CN103215914B - 堤身沉降控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种堤身沉降控制方法，包括以下步骤：在施工前计算地基最终沉降量(S)；在施工过程中，通过爆炸置换对软基进行处理；以及在爆炸置换处理完成后，通过在原堤身设计高度的基础上增加抛填超高，来进行超高抛填，其中，根据所计算出的所述地基最终沉降量和堤身压缩量来计算抛填超高。

Description

堤身沉降控制方法

技术领域

本发明涉及一种堤身沉降控制方法，可以适用于堤身落底结构，也适合于“悬浮式”斜坡堤。

背景技术

近二十年来，爆炸置换法处理软基技术在全国已得到大规模应用，在工程实践中，本发明人解决了"悬浮式"斜坡堤结构堤身的设计和施工问题，在大厚度软基上建成了海堤，在多个倾斜的海岸滩涂上做成了(围堤)护岸堤，在高灵敏的软基上采用爆炸处理软基技术筑堤成功；同时，在理论上提出了控制加载爆炸挤淤置换法(中国专利No.03119314.5)，在施工方法上总结出了控制加载爆炸挤淤置换施工工法(YJGF100-2006)，在规范制定上参与完成了海堤工程爆炸置换法处理软基技术规范(DB33/T839—2011)。

但在理论研究和设计计算方法上落后于工程实践，其原因在于一方面爆炸处理软基技术难于在实验室模拟，虽然有很多理论研究文章，但基本上不能用于直接指导设计和施工；另一方面是参与施工实践的工程人员没把发现的问题提炼到理论高度，还只停留在经验的层面上。

海堤地基处理设计和施工的成败的关键是堤身的稳定和沉降控制。稳定计算仍然采用圆弧滑动法。虽然认为对堤身下卧土层为较厚软土的堤身结构，结构安全的控制因素是承载力而不是稳定性，但基于堤身结构的稳定和承载力计算的理论基础均为土的极限平衡理论，只是土的滑移线(破坏面)形状有差异，因此，只要安全系数选取合适，经验较多，斜坡式海堤统一采用圆弧滑动法计算是可以的，这在很多工程中得到实际验证。

但对于堤身沉降，尤其是“悬浮式”斜坡堤的堤顶沉降，还没有合适的办法进行计算和控制。现在一般采用“分层总和法”计算沉降，并认为计算得出的大部分沉降均在施工期结束。但是实际上，堤身沉降一般应包括堤身下卧土层的固结、土体的侧向挤压变形和堤身自身的压缩三部分。

土层的固结例如可以通过“分层总和法”计算，但这种计算是建立在原状土的物理力学指标和堤身静载荷情况下的，而爆炸置换法处理软基施工对土层有多种作用效果，也受较多因素影响，在沉降计算中这些因素难于准确估计。

土体的侧向挤压变形例如与土的物理力学性质有关，也与堤身稳定计算所取的安全系数大小有关。

堤身自身压缩和抛填料的粒径及含泥砂量大小关系很大，更要考虑波浪、水流等影响因素，以及堤顶的工程活动。后两项是在计算中无法准确估计的，可以通过施工时的控制和监测予以解决。

现有技术中还没有提出对堤身的沉降进行控制的方法，以及加以预测的可操作和可靠的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种对堤身的沉降加以控制的方法。本发明目的还包括提供一种对堤身的沉降加以计算的可操作并可靠的方法。

本发明提供了一种堤身沉降控制方法，包括：在施工前计算地基最终沉降量(S)；在施工过程中，通过爆炸置换对软基进行处理；以及在爆炸置换处理完成后，通过在原堤身设计高度的基础上增加抛填超高，来进行超高抛填，其中，根据所计算出的所述地基最终沉降量和堤身压缩量来计算抛填超高。

根据本发明的堤身沉降控制方法，抛填超高ΔH_d可以由以下表达式表示：ΔH_d＝AS+BH_d，其中，S为所计算出的所述地基最终沉降量，H_d为堤身设计总厚度，A的取值范围是0.2到0.4并且B的取值范围是0.01到0.03。BH_d可以反映堤身压缩量。

根据本发明的堤身沉降控制方法，还可以包括以下步骤：在超高抛填完成之后，观测堤顶沉降量与时间的关系，对所得到的数据进行数据分析和曲线拟合，根据拟合得到的曲线计算沉降速率以及施工后沉降量，其中，按照以下曲线表达式对所述所得到的数据进行曲线拟合，

$S_i=S_0+\frac{t_i-t_0}{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}(t_i-t_0)}$

其中，t₀、S₀分别为拟合计算起点处的参考点的观测时间和沉降值，t_i、S_i分别为拟合曲线上任意点的时间和与之对应的沉降值，α、β分别为根据实测值求出的参数。

根据本发明的技术方案，能够可靠地对堤身的沉降加以计算，进而进行控制。根据计算值，可确定超高抛填之后的工程(例如护面工程)的合理施工时间。如果所计算出的施工后沉降值满足预定条件，则进行之后的工程。如果施工后沉降值不满足预定条件，则进行补抛达到一定的超高量后再进行护面施工，其中根据预测的最终沉降量来确定补抛的量，预定条件例如包括规范规定或设计值要求以及它们的组合等。如在沉降尚未结束时进行堤身护面(路面)施工，则可以预留沉降量，使得不致因施工后沉降使堤顶降低造成使用期堤坝的防浪设防标准降低。

下面通过列举实施例并结合附图，对本发明的特征和优点作进一步地说明。

附图说明

图1是表示沉降量与观测时间的关系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例进行详细地说明。海堤堤身沉降测量最方便和适用的方法是测量堤顶沉降。下文中，以堤顶沉降举例来说明堤身沉降的控制方法。

本发明通过施工前的估算以及施工时的控制来控制堤顶沉降。以下的实施例介绍了堤顶沉降的估算和控制方法。

<施工前计算>

首先，在施工前计算堤身下卧土层的固结，即，计算地基沉降量。根据设计和施工需要，可以采用各种计算方法。作为示例，在本实施例中，根据土工计算原理采用“分层总和法”，计算地基最终沉降量S。

计算时应先按基础荷载、基底形状和尺寸以及土的有关指标确定地基沉降计算深度，且在地基沉降计算深度范围内进行分层，然后计算基底附加应力，各分层的顶、底面处自重应力平均值和附加应力平均值。之后，在本实施例中采用以下公式来计算地基最终沉降量S：

$S=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;S}}_i=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_i{H}_i$ (公式1)

式中ΔS_i为第i分层的压缩量；ε_i为第i分层土的压缩应变，并且H_i为第i分层土的厚度(米)。

其中，第i分层土的压缩应变ε_i具有以下表达式

${\mathrm{\&epsiv;}}_i=\frac{e_{1i}-e_{2i}}{1+e_{1i}}=\frac{a_i(p_{2i}-p_{1i})}{1+e_{1i}}=\frac{{\mathrm{\&Delta;p}}_i}{E_{si}}$ (公式2)

其中，e_1i为根据第i层的自重应力平均值p_1i从土的压缩曲线上得到的相应的孔隙比；e_2i为与第i层的自重应力平均值p_1i和附加应力平均值Δp_i之和p_2i相对应的孔隙比；并且a_i和E_si为第i分层的压缩系数和压缩模量。此外，第i层的自重应力平均值p_1i＝(σ_ci+σ_c(i-1))/2，并且第i层的附加应力平均值Δp_i＝(σ_Zi+σ_Z(i-1))/2，其中σ_ci和σ_c(i-1)为第i层底面处和顶面处的自重应力(kPa)，并且σ_Zi和σ_Z(i-1)为第i层底面处和顶面处的附加应力(kPa)。

将公式2结合到公式1中，可以得到

$S=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{e_{1i}-e_{2i}}{1+e_{1i}}{H}_i=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{a_i(p_{2i}-p_{1i})}{1+e_{1i}}{H}_i=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{\&Delta;p}}_i}{E_{si}}{H}_i$ (公式3)

因此，根据公式3中的各个等式，可以分别计算出地基最终沉降量S(米)。

<施工时控制施工后沉降的方法>

在施工前的计算完成之后，根据设计要求进行爆炸置换法处理软基施工。

之后，如上文中所述的，在爆炸置换法处理软基施工的影响结束后，正常情况下堤身落底深度达到了设计位置，但堤顶的沉降除要发生的固结沉降外，还有土的侧向变形以及加载情况不同的影响，同时要考虑堤身自身压缩变形的效果。为保证堤身最终满足设计和使用要求，更重要的是减少堤顶重复加载造成的地基沉降的影响。在本实施例中，例如在爆炸处理完成后的堤身断面采用超高抛填。通过在原堤身设计高度的基础上增加抛填超高，来计算施工的抛填高度。抛填超高ΔH_d按下式计算：

ΔH_d＝AS+BH_d(公式4)

公式4中，ΔH_d为爆炸影响完成后堤身超高抛填量，S为上文中根据“分层总和法”计算的地基最终沉降量。H_d为堤身设计总厚度，也就是堤身底部到顶部的高度。特别地，当堤身落在基岩上时，S＝0。公式4右侧中的第二项(即，BH_d)反映了堤身压缩量。

公式4中，A的范围是0.2～0.4并且B的范围是0.01～0.03。A和B的具体取值与海堤填料的材质、尺寸、等级、该部位的成堤时间长短以及软土地基的物理力学性质等因素有关。例如，若堤身下卧土层强度高和/或堤身稳定安全系数大，则A取小值，反之A取大值。例如，若抛填石料质量好和/或堤身由于堤身抛填施工时抛填汽车载重大而经过重载汽车压实，则B取小值，反之B取大值。

除上述因素外，选择数值的具体依据或方法还应考虑工程的重要性和造价等因素，并根据数据分析及现场情况和经验来定。

超高抛填的目的例如包括：解决堤头爆炸结束后堤身安全稳定系数可能还不够的问题；避免堤顶下沉后高度比设计低需要补抛造成堤身重复加载。通过超高抛填，可以控制堤身沉降量，有效地减小堤身沉降量并缩短沉降时间这对“悬浮”式堤身结构是非常重要的，既可减少施工工程量，更可以降低下卧土层压缩量。

在本实施例中，还可以包括施工后堤顶沉降量观测及数据处理和计算。上述计算的固结沉降量和超高抛填量是一个预估的值，实际的堤顶沉降因素要复杂得多，堤顶沉降观测可以综合反映土-堤-爆炸的综合作用结果。

爆炸处理软基完成后，在堤顶每25～50米设置一个沉降观测点，沉降的观测频率根据堤顶沉降速率安排，在开始半个月按1～3天观测一次，下一个月6～8天观测一次，接下来的一个半月每12～18天观测一次，三个月以后可以根据沉降情况安排更大的间隔时间，但观测的有效次数应不少于15次，以便于数据统计。

在沉降观测数值表明堤顶沉降速率趋缓后，可以进行堤顶沉降趋势推断和进行堤顶施工后预留值确定。将沉降观测数据(t_i，S_i)(i＝0，1..，m)按下式

$S_i=S_0+\frac{t_i-t_0}{\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}(t_i-t_0)}$ (公式5)

进行数据分析和曲线拟合，拟合曲线一般采用最小二乘法。式中：t₀、S₀分别为实测值拟合计算起点处的参考点的观测时间和沉降值；t_i、S_i分别为拟合曲线上任意点的时间和与之对应的沉降值；α、β分别为根据实测值求出的参数。图1为拟合后得到的曲线示意图，其定性地表示了沉降量与观测时间之间的关系。在图1中，横轴为观测时间，一般以天为单位，纵轴为沉降量，一般以毫米为单位，横轴和纵轴的箭头方向表示坐标轴的正方向，坐标的原点以及刻度可以根据观测的开始时间和具体的监测要求来适当选择。本领域技术人员应当明白，图1仅为定性地表示沉降量与观测时间之间的曲线关系的示例图，其刻度、比例、数值的具体大小以及所得到的曲线的具体形状可以根据实际操作和曲线拟合的结果来相应改变。

通过以下步骤，可以将公式5化为直线公式。上述公式5可变为

$S_i-S_0=\frac{t_i-t_0}{\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}(t_i-t_0)},$ 即

$\frac{1}{S_i-S_0}=\frac{\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}(t_i-t_0)}{t_i-t_0}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{t_i-t_0}+\mathrm{\&beta;},$ 其中，

令 $S^{\&prime;}=\frac{1}{S_i-S_0},T=\frac{1}{t_i-t_0}$

则以上表达式变为

S'＝αT+β(公式6)

当上式化为直线公式6时，α、β分别表示直线的斜率和截距。在求出α、β后，可按公式5以及拟合后得到的曲线推算沉降速率、施工后沉降和最终沉降量。

根据计算值，可确定超高抛填之后的工程(例如护面工程)的合理施工时间。也就是说，如果施工后沉降值满足预定条件，那么可以进行之后的工程施工，预定条件例如包括规范规定或设计值要求以及它们的组合等。

如果施工后沉降值不满足预定条件，则进行补抛达到一定的量后再进行护面施工，其中根据预测的最终沉降量来确定补抛的量。

如在沉降尚未结束时，可以延迟后续工程施工时间。如在沉降尚未结束时进行堤身护面(路面)施工，则可以预留沉降量，使得不致因施工后沉降使堤顶降低造成使用期堤坝的防浪设防标准降低。在具体工程的堤身护面施工前，按双曲线沉降公式计算每个测点的施工后沉降，按一定的段长取其平均值，作为堤顶预留沉降量。

此外，可以单独应用施工后堤顶沉降量观测及数据处理和计算，来作为堤身沉降的计算方法，从而甚至在堤身沉降完全结束之前就能推算出沉降速率、施工后沉降和最终沉降量。

上文中根据具体实施例介绍了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员可以想到能够根据设计需要以及计算方法的差异对以上实施例进行各种修改、替换和结合。例如，除了“分层总和法”之外，还可以采用本领域其他常用手段来估算最终沉降量。在采用分层总和法的过程中，可以采用其它参数来计算第i分层土的压缩应变ε_i，例如根据公式2中的其他表达式计算ε_i，从而可以根据不同的参数计算最终沉降量。本发明中介绍了通过曲线拟合来对施工后观测数据进行处理的方法，但是本领域技术人员可以明白，可以根据需要采用任何合适的数据分析方法对数据进行处理。

Claims (7)

1.一种堤身沉降控制方法，包括以下步骤：

在施工前计算地基最终沉降量(S)；

在施工过程中，通过爆炸置换对软基进行处理；以及

在爆炸置换处理完成后，通过在原堤身设计高度的基础上增加抛填超高，来进行超高抛填，其中，根据所计算出的所述地基最终沉降量和堤身压缩量来计算抛填超高，所述抛填超高(ΔH_d)由以下表达式表示：

ΔH_d＝AS+BH_d，

其中，S为所计算出的所述地基最终沉降量，H_d为堤身设计总厚度，BH_d为所述堤身压缩量，A的取值范围是0.2到0.4并且B的取值范围是0.01到0.03。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过分层总和法来计算所述最终沉降量，其中，所述最终沉降量(S)满足以下公式：

$S=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;S}}_i=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_i{H}_i$

式中ΔS_i为第i分层的压缩量；ε_i为第i分层土的压缩应变，n为所划分的土层数，并且H_i为第i分层土的厚度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，ε_i具有以下表达式

${\mathrm{\&epsiv;}}_i=\frac{e_{1\stackrel{\&CenterDot;}{i}}-e_{2i}}{1+e_{1i}}=\frac{a_i(p_{2i}-p_{1i})}{1+e_{1i}}=\frac{{\mathrm{\&Delta;p}}_i}{E_{si}},$

所述最终沉降量的表达式被变化为

$S=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{e_{1i}-e_{2i}}{1+e_{1i}}{H}_i=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{a_i(p_{2i}-p_{1i})}{1+e_{1i}}{H}_i=\underset{i-1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{\&Delta;p}}_i}{E_{si}}{H}_i$

其中，

e_1i为根据第i分层的自重应力平均值p_1i得到的相应的孔隙比；

e_2i为与第i分层的自重应力平均值p_1i和附加应力平均值Δp_i之和p_2i相对应的孔隙比；并且

a_i和E_si为第i分层的压缩系数和压缩模量，

此外，所述自重应力平均值p_1i为(σ_ci+σ_c(i-1))/2，并且所述附加应力平均值Δp_i为(σ_Zi+σ_Z(i-1))/2，其中，σ_ci和σ_c(i-1)为第i分层底面处和顶面处的自重应力，并且σ_Zi和σ_Z(i-1)为第i分层底面处和顶面处的附加应力。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

在超高抛填完成之后，观测堤顶沉降量与时间的关系，对所得到的数据进行数据分析和曲线拟合，根据拟合得到的曲线计算沉降速率以及施工后沉降量，其中，按照以下曲线表达式对所述所得到的数据进行曲线拟合，

$S_i=S_0+\frac{t_i-t_0}{\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}(t_i-t_0)}$

其中，t₀、S₀分别为拟合计算起点处的参考点的观测时间和沉降值，t_i、S_i分别为拟合曲线上任意点的时间和与之对应的沉降值，α、β分别为根据实测值求出的参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述曲线表达式转换为以下直线公式，

S'＝αT+β

其中，α、β分别表示直线的斜率和截距，并且根据所述直线公式以及参考点的观测时间和沉降值以及曲线上任意点的时间和与之对应的沉降值，计算α、β。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

当所计算出的施工后沉降值满足预定条件时，进行之后的工程；以及

当所计算出的施工后沉降值不满足所述预定条件时，进行补抛。

7.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

如果在执行堤身护面施工时根据所计算出的沉降速率判断出沉降尚未结束，根据所述施工后沉降量预留沉降量。