淺析高填方路基穩(wěn)定性影響因素及觀測(cè)方案

張艷妮 周 靜

高填方路基沉降是公路工程中最常見(jiàn)的病害，因?yàn)閷?duì)路基沉降的原因沒(méi)有深刻的研究和足夠的了解，致使橋頭跳車、路基沉陷、路面早期破損等多種病害現(xiàn)象一直困擾我們，也直接影響著公路的使用和社會(huì)效益。為了了解和掌握路基沉降的原因，搞清路基填筑材料、填筑高度與路基沉降的關(guān)系，保證工作質(zhì)量，需要通過(guò)對(duì)高填方路基施工中和完成后的沉降觀測(cè)、分析，從中找出路基的沉降規(guī)律，為減少或消除高填方路基沉降引起的質(zhì)量病害和指導(dǎo)路基、路面施工提供依據(jù)。本文首先分析影響高填方路基穩(wěn)定性的因素，從而確定觀測(cè)高填方路基穩(wěn)定性所需的項(xiàng)目，最后針對(duì)各觀測(cè)項(xiàng)目制定具體的觀測(cè)方案。

1 高填方路基穩(wěn)定性影響因素

1.1 荷載的影響

在高速公路的修建過(guò)程中，荷載主要為路基填土和路面的自重。施工中的不同加載速率和加載方式對(duì)穩(wěn)定性有重要影響，尤其是加載初期影響最為明顯，后期則關(guān)系不大。當(dāng)初期施工填筑速率緩慢時(shí)，土中孔隙水壓力有較充分的排出和消散時(shí)間，路基中土體有效應(yīng)力能夠隨荷載緩慢增加，土體有充分的時(shí)間進(jìn)行固結(jié)，這樣軟基的穩(wěn)定性就好;反之，施工填筑速率過(guò)快，土體沒(méi)有充分固結(jié)，那么就會(huì)造成嚴(yán)重的失穩(wěn)事故，所以，做好填土施工過(guò)程中的穩(wěn)定性控制工作至關(guān)重要。

公路修建完畢后的荷載主要是車輛荷載，對(duì)于車輛荷載作用下路基的沉降問(wèn)題，目前的處理辦法一般只將其轉(zhuǎn)化成靜載。因?yàn)檐囕v荷載相對(duì)于路基自重來(lái)說(shuō)所占比例很小，而且，這時(shí)土體已經(jīng)完成了大部分的固結(jié)，故對(duì)軟基后期穩(wěn)定性的影響很小。

1.2 土的性質(zhì)的影響

土的本身性質(zhì)對(duì)穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)土性參數(shù)的變異性。大量的試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果和工程實(shí)踐表明，土性參數(shù)存在著變異性，而且變異系數(shù)遠(yuǎn)比一般的人工材料大。除容重外，地基土的彈模、泊松比以及強(qiáng)度參數(shù)(如 c，φ)也都存在著變異性，尤其是c值，有時(shí)變異系數(shù)高達(dá)0.5左右。此外，由于地基沉降往往為一定范圍內(nèi)土性的平均特性所控制，而土性參數(shù)一般又表現(xiàn)出明顯的空間變異性，不同位置土性參數(shù)具有相關(guān)性，所以，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控資料來(lái)推算判斷路基的穩(wěn)定性有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。2)土的結(jié)構(gòu)性。不同地域土的結(jié)構(gòu)性迥異，有的地方表層土存在明顯的硬殼層，這對(duì)提高穩(wěn)定性是非常有益的。另外，軟土層的厚度、層數(shù)以及各層相間隔的距離，都對(duì)穩(wěn)定性有著極大的影響。了解土結(jié)構(gòu)性變化最直接手段就是在不同的土層中都布設(shè)沉降環(huán)，測(cè)量它的變化間接得到不同土層的變化。3)土體邊界條件。由于路基所處的地下水水位都是隨機(jī)變化的，所以其初始孔壓和邊界上的孔壓均存在不確定性。

以往經(jīng)驗(yàn)證明，軟基路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)隨施工過(guò)程逐漸減小，在填土過(guò)程完成時(shí)，安全系數(shù)通常為最小值，且施工期間的干擾因素較多，故在施工期間路堤最易出現(xiàn)穩(wěn)定問(wèn)題。穩(wěn)定控制一方面是隨時(shí)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并確定合理的加載計(jì)劃。但由于各種計(jì)算理論存在諸多假設(shè)，且計(jì)算參數(shù)的精度問(wèn)題，計(jì)算的結(jié)果與工程實(shí)際情況并不一定符合，所以另一方面還要做好觀測(cè)工作，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)同計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)估算工程的穩(wěn)定性，指導(dǎo)施工，這才是穩(wěn)定控制的最好辦法。

2 高填方路基穩(wěn)定性觀測(cè)項(xiàng)目

1)變形觀測(cè)。變形觀測(cè)是為了隨時(shí)了解路堤土體在各個(gè)方向的變形趨勢(shì)和大小，便于對(duì)路堤穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，防止發(fā)生路堤的突然失穩(wěn)。主要項(xiàng)目包括沉降觀測(cè)、坡腳水平位移觀測(cè)、分層沉降和側(cè)斜等。2)應(yīng)力觀測(cè)。應(yīng)力觀測(cè)是為了更好地了解土中應(yīng)力的分布、應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律及孔隙水壓力，以便掌握土的力學(xué)性質(zhì)。孔隙水壓力是評(píng)價(jià)軟土固結(jié)程度的最直接的指標(biāo)，可根據(jù)測(cè)點(diǎn)孔隙壓力—時(shí)間變化曲線，反算土的固結(jié)系數(shù)、推算該點(diǎn)不同時(shí)間的固結(jié)度，從而推算強(qiáng)度變化情況，并確定下一級(jí)施加荷載的大小，用于控制加荷速率。

3 觀測(cè)方案

1)路基沉降觀測(cè):通過(guò)埋設(shè)地表沉降板來(lái)進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，沉降板在軟土地基處理之后埋設(shè)，根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求確定測(cè)點(diǎn)位置，并應(yīng)在觀測(cè)數(shù)據(jù)容易反饋的部位。地表沉降板為500 mm×500 mm×10 mm的鐵板，測(cè)桿為6 cm的鐵管，保護(hù)套管尺寸以能套住測(cè)桿并使標(biāo)尺能進(jìn)入套管為宜。隨著填土的增高，測(cè)桿和套管宜相應(yīng)接高，每節(jié)長(zhǎng)度不宜超過(guò)50 cm。接高后的測(cè)桿頂面應(yīng)略高于套管上口，套管上口應(yīng)加上蓋子封住管口，避免填料落入管內(nèi)而影響測(cè)桿下沉自由度，蓋頂高出碾壓面高度不宜大于50 cm。

2)地表沉降水平位移觀測(cè):當(dāng)填方高度小于2 m時(shí)，地表側(cè)向位移很小，當(dāng)填方超過(guò)2 m時(shí)進(jìn)行測(cè)量。觀測(cè)時(shí)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)或合同文件要求和沉降觀測(cè)同步進(jìn)行。在地勢(shì)平坦、通視條件好的地區(qū)，水平位移觀測(cè)可采用視準(zhǔn)線法。要求日水平位移不超過(guò)5 mm。地表水平位移觀測(cè)的邊樁為距路基坡腳1 m，5 m遠(yuǎn)的兩根直徑100 mm，長(zhǎng)1 500 mm的木樁。邊樁的埋設(shè)深度以地表以下不小于1.2 m為準(zhǔn)，樁頂露出地面的高度不大于10 cm。埋置方法可用打入或開(kāi)挖埋設(shè)，樁周圍要回填密實(shí)，確保邊樁埋置穩(wěn)固。在距路基坡腳20 m處按3點(diǎn)垂直于路基埋設(shè)基準(zhǔn)樁，如圖1所示。

3)分層沉降觀測(cè):分層沉降管為PVC管，在管外按地質(zhì)分層套上磁環(huán)，磁環(huán)是包裹塑料外層的磁鐵環(huán)，磁環(huán)內(nèi)徑與分層沉降管外徑吻合，磁環(huán)上有6個(gè)向外斜伸的鋼片，埋設(shè)時(shí)將磁環(huán)套在預(yù)設(shè)深度處，用紙繩將鋼片捆扎在分層沉降管上，用鉆機(jī)打孔將分層沉降管和磁環(huán)埋設(shè)在地下，當(dāng)紙繩遇水時(shí)斷開(kāi)，鋼片彈開(kāi)把磁環(huán)固定在鉆孔壁上，磁環(huán)隨該地層的變形而變化。測(cè)量時(shí)用分層沉降儀沿分層沉降管內(nèi)測(cè)量，分層沉降儀探頭內(nèi)有線圈，當(dāng)遇到磁環(huán)時(shí)線圈切割磁力線產(chǎn)生電流引發(fā)分層沉降儀上的蜂鳴器鳴響而測(cè)得磁環(huán)變化，測(cè)量精度為0.5 mm。埋設(shè)和測(cè)量見(jiàn)圖2。

4)深層土體位移(測(cè)斜)觀測(cè):深層土體位移觀測(cè)是在觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)測(cè)斜管，由測(cè)斜儀測(cè)得，測(cè)斜管用鉆機(jī)鉆孔埋設(shè)，鉆孔要求垂直，測(cè)斜管底部應(yīng)置于深度方向水平位移為0的硬土層中至少50 mm或基巖上。測(cè)斜管內(nèi)有兩條十字導(dǎo)向槽，將其中一條與路基軸線垂直，用測(cè)斜儀測(cè)量導(dǎo)向槽傾角變化計(jì)算地下各深度的位移量，埋設(shè)和測(cè)量見(jiàn)圖3。

5)孔隙水壓力:孔隙水壓力計(jì)的每組探頭按地質(zhì)情況布設(shè)，一般埋設(shè)探頭3個(gè)～5個(gè)，用鉆機(jī)打孔將探頭埋設(shè)在預(yù)定深度處，用導(dǎo)線管將測(cè)量纜線引至路邊進(jìn)行測(cè)量。孔隙水壓力計(jì)設(shè)在路中，一般在橋頭或軟土處理等重點(diǎn)部位埋設(shè)。

6)土壓力:土壓力用土壓力盒來(lái)測(cè)量，土壓力盒布設(shè)在路中和路基兩側(cè)1/4處，用導(dǎo)線管將測(cè)量纜線引至路邊進(jìn)行測(cè)量，一般在橋頭或軟土處理等重點(diǎn)部位埋設(shè)。

總體布置見(jiàn)圖4。

4 結(jié)語(yǔ)

相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)工作是高填路堤工程設(shè)計(jì)和施工的重要內(nèi)容，適時(shí)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)既是對(duì)設(shè)計(jì)合理性和施工質(zhì)量與可行性的驗(yàn)證，也是修改補(bǔ)充設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的重要數(shù)據(jù)。

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