路基沉降动态设计与计算.

1、路基沉降动态设计与计算路基沉降动态设计与计算路基沉降动态设计与计算目的路基沉降动态设计与计算目的优化地基处理方案和设计参数优化地基处理方案和设计参数保证路堤施工质量保证路堤施工质量保证路基工后沉降满足控制标准保证路基工后沉降满足控制标准最终沉降量常用计算方法最终沉降量常用计算方法 沉降计算公式沉降计算公式 塑料排水板（砂井）联合堆载预压主固结沉降塑料排水板（砂井）联合堆载预压主固结沉降 塑料排水板塑料排水板+ +真空联合堆载预压主固结沉降真空联合堆载预压主固结沉降 复合地基（水泥搅拌桩、复合地基（水泥搅拌桩、CFGCFG桩）沉降计算方法桩）沉降计算方法沉降计算公式沉降计算公式 地基的总沉降量由

2、三部分组成： 式中 瞬时沉降； 主固结沉降； 次固结沉降； dSscdSSSScSsS瞬时沉降瞬时沉降 Sdn按暂规的弹性理论公式计算 式中 P路堤底面垂直荷载（kPa） E土的弹性模量（可由无侧限抗压试验 得到，取分层厚度的加权平均值）； F沉降系数，可查图得到；FEPBSd主固结沉降主固结沉降 Scn根据压缩模量ES、e-p、e-lgp曲线按分层总和法计算。次固结沉降次固结沉降 Ss iniiishttecS)lg(11121 ic次固结系数； ih 第 i 层厚度； 1t 相当于主固结 100的时间； 2t 需要计算次固结的时间，计至验交后 20 年。 式中塑料排水板（砂井）联合堆载塑料

3、排水板（砂井）联合堆载预压主固结沉降预压主固结沉降塑料排水板加固区平均固结度塑料排水板加固区平均固结度 trzrzeU281 zrrz 2)(8deGJFchr 224Hcvz， 43)ln(nF，) 1)(ln(shkksJ，2)(wwhdHkkG ，weddn ，wsdds ； 式中加固区以下平均固结度加固区以下平均固结度 n按太沙基单向固结理论，平均固结度采用下式： tzzeU281 224Hcvz 式中逐渐加荷条件下的地基固结度修正逐渐加荷条件下的地基固结度修正n 按改进的高木俊介法计算：或按太沙基法修正。 111mmnTTtitmmiqUTTeeep塑料排水板塑料排水板+ +真空联合

4、堆载真空联合堆载预压主固结沉降预压主固结沉降n理论上可将真空压力在土体内的分布当作分层总和法计算中的附加应力分布，直接计算真空预压的沉降，但鉴于目前测试手段存在的问题，真空压力在地基中的传递并不很清楚，采用这种方法仍不成熟。n对于真空预压的沉降计算，目前常用的方法是将膜下压力换算成真空压力，然后将压力P作为地面荷载P0，即将真空压力作为地面堆载，按堆载预压的计算方法来计算真空预压的沉降。这种方法虽然无法考虑真空预压与堆载预压在加固机理上存在的差异，但由于简单易行，且如果能根据实测资料总结出沉降修正系数，仍不失为一种好的方法。n真空联合堆载预压沉降计算方法，可采用真空预压和堆载预压先分别计算各自

5、的沉降量后合并的方法。真空预压沉降计算方法，可将膜下真空压力换算为均布堆载（按实际情况选择条形或矩形荷载），采用e-lgp曲线法估算。复合地基（水泥搅拌桩、复合地基（水泥搅拌桩、CFGCFG桩）桩）沉降计算方法沉降计算方法 分别计算加固区与下卧层的沉降，二者之和即为复合地基总沉降量的方法。 加固区沉降计算方法加固区沉降计算方法n复合模量法n应力修正法n桩身压缩量法 复合模量法复合模量法n该法是将复合地基加固区的桩土构成的复合体，采用复合压缩模量ECS来评价复合土体的压缩性。 式中 第i层复合土上附加应力增量； Hi 第i层复合土层的厚度。 一般柔性桩复合地基采用面积加权平均法，表达式为 式中

6、m 复合地基面积置换率； 桩体压缩模量； 土体压缩模量。inicsiiHEpS11ipsPcsEmmEE)1 ( pEsECFGCFG桩的沉降计算桩的沉降计算 2002年新修订的建筑地基处理技术规范给出了CFG桩的设计规定，给出的沉降计算方法属于复合模量法，即对加固区求出加固后的模量，然后按天然地基的分层总和法计算沉降。 各复合土层的压缩模量等于其天然状态下的压缩模量乘以一增大系数，具体公式为：akkspspffE/, 式中 akf 天然地基承载力标准值； kspf,复合地基承载力标准值，其算式如下： skpkkspfmmff1, 式中 m 面积置换率； pkf用应力表示的桩承载力； skf处

7、理后的桩间土承载力标准值； 为桩间土承载力折减系数。 应力修正法应力修正法 根据桩间土承担的荷载Ps和桩间土的压缩模量Es，忽略增强体的存在，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量S1。ssinisisisinicsiiSHEpHEpS1111式中应力修正系数， s111nms下卧层沉降计算方法下卧层沉降计算方法n应力扩散法nBoussinesq方法n等效实体法nMindlin-Geddes法n当层法应力扩散角计算应力扩散角计算设复合地基上附加应力为 p，作用宽度为 B,长度为 D，加固区厚度为 h，应力扩散角为（4，为土层内的内摩擦角加权平均值），则作用在下卧层上的荷载bP为： htgDhtg

8、BDBPPb22 对条形基础，仅考虑宽度方向扩散，则为： htgBBPPb2Boussinesq方法 作用在下卧层土体上的附加应力另外一种方法是按天然地基采用Boussinesq方法计算。最终沉降量（剩余沉降）推算方法最终沉降量（剩余沉降）推算方法 星星 野野 法法 浅浅 岗岗 法法 三三 点点 法法 指指 数数 法法 双曲线法双曲线法星星 野野 法法 沉降计算公式： )()()(02001ttKttKAStS式中 S(t)随时间变化的总沉降； S0 加载结束时假定的沉降； t0 与 S0相对应的时间； A,K 待定系数。 化为直线方程如下： )(110022220)(ttAKAsstty =

9、 0.0029x + 0.31530.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120140t-t0(t-t0)/(s-s0)2其中 KA221 为直线的截距； A21为直线的斜率。 当 t,则 SS0A0。 浅浅 岗岗 法法 n将沉降时间曲线划分成相等的时间段。读出相应于时间t1,t2时的沉降量S1,S2n在以轴Si-1和Si的坐标系中将沉降值S1,S2以点(Si-1,Si)画出，同时作出Si=Si-1的45直线。n作直线使之尽量与这些点吻合，这条直线与45线相交的点就给出了最终固结沉降量 Si = 0 + 1 * Si-1 其中0为截距，可认为是瞬时沉降；1为直线

10、斜率，该直线与45直线的交点就是最终沉降。其步骤如下：y = 0.8265x + 328.011860187018801890190019101860186518701875188018851890189519001905Si-1Si三三 点点 法法 从沉降时间关系曲线上，取最大恒载时段内的三点S1、S2、S3且 tttt1223)()()()(2312232123sssssssssss)exp()exp(1 111ttsssd)exp(1)(tssssddt28 ，sssstt231212ln1其中指指 数数 法法 (t0)()ttdssss e)(0ttt0某一观测时刻； s0对应于t0的

11、沉降量； 待定系数。 式中双双 曲曲 线线 法法 从沉降时间关系曲线上，取最大恒载时从沉降时间关系曲线上，取最大恒载时段内的三点段内的三点S1、S2、S3且且 tttt1223)()()(1111ttattsssstssss1223ta12 11)(121ssss最终沉降量（剩余沉降）最终沉降量（剩余沉降）推算方法建议推算方法建议 从恒载期预测某一时刻的沉降与实测值的比较可以看出，三点法和指数法沉降曲线收敛较快，与观测沉降曲线偏差较大。双曲线沉降速率与实测结果吻合较好，建议实际使用时可采用此方法。路基沉降动态设计与计算内容路基沉降动态设计与计算内容 优化地基处理方案和设计参数优化地基处理方案和

12、设计参数 合理控制填筑速率合理控制填筑速率 预留高度设计计算预留高度设计计算 预压时间、基床表层施工时间、铺轨时间计算预压时间、基床表层施工时间、铺轨时间计算 路基预留宽度的估算方法路基预留宽度的估算方法优化地基处理方案和设计参数优化地基处理方案和设计参数n根据施工情况修正设计参数。根据施工情况修正设计参数。n根据试验研究结果优化地基处理方案和设根据试验研究结果优化地基处理方案和设计参数（技术、经济、工期、环境）。计参数（技术、经济、工期、环境）。合理控制填筑速率合理控制填筑速率 软土地基的稳定性与施工时的加荷速率有密切关系，加荷过程中，一方面地基强度因排水固结而提高，另一方面由于外荷作用，地

13、基剪应力也在增大，为了保证地基的稳定性，必须科学地进行加载设计，严格控制加荷速率，对填土速率控制标准，公路、铁路规范都采用沉降速率、水平位移速率作为控制指标，一些重要工程同时也把超孔压变化规律或单位时间内填土高度作为控制指标之一。水平位移速率水平位移速率 在软粘土地基上修筑堤坝或进行堆载预压，由于填土荷载使地基产生水平向位移，地表水平位移以坡脚附近最为灵敏。为了保证工程的安全，常常在坡脚处以及附近埋设边桩或测斜管。（a） k0+535断面断面1测斜孔测斜孔（b ） k0+628断面断面2测斜孔测斜孔超载预压试验段水平位移速率（荷载）时间曲线超载预压试验段水平位移速率（荷载）时间曲线 其水平位移

14、速率与填土高度、填土速率直接相关。在填土高度2.25m前，最大水平位移小于1.5mm/d。随着填土高度和填土速率增加，水平位移速率相应增加，但整个填筑期，地表最大水平位移速率仅3.1mm/d，地基土最大水平位移速率仅3.8mm/d。 沉沉 降降 速速 率率 在加荷过程中，如果沉降速率突然增大，说明地基可能产生较大的塑性变形，连续几天出现大的沉降速率，可能导致地基土整体破坏。根据我国14座堤坝的统计，在填土过程中地基破坏前最大沉降速率每天平均为15mm至20mm。但也有在沉降速率10mm/d左右破坏的例子。 k0+535、k0+573两断面，沉降速率最大值分别为1.7和2.6cm/d。k0+62

15、8、k0+681两断面，沉降速率最大值分别为1.1和1.5 cm/d。 （a）k0+573断面断面（b） k0+628断面断面 超载预压试验段分层沉降速率（荷载）时间曲线超载预压试验段分层沉降速率（荷载）时间曲线 -12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.040801201602003-3-20 2003-4-19 2003-5-19 2003-6-18 2003-7-18 2003-8-17 2003-9-16 2003-10-16沉降速率填土荷载-30-25-20-15-10-50501001502002003-3-20 2003-4-19 2003-5-19 2003-6-

16、18 2003-7-18 2003-8-17 2003-9-162003-10-16沉降速率填土荷载孔孔 压压 系系 数数 国外某些工程实践经验认为，只要地基中孔隙水压力u和荷载p之比即孔压系数小于某一定值时，即可不断加载，不致造成地基失稳。所建议的控制指标为u/p0.50.6. （a） k0+535断面断面（b） k0+628断面断面 最大超孔压出现在软土层中，最大孔压系数出现在k0+535断面，孔压系数最大在0.60.7之间，此时地基土水平位移速率也最大，地表水平位移速率为2.63.1mm/d，沉降速率达到1.51.7cm/d。其他三个断面孔压系数均小于0.6。n京沪高速铁路设计暂行规定参

17、考高速公路近几年来在软土地基路堤施工速率控制的经验，规定控制填土速率的标准为：路堤中心地面沉降速率不大于1.0cm/d，坡脚水平位移速率不大于5mm/d。n实际上，加载速率的控制与地基土的性质、加荷方式以及地基处理方法等因素有关。只有把孔隙水压力、沉降、深层侧向位移、边桩位移等项观测结果综合起来分析，并注意加荷结果后数天内的发展趋势，才能正确地判断地基是否处于危险状态。n综合以往的工程经验及本试验段沉降速率、水平位移速率及孔压系数的分析，可以得到这样一个认识：填土速率控制标准应以坡脚水平位移速率为主，每天不大于5mm。而把路基中心地面沉降速率12cm/d作为参考标准。当地基土中埋设有孔隙水压力

18、计时，最大孔压系数0.6也可作为参考。 预留高度设计计算预留高度设计计算n沉降修正系数 沉降修正系数，可按Es或计算主固结沉降，然后与实测沉降量比较进行修正。 断面里程断面里程推算最终沉降推算最终沉降量量(cm)Es 法法 法法主固结沉降主固结沉降(cm)修正系数修正系数主固结沉降主固结沉降(cm)修正系数修正系数k0+53569.372.90.95164.41.076k0+57363.368.90.91962.41.014K0+62852.953.90.98149.51.069K0+68143.951.10.85947.50.924沉沉 降降 正正 系系 数数pelg 由于这四个断面的软土均

19、处于超固结状态，按e-lgp曲线法计算较Es小，结果与实测值更接近。建议按e-lgp法计算沉降，修正系数为0.9241.076。基床表层底面和表面的预留沉降基床表层底面和表面的预留沉降n基床表层是铁路路基的关键部位，承受着列车传递的基床表层是铁路路基的关键部位，承受着列车传递的主要荷载，因此在施工过程中应准确地预估沉落量以主要荷载，因此在施工过程中应准确地预估沉落量以保证基床表层的厚度。保证基床表层的厚度。n由于基床表层的施工在预压土柱卸载之后，属卸载后由于基床表层的施工在预压土柱卸载之后，属卸载后再加载，按一般分层总和法计算预留沉降会偏大，其再加载，按一般分层总和法计算预留沉降会偏大，其修正

20、系数为修正系数为0.500.50。基床表层顶、底面预留沉降计算基床表层顶、底面预留沉降计算(cm)(cm) 预留沉降预留沉降 计算计算断面里程断面里程基床表层产生的基床表层产生的沉降量沉降量轨道列车荷载产生的轨道列车荷载产生的沉降量沉降量基床表层基床表层底面预留底面预留沉降沉降计算计算修正修正计算计算修正修正k0+5357.83.95.52.86.7k0+5737.63.85.32.76.5K0+6286.03.04.22.15.1K0+6815.82.94.12.15.00+515-0+587.755段,0+589.245-0+708.255段,基床表层底面按5cm预留。基床表面按2cm预留

21、。预压时间、基床表层施工时间、预压时间、基床表层施工时间、铺轨时间计算铺轨时间计算n等载预压等载预压n超载预压超载预压等等 载载 预预 压压n预压时间应满足：预压时间应满足：最终沉降量（最终沉降量（+ +次固结）次固结）- -已完成沉降已完成沉降小于小于控制标准控制标准地基面沉降地基面沉降 (cm)(cm)测试时间测试时间200020008.228.229.89.89.259.2510.1010.1011.2011.2012.2412.24200120011.81.82.132.133.203.204.144.145.105.105.235.236.236.23夯填土路基中心夯填土路基中心1.

22、31.32.72.74.04.05.25.29.49.413.813.821.521.529.629.636.036.040.340.342.742.743.443.447.047.0改良土路基中心改良土路基中心2.02.02.52.53.13.14.04.07.57.511.511.518.518.524.524.530.930.936.736.738.838.839.639.644.044.0测试时间测试时间200120017.177.178.248.249.199.1910.2910.2911.2511.2512.2512.25200220021.171.172.252.253.203.

23、204.174.175.255.257.257.2510.1610.16夯填土路基中心夯填土路基中心49.249.252.252.254.054.055.655.656.956.957.857.858.358.359.159.159.559.559.959.960.260.260.760.761.3861.38改良土路基中心改良土路基中心46.346.349.349.351.251.253.453.454.454.455.455.456.056.056.856.857.457.457.757.758.058.058.558.559.259.2测试时间测试时间200320031.51.52.13

24、2.133.193.196.76.7夯填土路基中心夯填土路基中心62.062.062.2362.2362.4562.4562.9262.92改良土路基中心改良土路基中心59.859.86 660.1560.1560.3960.3960.8760.87n按双曲线方程式法预测，改良土路基的地基最终沉降量为64.7cm，夯填土路基的地基最终沉降量为67.6cm。n从地基面沉降曲线上可看出，2001年12月25日实测地基面沉降：改良土路基为55.4cm，夯填土路基为57.8cm，如果改良土路基、夯填土路基的地基最终沉降量分别按64.7cm和67.6cm、工后沉降按10cm的控制考虑，该路基的预压期为6

25、个月。如果考虑路基填土压密下沉和运行期间由列车引起的基床累积下沉，填土下沉量的高度百分比大致在0.3%左右，即本试验点路堤本体的压密下沉量为1.35cm；经动力试验，基床土的累积下沉量为12mm，因此地基土的工后沉降允许值为8.5cm，预压期应到2002年2月25日，即为8个月。超载预压超载预压n根据最终沉降量+次固结-已完成沉降小于控制标准来推算预压时间的方法是保守的。最终沉降预测结果表最终沉降预测结果表 单位：单位：mmmm断面断面双曲线法双曲线法三点法三点法指数法指数法浅岗法浅岗法星野法星野法K0+573K0+573632.9632.9624.7624.7 620.7620.7626.0

26、658.1658.1K0+628K0+628529.3529.3507.7497.9497.9520.2断面断面双曲线法双曲线法三点法三点法K0+535K0+535693.2693.2674.1674.1K0+681K0+681438.9438.9415.5415.5超载预压段次固结沉降计算表超载预压段次固结沉降计算表 单位：单位：cmcm断面里断面里程程K0+535K0+535K0+573K0+573K0+628K0+628K0+681K0+681时间时间2004200412.3012.30200520056.306.302005200512.3012.302004200412.3012.3

27、0200520056.306.302005200512.3012.302004200412.3012.30200520056.306.302005200512.3012.302004200412.3012.30200520056.306.302005200512.3012.30次固结次固结沉降沉降5.25.24.94.94.74.75.15.14.94.94.74.75.05.04.94.94.74.74.54.54.44.44.34.3超载预压段最终沉降计算表（超载预压段最终沉降计算表（cmcm）断面里程断面里程K0+535K0+535K0+573K0+573K0+628K0+628K0+6

28、81K0+681最终沉降最终沉降74745 568683 357579 948483 3预压时间与剩余沉降预压时间与剩余沉降 (cm)(cm) 沉降沉降 计计算算断面里程断面里程预压时间（月）预压时间（月）剩余沉剩余沉降降k0+535k0+5356 69 96 6k0+573k0+5736 69 98 8K0+628K0+6286 610100 0K0+681K0+6816 69 98 8超载预压约六个月满足工后沉降10cm的要求。复合地基（复合地基（CFGCFG桩）桩） 预压时间应满足： 最终沉降量+轨道列车荷载产生的工后沉降-已完成沉降小于控制标准CFGCFG桩加固最终沉降和预测成果表桩加

29、固最终沉降和预测成果表 单位：单位：cmcm 预测方法预测方法断面断面双曲线法双曲线法三点法三点法K0+050K0+05044.644.640.140.1K0+060K0+06043.943.937.537.5K0+070K0+07033.433.429.929.9K0+080K0+08027.027.024.124.1恒载期预测某一时刻的沉降与实测值的比较恒载期预测某一时刻的沉降与实测值的比较 悬浮悬浮CFGCFG桩桩工工 后后 沉沉 降降 与与 预预 压压 期期工后沉降与工后沉降与 预压期预压期断面断面填筑完成后填筑完成后1313个月剩余个月剩余沉降（沉降（2004.12.12004.12

30、.1）（双曲线推算）（双曲线推算）轨道列车荷载产轨道列车荷载产生的工后沉降生的工后沉降k0+010k0+0103.23.24.84.8k0+020k0+0205.25.24.84.8悬浮悬浮CFGCFG桩填筑完成后桩填筑完成后1313个月，工后沉降可满足个月，工后沉降可满足10cm10cm的标准。的标准。穿透软土穿透软土CFGCFG桩桩工工 后后 沉沉 降降 与与 预预 压压 期期 工后沉降与工后沉降与 预压期预压期断面断面 工后沉降工后沉降(cm)(cm)填筑完成后填筑完成后3 3个个月剩余沉降月剩余沉降（2004.2.12004.2.1）（双曲线推算）（双曲线推算）填筑完成后填筑完成后8 8个个月剩余沉降月剩余沉降（2004.7.12004.7.1）（双曲线推算）（双曲线推算）轨道列车荷载产生轨道列车荷载产生的工后沉降的工后沉降k0+070k0+0704.04.00.60.64.24.2k0+080k0+0803.53