本發明屬于公路路基施工
技術領域：
，具體涉及一種低填淺挖路基的承載力的預測方法。
背景技術：
：隨著我國社會生產力的進步，公路建設快速發展。2014年底，我國公路里程總數達到446萬公里。伴隨公路建設規模的增大，技術人員面對的施工環境越來越復雜，道路建設完成后的使用質量也愈來愈受到人們的關注。為了保證行車的安全性及舒適性，路基路面結構必須保證良好的承載能力、穩定性、耐久性、表面平整度和表面抗滑性能。而其中，對路面結構起支撐作用的路基，由于本身填筑材料強度較差(主要是土)，又由于相比路面結構而言，工程技術人員重視程度不高，所以更容易出現強度和穩定性不足的問題。路基結構包括上部填土和下部的天然地基，這兩部分都影響路基整體的強度和穩定性，但在不同的路基斷面形式下，上部填土和天然地基對路基整體的強度影響并不同。填土高度較高的路堤，經過充分的機械壓實和自重沉降作用，填土具備較高強度。車輛荷載反復作用于路面的時候，傳遞到天然地基處荷載應力值很小，造成天然地基變形較小，所以不會導致路基產生較大變形。而較深的路塹結構，其底部常年累月受到上部土體自重作用，強度較高，可以承受較大荷載應力，不會削弱上部路基結構的強度和穩定性。但是，針對低填淺挖路基結構而言，傳遞到天然地基的荷載應力值較大。若天然地基強度較低，造成地基在荷載作用下產生較大變形，使得路基整體的強度和穩定性受到影響，導致路基竣工驗收的時候，某些檢測指標不能達到要求。路基施工完成后質量檢測評定時有兩項重要指標，壓實度和路基頂面彎沉值。這兩項指標，對于確保路基的實際工程質量，具有不可忽視的意義。《公路工程質量檢驗評定標準》(JTGF80/1—2004)中規定，壓實度和彎沉值為涉及到路基結構安全和使用功能的關鍵實測項目，檢測必須保證不低于90％的合格率，而且檢測值不能大于規定的極限值，否則必須返工。而路基結構主要包括上部填土和下部的天然地基，在上部填土強度容易保證的情況下，下部天然地基由于缺少事先判斷其承載力的方法，又缺乏承載力不足時的處治依據，很容易造成對天然地基不處理或盲目處理。導致實際工程中，出現路基交工驗收時壓實度滿足要求而彎沉值不滿足要求的情況。此時，不得不返工，不僅拖延了工期，而且浪費了資金。在路基施工之前，對填土高度較低的路基結構承載力進行判斷；并研究路基承載力不足時，如何科學的選擇處治措施，而不是根據技術人員的經驗來主觀判斷。這樣不僅可以有效的避免路基建成后返工的情況，而且可以防止對路基進行過度的處治，節省時間和成本，保證道路工程質量。因此，對于低填淺挖路基，需要一種預測方法在施工前進行承載能力的預測。技術實現要素：本發明的目的提供一種低填淺挖路基的承載力的預測方法，該方法是對低填淺挖路基的承載力事先判斷，從而確定是否對天然地基進行處理，避免了建成后的返工的情況，也防止了對路基進行過度處治，從而保證了工程質量。為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：一種低填淺挖路基的承載力的預測方法，包括以下步驟：1)低填淺挖路基的承載力特性分析；2)利用彈性層狀體系理論建立低填淺挖路基的承載力預測模型；3)根據填土回彈模量、填土高度和天然地基回彈模量的變化，計算路基頂面的回彈彎沉值；4)判斷低填淺挖路基的承載能力。本發明進一步的改進在于：所述步驟2)的具體方法如下：2-1)計算時假設土體為均質土體，泊松比u為定值，其他參數如下：低路堤模型包括兩個結構層；第一層為填土層，回彈模量E0，填土高度h0；第二層為天然地基，是無限大的彈性半空間體，回彈模量為E2；若天然地基采取處治措施，則低路堤模型包括三個結構層；第一層為填土層，回彈模量E0，填土高度h0；第二層為處治層，處治后回彈模量為E1，處治深度為h1；第三層為無限大的彈性半空間地基，回彈模量為E2；淺挖路塹模型只包含一個層位，為天然地基，回彈模量為E2；對淺挖路塹采取處治措施后，模型中包含兩個結構層；第一層為處治層，E1與h1分別代表經過處治后的地基回彈模量與處治深度；第二層為無限大的彈性半空間地基，回彈模量為E2；2-2)確定上述參數之后，利用BISAR軟件進行路基頂面彎沉值的計算。所述步驟3)中，對于低填路基，根據填土的回彈模量E0、填土高度h0和天然地基模量E2計算路基頂面的回彈彎沉值；對于淺挖路塹，根據彈性半空間地基回彈模量E2計算路基頂面的回彈彎沉值。所述步驟4)中，利用BISAR軟件進行路基頂面彎沉值的計算，對于低路堤，引入修正系數，將理論彎沉值換算為實際彎沉值，將實際彎沉值與竣工驗收彎沉值比較，來判斷其承載能力；對于淺挖路塹，通過貝克曼梁測試回彈彎沉值，與路基竣工驗收彎沉值比較，來確定淺挖路塹的承載力情況；用于驗證預測方法的可靠性。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明利用彈性層狀理論體系建立低填淺挖路基的承載力的預測模型，根據天然地基回彈模量、填土回彈模量及填土高度的變化，計算路基頂面的彎沉值，對路基的承載力進行預測，這種預測方法可以事先判斷低填淺挖路基的承載力是否滿足要求，從而可以避免路基在交驗時出現壓實度滿足要求而彎沉值不滿足要求的情況。本發明提供的設計方法，數據準確可靠，易于實現，具有非常良好的推廣價值。進一步的，本發明的設計方法依托實際工程，并在實體工程上的得到了良好的應用，其合理性、可靠性和實用性均得到了驗證。【附圖說明】圖1-1為低路堤示意圖；圖1-2為淺挖路塹示意圖；圖2為彈性層狀體系示意圖；圖3-1為低路堤計算模型；圖3-2為不同參數與彎沉值關系圖；圖3-3為淺挖路塹計算模型。【具體實施方式】下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：參見圖1-圖3，本發明低填淺挖路基的承載力的預測方法，包括以下步驟：1)低填淺挖路基的承載力特性分析1-1)低路堤的承載力特性路基填土高度小于路基彎沉檢測影響深度范圍的路基結構叫做低路堤。如圖1-1所示，低路堤包括兩部分：人工填土和天然地基。由于填土高度小于路基彎沉檢測影響深度，故其下部分天然地基進入路基彎沉檢測影響深度范圍。所以填土和天然地基對路基整體強度和穩定性都有影響，兩部分土體強度均需要滿足路基彎沉檢測影響深度范圍內土體的強度要求。人工填土經過機械壓實后，壓實度達標，強度較大，但低路堤天然地基承載能力較小，在車輛荷載產生的附加應力作用下，天然地基會產生較大變形，影響路基彎沉檢測結果，導致路基檢測時出現壓實度滿足要求而彎沉值不滿足要求的情況。而且，填土高度越小，天然地基進入路基彎沉檢測影響深度的部分就越大，天然地基對路基彎沉值檢測的影響也就越大。此時，若天然地基強度不足，就越容易引發路基壓實度滿足要求而彎沉值不滿足要求的情況。1-2)淺挖路塹的承載力特性天然地面開挖到基底高度之后，將基底處治整平，作為挖方路基結構。如圖1-2所示，路基彎沉檢測影響深度范圍內包括基底，此時，車輛荷載產生的附加應力對基底影響很大，若基底承載力不滿足路基彎沉檢測影響深度范圍內土體的強度要求，會導致基底在荷載應力作用下產生較大變形，將會直接影響路基彎沉檢測結果，導致出現路基竣工驗收時壓實度滿足要求而彎沉值不滿足要求的情況。所以，天然地基土體應該滿足路基彎沉檢測影響深度范圍內土體的強度要求。淺挖路塹基底部分的土體，承受上部土體自重作用較小，基底土體強度較低，不滿足路基彎沉檢測影響深度范圍內土體要求。此時，基底土體影響了路基彎沉檢測結果，會導致路基竣工驗收時出現壓實度滿足要求而彎沉值不滿足要求的情況。2)利用彈性層狀體系理論建立低填淺挖路基的預測模型2-1)彈性層狀體系對低填淺挖路基的適用性低路堤主要包括填土和下部的天然地基，這構成了一個雙層體系。若低路堤地基需要進行處治，那么，尚需要考慮采取了處治措施之后的處治層。這樣，就形成了三層體系。考慮到行車荷載作用時間極短，在道路結構中產生的塑性變形可忽略不計，所以，可以將這樣的層狀體系結構視為線彈性體。淺挖路塹的主要組成部分是基底以下的天然地基，這可以看成一個無限大的彈性半空間體。若基底需要進行處治，那么，尚需要考慮采取了處治措施之后的處治層。這樣，就形成了雙層體系。考慮到荷載作用下道路結構中產生的彈性變形占總體變形比例較大，所以，可以將這樣的層狀體系結構視為線彈性體。這樣模擬路基頂面彎沉值計算，考慮運用彈性層狀體系理論，如圖2彈性層狀體系示意圖。2-2)彈性層狀理論體系的假設將低填淺挖路基比擬為彈性層狀體系，在計算時需要進行如下假設：(1)各結構層是連續、均勻、各向同性的完全彈性體，只產生微小的位移和形變；(2)彈性半空間體水平與垂直方向為無限大，其上各層有一定厚度，水平方向為無限大；(3)各層水平方向無限遠處和彈性半空間體無限深處，沒有應力、形變和位移；(4)層間接觸有兩種情況，對于連續體系位移完全連續，滑動體系層間僅豎向應力和位移連續且無摩阻力；(5)不計自重。2-3)建立模型時參數的選取根據彈性層狀體系理論計算低填淺挖路基承載力時，路基結構層組成不同，選取計算參數也不同。計算時假設土體為均質土體，所以泊松比μ取定值，為0.35。其他參數如下：低路堤模型包括兩個結構層。第一層為填土層，回彈模量E0，填土高度h0；第二層為天然地基，是無限大的彈性半空間體，回彈模量為E2。若天然地基采取處治措施，則低路堤模型包括三個結構層。第一層為填土層，回彈模量E0，填土高度h0；第二層為處治層，處治后回彈模量為E1，處治深度為h1；第三層為無限大的彈性半空間地基，回彈模量為E2。淺挖路塹模型只包含一個層位，為天然地基，回彈模量為E2。對淺挖路塹采取處治措施后，模型中包含兩個結構層。第一層為處治層，E1與h1分別代表經過處治后的地基回彈模量與處治深度；第二層為無限大的彈性半空間地基，回彈模量為E2。3)根據填土回彈模量、填土高度和天然土基回彈模量的變化，計算路基頂面的回彈彎沉值。3-1)低路堤計算參數的選取根據彈性層狀體系理論，低路堤模型包括兩個結構層。如圖3-1所示a)填土回彈模量E0填土回彈模量E0有別于路基設計回彈模量。然而，在路基回彈模量實際測量過程中，承載板檢測點位位于填土頂部，測量得到的路基回彈模量值可近似看做填土回彈模量E0，所以，可以利用路基設計回彈模量來代替填土回彈模量E0。鑒于本模型建立在黃土路基受力狀態基礎上，理想的數據宜是選取試驗段進行試驗或者依據前人對黃土路基的測試結果選取需要的參數。由于條件不足，進行試驗段測試困難，故選擇參考前人試驗成果，同時也選擇黃土地區數條有代表性的高等級公路進行實測，通過現場承載板試驗、FWD和貝克曼梁測彎沉值試驗實測路基回彈模量，并建立了三者之間的相關關系。通過對數據較全面的分析后，確定黃土地區路基回彈模量取值介于35MPa～71MPa(保證率97.7％)之間，故取填土回彈模量E0取值介于35MPa～71MPa之間。b)填土高度h0低路堤碾壓層高度h0的大小，主要取決于路基彎沉檢測影響深度H。若h0>H，填土厚度大于路基彎沉檢測影響深度，天然地基沒有進入路基彎沉檢測影響深度范圍，對路基彎沉值檢測影響較小。若h0<H，天然地基進入路基彎沉檢測影響深度范圍，對路基彎沉值檢測影響較大。所以，低路堤碾壓層高度h0取值范圍小于路基彎沉檢測影響深度H。土基模量的變化會引起路基彎沉檢測影響深度H的改變。根據彈性層狀體系理論，分析計算標準軸載作用下公路對應不同土基回彈模量時道路路基彎沉檢測影響深度H。確定出此時的路基彎沉檢測影響深度H介于2.0～2.2m之間。所以碾壓層填土高度h0的取值宜小于2.0～2.2m。c)天然地基回彈模量E2根據實際工程中測試得到的數據，確定天然地基回彈模量取值范圍為15～30MPa。3-2)低路堤彎沉的計算(1)彎沉綜合修正系數現行規范采用彈性層狀體系理論進行道路設計，該理論假設道路結構層是完全彈性體，不會發生塑性變形，而且是均勻、各向同性且連續的。但是實際上道路結構在汽車荷載的作用下，發生的不止是彈性變形，也包括一部分塑性變形。在荷載作用下的應力應變曲線通常并不是線性的，其回彈模量具有應力依賴性，這就不符合虎克定律的要求。此外，彈性層狀體系下荷載作用方式和不同結構層接觸條件與現實公路中的情況并不一致。所以，由理論得到的計算彎沉值和實際檢測得到的彎沉值并不相同。國外在研究修正彈性層狀體系理論時，主要出發點是材料在荷載作用下應力應變關系的非線性變化，通過三軸試驗反復加載確定試驗對象回彈模量與主應力之間的關系。并利用這種經驗關系，通過電子計算機應用迭代的方法確定回彈模量。也就是先假定一個模量值，然后計算出應力，接著再將上一步計算得到的應力帶入經驗關系式中得到模量，連續重復這樣的過程，直到計算得到的模量和假定的相等。此后，再進行應力和位移的計算。利用上述研究進行彈性層狀體系理論的修正，主要優勢是概念較為清楚，但由于它需要計算機計算和三軸重復加載試驗機試驗，而國內條件受到限制，沒有采用。國內研究修正彈性層狀體系理論，通過引入一個系數F修正理論計算彎沉值。ls＝lL×F(3-1)式中：ls為實際彎沉值(0.01mm)；lL為理論彎沉值(0.01mm)；F為彎沉綜合修正系數；p為BZZ—100作用下輪胎接地壓力，取0.7MPa；d為當量圓直徑，取21.3cm；E為地基回彈模量(MPa)。(2)彎沉值計算選定參數之后，需要確定各參數的水平。因為計算最終目的是確定填土高度h0變化對路基承載力的影響規律，所以，水平劃分不宜過少，較少的水平劃分導致計算結果較少，不能清晰反映填土高度h0變化對路基承載力的影響規律。水平劃分也不宜過多，使計算過于復雜。借鑒前人的研究思路，最后確定取四個水平。表3.1試驗因素水平設計表在路基承載力計算時，有兩種不同的計算方法，包括全面試驗法和正交試驗法。在輸入、輸出數據過多，無法對整體情況進行全面試驗時，人們采用正交試驗指導測試。正交試驗設計根據Galois理論導出正交表，從不同的試驗組合中挑選出合適的、有代表性的組合合理地安排試驗。這種試驗安排有均勻分散、整齊可比的特點。全面試驗設計則是對所有因素的全部水平進行遍歷，雖然由于因素數量和因素包括的水平數量的增加，試驗組數會較大，但其對各因素與試驗指標間的關系剖析較為清楚。本發明主要考慮填土高度h0變化對路基承載力的影響規律，采用正交試驗法得出的規律并不明顯，所以采用全面試驗設計。低路堤彎沉值計算涉及到的參數主要包括填土回彈模量E0、填土高度h0和天然地基回彈模量E2。故進行全面試驗設計時，考慮E0、h0和E2這3個因素，每個因素各設定4個水平，如表3.1所示。計算過程中，理論計算彎沉值lL通過修正之后，得到ls。表3.2填土回彈模量40MPa時彎沉值表3.3填土回彈模量50MPa時彎沉值表3.4填土回彈模量60MPa時彎沉值表3.5填土回彈模量70MPa時彎沉值(3)數據分析對上述數據進行分析之后，從其中選出具有代表性的16組數據，運用正交分析的方法，得出不同參數對路基頂面彎沉值的影響程度。表3.6路基頂面回彈彎沉值正交試驗表依據上述數據，計算不同參數同一水平的水平和，并求得水平均值。考慮到分析不同參數對彎沉值的影響程度，需將不同參數建立在同一坐標系中。如圖3-2所示，隨著填土回彈模量、填土高度和天然地基回彈模量的增加，路基頂面彎沉值均有不同程度的下降。填土回彈模量、填土高度曲線變化明顯，可知填土回彈模量與填土高度對路基彎沉值結果影響較大，而天然地基回彈模量曲線變化范圍較小，對路基彎沉值結果影響較小。(4)低路堤臨界填土高度的確定低路堤結構中，隨著填土回彈模量、填土高度和地基土回彈模量的變化，計算得到的路基頂面彎沉值也在不斷變化。其中，當計算得到的路基頂面彎沉值小于路基竣工驗收彎沉值時，路基承載能力達到設計要求，不需要對地基進行處治；當計算得到的路基頂面彎沉值大于路基竣工驗收彎沉值時，說明路基承載能力不滿足設計要求，需要對天然地基進行處理。所以，將計算彎沉值ls與路基竣工驗收彎沉值l0進行比較，判斷路基承載能力不滿足要求的情況。表3.7填土回彈模量40MPa計算結果比較表3.8填土回彈模量50MPa計算結果比較計算組數12345678計算彎沉ls432.6367.5325.6296.0271.7255.5246.2240.7驗收彎沉l0237.3237.3237.3237.3237.3237.3237.3237.3ls-l0195.3130.288.358.734.418.28.93.4計算組數910111213141516計算彎沉ls226.0223.3222.8223.9206.0208.3211.9216.0驗收彎沉l0237.3237.3237.3237.3237.3237.3237.3237.3ls-l0-11.3-14.0-14.5-13.4-31.3-29.0-25.4-21.3表3.9填土回彈模量60MPa計算結果比較計算組數12345678計算彎沉ls399.3338.1298.2270.3236.2220.2210.5204.4驗收彎沉l0200.0200.0200.0200.0200.0200.0200.0200.0ls-l0199.3138.198.270.336.220.210.54.4計算組數910111213141516計算彎沉ls191.3186.8185.2185.0171.0171.5173.4176.0驗收彎沉l0200.0200.0200.0200.0200.0200.0200.0200.0ls-l0-8.7-13.2-14.8-15.0-29.0-28.5-26.6-24.0表3.10填土回彈模量70MPa計算結果比較以填土回彈模量40MPa時的彎沉值計算為例，當天然地基回彈模量一定時，隨著填土高度的增加，計算得到的路基頂面彎沉值逐漸減小。在0.7～1.1m范圍內，路基頂面彎沉值從大于路基竣工驗收彎沉值，轉變為小于路基竣工驗收彎沉值。此時，為了更明確變化界限，試算填土高0.8m、0.9m和1.0m時的彎沉值，最終確定若路基設計回彈模量為40MPa，天然地基回彈模量為15MPa時，填土高度增加到1.0m，路基頂面彎沉值由不滿足要求轉變為滿足要求，故將此時的1.0m定義為臨界填土高度。同理，分析其他情況下臨界填土高度的數據，得表3.11。表3.11低填臨界填土高度匯總表3-3)淺挖路塹計算參數的選取根據彈性層狀體系理論，淺挖路塹模型只包含一個層位，為無限大的彈性半空間地基，回彈模量為E2，如圖3-3所示3-4)淺挖路塹彎沉值的計算淺挖路塹是否需要進行處治，主要取決于基底回彈模量是否達到路基設計回彈模量。當基底回彈模量小于路基設計回彈模量時，就需要對地基進行處治，反之則不需要。而公路上采用檢測回彈彎沉值來檢驗路基回彈模量，故可通過貝克曼梁測試回彈彎沉值，與路基竣工驗收彎沉值進行比較，來確定淺挖路塹承載力情況。路基竣工驗收彎沉值可以參照式(3-4)換算：式中：E0為土基回彈模量(MPa)；l0為路基頂面實測彎沉值(0.01mm)；當土基回彈模量為40MPa時，對應彎沉值為292.5(0.01mm)，故淺挖路塹基底實測彎沉值大于292.5(0.01mm)時，就需要進行處治。同理，針對不同路基設計回彈模量，計算出其對應彎沉值。由于路基設計回彈模量取值多樣，所以，僅列出較常見的設計回彈模量下對應彎沉值，如表3.12所示：表3.12設計回彈模量對應路基竣工驗收彎沉值設計回彈模量(MPa)路基竣工驗收彎沉值(0.01mm)40292.550237.360200.070173.04)判斷低填淺挖路基的承載能力4-1)低路堤承載力的判斷實際施工過程中，可以參考表3.11預測某路段的路基承載力。技術人員可以通過查閱設計文件確定該路段路基回彈模量E0，然后，通過對天然地基進行檢測，確定天然地基回彈模量E2。此時，查閱表3.11，根據已知的E0和E2，確定此時的臨界填土高度。然后查閱設計文件，確定該路段設計填土高度。比較設計填土高度與表中給出的臨界填土高度，若設計填土高度小于表中所列臨界填土高度時，預測路基承載能力不滿足要求，需要采取處治措施，反之則滿足。4-2)淺挖路塹承載力的判斷淺挖路塹是否需要進行處治，主要取決于基底回彈模量是否達到路基設計回彈模量。而公路上采用回彈彎沉值來檢驗路基回彈模量，故可以將測試基底回彈模量轉化為測試基底彎沉值，與路基竣工驗收彎沉值對比。當淺挖路塹基底實測彎沉值大于路基竣工驗收彎沉值時，說明路基承載力不滿足要求，就需要進行處治。不同路基設計回彈模量對應的彎沉值，可以參考表3.12。以上內容僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明權利要求的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3