软土地基高速公路桩基沉降量预测方法研究

软土地基高速公路桩基沉降量预测方法研究

曹长杰 ,王翔 ,王建友 ,潘治豪,刘毅

中建八局第二建设有限公司  山东济南     250022

摘要：桩基沉降是高速公路施工中较为常见的质量问题，引起公路桩基发生沉降的因素较多，可将其分为客观因素与主观因素。前者包括在施工中由于现场地质环境导致引起的路面构造差异、环境温度变化导致的路面结构变形、地下水位变化导致的地基结构被侵蚀和不同施工段土壤性质差异较大导致的沉降等。后者包括施工中由于工人作业行为不规范导致的地下水抽取量过大，从而出现土层硬结与地表沉降；钻孔施工中的钻探深度未能达到设计标准，或针对施工中的沉降测量没有及时采取有效措施进行校正，导致桩基设计深度存在偏差。上述任意因素都会在不同程度上诱发桩基沉降事故，对高速公路上车辆的行驶安全造成一定威胁。基于此，本文结合软土地基高速公路桩基工程概况，设计现场桩基沉降监测方案。拟合沉降值与沉降监测时间关系曲线，参照太沙基一维渗透理论，初步获得桩基沉降量预测结果。构建桩基应力分布函数，对桩基沉降量的初步预测结果进行校正，提高预测精度。结果证明：设计的预测方法可实现对沉降量的预测，同时可保证预测的沉降结果的准确性。

关键词：软土地基;高速公路桩基;沉降量;指数曲线;应力分布函数

引言

目前，国内市政工程施工方已经正确认知了控制桩基在施工中沉降的重要意义，并提出针对高速公路桩基沉降的预测方法，但早期的研究成果由于支撑技术不够成熟，导致施工方对于软基工程桩基沉降预测结果存在偏差。因此，现以某软土地基工程为例，设计一种针对高速公路桩基沉降量的全新预测方法，通过此种方式及时掌握桩基结构可能发生的沉降等问题，将路面病害控制在初期，为车辆行驶提供相对安全与舒适的环境。

1.工程概况

此次研究的高速公路全长约为47.84 km。该项目共存在12个标段，根据工程施工方的设计方案，路基宽度约为26.2 m, 路面整体采用沥青混凝土摊铺。路段行驶车辆的设计车速为100 km·h-1,属于I级公路项目。

在对此路段进行地质勘查过程中发现，路基结构属于软土地基，部分地段在农田下部，淤泥整体呈现流塑状，局部位置的淤泥呈现软塑桩。采用钻探的方式进行软土淤泥埋深设计，根据钻探结果揭示淤泥层的埋深在0～2.5 m范围内，地质层整体具有孔隙率大、含水量高和力学性能差等方面的特点。采用取样方式对工程路段中的软土进行研究分析，掌握软土层结构的物理学指标，具体内容见表1。

表1高速公路软土区段物理学指标参数

其中地基中的地表水沿着涌沟呈现纵向发育趋势，加之岩基位置的地质构造较为复杂，导致该工程项目在施工中极易受到外界环境的干扰出现沉降。

2.软土地基高速公路桩基沉降量预测方法

2.1 布置软土地基高速公路桩基沉降监测方案

为实现对软土地基高速公路桩基沉降量的精准预测，需要获取一些公路桩基沉降数据作为预测支撑。选择某个软土地基桩基断面作为监测代表面，要求选择的断面为路段中地形和地势等综合条件最不利的作业面。根据监测需求，选择含水量较高、孔隙率较大、承载能力较差和预测沉降最大的断面作为监测断面。通常情况下，将监测断面的延伸长度控制在2.0 km范围内为最佳。在此基础上布置桩基沉降监测内容，具体见表2。

表2软土地基高速公路桩基沉降监测内容布置

在监测中，选择适量的水准点作为地面观测点，水准点应设定在不受外界环境影响的永久性坚固地面结构上，并在监测前对其进行标识。

2.2 基于指数曲线的沉降量预测计算

完成上述工作后，考虑到对桩基沉降量的预测大多是通过沉降过程曲线推断得出，因而根据沉降监测结果，绘制沉降值与沉降监测时间的关系曲线，对曲线进行指数拟合，便可以实现对沉降量的计算。目前，可实现对沉降拟合计算的曲线包括指数曲线、对数曲线与时间倒数曲线等。此次研究选用指数曲线，参照太沙基一维渗透理论，提出桩基周围软土环境的孔隙水压力会随着时间的变化呈现指数变化趋势。因此，将指数曲线表示为S-t,利用S-t进行桩基沉降的推算，计算见式(1):

式中：St——软土地基高速公路桩基在t时刻下发生的沉降量；

Sd—— 桩基瞬时状态d下发生的沉降量；

f(x)—— 指数曲线基础函数；

S∞—— 最大沉降量(桩基结构失稳范围内的最大沉降值)。

根据S-t曲线的不同表现方式，对St的不同计算方法见式(2)和(3):

式中：A——经验系数；

e—— 地基土性质；

β—— 孔隙水压力变化系数。

根据监测过程中所获取的不同类型数据，选择不同的计算公式，对桩基沉降量进行预测计算。

2.3 基于桩体应力分布的沉降预测结果校正

上述为基于理论认知层面的预测过程，尽管此种方法可以实现对桩基沉降量的预测，但预测结果可能会与工程存在一定的偏差。因此，要保证预测结果具有高精度优势，还应在上述预测结果的基础上，根据桩体结构的应力分布进行沉降量预测结果的校正。在此过程中，应注意桩体结构不同的应力分布所造成的沉降速度与最终沉降量是不同的，为此在预测其沉降时，可以构建桩基应力分布函数，通过此种方式预测桩基的沉降速度。对桩基应力分布的函数表达式见(4)。

式中：P——桩基应力分布函数；

β0—— 孔隙水压力横向应力分布；

βt—— t时刻下孔隙水压力的瞬时值；

γ—— 桩基周围土体的固结对数。

在计算中，对于具有高压性特点的软土地基而言，桩基的应力应变是呈现一种非线性关系。因而在桩基发生沉降时，软土的压缩过程不一定能够满足指数曲线关系。对于此过程中产生的预测值偏差，可以通过式(5)对预测结果进行校正。

式中：κ——修正系数；

a1—— 桩基所在的地质结构层排水条件；

a2—— 地质结构土性参数；

η—— 有效排水渠道的距离。

按照式(5)掌握在不同工况下桩基沉降的修正值，根据计算结果，对修正值进行补偿，从而得到最终的沉降量预测结果。上述方式即可完成对软土地基高速公路桩基沉降量预测方法的设计。

3.预测方法实例应用

采用上述设计的预测方法对桩基复合断面的沉降进行预测。桩基沉降量预测现场如图1所示。

图1预测施工现场

预测时，先选择施工段中随机1个测点，在测点布置软土地基高速公路桩基沉降监测装置，在此基础上引进指数曲线，根据监测结果进行路基沉降量的预测计算。同时，对桩基结构的应力分布进行综合分析，对预测结果进行校正。在该项目完成施工后，在此测点进行沉降的预测，统计10 d内预测得到的桩基沉降值，对统计点进行连接绘制成曲线。

在此基础上，根据桩基的地表出露长度，在预测其沉降过程中使用高精度的测量装置，对桩基出露长度进行实测，根据出露长度的变化掌握桩基的实测沉降。按照预测结果曲线的绘制方法，绘制实测沉降结果的变化趋势曲线，如图2所示。

图2桩基沉降量预测结果与实测结果下载原图

从图2所示的统计结果可以看出，桩基沉降量预测结果与实测结果存在偏差，但偏差较小，基本可以实现将预测结果偏差控制在1.0 mm范围内。在完成预测方法的设计与检验证明：此次设计的软土地基高速公路桩基沉降量预测方法，不仅可以实现对沉降量的预测，同时可以保证预测沉降结果的准确性与真实性。

4.结语

高速公路工程是道路类工程项目中较为复杂的项目之一，此类项目在建设中会受到较多的外界因素影响，从而对工程项目后续工程质量造成较大影响。当施工中桩基发生沉降时，路基结构将出现失稳等问题，严重时甚至会造成路基表面开裂和路基滑坡等病害。为避免道路病害对公路的安全行驶造成威胁，从布置桩基沉降监测方案、基于指数曲线的沉降量预测计算和基于桩体应力分布的沉降预测结果校正等方面对软土地基高速公路桩基沉降量预测方法展开了研究。并通过实例应用证明，此次设计的方法在工程应用中可以实现对桩基沉降的高精度预测。

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