堆石体道基高填方结构表面沉降速率法 【技术领域】
发明涉及一种堆石体道基高填方结构表面沉降观测方案、沉降速率分析方法与判别标准确定的道基表面沉降速率法，简称堆石体道基高填方结构表面沉降速率法，属于土木工程技术领域。
背景技术
随着我国经济建设的持续高速发展，道基土石方填筑设计采用“削山填谷”和“开山填海”平整场地的总体方案越来越多，尤其是地理环境为山区丘陵地带与沿海滩涂地区，堆石体道基高填方结构形式，已被广泛使用。
堆石体填筑道基高填方结构，传统基底(地基表面)设置沉降板逐层接管进行连续地基沉降观测的方法，不仅在施工层面上与道基填筑施工的交互影响加剧，甚至堆石体强夯冲击加固对沉降板接杆破坏难以避免，导致沉降板严重损耗，无法完成预期沉降观测控制目标。此外，在技术的层面上，堆石体道基高填方结构的自身压缩蠕变，对道基顶面沉降时变规律亦有直接影响，仅考虑地基固结沉降评价道槽顶工后沉降与控制道面结构层施工节点，完全忽略道基结构蠕变特征，不尽合理。
因此，如何根据堆石体道基高填方施工特点与结构特征，寻求合理可行的道槽区工后沉降评价的沉降监测方案；提出相应的表面沉降速率分析方法，准确分析道槽顶工后沉降；并建立合理的沉降速率控制标准，合理控制道面结构层施工节点时间，已成为堆石体高填方填筑工程实践中迫切需要解决的问题。
【发明内容】
技术问题：
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种堆石体道基高填方结构表面沉降观测方案、沉降速率分析方法与判别标准确定的道基表面沉降速率法——堆石体道基高填方结构表面沉降速率法。
技术方案：
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明堆石体道基高填方结构表面沉降速率法，其特征在于包括如下步骤：
1)确定地基固结参数；
2)确定堆石体蠕变参数；
3)堆石体填筑加固完成时，及时设置道槽顶表面沉降观测标；
4)道基维持道基荷载预压阶段连续观测沉降标的沉降变形；
5)绘制不同监测区域道槽顶沉降标沉降时程曲线，计算维持道基荷载预压阶段的不同时段的沉降速率。
地基固结规律采用指数模型U‾t=1-α·e-β·t]]>描述，为平均固结度，t表示时刻，α、β为固结参数，e为指数底数，固结系数Cv采用室内原状试样压缩试验，按高填道基的平均作用水平取值。
所述的堆石体高填方道基表面沉降速率法，其特征在于堆石体蠕变采用指数型衰减曲线模型ε(t)＝a(1-e-ct)，ε(t)为t时刻堆石体蠕变量，a为常数，采用室内堆石体缩尺试样三周压缩试验和压缩蠕变试验确定。
所述的堆石体道基高填方结构表面沉降速率法，其特征在于不同地基土层固结参数均质化处理，采用不同土层体积系数mvi和渗透系数kvi均质化处理后的土层体积系数mvm和渗透系数kvm，按固结系数定义Cvm=kvmmvmγw]]>计算求出，Cvm为均值化处理后的固结系数，γw为水的容重。
动态沉降观测频率为15d～30d，具体可综合道基自重维持道基荷载预压阶段的预压周期，以及实测沉降速率的大小合理选择。
本发明中不同土层试样数量、堆石体缩尺试样数量应符合现行的相关规范要求。
本发明主要应用于道槽区域，道槽顶表面沉降标布置密度，应符合现行相关规范要求，且应综合考虑道槽区不同区域工程特点具体布设。
有益效果：
本发明与现有沉降速率法相比，本发明方法只需进行加载完成后维持道基荷载预压阶段的表面沉降动态检测，沉降观测点布设更加简单，布设密度调整亦更加方便，简单、可行且有效，具避免了加载期沉降观测与堆石体冲击加固施工的交互影响。本发明方法采用地基固结与道基蠕变耦合分析原理，综合了地基压缩固结与道基堆石体压缩蠕变的双重作用效应，相对仅考虑地基土压缩固结，忽略道基堆石体蠕变的传统沉降速率方法更加合理，更具普适。
【附图说明】
图1：堆石体道基加载时间线。
图2：地基土断面示意图。
图3：典型断面，维持道基荷载预压阶段表面沉降观测数据图。
图4：本发明方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图4所示，堆石体道基高填方工程，道基表面工后沉降由地基土固结沉降和道基堆石体蠕变组成，道槽区顶面工后沉降必然由地基土的工后固结沉降与道基堆石体的工后蠕变叠加组成。
根据改进高木俊介法，传统地基固结沉降的沉降速率法，可以得到地基某一固结时刻t，地基固结沉降速率与地基工后沉降SSDT的关系
S·Stβ=SSDT+χs---(1)]]>
式中，χs=mvmhΣi=1nq·iαβe-βTD(eβTi-eβTi-1),]]>mv为不同土层均质化后的体积系数；h为地基土层厚度；为第i级荷载的加载速率；α、β为固结参数；TD为结构物设计年限；Ti、Ti-1分别为各级等速加荷的起点和终点时间(从零点起算)。
堆石体道基蠕变规律，采用指数型衰减曲线模型，可以表示如下
εc(t)＝εcf(1-e-ct) (2)
式中，εc(t)为t时刻堆石体蠕变量；此处常数a取堆石体最终蠕变量εcf；c为堆石体蠕变参数，通过堆石体流变试验获取。
同样，引入高木俊介线性加载模拟方法，可以得到某一时刻t堆石体道基平均应变ε(t)与道基表面压缩蠕变速率的表达式
ϵ(t)=ϵ‾cfΣi=1nq·iΣΔp[(Ti-Ti-1)-1ce-ct(ecTi-ecTi-1)]---(3)]]>
S·Gt=ϵ‾cfHΣi=1nq·iΣΔp[e-ct(ecTi-ecTi-1)]---(4)]]>
式中，∑Δp为各级荷载的累计值；堆石体填筑高度H内最终平均蠕变可以根据堆石体室内三轴压缩试验强度指标确定，再根据道基自重应力三角形分布特征，推导求得
式中，b、d为堆石体蠕变参数，通过蠕变试验获取；C、为堆石体强度参数；γ为堆石体容重；H为堆石体道基填筑高度。
根据沉降速率分析原理，可以得到道基表面蠕变速率与道基结构工后压缩蠕变量SGDT的关系
S·Gtc=SGDT+χG---(6)]]>
式中，χG=SGcfHΣi=1nq·iΣΔp1ce-cTD(ecTi-ecTi-1),]]>SGcfH为堆石体填筑高度H内最终蠕变变形量；其余参数意义如前所述。
道基表面沉降速率法，采用堆石体蠕变速率分析与地基固结沉降速率分析耦合方法，即根据
S·t=SScf·U·St+SGcf·U·Gt=S·St+S·Gt---(7)]]>
式中，SScf，分别为地基最终固结变形量和t时的固结度；SGcf，分别为堆石体最终蠕变变形量和t时的流变度。
将上述表达式(1)和表达式(6)，代入上述表达式(7)，整理后可以得到
S·tλ=SDT+χ---(8)]]>
式中，为道基沉降速率；SDT为道基工后沉降；χ＝χS+χG，其中χS、χG意义如前所述述；λ=βc+cξtc+βξt,]]>ξt=S·GtS·St=SGcfSce(β-c)tαΣi=1nq·i(ecTi-ecTi-1)Σi=1nq·i(eβTi-eβTi-1),]]>其中Sc为地基固结沉降，其余各参数意义如前所述。
采用上述表达式(8)，即可直接利用堆石体道基高填方结构填筑完成后维持道基荷载预压阶段的表面沉降观测得到的沉降时程规律，即表面沉降率指标，分析评价道基表面(主要用于道槽顶)的工后沉降，控制道槽区道面层结构施工时间节点。
堆石体道基高填方结构表面沉降速率法应用流程为：①准备工作，包括地基固结参数的试验确定和堆石体强度、蠕变参数等试验确定，以及堆石体道基高度、地基土层厚度等设计勘察指标的确定；②标准分析，根据上述堆石体道基高填方结构表面沉降速率法中，表面沉降速率分析原理与方法，以及准备工作阶段获得的计算参数，按设计要求的道槽区工后沉降控制标准，分析得到对应的道槽区顶面沉降速率控制标准；③测试阶段，包括堆石体道基高填方结构填筑完成后，道槽区顶面沉降标布置与埋设，以及按设计规定测试频率进行表面沉降标动态监测，获得维持道基荷载预压阶段的道槽区顶面沉降时程规律成果曲线；④评价控制，根据堆石体道基高填方结构实测表面沉降率与相应维持道基荷载预压周期，实测沉降速率小于上述标准，且相应预压期较短时，可判断道槽区工后沉降已小于设计控制标准，即可适时展开道面结构层施工；否则，实测沉降速率大于上述标准，且相应预压期较长时，可判断道槽区工后沉降仍大于设计控制标准，且需继续进行预压与动态沉降观测，直至满足沉降速率标准，方可进行道面结构层施工。
堆石体道基高填方结构表面沉降速率法应用于道槽区工后沉降评价与施工控制时，有三个显著的特点：①采用维持道基荷载预压阶段的沉降观测方案，不需要在堆石体冲击加固施工过程中进行沉降观测，避免了与冲击加固施工严重交互影响；②采用道基表面沉降观测方案，充分考虑地基压缩固结与高填方道基堆石体压缩蠕变的组合效应，道槽区工后沉降分析评价与道面结构层施工时间节点控制更加合理，且不存在堆石体冲击加固对传统基底沉降板破坏严峻的问题；③表面沉降速率控制标准分析确定，充分考虑了具体工程地基土层固结特性与堆石体高填方结构的蠕变特征，相对传统地基沉降速率法中，不考虑地基整体固结特征，沉降速率控制标准作为一经验性定值的方法，更具针对性，且更加合理。
堆石体道基高填方结构表面沉降速率法应用于道槽区工后沉降评价与道面施工时间节点控制，未包括堆石体填筑过程中的强度稳定性控制。一般堆石体道基均为大面积填筑，强度稳定控制主要取决于边坡整体滑动稳定，场区内部填筑施工过程中的沉降监测，对强度稳定控制无意义。对于确实需要进行稳定监测地工程或需要进行局部稳定监测的区域，建议采用边坡趾部深层水平位移或超静孔压稳定监测技术。同时，在设计阶段应加强堆石体边坡整体稳定分析，合理评价加载过程道基边坡整体滑动稳定。总而言之，填筑加载期取消大面积堆填区的强度稳定沉降观测总体是合理的。
实施例
依托某堆石体道基填筑工程，道槽区设计要求工后剩余沉降量≤8cm。选取某一土层分布典型断面，该段面堆石体道基填筑加载水平及加载与时间关系，参见图1；典型断面的地基土层性质，参见图2。
利用前述分析方法，对该典型断面进行分析，计算参数参见表1，计算结果参见表2。可以看出，天然沉积土厚度为8.0m，沉降速率标准为8mm/月时，维持道基荷载预压两个月后，道槽区工后沉降即可满足8cm设计控制标准。依托工程天然沉积土厚度一般小于8.0m，且分析得到的预压稳定周期较短，采用8mm/月沉降速率标准是合理的。典型断面，维持道基荷载预压阶段表面沉降观测数据，参见图3。可以看出，维持道基荷载预压两个月，各观测点均已满足相应沉降速率标准，可择机展开道面结构层施工。
同时，分析成果表明，针对道槽区工后沉降8cm的设计控制标准，不同的地基土层厚度，对应沉降速率标准不尽相同。当假定土层厚度为12m时，对应道槽区沉降速率标准降至5mm/月，才能达到道槽区工后沉降8cm的设计控制标准，且达到该沉降速率标准的预压周期愈长，对应的工后沉降愈大。因此，针对具体断面分析得到相应沉降速率标准，且综合预压周期长短，评价道槽区工后沉降的方法，相对传统沉降速率法中沉降速率标准设为经验定值的方法，更加合理。
通过上述实例分析，可以认为堆石体道基高填方结构表面沉降速率方法合理有效，且简单可行。
表1
表2