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目前,随着经济的迅速发展,基础设施建设步伐加快,现大规模地兴建高速公路,而高速公路作为线性的带状构建物,其沿线跨越路段较多,地形地质条件复杂多变,在很多高速公路沿线,不可避免地分布着大量的软弱土地基,我国软土地基的分布不仅在沿海、沿江、沿河等地广泛发育,而且在内陆和山区也大量分布。随着市场经济的繁荣与发展提高,对交通工程提出了快速、高效的要求。因此,为适应高速公路发展的需要,对路堤稳定和路基的沉降变形提出了更高的要求。而软土具有天然含水量大、压缩性高、承载能力低、渗透性差等特点,其存在易引起路基变形、失稳和过量沉降,必将对高速公路的正常安全运营带来诸多不利影响。
基于前人的研究成果,本文结合随岳高速公路典型软土路基段K126+500-K152+500m,综合采用现场调研、理论研究、室内试验、监测数据分析、数值模拟及沉降预测等研究方法,在对室内试验、沉降监测数据详细分析基础上,应用有限元软件Plaxis程序,揭示了该区域软土的固结变形过程及特性,对其固结-蠕变耦合效应予以较为深入的研究,另利用现场监测数据,选用合适的预测方法对典型断面的沉降预测,得到了一系列有益的结论。本文主要工作内容如下:
1、总结了前人关于软土固结-蠕变耦合效应相关理论及沉降预测方法的研究成果,并对各种研究理论及方法的合理性、适用性予以了较为详细讨论:
2、以随岳高速公路中段K126+500-K152+500m软土路基段为研究对象,对该区域软土沉降环境、分布特性予以了针对性研究介绍,并通过淤泥土样电镜扫描(SEM)、化学成分X衍射分析,得到研究区软土物质组分情况及微观结构特征;并总结归纳了该区域软土所具有的典型工程特性。其中,本区软土沉积环境以河湖沉积-河湖相为主,该区段软土主要由原生矿物组成,并含有大量的粘土矿物,原生矿物以长石和石英为主,粘土矿物主要为高岭石为主。化学成分SiO2的含量最大,该区域软土是在偏碱性介质环境下形成的;研究区软土的具有含水量较高、孔隙比大、高压缩性、液限值高、抗剪强度低,渗透性低,具有明显蠕变变形特征及较高的触变性。
3、针对研究区软土的固结-蠕变耦合效应,本文展开了一维固结试验、直剪蠕变试验、等向固结试验等,并利用现场各种监测方案,综合分析施工区软土在分级填筑过程中体现的固结-蠕变耦合效应,其中一维固结试验选取24组原状土样,历时16天;直剪蠕变试验(慢剪试验)选取16组典型原状土样,历时20天,等向三轴固结试验选取8组典型原状土样试验研究,取得了一系列有益的结论。
4、选择研究区代表性监测断面,采用了软土地面沉降监测、地表水平位移监测、深层水平位移监测、孔隙水压力、水位监测、土压力监测及分层沉降监测,分区段分时对其进行全方位监测,获得主要研究成果为:①预压排水处理的软土路基,在路堤填筑过程中沉降分布呈现中央大两端小的特点,多为漏斗状沉降分布。②填筑高度越高,沉降变形越大,沉降差异受可土层厚度及发育均匀程度决定。③采用堆载预压固结后,路基中心区的水平位移值较小,向左右两侧延伸,其逐渐增大;④路堤填筑高度越大,其深层水平位移值也越大,且影响范围较大;⑤分期填筑后,其产生的超静孔隙水压力一般可在1至2天内消散完毕;⑥压力随路堤填筑高度的增大而增加,且随着软土的固结程度提高,土压力值不断增大,且路基中央的土压力值大于左右两侧路肩。
5、利用Plaxis有限元软件在模拟软土地基等考虑渗流、固结方面问题的优越性,在对研究区软土的固结-蠕变本构模型进行综合研究后,选取改进后的Burgers模型来描述其固结蠕变性状,考虑Plaxis软件中软土蠕变模型(Soft soil creep model)与改进后的Burgers模型思路相似性,选取SSC模型来反映软土固结蠕变特性,在数值计算时,利用设置时间步长的方式,来反映分步施工阶段的施工、固结过程,并计算路堤在施工阶段的沉降量变化过程及超静孔隙水压力的消散过程,从而反映固结与时间关系曲线,进而体现研究区软土路基固结-蠕变耦合效应。
6、利用研究区现场监测资料,应用灰色理论对随岳高速公路软土路基K126+700断面沉降推导计算,验证了灰色模型GM(1,1)的适用性。首先将非等时距数列转换为等间距数列,然后依据等时距模型GM(1,1)的建模原理构建非等时距模型关于t的函数,进而计算不同时间的预测值。经验证,灰色理论建模与精度检验的预测精度可达二级。另外,为提高预测精度,采用新陈代谢模型,新陈代谢预测模型结果表明:由于新的数据的不断补充,C值明显减小,预测值更接近原始数据,模型在后续长期的灰色预测方面体现了更大的优势和精确度,解决了灰色理论不适用于中长期预测的弊端。