏中卫人，工程师。田平华，刘彦珍：黄土路基沉降预测模型的构建及工程应用-78-前采用分层总和法计算沉降量时，实际得到的沉降量与理论计算出的沉降量有较大差别，主要原因是室内侧限压缩参数考虑不周全3。半填半挖路基是一侧与山体拼接而另一侧临空的路基形式，见图1。由于经过长期的自然作用紧挨挖方山体的一侧土体拥有强的结构性，基本上不会发生变形，所以在今后其他荷载作用下也基本上不会发生较大的重塑性变形，而临空侧的土体后期经过填筑，另外处于临空面受到的约束力较小，因此后期的沉降量较大4。图 1 半填半挖路基网格划分示意路基顶面原状土填挖交界试验方案：在土单元4、3、5、6位置处施加荷载，通过观察可以发现单元3的侧向变形量最大，它的侧向变形所致使的竖向沉降也最大。由于单元6处于临空面约束小，所以侧向变形由约束大的往约束小的方向传递，传递顺序是单元4向单元6依次进行，最终全部被单元6向临空面全部释放出去。由于原状土比较坚硬，结构也比较稳定，外部作用力向内侧传递时，会受到反向力的作用，此时就会发生隆起。选择土单元1、2、3作为路基土的典型代表，土基在隆起和压缩时存在高差，随着时间和荷载的积累，差量越来越大，从而导致半填半挖路基产生横向差异沉降。单元4位于填挖交界部位，该部位受到的侧向约束力很小，产生的变形也非常小，因此在相同荷载作用下，填挖交接处的沉降量是最小的。由于约束作用的存在，路基填土发生侧向变形时会受到限制，由现场实际情况可知，随着沉降量不断增大，侧向变形逐渐减小，并且约束作用对路基土侧向变形的影响程度同约束距离呈负相关5。不同类型的填方路基沉降值大小有所差异，但其变化规律较一致，沉降量变形呈近似于中心对称的抛物线形式6。3 黄土路基沉降预测模型的构建该依托工程存在着大量的填方路基工程，在施工过程中准确预测工后沉降量对公路后期服役过程中的使用寿命和服务水平有至关重要的影响。选取K25+658工点的1#、2#监测点实测数据进行拟合，确定沉降预测模型为指数函数，拟合方程：.（1）式中：s0、A1、A2、t1、t2拟合参数；T时间，d；S沉降预测值；、分别记作s1、s2，t1t2。采用公式（1）对黄土路基沉降进行拟合，该方程能够较好地表征黄土路基的沉降规律。由公式（1）可得：，.（2）通过预测计算，最终沉降量为，分析路基的沉降变化情况可得，施工后的路基填方沉降大体可以分为三个阶段：初期沉降阶段、减速沉降阶段和稳定沉降阶段。在沉降初期阶段对沉降量影响最大的是，当随着时间T逐渐增大，影响的权重越来越小，影响的权重越来越大。4 黄土路基沉降预测模型验证选取K25+658 工点为例作为验证，该处工点路基土深5.615.4m，根据监测数据绘制出S-T曲线。4.1 t1的确定根据预测指数函数模型，得到初始线性沉降阶段见图2，初始阶段即为线性增长阶段，该阶段的直线同沉降曲线的交点是（12.1，6.32），根据图线推算出t1为11.76d。0 50 100 150 200 250 300时间 T/d 24681012141618实测数据沉降初期线性增长阶段交点直线 l沉降量 S/cmt1=11.80图 2 t1值的求解4.2 s0、A1、t2、A2的确定剔除实测数据中的异常数据，选择出整体线形相对平滑的监测数据，选取K25+658工点为例，此点路基中线长12m，深路基土深5.615.4m，见表1。2023 年第 3 期山东交通科技-79-表 1 计算点的选取时间T/d36306090120沉降值S/mm2.723.287.859.5412.9213.87将计算数据整理代入式（3）：.（3）计算得出：A1/A211.5选择点带入式（3）得出：=-1.25；A1=7.09；t2=130.98，A2=10.67。根据拟合结果可得t2比较大，但是在沉降初期却很小。为方便计算，可以将数值忽略不计，从而得出=-1.25，A1=7.09后再求取t2=130.98，A2=10.67，得出预测方程：.（4）根据上述计算得到沉降随时间变化曲线，见图3。024681012141618沉降量 S/cm实测值计算值时间 T/d50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600图 3 黄土路基沉降预测曲线从图3可以得到：提出的指数曲线预测方法与实际情况较吻合，通过对前期部分实测数据准确预测施工后路基的沉降量。参数A1、A2是以沉降曲线首次转折点为分界，快速沉降阶段A1、t1影响权重较大，一旦进入沉降速率减缓阶段A2、t2所影响权重较大。选择施工工艺相同的监测工点，分析约束条件下各参数之间的关系以及对影响黄土路基沉降的规律，各参数之比见图4。A1/A2（a）A1/A2t1/t2（b）t1/t2图 4 拟合参数分析0.350.300.250.200.150.100.0501 侧 2 侧 3 侧由于约束条件各不相同，黄土路基沉降速率也有明显差异。1、2、3侧约束情况下，A1、A2之比分别为0.69、1.08、1.51。分析数据可知，参数A1与A2的比值同约束的个数呈正比，t1与t2的比值与约束的个数呈反比例关系。5 结语通过室内土单元试样压缩试验并对结果逐一分析，探讨研究不同约束条件下土单元侧向变形的角度以及差异沉降，结合现场沉降监测数据深入研究：（1）黄土路基在相同的施工工艺、工程性质、路基形式等情况下，路基土侧向变形是导致黄土路基差异（下转第83页）2023 年第 3 期山东交通科技-83-表 8 路面性能检测结果检测项目检测结果规范要求压实度9790构造深度/mm0.940.55渗水系数/（ml min-1）14.7200 抗滑值（BPN）7445由表8可知，该二级公路施工质量良好，各项性能检测结果满足设计与规范要求。3.4 持续观测与评价该地区夏季温度较高，同时该道路作为地区重要矿物运输通道，经历了复杂的行车荷载与交通流量，该道路施工完成并通车2a内，对其进行了持续观测与评价。观测结果表明：该道路采用抗车辙沥青混合料作为路面上面层，路面平整密实，未出现车辙、裂缝、拥包等病害，实际应用效果优异，值得推广。4 结语（1）普通SMA-13沥青混合料的动稳定度在掺入一定量抗车辙剂后先增加后降低，当抗车辙剂掺量为0.4%时达到最大值，动稳定度提升了约495%，高温稳定性能显著提升。（2）在普通SMA-13沥青混合料掺入抗车辙剂后，低温抗裂、水稳定性能均有一定程度的提升，且均在掺量为0.4%时达到最大值。（3）工程应用表明：道路上面层采用抗车辙改性SMA-13沥青混合料后，长期路用性能优异，路面平整密实，未出现车辙、裂缝、拥包等病害。（4）工程应用中，建议“抗车辙王”抗车辙剂的最佳掺量取0.4%。参考文献：1 樊长昕,王威.抗车辙剂改性沥青混合料动稳定度变异性研究J.山西交通科技,2021（3）:48-50.2 马红梅,贾永平.不同种路用抗车辙剂应用性能分析J.公路交通科技（应用技术版）,2019,15（10）:12-16.3 吴应升,曹帆,李旖.AC-16混合料对抗车辙剂的路用性能响应分析J.西部交通科技,2016（9）:17-20.4 王晨.基于重载交通下沥青混合料抗车辙性能研究D.唐山:华北理工大学,2021.5 奚龙飞.抗车辙剂LY在沥青混合料中的应用研究D.西安:长安大学,2017.6 张武廷.抗车辙剂在重载交通道路中的应用研究D.重庆:重庆交通大学,2015.（上接第79页）沉降的主要原因。（2）当黄土路基中土单元受到侧向约束作用下变形将被限制，导致沉降量减小，距约束力较远的黄土路基土，由于约束力小，沉降就会比较大，所以呈现出了差异沉降。（3）黄土路基不同类型的填方路基沉降值大小差异较大，但是变化规律较一致，沉降变形呈近似于中心对称的抛物线形式。参考文献：1 杨三强,段士超,刘娜,等.黄土质高填方路基沉降变形与预测J.河北大学学报（自然科学版）,2020,40（5）:454-460.2 安惠娟.黄土高填方路基沉降规律及机理研究J.西部交通科技,2018（6）:63-65,79.3 袁航,辛延甫,余小龙.黄土湿陷性对路基沉降影响的FLAC3D模拟J.公路交通科技（应用技术版）,2017,13（8）:158-159.4 时兴隆.黄土地区某高速铁路路基沉降控制技术研究D.兰州:兰州交通大学,2018.5 袁博.黄土路基湿陷变形对挤密区影响的数值模拟研究J.粉煤灰综合利用,2021（2）:65-69.6 鲍燕妮.黄土地区高填方路基病害分析及处理方法J.城市道桥与防洪,2021（8）:107-110,118.