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我国沿海地区广泛分布着湖相、河相以及海相沉积的软土层,软土孔隙比大、强度低、变形大,给高等级公路路基工程的设计和施工带来了许多困难。现有高等级公路的地基处理大部分采用了排水固结结合堆载(超载)预压的处理方法,并对其工后沉降量提出了很高的控制要求。本文通过工程实践和有限元计算对排水固结法地基沉降的各种影响因素进行了系统、完整的分析研究,并依据研究成果提出了基于沉降控制的地基处理设计方法的新思路,以期指导工程实践。
基于工程实践,对排水固结法的地基处理进行了有限元计算的数值模拟,并对比分析了土体弹性模型和弹塑性模型对地基沉降的影响,研究结果表明,地基土体弹塑性本构模型由于考虑了地基的部分塑性变形,地基沉降的计算值更接近实际值,更适合模拟地基的排水固结和沉降变形过程。
在总结前人的研究成果上,推导了梯形路堤荷载作用下不同边坡坡率的地基沉降量,研究了地基不同参数对地基沉降量的影响。荷载强度p、地基变形模量E、泊松比μ、压缩层厚度H等对地基的瞬时沉降Sd、固结沉降Sc以及总沉降S有一定的影响,某些影响因素在某一个数值范围内变化时对地基沉降的影响很大,超出此范围变化时其影响程度变得很小。
对排水固结法地基沉降的影响因素进行了系统、完整的分析和总结。应用有限元计算研究了路堤参数(路堤高度、路堤弹性模量、路堤填料重度)、地基参数(天然地基土体弹性模量、地基处理深度)、荷载加载方式(竖向排水间距、加荷速率、超载高度、预压时间、计算深度)以及水平边界条件对地基沉降的影响。依据研究成果提出了增加地基处理效果的优化设计和合理化建议。分析研究表明,由于排水固结法地基处理过程中地基的排水固结系统不断发生变化,地基处理过程中的地基沉降量(包括施工期沉降量、总沉降量以及工后沉降量等)均不断变化,地基沉降量的计算需要基于“地基处于动态平衡系统”的新思路进行分析研究才能较好的符合地基沉降变形的实际过程。
结合“梁开公路地基处理试验段”的工程实例对排水固结法地基处理中横向排水条件对地基沉降的影响进行了实践研究,并结合有限元计算结果进行了对比分析。研究认为,排水固结法处理地基过程中,横向排水通道在路基施工过程中被封闭会减小地基施工期间沉降量和沉降速率,对地基工后沉降量的控制不利,但横向排水通道在路基施工完成道路运营阶段被封闭会减小道路使用年限内的地基沉降、沉降速率和工后沉降量,有利于工后沉降量的控制,减小工后沉降量。
最后,结合研究成果对传统的基于沉降控制的地基处理设计方法提出了新思路。设计新思路是地基沉降量的计算基于“地基处于动态平衡系统”过程中进行的,其值随着动态平衡过程是不断变化的;同时,在施工期完成结束后对横向排水通道进行约束、封闭,可减小道路运营期间沉降量(设计年限内工后沉降量),延长道路使用寿命。