基于CPTU测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法

基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法
技术领域
1.本发明方法涉及基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，属于道路路基工程监测领域。


背景技术：

2.随着国民经济的快速发展，我国高速公路建设突飞猛进，实现从无到有到覆盖成网的跨越式发展。但是由于建设初期社会经济水平、技术水平和可持续思想的制约，已建成的高速公路等级较低，大多数是双向四车道，目前已不能适应交通需求的增长，迫切需要扩大道路通行能力。由于新建公路占地较大且易形成路网不均，为了解决这一问题，现阶段我国高速公路通常采用拓宽拼接的方法。为了满足经济长远发展，更多已建成的高速公路面临着提高等级的要求，尤其是主要经济干线走廊上的高速公路都需要进行扩建工程。因此，高速公路改扩建工程所面临的问题是目前我国高速公路建设亟待解决的关键问题。我国东部近海区域，高速公路沿线广泛分布深厚软弱土地基，软土软弱土地基建(构)筑物的沉降变形控制一直是工程建设的难题，国内外许多学者就软弱土地区高速公路路基沉降、建筑物地基沉降、盾构隧道开挖引起的地面沉降、基坑开挖引起的土体变形等方面进行了很多研究，给出了一些土体沉降变形预测及控制方法，但地基在经过前期的固结沉降之后，导致关键岩土设计参数如不排水抗剪强度和压缩模量显著增强，远大于新建地基土体的强度与模量。这将使得新老地基的稳定性和沉降量存在显著的区别，进而产生一系列不良后果如路基失稳和新老路基的差异沉降等，威胁高速公路的安全与使用寿命。


技术实现要素：

3.本发明提供的基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，通过使用cptu测试技术来计算新老路基差异沉降，为软土路基的处理提供重要的设计参数。本发明针新老路基差异沉降提出基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，该发明方法具有精度高、测试快、成本低廉等优点，具有良好的社会经济效益和工程应用前景。
4.本发明采用如下技术方案
5.本发明所述的基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，计算步骤如下：
6.步骤一、在测试断面选择三个cptu测试点，一个测试点在公路路面，另外两个测试点在道路两侧坡脚处；该测试断面为新路地基与老路地基交汇处；
7.步骤二、断面及土层确定：采用cptu测试参数基于土分类指数的土工程分类；该cptu测试参数包括锥尖阻力、侧壁阻力和孔隙水压力；
8.步骤三、计算道路路基荷载：根据已确定的路基填土的重度、路面扩宽宽度、道路路基边坡坡率、计算得到道路路基荷载；该道路交通荷载根据公路等级依据《公路路基设计规范》确定。
9.步骤四、计算土层压缩模量:根据步骤二中cptu测试得到的锥尖阻力、孔隙水压力
计算得到土层压缩模量；
10.步骤五、计算基础土层附加应力：根据步骤三计算得到道路路基荷载及交通荷载数据；通过道路路基荷载与交通荷载的总和乘以附加应力系数得到基础土层附加应力；
11.步骤六、计算分层沉降及总沉降：将步骤二中所得分类的土层进一步分层，该土层分层的最大厚度为2m,并计算得到土层主固结沉降值；
12.步骤七，计算新老路基差异沉降：步骤六所获得土层主固结沉降值，通过计算得到路基剩余沉降。
13.本发明所述的cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，步骤二中土类指数进行土的工程分类如下表所示：
[0014][0015][0016]
表中q
tn
为归一化锥尖阻力。
[0017]
该采用cptu测试参数进行土层划分与工程分类，土层分层界面位置的确定，应符合下列规定：孔压(u2)和孔压参数比(bq)曲线的突变点位置，应确定为土层界面；当上、下土层的锥尖阻力值相差1倍以上时，应将锥尖阻力超前深度和滞后深度的中点位置确定为土层界面；当上、下土层锥尖阻力值相差不超过1倍时，应结合摩阻比(rf)、侧壁摩阻力(fs)值确定土层界面。各分层土的孔压静力触探参数代表值，应按下列方法确定：当分层厚度超过1m，且土质较均匀时，应先扣除其上部滞后深度和下部超前深度范围的孔压静力触探参数值，计算各土层触探参数的平均值；对分层厚度不足1m的土层，软土层应取其最小值，其他土层应较大值；当各分层的曲线幅值变化时，将其划分为若干小层，按下式计算平均值；当分层曲线中遇到异常值时，应予剔除后计算平均值。
[0018]
本发明所述的cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，步骤三中压缩模量es可按下式计算：
[0019]
[0020]
式中：es——压缩模量(mpa)；
[0021]qt
——经孔压u2修正的锥尖阻力(kpa)；
[0022]
σ
v0
——总上覆应力(kpa)；
[0023]
ηe——经验系数。
[0024]
本发明所述的cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，步骤五中每层土层附加应力计算如下所示：
[0025]
最终每层土所受附加应力＝地基顶部附加应力
×
附加应力系数α，
[0026]
地基顶部附加应力＝路基自重(重度
×
路基填高)+交通荷载；
[0027]
地基顶部附加应力矩形附加应力系数如下：
[0028][0029]
地基顶部附加应力三角形附加应力系数如下：
[0030][0031]
其中：m＝x/b；n＝z/b；
[0032]
式中，x为计算地点到中心的距离，b为路面宽度。
[0033]
扩宽后老路路基需考虑：老路路基所受荷载+扩宽段路基荷载，
[0034]
拓宽后新路路基需考虑：新路路基所受荷载+抬高部分荷载。
[0035]
本发明所述的cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，步骤六中基础土层分层主固结沉降计算公式为：
[0036][0037]
式中
△
σz为附加应力，hi为计算层厚，α为附加应力系数；
[0038]
基础土层总沉降计算：
[0039]
s＝mzsi。
[0040][0041]
本发明所述的cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，步骤七中以某一点的固结系数代替整个土层的固结系数；计算公式如下：
[0042][0043][0044]
式中:tv——时间因素，无量纲；cv——竖向固结系数；t——荷载施加后的时间；h——土层的厚度，对于双面排水问题h取土层厚度一半；u
t
——土层平均固结度。
[0045]
有益效果
[0046]
本发明方法主要解决公路扩建新老路差异沉降的问题，利用cptu测试得出新老路地基土体工程特性，来计算新老路地基的沉降。在公路扩建工程中，先在老路路面进行cptu测试，然后在老路两侧坡脚处进行cptu测试，然后根据cptu测试结果计算出土层的压缩模
量及固结度，根据分层总和法计算出新老地基沉降和老路地基沉降，根据土体固结度得出未沉降量。本发明方法计算精度高，节约工程建设成本。
[0047]
本发明以测试断面三个cptu测试结果来计算新老路基土层工程特性，根据新老路基土层的工程特性计算出新老路基的差异沉降，减少了类似公路扩建新老路基差异沉降的问题，因为现场cptu测试土性参数精度高，在公路扩建设计时解决差异沉降问题，符合可持续发展的理念，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0048]
图1为本发明基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法cptu测试示意图。
[0049]
图2为本发明基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法基于土类指数的土工程分类。
[0050]
图3为本发明改扩建前路基标准横断面。
[0051]
图4为本发明改扩建后路基标准横断面。
[0052]
附图中：1-道路中线，2-原有老路路基，3.1-道路右侧扩建路基，3.2-道路左侧扩建路基，4-第一土层，5-第二土层，6.1-道路右侧附加应力分布，6.2-道路左侧附加应力分布，7.1-老路地基cptu测试孔，7.2-道路左侧新路地基cptu测试孔，7.3-道路右侧新路地基cptu测试孔。
具体实施方式
[0053]
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
如图所示：本发明基于cptu测试参数计算新老路基差异沉降的计算方法，采用如下方法；
[0055]
断面及土层确定：根据cptu数据细分土层。
[0056]
采用cptu测试参数进行土层划分与工程分类，宜结合钻探资料或当地经验确定。土层分层界面位置的确定，应符合下列规定：u2和bq曲线的突变点位置，应确定为土层界面；当上、下土层的锥尖阻力值相差1倍以上时，应将锥尖阻力超前深度和滞后深度的中点位置确定为土层界面；当上、下土层锥尖阻力值相差不超过1倍时，应结合rf、fs值确定土层界面。
[0057]
各分层土的孔压静力触探参数代表值，应按下列方法确定：当分层厚度超过1m，且土质较均匀时，应先扣除其上部滞后深度和下部超前深度范围的孔压静力触探参数值，计算各土层触探参数的平均值；对分层厚度不足1m的土层，软土层应取其最小值，其他土层应较大值；当各分层的曲线幅值变化时，将其划分为若干小层，按下式计算平均值；当分层曲线中遇到异常值时，应予剔除后计算平均值。
[0058][0059]
式中——各孔压静力触探参数层平均值；
[0060]hi
——第i小层厚度；
[0061]
——第i小层孔压静力触探参数平均值。
[0062]
采用土类指数进行土的工程分类，可按下表确定(图2)。
[0063]
表5基于土类指数的土工程分类
[0064][0065][0066]
荷载确定：依据《公路路基设计规范》确定路基荷载，既地基顶部附加荷载。
[0067]
依据《公路路基设计规范》，假设路基荷载为条形荷载，根据设计文件重度γ取19kn/m3，老路路基宽度为24.5m，边坡坡率1:1.5，路基高度结合设计文件，咨询资料，cptu现场测试情况进行统计。
[0068]
车辆荷载如下表：
[0069][0070]
公路一级车道均布荷载标准值为qk＝10.5kn/m2。
[0071]
每层压缩模量确定：据cptu测试结果，确定每层土压缩模量。压缩模量es可按下式估算：
[0072][0073]
式中：es——压缩模量(mpa)；
[0074]qt
——经孔压u2修正的锥尖阻力(kpa)；
[0075]
σ
v0
——总上覆应力(kpa)；
[0076]
ηe——经验系数，具体根据地区经验确定；若无地区经验，取值范围宜为3～8。本计算中取值为中间值：5.5。
[0077]
黏性土压缩模量可按下式进行计算：
[0078][0079][0080]
式中：es——100～200kpa荷载级别的压缩模量；
[0081]qn
——净锥尖阻力(mpa)。
[0082]
对于砂性土，压缩模量可按下式进行计算。
[0083]es
＝4.0q
t
(q
t
≤10mpa)
[0084]es
＝2.0q
t
+20(10mpa≤q
t
≤50mpa)
[0085]es
＝120mpa(q
t
》50mpa)
[0086]
式中：q
t
——经孔压u2修正的锥尖阻力(kpa)
[0087]
两种规程的es均予以计算，取平均值进行后续计算。
[0088]
附加应力系数及平均附加应力确定：基于上部荷载以及查表所得附加应力系数，计算每层土所受附加应力。具体如下：
[0089]
一般路段如下：
[0090]
新路路基：土层附件应力＝α[路基荷载19
×
3.1(路基荷载)+10.5(交通荷载)]；
[0091]
扩宽后老路路基：老路路基+扩宽路基＝α(路基荷载19
×
3.1(路基荷载)+10.5(交通荷载))+α(路基荷载19
×
3.1(路基荷载)+10.5(交通荷载))；
[0092]
原老路路基：老路路基+扩宽路基＝α(路基荷载19
×
2.7(路基荷载)+10.5(交通荷载))；
[0093]
桥头段如下：
[0094]
新路路基：土层附件应力＝α(路基荷载19
×
3.8(路基荷载)+10.5(交通荷载))
[0095]
扩宽后老路路基：土层附件应力＝老路路基+扩宽路基＝α(路基荷载19
×
3.8(路基荷载)+10.5(交通荷载))+α(路基荷载19
×
3.8(路基荷载)+10.5(交通荷载))
[0096]
原老路路基：土层附件应力＝老路路基+扩宽路基＝α(路基荷载19
×
3(路基荷载)+10.5(交通荷载))
[0097]
分层沉降及总沉降确定，第i层土主固结沉降计算公式为：
[0098][0099]
第i层土总沉降计算：
[0100]
s＝mzsiꢀꢀꢀ
(11)
[0101]
其中，mz为沉降系数
[0102]mz
＝0.123γ
0.7
(θh
0.2
+v0)+y
ꢀꢀꢀ
(12)
[0103]
θ-地基处理类型系数，地基用塑料排水板处理时取0.95～1.1，用粉体搅拌桩处理时取0.85；一般预压时取0.90；
[0104]
h-路堤中心高度(m)；
[0105]
γ
–
填料重度(kn/m3)
[0106]v–
加载速率修正系数，加载速率在20～70mm/d之间时，取0.025；采用分期加载，速率小于20mm/d时取0.005；采用快速记载，速率大于70mm/d时取0.05；y-地质因素修正系数，满足软土层不排水抗剪强度小于25kpa、软土层的厚度大于5m、硬壳厚度小于2.5m三个条件是，y＝0，其他情况下可取y＝-0.1。
[0107]
通过下表：
[0108][0109]
基于cptu孔压消散试验确定固结度
[0110]
在cptu测试过程中，在软土层停止贯入并实时测量其孔压消散过程可以获得黏性土的固结系数，在已知土层竖向固结系数后，可根据下式计算某一时刻土层的固结度。
[0111][0112][0113]
式中:tv——时间因素，无量纲；
[0114]cv
——竖向固结系数；
[0115]
t——荷载施加后的时间；
[0116]
h——土层的厚度，对于双面排水问题h取土层厚度一半。
[0117]
由于该方法计算的是地基土层中某一点的固结系数，是以一点的固结系数代替整个土层的固结系数，且缺少孔压消散数据的土层无法计算。因此该方法计算结果作为第二种方法的参考验证。
[0118]
基于抗剪强度增长确定固结度
[0119]
在地基土体排水固结的过程中，地基土的抗剪强度随着时间的增长而不断增加。
软土地基在附加荷载作用下，地基固结后的不排水抗剪强度增长可由下式计算：
[0120][0121]
式中:δsu——不排水抗剪强度增长量；
[0122]
——土层平均固结度；
[0123]
σz——地基中某点深度z的垂直向附加应力；
[0124]
c0——地基强度随深度增长线在地面上的截距；
[0125]
λ——地基强度随深度增长线的斜率；
[0126]
γ——土体天然重度。
[0127]
利用上式，假设新路的不排水抗剪强度和老路施工前的不排水抗剪强度相同，则新老路基土的不排水抗剪强度增量可以认为是δsu，据此反算老路路基土的平均固结度。由于cptu对于不排水抗剪强度的测量是连续的，因此该方法可用于评价整个断面软土层的固结度。
[0128]
实施例一
[0129]
以k1+200断面和k57+300断面为例，进行沉降分析计算。其断面基本信息及相关参数如下表所示，其中土层位置信息取cptu测试值，勘察资料压缩模量取最近钻孔数据。
[0130]
断面k1+200沉降计算
[0131]
断面k1+200新路总沉降(一般路段)
[0132][0133][0134]
土层沉降计算与监测资料对比
[0135]
基于以上计算结果，依据cptu所测试估算的固结度计算：
[0136]
断面k1+200(一般路段)已沉降168.09*1.2mm，未沉降167.41*1.2mm，总沉降335.5mm*1.2；
[0137]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。