路基监测（共6篇）
路基监测 篇1
1 软土的定义和特征
软土是强度低、压缩性高的软弱土层。软土在我国分布广泛。在软土地基上修筑路基, 若不加处理, 往往会发生路基失稳或过量沉陷, 导致路基病害的产生, 继而影响路基的稳定和道路正常运行。我国各地成因不同的软土都具有近于相同的特性, 主要表现在:①天然含水量高, 孔隙比大;②透水性差;③压缩性高;④抗剪强度低;⑤具有触变性, 一旦受到扰动, 土的强度明显下降, 甚至呈流动状态;⑥流变性显著, 其长期抗剪强度只有一般土质抗剪强度的40～80%。
2 软土路基沉降计算
一般认为, 软土地基在外力作用下的沉降经历三个不同的阶段, 表现为三种类型的沉降特征:瞬时沉降Sd, 主固结沉降Sc和次固结沉降Ss。瞬时沉降由于土没有任何体积变化的畸变结果;它发生非常迅速, 这是一个理想的概念, 可忽略水从土体流出, 其体积基本保持常数。孔隙水从土体中流出, 引起体积随时间而减少, 因而地基体系逐渐发生沉降。水流的速率受到土的孔隙压力、渗透性和压缩性的影响, 该部分沉降称为主固结沉降。随着孔隙压力的消散, 水流的速率将降低, 最后孔隙压力消散基本完成, 达到不变的有效应力状态。在主固结后, 土表现出进一步的沉降与时间的关系, 这就是次固结沉降或蠕变沉降。蠕变沉降的大小变化极大, 一般认为软弱的有机质粘土的沉降有很大的蠕变, 而坚硬的粘土则主固结引起的沉降起主要的作用。
2.1 软土地基路线横断面上沉降的特点
高等级公路路堤修筑后, 经过一段时间的运营, 在软土地基路线横断面方向上, 通过观测可以发现, 原水平或近水平的地面线变成的“凹”形的地面线, 地面沉降值呈现出中间大两头小的特点。
2.1.1 总沉降的形成
软土地基在荷载作用下易形成, 地基土的总沉降量, 按其变形特征分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分, 计算公式为:
Sz=Ss+Sd+Sc
式中, Sz—地基最终总沉降;
Ss—地基的次固结沉降 (亦称为蠕变沉降) ;
Sd—地基的瞬时沉降 (亦称初始沉降) ;
Sc—地基的固结沉降 (亦称主固结沉降) 。
对于饱和土体, 主固结沉降Sc是土体中因孔隙水压力逐渐消散引起渗水压缩而形成的沉降;瞬时沉降是在加荷瞬间, 土中孔隙水来不及排出, 孔隙体积没有变化即土不产生体积变化, 但荷载使土产生剪切变形;次固结沉降是当土这三部分沉降其中最主要部分为主固结沉降Sc。因此常利用沉降系数m计算总沉降量Sz, 有Sz=mSC。
沉降观测系m为经验系数, 根据现场沉降观测资料确定。
2.1.2 主固结沉降Sc的计算
路堤总沉降中, 主固结沉降占主导地位, 采用一维应力状态下分层总和法计算, 一般有三种方法:①按e-p曲线计算;②压缩模量 (Es) ;③确定先期固结压力Pc作出e-lg曲线, 采用压缩模量计算较为简单, 主固结沉降计算式如下:
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式中, ΔPi—地基中各分层中点的附加应力增量;
Δhi—分层厚度;
Esi—压缩模量。
通过对主固结沉降Sc的计算, 指导施工, 选择适当的路基处理方法。
3 公路软土路基处理方法
3.1 换填垫层法
换填垫层法主要作用是提高地基的承载力。其方法是将基底下一定范围内的软弱土挖去, 换填砂、碎石和素土等散体料, 并分层夯实成低压缩性的地基持力层。一般适用于淤泥质土、黄土和人工回填土, 适用深度不超过5 m。
3.2 排水固结法
利用天然地基土本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体, 通过预先在地表进行加载或利用建 (构) 筑物自身重量使地基中的孔隙水逐渐排出、土体逐渐固结和压密, 强度逐步提高的方法。一般较常用的方法有:堆载预压法、砂井 (袋装砂井、塑料排水板) 堆载预压法、真空 (砂井、袋装砂井、塑料排水带) 预压法等。
(1) 堆载预压分为等载预压和超载预压。
其工程特性是施工简便, 工程费用相对较低, 但工期长, 需要一定的工期保证。该种方法适用于沉降量小、工后沉降要求较低、有横向排水层的路段。
(2) 塑料排水板加堆载预压法施工工艺简单, 费用较低, 但工期长。
该方法适用于软土层厚、固结系数小、路堤稳定、填土高度较高的路段。
3.3 深层搅拌法
此法通过特制的搅拌轴的轮叶, 从地面开始破土搅拌至加固的深度, 打开阀门将水泥浆或水泥粉由搅拌头注入地基中, 用搅拌头强制搅拌均匀。此法一般适用于不超过12 m的粉土或是粘性土等。
3.4 灌浆法
用钻机成孔, 将注浆管放入孔中需要灌浆的深度, 钻孔四周顶部封死。启动压力泵, 将搅拌均匀的水泥浆或水泥砂浆压入土的孔隙和岩石的裂隙中, 同时挤出土中的自由水。水泥浆凝固后, 土体与岩石裂隙胶结成整体。此法基本上不改变原状土的结构和体积, 所用灌浆压力较小。适用于卵石、中、粗砂和有裂隙的岩石。如是粘性土, 则用较高的压力灌入浓度较大的水泥浆或水泥砂浆。
3.5 强夯法
强夯法是将重锤起升到一定高度, 然后自由下落, 重复夯打, 以加固地基, 使强度提高, 压缩性减小。此法一般适用于无粘性土, 杂填土和半饱和土。
3.6 真空-堆载联合预压法
利用真空应力和竖向排水体加速软土固结。通过抽真空形成负压, 对于道路而言, 可利用路基填土做堆载, 使土体在真空荷载和堆载联合作用下发生固结。同时, 由于真空产生负压, 使土体产生侧向收缩变形, 可以抵消因堆载引起的侧向挤出变形, 土体不会因荷载大而破坏, 因此, 真空-堆载联合预压法比单一的堆载预压安全可靠, 路基填土速度可以大大加快, 从而缩短填筑期和预压期。
施工时, 应根据施工地软土特点和现场实际情况, 选择合适的软土路基处理方法。
4 项目背景
某高速公路路线经过河塘, 多处路段泥土含水量高, 土质颜色为黑色, 通过现场取土试验, 发现空隙比大, 有机物含量多, 抗剪强度低, 须进行路基加固处理。
根据该路段实际情况采用合理的加固方法进行施工和监测。对所加固路段进行地表沉降、土体深层水平位移、孔隙水压力、静土压力等。针对现场监测数据对该高速公路监测结果进行分析。
5 监测方案及其结果分析
5.1 地表沉降监测
地表沉降监测主要有沉降板进行监测。沉降板有钢板和测杆组成。沉降板一般放置在砂垫层以上, 埋设时保证板面水平, 测杆竖直。通过定期监测数据分析显示, 一开始沉降速率会有一个突然增大的过程, 随后慢慢趋于稳定, 除极个别会出现不规则值, 大部分路段的沉降速率堆载期都在8 mm/d以内, 稳定期一般在1～3 mm/d。各加固处理方式的沉降统计见表1。
从表1可以看出不同方式的效果和最终沉降量, 以及预压时间和沉降影响因素。土含水率越高, 沉降量就越大;堆载速度加快, 将使地基土内水分来不及排出, 路基沉降速率较小, 但会使地基表面以比较均匀的速率持续下沉。所以, 通过监测沉降速度来控制路基固结合理时间, 指导施工。
5.2 土体深层水平位移监测
土体深层水平位移采用钻孔埋管的方法设置测点, 并用测斜仪进行观测。土体深层水平位移见图1。
由图1分析可知, 路基下各土层厚度不均匀, 地下硬土层呈斜坡状分布。这种情况下地基土在竖向荷载作用下将产生一个侧向滑移力, 使地下软土向路基一侧流动, 从而使路基两侧土体深层水平位移一边大, 而另一边小, 甚至发生内缩现象。这样就会带动上部路基土体向一侧滑移, 从而引起失稳事故。因此通过监测, 优化软土路基方案, 防止路基发生失稳。
5.3 孔隙水压力监测
孔隙水压力的监测目的主要是通过观察地下土体内水压力的变化, 了解地下土体的排水固结效果。通过对该高速公路孔隙水压力的监控结果显示, 大部分路段的孔隙水压力值一般在堆载碾压过程中略有增加, 在稳定期会逐渐减小, 见图2。说明监测路段的排水系统良好, 特别是一些竖向排水体预压处理过的路段, 以上现象表现得更突出。
5.4 静土压力监测
静土压力监测主要是通过测量地基上部土体荷载的大小, 进一步检验地基的承载能力。影响净土压力的因素是多样的, 如土压力盒的埋设位置、上部土颗粒的大小等。但一般情况下, 随着堆土荷载的增加, 净土压力值逐渐增大。
6 小 结
通过软土路基加固和监测, 及时分析监测数据, 优化加固结构, 选择合理的施工处理方法, 提高软土路基的质量, 增加承载力和稳定性, 加快施工工期, 在保证效益同时, 提高公路项目整体质量。
摘要：路基是主要把承受路面的汽车荷载作用传递给基层, 达到传递和扩散应力的作用。所以路基施工在道路工程中相当重要。在路基施工中经常遇到强度低、压缩性高的软弱土层。本文就路基处理和监测进行探讨。
关键词：路基,软土,监测
参考文献
[1]JTJ017-1996, 公路软土路基路堤设计与施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 1997.
[2]李力宏, 余前标.某高速公路试验段软土路基处理的监测分析[J].中国水运, 2008, (5) .
动力学法监测路基压实技术的应用 篇2
关键词：道路工程,路基压实,质量监控
路基结构是由散体材料构成的, 其强度形成过程主要靠压实来完成。长期以来, 在控制路基压实质量时, 一般采取的事后检验压实度的方法, 对个别点进行, 检验方法耗时较长, 检测频率较少, 不能及时发现问题和确定不合格路段。此外, 对于诸如填石路基等粗粒土路基的压实质量控制, 由于压实度检测的困难, 一直没有一个较好的解决办法, 目前主要靠轮迹法进行控制, 其可靠性不言而喻。因此有必要研究新的质量监控方法, 使之在路基结构形成过程能进行连续的实时监控, 保证路基结构形成过程中的质量, 特别是粗粒土路基的压实质量控制。
在分析了既有连续测试方法的基础上, 理论联系实际, 将基于弹塑性动力学原理的动力学监控方法应用于路基质量监督工作中。利用压实机具与被压结构之间的相互作用关系, 通过系统识别理论和自动测试技术, 得到了能反映路基结构形成过程中压实状态变化的信息——抗力指标, 根据路基结构抗力指标的变化信息实现了压实质量的连续实时监控。
1 动力学方法
压路机的振动形态呈线性还是非线性振动, 受诸多因素影响, 很难事先判定, 只有通过实测才能确定。因此动力学方法从一开始就避开了通过响应信号畸变程度来判别压实状态的方法, 而是直接从弹塑性动力学原理出发, 结合现代控制理论和自动测试技术, 得到与被压结构抗力相关的评价体系, 可以说是与现有方法的根本区别点, 此外在监控内容方面较之完善。
在国内公路界较早研究碎石土路基控制技术的应为原哈尔滨建筑大学与黑龙江省哈绥公路建设指挥部在1993年联合成立的碎石土路基课题组。随着课题的深入展开和后续课题的陆续开始, 把连续压实测试技术作为一个主要研究方向进行了一系列的专题研究。动力学方法正是在这些研究基础上提出的, 强调了对路基压实成型过程的实时监控, 变事后检验为在线监测。该项监控技术在沈大高速公路改扩建工程路基施工中进行了应用研究, 笔者有幸参加了本项技术在本辽高速公路路基桥隧工程的应用试验, 本次试验采用FWD对路基弯沉进行检测, 然后通过在压路机振动轮上安装传感器实测动力响应值, 最后用灌砂法对压实度进行了抽样检测, 通过数据分析对该监控方法的实际效果及与压实度和弯沉实测指标的关系进行分析和验证。
2 压实状态分析
对于粗粒土路基, 由于密度ρ、弹性模量E和抗剪强度指标φ在结构形成过程中均是变量, 随外部的作用大小和方式而变化, 故选取它们为路基结构的状态变量, 由它们构成状态空间X (i) 。
X (i) = {ρi, Ei, φi} (1)
当填料摊铺完之后, 就形成了路基结构的初始状态X (0) , 在压路机的作用下, X (i) 发生变化, 结构的各种属性也随之发生变化, 并且这种变化是非线性的, 是动态的非线性系统。从状态空间的角度看, 是从一种状态向另一种状态的转移, 由此形成一条轨道。状态演化的轨道是不完全相同的, 形成一个轨道集, 它代表着不同的压实工艺。
随着路基状态X (i) 的变化, 同时伴随着结构的压密。这是一个典型的弹塑性变形过程。以x代表总变形, xe和xp分别代表相应的弹性和塑性部分, 则有:
x=xe+xp (2)
在压实过程中, xe和xp所占的比例是随着X (i) 的变化在不断地变化的。在压密阶段, xp由大逐渐变小, xe由小逐渐变大;压实结束时, xp≈0, xe小于容许值, 此时X (i) 处于相对稳定状态。因此评价X (i) 变化情况的实质是要判断xp的变化情况。
这里xp≈0也是在一定工艺水平下的要求, 如果提高工艺水平, 塑性变形可能还会发生, 应根据交通荷载的水平来确定压实工艺的水平, 并控制相应的塑性变形xp。
随着碾压遍数的增加, 路基结构的状态X (i) 也由松散向密实方向变化, 塑性变形xp逐渐减小, 材料颗粒之间的相互作用得到加强。在宏观上表现为所形成结构在强度、刚度和稳定性上的变化。按照力学的基本理论, 当作用的荷载和方式一定时, 路基结构为了与之达到平衡, 必须增加其内部抵抗变形的能力, 其表现方式就是产生较大的塑性变形 (压密) , 以此使颗粒之间的联系更紧密, 增加抵抗破坏和变形的能力——抗力, 也就是增加了强度和刚度, 提高了结构的整体稳定性。因此, 路基结构抗力与其压实状态之间是一种正向关系, 在宏观上可用抗力的变化来度量压实状态的变化, 这是动力学方法的核心。
3 压实监控技术
为了监控路基压实状态的变化, 利用振动压路机作为激励设备是一种可行的试验技术, 其好处是将试验与压实成型过程结合在一起, 便于实现连续的实时监控。其测试模式和相应的动力学模型如图1和式3所示。
M-F (x) =Psinωt (3)
其中:M—振动质量;
P—振动压路机激振力, P=meω2, m和e分别为偏心质量和偏心距;
F (x) —系统抗力, 即被压结构对振动轮的反作用力;
X—实测的响应值。
上述方程本质上是非线性的, 求解这种非线性动力学方程是很困难的。但按照系统识别理论, 将振动轮视为一个刚性系统, 则该系统有两个输入, 即激振力和被压材料的抗力 (见图1) , 系统的输出即振动轮的动力响应是由这两部分引起的。已知激振力和动力响应, 理论上可求得系统另一个输入——抗力。理论分析和实测表明, 当激振系统参数一定时, 被压结构抗力与振动系统的加速度响应之间存在线性对应关系, 因此可以将振动系统的加速度定义为结构的抗力指标, 通过实测加速度响应来评价路基结构的压实状态, 节省了资源。
路基结构的回弹模量是其抵抗弹性变形的能力, 实际上就是其弹性阶段的抗力。为了验证激振系统的加速度与系统抗力之间的对应关系, 在本辽高速公路上选择一段用开山碎石填筑的路基, 利用16t振动压路机作为激振系统, 在碎石路基上进行了与承载板结果之间的对比试验。结果表明, 在振动压路机振动工艺一定时, 路基结构的抗力指标——振动轮的加速度与其回弹模量之间具有较好的对应关系, 如图2所示。选择加速度的主要原因是现场对加速度的测试较容易进行, 方便了过程监控。
3 实际应用
为了能够更好的将该项技术应用于路基压实质量监督工作中, 笔者将本项监测技术与路基弯沉和压实度指标进行了比对试验。
3.1 试验方案
在本辽高速公路路基桥隧工程选择了100m路基作为试验段, 将该段路基划分为20个单元 (纵向10m/个, 横向5m/个) 进行抽样检测, 每个单元检测弯沉1点、实测响应值 (经数据处理后单元内平均值) 1点、压实度1点。实测数值见表1、表2、表3。
将实测响应值与弯沉值和压实度进行相关性分析, 实测响应值与实测弯沉值相关性较好, 相关系数为0.84。实测响应值与实测压实度相关性较差, 相关系数为0.37。
鉴于响应值与弯沉值具有较好的相关性, 因此, 在日常监督工作当中可以通过实测响应值对路基质量进行监控。而且应用动力学法实测响应值与用FWD检测路基弯沉相比具有如下优点:
(1) 在压路机上安装传感器, 检测速度比FWD快, 每小时可检测3～5km;
(2) 采样频率远高于FWD, 可以对路基的薄弱环节进行精确监控;
(3) 投入较少, 应用既有压路机, 配套相关采集设备, 成本远低于FWD;
3.2 压实程度监控的应用及相关分析
判别路基压实程度相对稳定的公式如 (4) 式, 判别原则如表4所示。
ΔX (i) =X (i+1) -X (i) (4)
其中:X (i) —压路机第 (i) 遍碾压时测得的振动响应值;
X (i+1) —压路机第 (i +1) 遍碾压时测得的振动响应值;
ΔX—相邻两遍振动响应的差值。
此外, 用压路机以同一工艺在认为已经碾压合格的路段上进行标定性试验所得到的数据X0作为标准值, 实际压实测得的数据Xi与之进行比较, 有:
Ki= (Xi / X0) ×100% (5)
其中图4为碾压6个轮迹总体压实程度图, 是根据事先的标定值, 采用 (5) 式判别得到的, 通过对比发现实测弯沉值与该检测技术对路基压实质量判断基本一致, 能够有效监控路基施工质量。
3.3 压实均匀性监控的应用及相关分析
路基结构在形成过程中, 在强度、刚度分布上是否均匀, 有时显得更重要。道路结构的损坏往往表现在局部上, 这足以说明均匀的重要性了。在道路结构形成过程中, 形成过强或过弱的刚度和强度都是不利的, 应当是以均匀分布为好, 所以有必要对结构成型过程中的均匀性进行监控研究。
从应用路段试验结果可以说明压实均匀性监控的重大意义。其一是整个作业面的压实状态是否都达到规定的标准, 图5为一个碾压作业面的均匀性分布图 (波动系数取1.645) , 根据此图可对工程薄弱部位进行相应处理, 保证路基整体的均匀性。
4 结 语
加强路基结构形成过程的动态监控是提高其工程质量的重要途径。重点论述了动力学方法的监控原理和一些应用。利用动力学原理和自动测试技术, 根据结构在形成过程中抗力的变化来评价压实质量, 包括对压实程度和压实均匀性的监控, 该项技术已在多条高等级公路建设中进行了试验性的应用, 取得了较好的效果, 今后应进一步开展相关技术的应用研究工作, 使之更好的为质量监督工作服务。
参考文献
[1]徐光辉, 王哲人.道路压实质量过程监测与控制系统的研究.建筑机械, 2001年6月.
路基监测 篇3
对于高速铁路的路基必须具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好等特点, 并能抵抗各种因素的影响, 因此对于高速铁路施工和养护维修来说, 控制路基的变形保持其稳定性就显得格外重要。
1 高速铁路路基变形监测内容
由于高速铁路路基采用多层结构、压实度达到98%以上、注重路桥过渡段, 因此高速铁路路基变形与普通铁路路基变形有很大的差异性。
在对高速铁路路基进行变形监测时一般应根据沿线地质地层特点, 考虑全线路基, 采取全线观测、抓重点路基区域、病害多的路基区域突破的指导思想。针对具体各段情况, 选择具有代表性的路基进行分层观测, 掌握路基结构, 研究各种填料对路基变形产生的作用, 对变形大的地段和结构不同的过渡段采取相应补救措施, 这也为以后工务段的养护与维修以及大、中修提供理论支持。
目前, 对于高速铁路路基主要存在沉降变形、路基水平位移和路基应力变化, 其中路基的沉降变形尤为重要, 它直接关系到后期轨道板铺设、钢轨铺设以及工务部门的养护与维修。表1例举了目前这几方面的变形监测内容、所使用的仪器和监测的目的。
2 路基工后沉降监测
对于高速铁路线路而言, 无论是高速铁路桥梁、隧道、路基, 其以后最主要的病害是沉降, 因此沉降监测就显得格外重要。目前, 我国很多高速铁路路基中使用了无砟轨道, 针对无砟轨道特点, 要求沉降小, 甚至零沉降, 所以对路基沉降问题就显得格外重要。
对于高速铁路路基沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15mm;长度大于20m和比较均匀的路基沉降, 允许的最大工后沉降量为30mm;路桥或路隧交界处的沉降差不应大于5mm, 过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1/1000。
由于受扣件等调整能力的限制无砟轨道对路基沉降尤其是不均匀沉降的要求相当严格。工后沉降或不均匀沉降过大是导致路基铺设无砟轨道失败的主要原因, 沉降变形的控制是路基铺设无砟轨道的关键。
(1) 路基沉降观测内容。
(1) 路基面的沉降变形观测; (2) 路基基底沉降观测; (3) 过渡段沉降观测; (4) 路基稳定性观测; (5) 地基土深层沉降监测。
(2) 一般规定。
(1) 路基变形沉降观测应以路基面沉降和地基沉降观测为主。 (2) 对于路基与桥梁、隧道、涵洞结构物连接处, 要适当增加观测点、观测频率。 (3) 路基填筑完成或施加预压荷载后应有不少于6个月的连续观测和调整期。沉降变化比较大, 应延长观测时间。 (4) 定期对沉降资料进行汇总, 分析沉降过大区段原因, 并上报上级主管部门。 (5) 在对路基沉降评估时, 如发现异常现象或对原始记录资料存在疑问, 要进行必要的检查。
(3) 观测断面及点的设置原则。
(1) 观测点应设在同一横断面上。 (2) 路基面观测断面沿线路方向的间距一般不大于50m;地势平坦、地基条件均匀良好的路堑、高度小于5m的路堤可放宽到100m;地形、地质条件变化比较大地段应适当加密观测断面。 (3) 一般路基填筑至路基基床表层顶面, 加堆载预压的路堤填筑至基床底层表面后, 在路基面设观测桩, 进行路基面沉降观测。 (4) 测点及观测元器件的埋设位置应符合设计要求, 且标设准确、埋设稳定。 (5) 线路进行联调联试阶段, 如果发现沉降变形比较大的地段, 要适当增加沉降观测桩。
3 结语
我国从2005年开始修建了高速铁路, 虽然以前修建过客运专线, 但是对于真正意义上的高铁还了解的太少, 特别高速铁路路基这一方面。高速铁路路基变形监测中还存在许多问题, 比如我国修建高铁工期太短;监测时间太短, 国外一般是24月, 我国只有6个月;施工技术落后, 施工质量不高等问题, 这对于今后工务段的维修与养护提出了严峻挑战。
参考文献
[1]杨广庆, 刘树山, 刘田明.高速铁路路基设计与施工[M].北京:中国铁道出版社, 1999.
[2]赵景民.无砟轨道施工测量与检测技术[M].北京:人民交通出版社, 2011.
路基监测 篇4
以往的研究中,大多数学者采用单一数值模拟方法,分析降雨强度、降雨持时、土体的饱和系数、初始含水率对路基渗流场及稳定性的影响,缺少与现场试验结果的相互对比,得出的结论难免与工程实际有较大偏差[[6,7]];必须指出的是,数值模拟建模时,往往忽视路面结构在阻隔雨水入渗路基方面的作用,把路面结构层等同于路基土体,与工程实际明显不符[[8,9]]。另一方面,一些研究人员结合工程实际,采用现场检测方法研究路基含水率的变化趋势[10],因其它因素所限,这些工作欠缺数值模拟做相应的验证和预测,不利于人们系统深入认知路基的复杂渗流行为。
本文以广州市北二环高速公路为实例,在填方路基不同深度埋设了水分传感器,对其进行为期半年的含水率监测,得到不同深度路基土随季节的变化规律,以期为路基设计参数取值优化提供参考。同时采用饱和-非饱和渗流原理,使用MIDAS GTS NX有限元软件对工程实例进行三维数值模拟,通过与实测结果进行对比,以期为路基含水率预测提供可靠有效的计算方法。
1 北二环现场试验研究
1.1 工程概况
广州市北二环高速公路位于广州城区北部,全长42.5 km,设计车速80 km/h,为双向六车道的高速公路,路基宽度32.0 m,于2001年10月26日正式建成通车,是广州市公路交通的重要组成部分[11]。
本次试验路段选定在北二环高速公路西行线路桩号为K26+280断面。该断面的结构形式为:4cm厚AC-13上面层、5 cm厚AC-16中面层、6 cm厚AC-25下面层;厚度分别为20 cm、30 cm水泥稳定碎石基层、底基层;15 cm厚级配碎石垫层。
1.2 监测设备选用及布设
试验主要通过监测路基含水率来揭示路基路面结构内部的渗流规律。仪器选用时域反射仪(time domain reflectomery,TDR),这是一种通过测量土壤介电常数来获得土壤含水率的仪器,具有测量速度快,操作简便,精度高等特点。
考虑到传感器是在公路建成后才埋设的,因此本次试验把传感器埋设在硬路肩中心位置。具体布设如下:在K26+280断面处的硬路肩中心位置钻孔。在钻孔深度110 cm、170 cm和230 cm处埋设TDR水分传感器,共3支,并分别编号为1-1、1-2和1-3。如图1所示。
1.3 试验结果与分析
在对2015年项目所在地各月份降雨量进行统计后,可发现与当地气象统计规律基本一致。其中5月为年平均最大降雨月份,其次6月、7月和10月也出现较大降雨量。如图2所示。
监测期为2015年4月至9月,前期监测频率平均1周1次,特别在5月、6月和7月平均一周2~3次,后期降雨较小的月份监测频率为2~3周1次。为了更好揭示渗流特性,最大消除传感器个体差异化的误差,采用时间-路基含水率变化量特征曲线辅助分析。如图3所示。
1.3.1 路基含水率的时序性分析
从图3可发现,4月至5月初,含水率变化量稳定且较小,变化幅度在1%左右,而且有缓慢下降趋势。含水率下降的原因主要是施工因素导致的,回填的土体虽为同种土体,但是含水率与开挖前已有差异,同时开挖后难免有少量积水积存于钻孔内,从而短时间内初始测量的含水率比往后时间实测值大。
进入5月后,在连场暴雨的作用下,含水率变化量明显增大。其中3号传感器最大增幅约为8%,2号传感器约为12%,1号传感器约为3%。说明从少雨干旱季节进入雨季时,路基土体的含水率变化值对雨水入渗量较为敏感,尤其是路基上部土体。因此在暴雨到来前,做好路面结构的维修保养及排水设施的维护疏通成为公路养护部门的重要任务。
5月过后,离路基表层较远处的1号传感器含水率变化量在监测期内呈持续上升趋势,而2号、3号传感器含水率变化量均在6月中旬至8月出现波动阶段,距离路表1.1 m处的3号传感器波动幅度较小,而埋置深度在1.7 m处的2号传感器波动幅度较大。主要原因是离路表较远的区域受雨水作用较小,底部路基容易受地下水位的影响,而在下部土层仍未饱和时,渗透系数小于入渗的雨水流量,随着雨水持续流入,3号传感器区域含水率缓慢提高。1、2号传感器波动阶段的出现是由于路基土体进入了暂态饱和阶段,此时土体渗透系数大于入渗的雨水流量,含水率变化量受雨水作用的敏感度变小,积聚的水分只能往路基深处缓慢运移。8月过后,随着雨季逐渐远离,路基上部土层含水率有缓慢下降趋势,下部土层由于水分运移,仍呈缓慢上升趋势。
综上数据可以看出,该地区路基土体在多雨季节(5、6、7月),土体含水率变化量较大。在进行路面设计时,采用平均稠度法进行老路基干湿类型现场勘查时,最不利季节为每年的5月至7月。
1.3.2 强降雨下路基不同高程位置含水率分布规律
根据2015年气象资料,5月份为项目所在地区的最强降雨季节。为了研究强降雨时期路基的渗流特性,对钻孔不同深度位置分别选取5组监测结果绘制成图4。
5个监测期的路基含水率较大值均出现在距离路表170 cm附近。而深度在110 cm附近,路基含水率较小。路基含水率沿路基深度,明显呈先增后减的特点。原因是在强降雨作用下,路面渗透系数很小,在路面路用性能良好的情况下,大量雨水被阻隔在外,避免路基潮湿或过湿,保证路基稳定性。而雨水主要通过边坡裂缝进入路基内部,致使路基在距离路面深度170 cm附近土体含水率增幅明显。由此可见,良好的路面结构对路基结构有一定的保护作用,可减轻路基受外界降雨的影响程度,但因路面材料为多孔介质,具备一定的渗透性,在研究降雨对路基内部渗流影响时不能完全忽略。
另外一方面,对比5个监测期在相同深度处的含水率,可以发现在强降雨月份的上中旬,路基内部土体含水率变化较小,直到下旬路基含水率才发生较明显的变化,其中在6月初测得含水率值有较大提高。说明雨水入渗存在一个缓慢变化过程,在距离路面深度100~120 cm、160~200 cm和200~240cm范围内,路基土体的平均含水率依次达到30%、48%和44%。
2 数值模拟对比分析
2.1 有限元理论基础
根据达西定律,饱和土的渗流速度与水力梯度成正比关系,如式(1)。
式(1)中:q为流量;v为流速;ks为渗透系数,其值等于水力梯度为1时水的渗流速度;A为圆筒断面积;i为水力梯度,也称水力坡降;Δh为高度差;l为水面高度。
对于非饱和土渗流分析,渗透系数是土体含水率的函数。本文采用美国学者Van Genuchten提出的水土特征曲线方程(VG模型)[12],如式(2):
式(2)中:θw、θr、θs为体积含水率、剩余含水率和饱和含水率;a、n、m为拟合参数;s为吸力水头。
使用MIDAS GTS NX有限元软件进行渗流分析,应用软件中的孔隙水非稳定渗流的微分方程,解决非稳定流问题。对该路段钻孔取土,确定土质主要为砂质黏土,并且通过室内试验,参考文献[13,14],应用VG模型进行拟合来估计路基路面材料水土特征曲线,得出路基路面材料非饱和参数如表1所示。
2.2 三维有限元模型及边界条件
考虑路基路面结构的对称性,取半幅路基路面结构为研究对象,使用Midas GTS NX有限元软件建立广州北二环高速公路三维数值模型。模型宽度为31 m,高度为10 m,边坡坡度为1∶1.5。三维模型如图5所示。
模型左侧为不透水边界,可设为零流量边界。模型底面位于地下水位以下,可假定为H=1 m。路表在没降雨时取自由边界,降雨时根据降雨强度之间的关系确定,如果降雨强度小于路表的渗透系数,按流量边界处理,大小为降雨强度;当降雨强度大于路表材料的渗透系数时,将产生地表径流,仅有部分雨水入渗,此时可以定水头边界处理。
根据气象资料,5月份降雨量达到805.6 mm,且降雨天数大约有20 d。因此在进行数值计算时,模型工况设置为:降雨历时20 d,降雨总量800 mm,40 mm/d,计算总时长40 d。
2.3 数值模型对比研究
2.3.1 路基含水率的时序性对比
对数值模型进行运算,提取对应3号传感器(硬路肩中心位置路基路表110 cm处)的计算结果,且与5月份3号传感器实测数据进行对比,绘制成图6。
对仿真结果进行分析,降雨前10 d基本保持在含水率24%;第10 d至第17 d范围内,含水率增速明显,最高可达38%左右;随后至25 d范围内,含水率变化有稳定波动期;25 d到计算周期结束时,含水率缓慢下降,达34%。而实测结果表明,在降雨前10 d范围内,含水率缓慢上升。在第10 d至第25 d,含水率增速较大。从25 d到计算周期结束时,含水率几乎维持在36%~38%。可发现实测与仿真结果的变化趋势较为相似,最大含水率值基本一致,计算周期结束时含水率值也较为接近。因此,采用此模型对本项目的含水率规律进行预测有较高的可靠度。
2.3.2 路基不同高程位置含水率分布对比
在路基深度1~2 m内,随着路基深度的增加,土体的含水率大致呈线性递增,峰值约为36%,随后2~2.2 m内,含水率总体下降。而从TDR埋设的三个位置数据来看,含水率规律也是先增后减。可见,采用基于非饱和渗流原理的三维有限元模型,预估路基含水率与实测值变化规律基本一致,预估误差最小为4.2%,最大为9.3%,满足可靠度要求。如图7所示。
仿真分析结果与实测数据存在些许差异的主要原因如下:其一,仿真模型的初始条件仅考虑地下水位的影响,没有考虑先前降雨对路基路面内部渗流场的影响,而实测结果则受到前期降雨等因素的影响。其二,在实际情况下,降雨并非连续,且降雨强度在变化,在仿真计算中为了简化计算,做了统一划定计算。其三:水分传感器采用钻孔埋设,钻孔中的回填土体的压实度难以保证。
3 结论
(1)雨水入渗是影响路基内部含水率、稳定性的重要因素,雨季来临前含水率变化值在1%左右,而雨季到来时变化值最大达到12%,甚至在距离路基路表较近的路基处,土体还会出现暂态饱和阶段。强降雨来临前,应做好排水设施检查保养工作。在进行路面设计时,采用平均稠度法进行老路基干湿类型现场勘查时,最不利季节为每年的5月至7月。
(2)路面结构具有一定的防水性,在路面结构层的保护下,路基顶部土层受降雨的影响并不敏感,雨水主要通过边坡裂缝进入路基内部。
(3)强降雨月份的上中旬,路基内部土体含水率变化较小,直到下旬路基含水率才发生较明显的变化,雨水入渗存在一个缓慢变化过程。
路基监测 篇5
关键词：路基,沉降,监测
0 引言
近年来,为了适应我国经济快速发展的需要和城市规模的快速扩张,无论是内陆地区还是沿海地区,公路都得到了大规模的修建,并且宽路基和超宽路基的公路也在日益增多。但是有些公路在运营之后不久就出现了明显的沉降现象或者差异沉降现象,甚至有的还出现了开裂,给交通安全造成了严重的威胁,这使得路基沉降监测日益受到重视。有关资料给出了路基宽度对地基应力状态的影响,得出了窄路基呈现抛物线型而宽路基呈现马鞍型变形特点的结论,但是关于路基沉降监测技术的介绍还比较少[1~7]。本文结合天津某宽路基公路路基监测项目,详细介绍了路基剖面管监测技术方法,并对路基沉降变形规律进行了探讨与分析。
1 路基沉降监测技术
路基沉降监测主要分为两种形式,一是剖面管沉降监测技术; 二是沉降板监测技术。路基剖面管沉降监测技术实质上就是在路基横断面内埋设水平测斜管以获取路基竖向位移的监测技术,相对于沉降板监测技术具有成本低、一次可以获取整个路基横断面的沉降曲线、不易受到施工影响、容易测试等优点。因此,在路基沉降监测中得到了广泛采用; 同时,为了对路基沉降机理进行更深入的研究分析,水平剖面管两端有时也会埋设竖向测斜管。
路基沉降剖面管监测系统一般由水平剖面管、管口固定墩、沉降钉、管底回弯头、回线管、钢丝回线构成,如图1所示,两条竖线代表竖向测斜管; 浅色矩形代表剖面管管口固定墩 ( 一般为水泥墩) ; 墩上方的黑色代表嵌入的沉降钉,沉降钉的作用主要是为了获取剖面管管口的沉降量,以便于对剖面管的竖向位移进行修正; 横线代表水平剖面管,剖面管、回弯头、回线管通过钢丝线构成回路系统。回路系统示意图如图2所示,回弯头内部的黑色圆点代表内部镶嵌的圆形螺杆,以承受拉入水平测斜仪探头时的摩擦力,如果没有圆形螺杆,回弯管极易在拉入探头时在钢丝线的强力摩擦下破损,进而导致测试困难或者无法测试。
路基沉降剖面管技术主要由剖面管的埋设、现场测试、数据处理三部分构成。路基沉降剖面管的埋设主要包括以下几个步骤:
( 1) 首先,剖面管应埋设于级配碎石垫层之上,且埋设时间应在填土超过预埋高程40cm并压实后,反开30cm宽、40cm深、与路基宽等长的安装槽。剖面管安装槽深度不易低于40cm,否则,后续的施工容易造成剖面管变形,进而导致探头无法通过钢丝回线拉入剖面管内,也就无法完成路基沉降监测。反开槽在保持深度的同时,还应中间略高,两端略低,以确保后期路基变形过大时剖面管还能正常工作。
( 2) 安装槽反开挖完成之后,则应先根据路基宽度确定钢丝线长度,钢丝线长度一般取路基长度的2倍再多2m,然后依次穿过剖面管、回弯头和回线管构成回路系统,然后就可以将剖面管、回弯头和回线管拼接在一起了。钢丝线在安装过程中应走回弯头圆形螺杆的外侧,否则将起不到保护回弯头的作用; 回线管在拼接接口处宜刷专用胶,以增强其连接强度,以避免在回填过程中管口脱落。
( 3) 剖面管、回弯头和回线管拼接在一起之后,就可以安装管口固定墩了。固定墩安装过程中应该确保固定墩平稳、钢丝线回路无误。固定墩安装完毕之后,还应确保剖面管垂直于道路纵轴线,且其测量导槽应尽量垂直于水平面,测量导槽偏离竖直方向不应超过3°; 回线管应尽量与剖面管平行处在水平面内,否则也有可能导致回线管损坏进而无法测试; 水平剖面管管口还应稍微偏离一点竖向测斜管,否则将造成水平剖面管测试困难。
( 4) 待固定墩、剖面管、回弯头、回线管、钢丝线回路都确认安装无误,并将剖面管管口盖上保护盖之后,就可以开始土方回填。回填时剖面管底部、周边应铺设厚度不小于10cm的细砂,再机械回填,人工夯实。
( 5) 完成上述步骤后,还应在剖面管管口以及断面内合适位置设置醒目的监测标识,以便施工人员、监测人员发现、保护和测试,同时,也可以测取管口坐标,以防后续施工过程中被土体掩埋而无法对其精确定位。
一般在剖面管完成安装之后,还需再等两天,待土体与剖面管密实之后才能对其进行测试。测试包括两个方面,一是剖面管测斜数据的测试,二是固定墩高程的测试,二者宜同期测试。剖面管测试之前应先打开探头电源,以保护传感器不受震动影响,同时探头在剖面管内静置5min使探头温度与管内温度一致以减少误差。测斜数据处理方法可以参照文献 [8] 相关介绍。固定墩高程测试宜采用二等水准进行,在整理路基沉降数据时要使用固定墩沉降数据对剖面管沉降数据进行修正。
2 工程案例与数据分析
2. 1 工程概况
某公路工程路基宽38m,按照路基剖面管沉降监测技术埋设了6根38m长的水平剖面管; 同时为了更好地分析路基沉降机理,在水平剖面管两端分别埋设了竖向测斜管以获取水平剖面管断面内土体深层水平位移,共计12根,埋深19m。路基沉降监测水平剖面管与竖向测斜管平面位置如图3所示,共计6个断面,深色圆点 代表竖向 测斜管( SZ1 ~ SZ12) ,横线代表水平剖面管 ( SP1 ~ SP6) ,竖向测斜管尽量与水平剖面管在同一断面内,断面间距20m,浅色圆点代表水平剖面管固定墩 ( 编号L1 ~ L6) 。路基沉降监测竖向与水平测斜管现场安装如图4所示。
2. 2 数据测试
数据测试分为水平剖面管、竖向测斜管测斜数据的测试和水平剖面管固定墩沉降数据的测试。其中,竖向测斜管与水平剖面管的测斜数据都是利用分辨率为0. 02mm/500mm的SINCO测斜仪得到的,SINCO测斜仪测试数据稳定可靠,在业内处于国际领先水平,不同的是水平剖面管的探头要比竖向测斜管的探头粗一些,对水平剖面管的埋设质量要求更高一些,否则很容易出现因剖面管变形过大而卡住探头的现象。在测试过程中测点间距均是0. 5m,且严格按照测试要求施测。数据处理方法两者相同,且已在文献 [8] 中详细介绍,这里不再赘述。现场测试如图5所示。
水平剖面管固定墩沉降监测采用的仪器是天宝DINI12电子水准仪,精度为±0. 3mm / km,基准点选择在离工程现场200m远的一处老水闸上,稳定可靠,采用闭合水准测量。
测斜数据和水准数据同期监测,共计观测6个月,第一个月1次/周,第二个月1次/半月,后面1次 / 月,共计10期; 每期水平剖面管竖向位移均利用固定墩沉降数据进行修正。
2. 3 数据分析
对各监测点第10期数据整理之后绘制变形曲线,公路左侧6个竖向测斜管的土体深层水平位移如图6所示,右侧6个竖向测斜管的土体深层水平位移如图7所示,6个水平剖面管竖向位移如图8所示,固定墩沉降曲线如图9所示。
从竖向测斜管土体深层水平位移可以看出,12个土体水平位移监测点数据均出现了较为明显的抛物线特点,土体水平位移最大位置一般在管口下方4m左右位置,左侧最大位移约为 - 35mm,右侧最大位移约为 - 30mm; 而6个水平剖面管竖向位移数据则出现了较为明显的马鞍型特点,左侧最大位移约为 - 33mm,右侧最大位移约为 - 26mm; 6个固定墩的沉降数据则是初期沉降速率较大,最大沉降数值约为 - 17mm,在第6期之后则基本趋于稳定。
为了简化分析过程也为了分析路基沉降的一般规律,分别对竖向测斜管数据、水平剖面管数据和固定墩沉降数据取平均,得到了竖向测斜管平均水平位移曲线、水平剖面管平均竖向位移曲线、固定墩平均沉降 曲线,分别如图10、图11、图12所示。
从图10可以看出,竖向测斜管水平位移出现了典型的抛物线型,其最大位移出现在地面下方4m左右位置,最大位移约为 - 25mm; 从图11则可以看出,路基剖面管沉降竖向位移出现了较为明显的马鞍型特点,左侧最大位移约为 - 28mm,右侧最大位移约为 - 23mm; 从图12可以看出,水平剖面管固定墩初始沉降速率较大,后期逐步趋于稳定,最终稳定在 - 13. 6mm左右,从数值上看占据了水平剖面管竖向位移的一半左右,这充分说明利用固定墩沉降数据对水平剖面管竖向位移进行修正是非常必要的。
3 结语
本文详细介绍了路基剖面管沉降监测技术,并结合某公路工程的实测数据对宽路基沉降变形规律进行了分析,得到了竖向测斜管变形呈现明显抛物线型特点,最大值出现在地面下深4m左右位置之处,而水平剖面管变形呈现出明显马鞍型特点,最大值出现在两个鞍底位置处。这些结论,为今后道路路基沉降监测以及路基设计提供了一些有益的参考。
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路基监测 篇6
迁(迁安)曹(曹妃甸)铁路海域路基地基处理工程,位于河北省唐山市唐海县,为连接曹妃甸岛与后方陆域的铁路通路路基工程,系利用已建成的公路通路路基工程向东侧拓宽,海域路基总长19.586km,拓宽后路基总宽度为69m,拓宽宽度为49.75m。通路路基顶宽需满足一级六车道公路、双线铁路、绿化带布置的需要。
2 工程地质特征
根据《岩土工程勘察报告》,迁曹铁路海域路基依据岩土工程条件共分四个地质单元,其单元划分、地层岩性及主要物理力学性质详见表2-1:
该场地四个地质单元,地层岩性主要由吹填土、粉土、砂土、粘性土及软土组成,表层为新近吹填土,其下普遍存在相对软弱下卧层,均未完成自重固结,强度低,物理力学性质差异性大,属不均匀性地基,地基承载力不能满足上部铁路荷载及变形的要求;同时,地表下15m范围内饱和粉土、砂土,经判别遇7度地震时发生地震液化现象,综合地基液化等级为严重。故现状地基土不能作为铁路路基的基础持力层,应进行地基处理,处理目的有二:一是加强路基土强度,使地基承载力满足上部铁路荷载及变形要求;二是消除路基土地震液化沉陷。
3 地基处理试验方案
地基处理试验方案,结合场地土工程特性采用两种不同的地基处理方法。在里程桩号0+000～12+173的路基段,选用真空动力固结的处理方法的试验区;在里程桩号12+173～19+586的路基段,选用无填料振冲排水固结的处理方法的试验区。处理后地基承载力特征值要求为150kPa。
真空动力固结法为动静力结合排水固结的一种地基处理方法,其基本思路是通过改善地基土的排水条件,将强夯法与排水固结法相结合,利用强夯的冲击荷载产生的夯击能激发较高的孔隙水压力,在排水和上部土体自重压力相互作用下,孔隙水压力迅速消散,土体强度得到提高。其实现过程为:每遍强夯前实现预降水,降水到预加固深度后,根据土的工程特性进行不同夯击参数的强夯。
无填料振冲排水固结的处理方法,其基本思路是利用振冲器强烈振动和高压水冲力,将振动头贯入到土层深度,使松砂液化,在桩体垂直方向和水平方向上重新排列,通过振挤、振浮和对下部软土的部分置换及排水固结作用,使地基土强度提高的同时,消除砂体液化。其实现过程为:振冲后进行降水,使砂层下软土得到快速固结。
为优化和确定铁路路基大面积地基处理施工参数,先后选定5个试验区(A、B、C、D、E)和12个试验小区(A1～A2、B1～B4、C、D1～D4、E)进行试验,采用真空动力固结法的试验小区有6个(A1～A2、B1～B4);采用无填料振冲法进行地基处理的小区共6个(C、D1～D4、E)。其中C区试验小区为试验过程中因工程地质条件变化而后补充的试验小区,试验参数同D3小区;E区系为了解降水自重固结对已进行振冲法处理后地基中软弱夹层的效果而增加的试验小区。每试验小区面积均为202.5m2(15.0m×13.5m),其中B2、B4试验小区分别内嵌于B1、B3小区靠防波墙脚下,面积为45.0m2(15.0m×3.0m),专用于观测强夯夯击能对防波墙变形的影响。试验E区的降水在振冲完成3d后进行,降水深度不浅于4.0m,维持时间不小于96h。各试验小区试验方案详见表3.1～表3.2。
4 监测、检测
4.1 监测、检测方案
工程试验区的监测、检测项目共10项,分别为标准贯入试验、静力触探试验、孔隙水压力观测、地面加速度测试、静载荷试验、室内土工试验、地下水位观测、围堤监测、地面沉降观测和地基系数(K30)检测。
4.2 监测、检测结果
4.2.1 试验后地基土的物理力学性质
采用真空动力固结法进行地基处理的试验区A区、试验B区,只改变地基的强度,不改变地层结构;采用无填料振冲和排水固结法进行地基处理的试验区C、试验区D及试验区E,除改变地基的强度外,还改变地层结构,桩体部分均为振密的吹填土,桩间土也不同程度得到置换、挤密。通过地基处理,地基强度得到了加强,消除地震液化现象。通过钻探、静探及室内土工试验,试验后地基土的物理力学性质指标详见表4.2-1:
4.2.2 地基土的监测、检测指标
在地基处理试验过程中,进行了孔隙水压力、地面加速度、地下水位、地面沉降、围堤变形监测、静载荷试验、地基系数(K30)检测,各试验区各指标平均值详见表4.2-2:
4.3 试验前、后地基土工程特性分析评价
4.3.1 地基处理效果系数(Egm)
采用地基处理效果系数(Egm)来综合分析评价地基处理效果,其计算公式为:
Egm=∑(fai*vi)/∑(fbi*vi)
式中:fai试验前某指标厚度加权平均值;
fbi试验后某指标厚度加权平均值;
Vi某评价指标的权数。
参与地基处理效果系数(Egm)评价的指标有:实测标贯击数N(击)、静力触探锥尖阻力qc(MPa)、天然含水率W(%)、天然孔隙比e0、天然重度γd(kN/m3)、压缩模量Es(MPa-1)及相对密实度Dr。
在计算无填料振冲法和排水固结法处理的地基处理效果系数(Egm)时,先分别计算桩体和桩间土某指标的厚度加权平均值,再采用复合地基原理,依据桩土面积置换率计算复合地基某指标厚度加权平均值,最后计算地基处理效果系数。复合地基某指标的厚度加权平均值计算公式为:
式中Fspi振冲桩复合地基的某指标值
fpi振冲桩桩体的某指标值
fsi振冲桩桩间土的某指标值
m桩土面积置换率
d桩径(d=0.5m)
s桩间距(s=2.0m、2.3m、2.5m)
从表4.1-1可以看出,采用真空动力固结法进行地基处理试验的A1小区地基处理效果系数Egm最大;采用无填料振冲法进行地基处理试验区的D4小区Egm最大;从E小区可以看出,采用无填料振冲排水固结法进行地基处理效果是单纯采用无填料振冲法的1.39倍。
4.3.2 地基处理工艺参数
4.3.2. 1 夯击能、孔隙水压力与夯沉量
根据实测强夯夯沉量、孔隙水压力及消散过程,确定单遍夯击击数。
从上图6个试验小区(A1～B4)单遍强夯累计夯击能与单击夯沉量、孔隙水压力关系曲线可以看出:单点强夯累计夯击能超过3600kN·m时,夯沉量与孔隙水压力增长趋于缓慢,故单点强夯击数以累计夯击能为3600kN·m、单遍夯击能800 kN·m、单点夯击遍数为4遍为宜、单击夯击沉降500mm～800mm。
4.3.2. 2 孔隙水压力及消散
地基土中的超孔隙水压力及其消散过程,与地基土接受的动能(夯击能或振动能)、夯(振)点间距、累计动能密切相关。
振点间距越小、留振时间越长,形成的超孔隙水压力越大,超孔隙水压力消散的时间越长。超孔隙水压力增长幅度与消散速度相比,施工参数以D4小区(振点间距离2.3m、留振时间为60s)为最优。
4.3.2. 3 地面振动测试
地面振动测试是在夯点或振冲点周围布设测试点,测试在动能固定的状态下地面振动参数(加速度、速度、位移)随距离的衰减情况,从而确定强夯加固地基的有效范围。强夯能级为1500kN m。振冲能级为55kw振动头15 A恒定电流下的振冲力。在强夯能级为1500kN·m时,振动能量主要集中在以强夯点为圆心半径为7m的圆形区域内;在振冲能级为55kw振动头15 A恒定电流下的振冲力加固主要作用范围在以振冲点为圆心、半径为5m的圆形区域内。
5 结论
(1)通过对迁曹铁路海域路基地基处理(试验段)两种不同地基处理方法、12个不同地基处理工艺参数试验方案的监测、检测,真空动力固结法和无填料振冲排水固结法加固后的地基土强度均有大幅度提高,浅层地基土承载力特征值fak≥150kPa,地基系数K30≥100 kPa/m。
(2)通过地基处理效果系数(Egm)的计算、不同施工参数的分析对比,在真空动力固结法试验小区中,Al区地基处理参数对地基加固效果最好,其施工工艺参数为:“三降三夯”,井点法降水深度不小于3.0m,夯点间距4.0m,正方形布置,三遍夯击能分别为800kN·m、1200 kN·m、1500 kN·m,地基有效深度为7m。
(3)在无填料振冲法试验区中,D4区地基处理参数对地基加固效果较好,结合E区试验结果,在降水自重固结后有较大幅度的提高,故先振冲密实,后降水固结的地基处理方法效果较好。试验D4区施工工艺参数为:桩长6.0m,桩间距2.5m,正三角形布设,桩两端振冲留振时间20～30s,液化电流20～30A,桩身其余各段留振时间10～15s,液化电流15～20A,振冲分段长度0.5m,振冲水压100kPa;E区降水施工工艺参数为:采用振冲法地基处理完成7d后进行井点法降水,外围封闭井管管长6.0m,区内井点管按长、短管相间布设,其中长管6.0m,短管4.0m,井点管间距3.0m,振冲点区处影响深度为5.0m。