市政道路工程沉降计算方法的新探讨

摘要：市政道路工程中对地基处理时，必须要知道最终沉降值才能对地基处理效果和管线沉降方面的问题做出合理的决断和策略。本文首先指出目前市政道路设计中存在的一些沉降计算方法方面的现象，再就如何利用前期沉降观测资料来推算最终沉降值的三种方法——三点法、双曲线法和Asaoka法做些探讨，最后，提出改进建议。
　　关键词：市政道路工程，沉降计算
　　前言
　　在很多发达城市中，经常由于道路沉降引起排水通道、煤气管道等一些市政设施发生问题而造成的大面积、大规模的停水、停气等现象。道路及管线的沉降已成为地下管道事故发生的重要原因之一了。由于对道路及管线沉降重视不够,我国市政设计部门在道路沉降控制问题上缺乏足够的经验和理论依据,有的时候在较低的应力水平下,很多地基的变形就趋向于普遍,如果土体内应力较高,地基的变形就会不断发展,最终导致土体破坏。
　　一、沉降计算法在市政道路设计中的应用现状
　　沉降计算法在市政道路设计中应用广泛。但是目前的现状是很多工程没有针对城市道路特点进行沉降方法计算,而是套用适用于普通建筑的沉降计算方法,荷载类型与实际不相符,造成计算误差很大,不能反映实际情况。如对搅拌桩加固地基的道路来说,在目前的城市道路设计中,其沉降计算模式与道路沉降计算模式一样。有时候，有学者认为可以将荷载转化成静载,与路基填土一起作为荷载作用于地基。加固区的沉降一般不需计算,而是根据经验取为3mm。在计算下卧层的沉降时,一般是将加固区视为一个整体,将荷载扩散传递到下卧层上,再根据分层总和法计算下卧层的沉降。交通荷载是一种长期的循环荷载，转化成为静载进行考虑,而忽略了道路体系在循环动荷载作用下所表现出来的一些特殊动力性质。
　　另外一个问题是，很多市政道路工程没有针对市政管线的沉降差控制标准,设计缺乏依据。沉降计算应该采用分层总和法。但是分层总和法本身即存在着各种困难,一直是科研工作者改进的对象。由于计算所得结果不完全可信,而且分层总和法所得的沉降值是地基在荷载作用下的最终沉降值,这些沉降在道路施工期间完成了多少也难以准确计算,对道路通车后的沉降量也只能根据经验进行估计。设计中将埋设在道路下的各种市政管线简化为置于弹性地基上的柔性梁,它随地基的变形而变形,这与管线实际变形、受力情况差距较大。因为,在荷载作用下变形上有一个协调过程管线的弹性模量和刚度同地基土相比均有很大的差距。
　　最后，也是最重要的问题是，有些市政道路工程的施工很少有针对性的实施监测,对管线使用中各部分的受力情况及埋设管道开挖时土体的滑移情况更是缺乏了解,无法进行恰当的地基处理。当前对路面力学的研究一般是将面层简化成各种各样的板,支撑在弹性半空间地基上,应用层状弹性体系的解来计算道路体系在荷载作用下的应力和变形。这种简化与实际情况相差很大,因此计算结果与实际有较大的差异。
　　二、三种沉降计算法
　　2.1三点法、
　　在实测的沉降~时间曲线上取最大恒载时段内的三点(t1,s1),(t2,s2)和(t3,s3),并使t2-t1=t3-t2,利用以下公式可直接得出最终沉降值。，式中:S为推算的最终沉降值，S1、S2、S3为实测沉降曲线上分别对应t1、t2、t3时间的沉降值。采用三点法推算最终沉降量,一般要求观测资料持续时间较长,在计算时尽可能取长的时间段并应根据实际情况,多取几个不同的时间段来分别计算,最后取其平均值作为推算的最终沉降值。
　　2.2Asaoka法
　　用以下简化递推关系可近似地反应一维条件下以体积应变表示的固结方程,利用此简化递推关系可用图解法来求解最终沉降值。Si=β0+βi×Si-1，图解法推算步骤如下:首先，将时间划分成相等的时间段△t,在实测的沉降曲线上读出t1,t2…所对应的沉降值S1,S2…,并制成表格。然后，在以Si-1和Si为坐标轴的平面上将沉降值S1,S2…以点(Si-1,Si)画出,同时作出Si=Si-1的45°直线。接着，过系列点(Si-1,Si)作拟合直线,与45°直线相交,交点对应的沉降为最终沉降值。在Asaoka法推算的过程中,△t的取值对最终沉降量的推算结果有直接的影响。△t过小会造成拟合点的波动性较大,拟合直线的相关系数较小。
　　2.3双曲线法
　　双曲线法实测沉降曲线自拐点开始采用双曲线拟合,利用以下公式可进行最终沉降值的推算:，式中:，S为推算的最终沉降值，S0为拐点处开始计算时的沉降值，t为自拐点开始计算的时间，A、B为曲线拟合系数。采用双曲线法推算最终沉降量,同样要求有较长时间的观测资料,实测沉降时间至少在半年以上。在分析过程中尚应剔除反常的数据,否则将造成最终沉降推算值的严重偏差。
　　总的来说，将三种方法做一个比较来看，各自有各自的优点和用处，不能一概而论。△t过大,Si点过少,易产生较大的偏差,而且对是否已进行次固结阶段等不易作出判断。一般取△t在30~100d之间。在实际的推算过程中,同时最好多计算几个不同的△t得出相应的最终沉降值,然后才在其中选取相关系数较好的沉降值作为最终沉降值,这样的做法，既可降低因所选取时间段长短而产生的偏差,也可避免对初始时间的选择。另外,利用Asaoka法还可对是否已进入次固结阶段进行判断,并进行次固结沉降的推算。在沉降资料充足的情况下,利用三种方法均能推算出接近实际的最终沉降值。但在中期分析时,用三点法推算出的最终沉降值一般偏小,对工程实际不利;用双曲线法推算出的最终沉降值一般偏大,对地基处理效果的评价会产生较大的偏差;而用Asaoka法不论在中期还是终期均能得出与实测沉降值较为一致的最终沉降值,对预测最终沉降值有较高的准确性。
　　三、建议
　　市政道路工程的建设是一项众人关注的大工程，与民心息息相关，所以必须将每一环工作都做好，当然也包括最重要的部分，即利用沉降计算法推算地基和管线的处理方式。笔者针对现阶段我国的现状提出几点建议：
　　应该将材料变形的非线性性质纳入设计当中。道路是由路面、基层和路基组成的统一体系,其中路面材料和基层材料的强度和弹性模量都比较高,在道路的正常运营情况下,其变形一般仍在线性范围以内,所以可将其简化成弹性体。应该加强循环荷载的功效。在计算中考虑循环荷载的功效时一般有2种方法:第一种，是将每一次荷载作为动载作用于路面上,考虑道路体系在动载作用下的响应;第二种，是将每一次荷载简化为静载,通过引入道路体系在循环荷载作用下的强度衰减函数的方法来模拟动荷载的作用。
　　应该考虑埋设在城市道路下的各种管线及其基础与土基之间的相互作用。把埋设在路面以下不同深度处的各类管线看作具有一定刚度的横向加筋体,分析其与道路体系各组成部分之间的相互作用有利于研究管线在交通荷载作用下的受力及变形情况,可为管线基础的设计及确定恰当的沉降控制标准提供依据。也可根据管线受力变形的具体情况确定恰当的地基处理方法。
　　参考文献：
　　[1]安全管理十项原则[J].电力安全技术,2006,(05).
　　[2]竺振宇,贺师刚.水上加油站的安全管理[J].石油库与加油站,2004,(06)
　　[3]王伟.以科学的方式提高安全管理水平[J].郑州铁路职业技术学院学报,2004,(04).
　　[4]乔雪苞.安全管理的大敌——好人主义[J].电力安全技术,2004,(12).