高速公路软土地基沉降变形研究

【摘要】软土地基具有高压缩、低强度、低渗透等特点，本文主要分析了高速公路软土地基的变形机理、沉降变形组成、变形特点以及变形规律。

【关键词】软土地基；变形机理；组成；特点；规律

软土的工程力学性质较差，在外界作用力的影响下易发生扰动，软土的现场试验比较困难，致使在软土地区的路基的设计与施工比较困难。本文主要对高速公路软土地基的变形机理、特点、规律进行了分析。

1 高速公路软土地基沉降变形机理

在软土地基上进行高速公路的建设一般都需要填筑一定高度的路堤，由于土本身具体压缩性，地基内部在路堤荷载的作用下会产生应力和固结变形，这是造成路基沉降主要原因。

软土在外界荷载的作用下，软土内部为了抵抗压应力的不断的增加，软土的内部会因此产生压缩应变，软土在处于饱和的状态下，这个过程被称为固结。天热的土体天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气填充骨架体孔隙而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成，土颗粒之间存在胶结物，有些没有粘结，但它们都能传递荷载，从而形成传力的骨架，称为土骨架。

土体在外界荷载的作用下，会产生水压力和有效应力。外界荷载一部分有土体空隙中存在的水承担，这部分被称为孔隙水压力：另外一部分的作用力由土体的骨架分担，这部分被称为有效应力。所谓有效，是指在外界荷载作用力下，引起的压缩和强度有效，颗粒之间总荷载的传递与土体本身的总截面的比值被称为有效应力。孔隙水压力可分为静水压力和孔隙水压力两部分。孔隙水压力是指由于外界荷载的存在而产生的水压力的增加量；静水压力指的是土体在荷载作用之前就存在于土体内部。

对土体压缩性的研究可知：①土颗粒的压缩性远比水的小，完全可以忽略不计；②在饱和土中，孔隙水的压缩量与土骨架的压缩量比较，数值很小，此时土骨架的压缩显然对土的固结起控制作用。就工程上常遇到的压力（约100～600KN/m2）而言，土粒本身和孔隙中水的压缩量，不到土体总压缩量的1/400，因此常可略去不计；而孔隙中气体的压缩变形，一般情况下，只有在土的饱和度很高，孔隙气以封闭气泡形式出现时才发生。这时，土中含气量很少，因此，它的压缩量在土体总压缩量中所占的比重也不大。除了在某些情况需要考虑封闭气体的压缩外，一般也可忽略不计。因此，土体的变形是孔隙流体的流失及气体体积减小、颗粒重新排列、粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果。

2 高速公路软土路基沉降变形组成

软土路基沉降包括堤身及地基两部分，经典土力学认为地基沉降包括瞬时沉降si、主固结沉降sc、次固结沉降ss三部分。则软土路基的最终沉降量为

S=Si+Sc+Ss。

瞬时沉降是在荷载作用下土没有任何体积变化的畸变所引起，所以它发生非常迅速，这只是一个理想的概念，尽管沉降不是立即发生的，仍可认为饱和软土中的孔隙水来不及排出时所发生的沉降，其体积基本保持常数，土体只发生形变而没有体变。瞬时沉降与加载方式和加载速率有很大的关系。

主固结沉降是由于荷载置于地基上后，随着时间的延续，孔隙水从土体中流出，引起体积随时间的减少，因而地基体系逐渐发生沉降。它是由于外荷载引起超孔隙水压力的水力梯度促使水从土体内排出，而应力增量转移到土体骨架上而发生的沉降。在此阶段水流的速率受到土的孔隙压力、渗透性和压缩性的影响，随着孔隙压力的消散，水流的速率将降低，随后孔隙压力消散基本完成，达到不变的有效应力状态。这部分变形为固结变形，与时间有关，且主要发生体积的变化，对应的沉降为主固结沉降。

次固结沉降是由于超静水压力消散后，主固结变形完成后，在有效应力作用下土骨架的徐变所致，是路基土中土粒骨架在持续荷载下蠕变所引起的，次固结变形的大小与孔隙水排出的速率无关，而是取决于土骨架本身蠕变性质。次固结的速率与含水量、孔隙比、有机质含量、温度等因素有关，与软土的厚度无关。

一般来说高速公路软基的沉降量包括施工期间沉降和工后沉降。

施工期沉降是指路基填土产生的荷载通过基础传给地基，在地基内部产生应力和变形，从而引起基础的下沉，这部分沉降主要为瞬时沉降和主固结沉降。

工后沉降：施工完成以后，由于公路软弱土基深厚固结速度慢，在路堤自重和路面荷载下作用下延续施工期间未完成的固结沉降，这种新沉降是路基在相应的车辆荷载作用下产生的附加沉降。对于较厚的软土层，在路基填筑至设计高程以后的几年内，主固结引起的沉降变形是主要的。

3 高速公路软土路基沉降变形特点

基础沉降量的大小，首先与土的压缩性有关，易于压缩的土，基础的沉降大。其次，与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一般而言，荷载愈大，相应的基础沉降也愈大；而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载产生的大。

由于路堤高度差异和地基的不均匀沉降，使得路面产生不均匀变形。路基不均匀沉降超过了一定的限度，将导致路面的功能性、结构性破坏，使公路不能满足设计要求。软土层厚的路段沉降大，而软土层薄的路段则沉降较小，由此造成公路纵、横向沉降不均匀，路面排水和平整性也受到影响，汽车无法高速行驶，尤其在桥头过渡段，不均匀沉降问题更加突出，桥梁一般采用桩基础或扩大基础，沉降较小，与其相连的公路路堤一般较高，由此造成的沉降大，会在桥头附近产生较集中的沉降差，易引发桥头跳车现象。

由于软土具有抗剪强度低、压缩性高、渗透性小等特点，软土路基在荷载作用下，引起的路基沉降，一般具有以下变形特征：

3.1沉降量大，由于软土主要由粘粒和粉粒组成，其中粘粒含量很高，其天然含水量大，孔隙比大于1.5，抗剪强度低，承载力低，所以受荷后压缩量大，沉降量超过一般路堤。

3.2侧向变形大，饱和软土受荷初期，土中水来不及排出，土体易于发生侧向挤出，并随着水的逐步排出，土体体积收缩，竖向沉降进一步发展。

3.3变形时间长，由于软土本身的性质以及较大的软土厚度，孔隙水消散缓慢，并且下部软土排水较困难，使得固结时间长，因此竖向沉降和侧向变形延续的时间都很长。

4 高速公路软土路基沉降变形规律

根据软土路基沉降变形的机理和特点分析及公路软土路基的大量沉降观测资料，总结出软土路基沉降变化基本上经历4个过程：

发生阶段：在对软土路基刚加载时，土体处于弹性状态，土中的孔隙水来不及排出，土体的侧向变形使土体发生瞬时剪切变形，在荷载增加的最初阶段，软土地基的侧移速率较大，沉降呈线性增加。

发展阶段：随着填土高度的增长，荷载不断加大和时间的增长，地基土中的孔隙水逐渐排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体逐渐压密产生体积压缩变形，进入弹塑性状态，此时土体的沉降速率增长很快。

稳定阶段：当加载完成后，荷载不再增加，孔隙压力不断减小并接近完全消散，固结过程尚未完全完成，土体的沉降将随着时间的推移而继续增加，沉降速率逐渐变小，土体不断发生固结。

极限阶段：当时间足够长时，沉降达到极限状态，沉降量不再增加，沉降速率降为零，此时的沉降为地基的最终沉降量。

5 结语

本文主要对高速公路软土地基的沉降变形的机理、特点以及变形规律进行了分析，对实际工程中对软土地基的处理有着重要的指导意义。