高速公路段排水固結法處理設計計算案例1.1路堤及土層信息設計路段為k0+655到k0+685一般構筑物路段，總長30m。沿線路堤有一定坡度，填土高度取填土高度取設計標高為4.7m，路堤頂面寬度為42.5m，兩邊坡度為1：1.5，底面寬56.6m，如圖3.1所示。圖3.1截面示意圖下部土層地勘報告距離處理路段最近的鉆孔采得的數據如表3.1：表3.1土層信息土層底面深度/m厚度/m天然含水率ω(%)質量密度ρ(g/cm3)天然孔隙比e壓縮系數α(1/MPa)壓縮模量Es(MPa)水平固結系數10-3cm2/s1-1黏土0.60.626.51.940.7840.257.482.852-1A粉質黏土5.14.530.71.910.8600.365.263.562-2淤泥質粉質黏土6.41.337.41.801.0420.524.021.772-3粉土13.57.129.11.910.8340.219.116.462-3A粉質黏土夾粉砂18.14.630.71.890.8760.335.723.163-1粉質黏土21.43.324.92.000.7070.218.833.161.2荷載計算路基荷載及車輛載荷控制：設計荷載均按公路I級考慮，直接換算成等代荷載的土柱高度為0.90m。路堤綜合填土容重采用19kN/m3。106.4kPa（3-1）為填土高度為4.7m；為考慮路面與車輛荷載的等代荷載土柱為0.9m。根據相關規范中描述復合地基地面的承載力應滿足：k≤?n（3-2）x≤1.2?n（3-3）由地勘報告中的天然土地基承載力可知，該設計中天然地基承載力，?n=110kPa>，原地基承載力為110kPa大于P，地基承載力可以滿足要求。1.3天然地基沉降計算土層中附加應力計算：δ=KPa（3-4）K為條形基礎下的附加應力系數，通過查表得，參考條基附加應力系數表。下部土層應力分布狀況如表3.2所示：表3.2應力分布層數底面深度/m厚度/m有效重度/(kN/m3)z/bKZS附加應力/kPa自重應力/kPa10.60.619.40.01060.999106.293611.6420.70.119.10.01230.997106.080813.5535.14.49.10.09010.990105.33653.5946.41.38.00.11310.981104.378463.99513.57.19.10.23850.90996.7176128.6618.14.68.90.31980.86592.036169.54721.43.310.00.37810.812686.4606202.54考慮到下臥土層主要為一般黏性土，計算深度取附加應力與自重應力比值為0.2深度處，實際計算時取到21.4m深度處，該深度以內為沉降層。下面計算天然固結情況下加載之后的土層總沉降。分層總和法計算沉降：（3-5）αV—壓縮系數，如表3.1待處理土層參數中所示；H1—土層計算深度，如表3.1待處理土層參數中所示；?p——附加應力，如表3.2應力分布所示。考慮到土層具有一定蠕變性，總沉降對主固結沉降進行修正：S=mSC（3-6）m——綜合經驗修正系數，取1.3。表3.3總沉降計算表土層底面深度/m厚度/m天然孔隙比e壓縮系數α(1/MPa)附加應力/kPa壓縮量/mm總沉降/mm10.60.60.7840.25106.29368.94322.8220.70.10.8600.25106.08081.4235.14.40.8600.36105.33689.7146.41.31.0420.52104.378434.55513.57.10.8340.2196.717678.63618.14.60.8760.3392.03674.47721.43.30.7070.2186.460635.10S=322.82mm由計算可知天然地基在填土作用下未經處理的總沉降為322.82mm。1.4未經處理的工后沉降1.4.1填土方式填土層的堆填采用等速堆載的處理，堆載預壓填筑期的加載速率為10天填筑一層土，一層土高2m，一層土的加載速率為3.8kPa/d，第二層土高2.7m,最終填筑到4.7m的堆載土層，作為等載條件下的排水預壓，共89.3kPa。另外考慮到填筑期的補方問題，在最后一級加載是結尾補方11kPa的土層。填土路段的預壓期設置為施工時間250d，堆載安排如圖3.2所示。圖3.2堆載安排1.4.2未經處理的施工后固結度固結度的計算根據選取改進的高木俊杰方法進行等速加載作用下的固結度計算。在時刻t的地基平均固結度：（3-7）Ut——t時間的平均固結度，t取250dqi??——第i級荷載加載速率，等速加載速率均為7.6kPa/d——總荷載累加值101.3kPaTi,Ti-1——分別為第i級荷載加載的起始和終止時間，見圖3.2堆載設計圖；CV??——固結系數，各土層數值取自地勘報告；H——排水距離，各土層數值取自地勘報告。（3-8）（3-9）未打設排水板情況，在天然地基排水固結中只考慮豎向固結。估算土層工后沉降過程中將沉降層中數量較多的土層進行合并計算，主要分為0-13.5m及13.5-21.4m兩個大土層進行估算。土體的固結系數取范圍內的土層加權平均值：——各土層固結系數，數值取自地勘報告；——各土層厚度，數值取自地勘報告。總沉降參考上文表3.3，已經根據當地地質條件的設計經驗，分層總合法的沉降系數取1.3。計算結果如下表：土層固結系數ɑβ200d平均固結度工后沉降14.880.810.0660.68219.517623.160.1240.68可以看出在施工250d未經排水體處理的天然地基最終平均固結度明顯遠小于15年使用年限時的固結度。根據天然沉降判斷會產生較大的工后沉降，大于150mm的一般構筑物路段沉降控制標準，必須進行處理。1.5排水預壓系統設計1.5.1加壓系統設計加壓系統的選擇中兼顧經濟因素和處理效果的因素，排水預壓法的上部預壓荷載設計主要采用等載預壓的方式進行處理。堆載預壓填筑期的加載速率為10天填筑一層土，一層土高1.9m，二層土高1.9m，三層高1.8m，最終填筑到5.6m的堆載土層，作為等載條件下的排水預壓，共106.4kPa。另外考慮到填筑期的補方問題，在最后加載補方11kPa的土層，共117.4kPa的預壓荷載。等載預壓的預壓期為250d。堆載安排如圖3.3所示。1.5.2排水系統設計排水墊層采用透水性較好的碎石材料，鋪設0.5m厚。考慮到目前市場上主要運用塑料排水板，相比于砂井等方式，在經濟和處理效果方面都有一定優勢。本設計排水體均采用100mm寬，5.5mm厚的塑料排水帶，打設15m深，砂墊層0.5m。更多塑料排水板相關詳細參數在施工設計部分說明。對于排水體間距的選取同時兼顧經濟和處理效果進行比較。下面選取三種參數進行比較計算分別為：正方形形排列間距為1.2m、正方形形排列間距為1.5m、正方形形排列間距為1.8m。以下理論過程為1.5m間距的排水體布置，其他情況同理計算，過程不在此展開，結論在最后表現。根據排水體選擇可計算相關參數：等效直徑：（3-10）——選用塑料排水帶的當量換算直徑;——塑料排水帶寬度為100mm;——塑料排水帶厚度為5.5mm。正方形排布置有效排水直徑：1.692m井徑比：（3-11）排水板布置如圖3.4所示。圖3.4排水板布置1.6固結度及工后沉降計算處理后地基固結度和工后沉降的計算分為排水板打設部分和下臥層部分，總沉降為兩部分沉降之和。1.6.1排水板部分固結根據建筑地基處理技術規范（JGJ79-2012）取，在時刻t的地基平均固結度：（3-12）2.94（3-13）（3-14）（3-15）表3.6處理后沉降層數厚度/mɑ水平固結系數β250d的平均固結度15年平均固結度總沉降/mm10.60.812.850.222499.7%100.0%14.334.43.560.038397.0%100.0%41.31.770.042697.1%100.0%57.16.460.064597.1%100.0%61.53.160.064696.9%100.0%處理后排水板打蛇土層的沉降為12.5mm。1.7方案對比選擇1.2m間距排水板處理計算結果見表3.7：表3.71.2m排水板層數厚度/mɑ水平固結系數β250d的平均固結度15年平均固結度總沉降/mm10.60.812.850.2413100.0%100.0%10.3134.43.560.081899.2%100.0%41.31.770.069998.9%100.0%57.16.460.160598.9%100.0%61.53.160.102399.1%100.0%1.8m間距排水板處理計算結果見表3.7：表3.81.5m排水板層數厚度/mɑ水平固結系數β250d的平均固結度15年平均固結度總沉降/mm10.60.812.850.215597.9%100.0%17.934.43.560.029696.72%100.0%41.31.770.038396.9%100.0%57.16.460.050395.6%100.0%61.53.160.057795.8%100.0%三種間距匯總的工后沉降，如下表3.9：表3.9工后沉降匯總沉降1.2米排水板1.5米排水板1.8米排水板工后沉降10.3114.317.9可以看出等載預壓法的處理效果較好，三種間距的設計方案工后沉降值均小于150mm，滿足高速公路一般構筑物路段的沉降要求。考慮本文計算過程中未考慮涂抹及井阻影響，結合工程實際常用的排水板間距，排水板取1..8米，排水板數量等詳見附表1。1.8路堤穩定性驗算路堤的填筑方式與上述排水固結法處理相同，采取每周填筑0.25m填土層的填筑速率。在此計算最不利的情況，即一次性加載131kPa填土的穩定驗算。穩定分析采用理正巖土計算軟件計算完成。圓弧穩定分析方法采用有效固結應力法，相關的坡面信息和土層信息與前文描述均為數值相同。采用理正軟件自動搜索最危險滑動面計算，最后得出的滑動面如圖所示。下部土層的粘聚力與摩擦角信息如表格3.10所示。表3.10下部土層的粘聚力與摩擦角土層底面深度/m厚度/m直剪固剪粘聚力內摩擦角粘聚力內摩擦角黏土0.60.63811.93619粉質黏土5.14.545.413.54218泥質黏土6.41.314.86.31411.2粉土13.57.114.224.51429粉質黏土18.14.614.86.31411.21.8.1填筑期穩定填筑期的穩定計算：路堤設計高度：4.7路堤設計寬度：42.5路堤邊坡坡度：1:1.5荷載施加級數：3級路堤土層數:1，超載個數:0。填土信息如表3.11。表3.11填土信息層號層厚度/m重度（kN/m3）內聚力(kpa)內摩擦角15.30019.00020.00025.000地基土層信息如表3.10所示，取直剪指標計算。穩定計算參數:穩定計算方法:有效固結應力法穩定計算不考慮超載穩定計算不考慮地震力穩定計算目標:給定圓心、半徑計算安全系數圓心X坐標:-2.000(m)圓心Y坐標:20.000(m)半徑:35.000(m)條分法的土條寬度:1.000(m)搜索時的半徑步長:0.5m，滑動面如圖3.5所示。圖3.5最不利滑動面最不利滑動面:滑動圓心=(2.056822,7.198876)(m)滑動半徑=12.341195(m)滑動安全系數=1.972總的下滑力=481.937(kN)總的抗滑力=950.371(kN)土體部分下滑力=481.937(kN)土體部分抗滑力=950.371(kN)筋帶的抗滑力=0.000(kN)地震作用下滑力=0.000(kN)滑動安全系數=1.975＞1.1，滿足穩定要求。1.8.2運行期穩定填筑期的穩定計算：路堤設計高度：4.7路堤設計寬度：42.5路堤邊坡坡度：1:1.5荷載施加級數：1級路堤土層數:1，超載個數:1。考慮運行期路面結構荷載及車輛荷載為17.1kpa的均布荷載。路堤土層數：1填土信息如表3.12表3.