軟土地區(qū)高速公路路基沉降監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)分析*

張軍輝， 周劍坤， 周平

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650501)

路基的沉降穩(wěn)定是高速公路暢行的重要保證，施工中沉降變形值是路基處理的重要指標(biāo)。路基沉降監(jiān)測(cè)方法有橫剖測(cè)試法、CMOS圖像傳感器測(cè)量法、沉降水杯法、基于光纖光柵(FBG)的新型拉伸計(jì)、沉降板法等。其中：橫剖測(cè)試法的監(jiān)測(cè)設(shè)施便于保護(hù)，不影響施工，但其監(jiān)測(cè)質(zhì)量不易控制，可靠性差；CMOS圖像傳感器測(cè)量法的監(jiān)測(cè)精度較高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但其穩(wěn)定性差，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)難以實(shí)施；沉降水杯法通過測(cè)量管內(nèi)液面高度差得出土體內(nèi)部沉降量，僅限于不結(jié)冰的地區(qū)使用；基于光纖光柵(FBG)的新型拉伸計(jì)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，但成本高，測(cè)量范圍小；沉降板法通過測(cè)量不同時(shí)間段沉降觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高得出路基沉降量，技術(shù)成熟，成本低廉，是路基沉降監(jiān)測(cè)的首選。

除對(duì)路基進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)外，路基工后沉降預(yù)測(cè)同等重要，方法有灰色理論方法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、分層總和法、數(shù)值計(jì)算、雙曲線模型法等。其中：灰色理論方法不夠精確，理論性強(qiáng)，局限性大，數(shù)據(jù)處理麻煩；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的工作量大，需使用龐大的軟件進(jìn)行處理，一般技術(shù)人員不能適應(yīng)，且無法及時(shí)處理數(shù)據(jù)，不具有時(shí)效性；分層總和法假設(shè)地基只產(chǎn)生豎向變形，但軟基存在明顯的側(cè)向變形；巖土工程數(shù)值計(jì)算軟件大都需室內(nèi)試驗(yàn)為其提供參數(shù)，且理論性較強(qiáng)、操作復(fù)雜，不易被一線施工人員接受；雙曲線模型法相對(duì)簡(jiǎn)單，且可靠性高，當(dāng)天處理完數(shù)據(jù)即可作出推算，其運(yùn)用最為廣泛。

目前類似浙江溫州沿海地區(qū)軟土地基的地質(zhì)條件可供信賴的經(jīng)驗(yàn)和信息很少，路基沉降趨勢(shì)經(jīng)驗(yàn)更少，無法合理有效地預(yù)測(cè)路基工后沉降。該文采用沉降板法監(jiān)測(cè)路基沉降，利用雙曲線模型法預(yù)測(cè)工后沉降，為該地區(qū)路基沉降監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供參考。

1 沉降監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

甬臺(tái)溫(寧波—臺(tái)州—溫州)高速公路溫州段全長(zhǎng)56.855 km，沿線為特殊性巖土，以粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土為主。出露地層單元較少，基巖主要為侏羅系、白堊系火山碎屑巖和侵入巖，第四系主要為全新統(tǒng)海積松散堆積物地層。侏羅系上統(tǒng)磨石山組以中酸性火山碎屑巖為主，巖性以青灰色、灰紫色塊狀流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r或晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主，常含角礫；白堊系下統(tǒng)朝川組以中酸性火山碎屑巖為主，巖性以青灰色晶屑凝灰?guī)r、晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r為主，部分段夾砂礫巖；侵入巖巖性以酸性巖為主，少量中酸性，主要為馬站鉀長(zhǎng)花崗巖。工程區(qū)第四系分布最廣，巖性以粉質(zhì)黏土、含黏性土碎石為主；平原區(qū)上部堆積厚度巨大的第四紀(jì)地層，厚度達(dá)70～100 m，巖性以淤泥、淤泥質(zhì)土為主。

該地區(qū)軟土呈軟塑～流塑狀，干縮性大，工程性質(zhì)極差，易發(fā)生側(cè)向滑移和不均勻沉降。一般無特殊要求的路段采用塑料排水板處理；橋頭、通道等結(jié)構(gòu)物相鄰路段對(duì)路基沉降要求較高，采用水泥攪拌樁處理。

1.2 沉降監(jiān)測(cè)斷面選取

根據(jù)該工程軟基段路基填土高度、淤泥層厚度、軟基處理方式等情況，為對(duì)比塑料排水板地基、水泥攪拌樁地基及不同填土高度路基的沉降情況，選取10個(gè)斷面進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。其中：5個(gè)斷面為塑料排水板地基，設(shè)計(jì)填土高度，樁號(hào)AK0+020為3.25 m，F(xiàn)K0+236為2.79 m，GK0+640為2.87 m，GK0+850為2.82 m，IK0+187為2.54 m；5個(gè)斷面為水泥攪拌樁地基，設(shè)計(jì)填土高度，樁號(hào)AK0+270為2.55 m，DK0+110為3.31 m，F(xiàn)K0+268為2.55 m，F(xiàn)K0+603為3.06 m，IK0+300為2.23 m。選取斷面的路基跨度均大于12 m。監(jiān)測(cè)斷面平面布置見圖1。

圖1 沉降監(jiān)測(cè)斷面平面布置

一般路段每隔100～200 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，橋頭路段和過渡段設(shè)置2～3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；路基寬度不大于8.5 m時(shí)僅設(shè)置路中沉降板，路基寬度為8.5～12 m時(shí)設(shè)置路肩沉降板，路基寬度大于12 m時(shí)設(shè)置路中沉降板和路肩沉降板(見圖2)。

圖2 沉降板布設(shè)

1.3 沉降監(jiān)測(cè)裝置及埋設(shè)方法

沉降監(jiān)測(cè)裝置由鋼板、悶頭和金屬測(cè)管等組成。底板尺寸為60 cm×60 cm×0.9 cm，測(cè)管直徑3 cm，厚度不小于5 mm，每節(jié)長(zhǎng)度20 cm。第一節(jié)管用3根加強(qiáng)鋼筋將其焊在沉降板上，隨著填土的增加，測(cè)管相應(yīng)加高。接高后的測(cè)管上口加蓋悶頭，便于立尺和保護(hù)測(cè)管不被破壞(見圖3)。

圖3 沉降監(jiān)測(cè)裝置(單位：cm)

沉降板埋設(shè)方法：在埋設(shè)點(diǎn)地面挖80 cm×80 cm×30 cm左右的土坑，坑內(nèi)用厚度為3～5 cm的砂石墊平壓實(shí)；把沉降板平放在土坑內(nèi)，周圍用砂石填實(shí)，并校正水平，用填土整平壓實(shí)；填土?xí)r先將沉降板的周圍壓實(shí)，保護(hù)沉降板不受破壞；護(hù)套管埋設(shè)在高于底板35 cm處。

2 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

沉降監(jiān)測(cè)按規(guī)范要求進(jìn)行，由固定人員按照固定周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用相同的監(jiān)測(cè)路線和監(jiān)測(cè)方法，以最大限度減小誤差。每次監(jiān)測(cè)完成后，當(dāng)天處理數(shù)據(jù)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，為以后的監(jiān)測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

2.1 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1.1 塑料排水板處理路段

基于此，上層通信是否也會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化？是否有可能出現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的OPC UA PUB/SUB？有可能。利用fido5000系列，用戶能夠?yàn)閼?yīng)對(duì)所有場(chǎng)景做好準(zhǔn)備。

樁號(hào)AK0+020路段為過水塘路段，填方高度3.25 m。采用的塑料排水板寬度為100 mm，厚度4.5 mm，路基處理長(zhǎng)度100 m，布置間距1.1 m，處治深度30 m。該路段路基含水量大，土基松軟，最終完成填土?xí)r最大沉降量高達(dá)630 mm。路基填筑第1階段填土高度僅2 m、堆載預(yù)壓時(shí)間僅29 d時(shí)，左側(cè)路基累計(jì)沉降量已達(dá)210 mm，約占總沉降量的35%，沉降速率過大，為保證路基的安全及時(shí)停止填土。在第2階段，隨著堆載時(shí)間的延長(zhǎng)，路基沉降減緩，繼續(xù)填土。到第3階段時(shí)，沉降趨于穩(wěn)定。沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4。

樁號(hào)GK0+850路段為林地，填方高度為2.82 m，路基主要承力層為粉質(zhì)黏土和砂土。塑料排水板寬度為100 mm，厚度為4.5 mm，路基處理長(zhǎng)度55 m，布置間距1.1 m，處治深度15 m。在路基填筑第1階段，隨著填土高度的增加，路基累計(jì)沉降量較快增長(zhǎng)；第2、3階段填土高度增加而沉降量幾乎不變。由于前期施工速度快，路基沉降量較大，為保證路基的安全和通車后的穩(wěn)定，采用先預(yù)壓再繼續(xù)填土的方法。在預(yù)壓一定時(shí)間后，填土增加而路基沉降并不明顯。沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5。

圖4 AK0+020斷面路基累計(jì)沉降量與填土高度時(shí)間曲線

圖5 GK0+850斷面路基累計(jì)沉降量與填土高度時(shí)間曲線

2.1.2 水泥攪拌樁處理路段

樁號(hào)FK0+268路段為橋頭路段，填方高度為2.55 m。該處路基松軟、含水量大、路基反彈性大，采用水泥攪拌樁處理。處理長(zhǎng)度35.3 m，樁長(zhǎng)18 m，樁徑0.5 m，樁距1.1 m，采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥澆筑。在路基填筑第1階段，盡管填筑速度較快，但路基沉降量并未增長(zhǎng)太多；第2階段繼續(xù)填土，路基沉降速度大幅減小；第3階段達(dá)到設(shè)計(jì)填土高度并繼續(xù)預(yù)壓時(shí)，路基沉降不明顯，幾乎保持穩(wěn)定，平均沉降速率僅0.55 mm/d。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，路基沉降速率相對(duì)較慢，路基預(yù)壓期內(nèi)路基沉降速率更小。沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6。

IK0+300路段為過渡段，填方高度2.23 m。該處為高速公路路口處，車流量大，行車荷載集中，路基沉降要求高，采用水泥攪拌樁處理。處理長(zhǎng)度30 m，樁長(zhǎng)15 m，樁徑0.5 m，樁距1.1 m，采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥澆筑。以路中沉降板為例，在路基填筑第1階段，路基填筑至1.86 m時(shí)，路基累計(jì)沉降量為102 mm，沉降量與填土高度比約為5.5%；第2階段填土至設(shè)計(jì)標(biāo)高2.23 m時(shí)，路基累計(jì)沉降量為122 mm，沉降量與填土高度比約為4.7%，路基土承載性能有所提高；第3階段路基沉降趨于平穩(wěn)，基本保持不變。填筑期的平均沉降速率為1.95 mm/d，監(jiān)測(cè)期為1.16 mm/d，預(yù)壓期為0.83 mm/d，隨著堆載時(shí)間的延長(zhǎng)，路基沉降速率逐步降低，路基承載性能和穩(wěn)定性能提高。沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖7。

圖6 FK0+268斷面路基累計(jì)沉降量與填土高度時(shí)間曲線

圖7 IK0+300斷面路基累計(jì)沉降量與填土高度時(shí)間曲線

2.2 沉降結(jié)果分析

在整個(gè)路基沉降監(jiān)測(cè)期內(nèi)，各斷面累計(jì)沉降量均在合理范圍內(nèi)，路基相對(duì)保持穩(wěn)定，卸載前2個(gè)月內(nèi)路基沉降不超過5 mm/月，符合JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。各斷面沉降量見表1。

表1 各斷面沉降量

對(duì)比圖4～7，路基填筑第1階段，填土速率較大時(shí)，沉降速率較大；經(jīng)過第2階段預(yù)壓再填土后，沉降速率下降，地基性能得到提升；經(jīng)歷第3階段長(zhǎng)時(shí)間預(yù)壓后，沉降速率更小。水泥攪拌樁處理路基更節(jié)省時(shí)間，可縮短工期；累計(jì)沉降量更小，可節(jié)約成本；平均沉降速率更低，可提高路基安全性能。

從整體情況看，水泥攪拌樁處理路基后，平均沉降量比塑料排水板的小，原因在于塑料排水板只是擠壓出路基中多余的水分和空氣，使其密實(shí)度增大，改變土體的一些物理性能；而水泥攪拌樁是將水泥噴入土體內(nèi)部，經(jīng)過充分?jǐn)嚢瑁馏w和水泥形成一個(gè)整體，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

3 路基沉降預(yù)測(cè)

根據(jù)已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和沉降規(guī)律，采用雙曲線模型法預(yù)測(cè)路基沉降，推測(cè)路基的最終沉降。公式為：

(1)

式中：St為t時(shí)刻的沉降量；S0為初始沉降量；α、β為參數(shù)。

由下式可求得任意時(shí)刻路基的沉降量：

(2)

式中：t0為初始時(shí)間。

當(dāng)t→時(shí)，St=S0+1/β,由式(2)得：

(3)

令

(4)

由式(4)可知，f(t)是關(guān)于t的一次函數(shù)，通過計(jì)算可求得α、β的數(shù)值。以FK0+268中間沉降板前151 d實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，取t0=0、S0=0，計(jì)算f(t)的值，結(jié)果見表2和圖8。

表2 f(t)計(jì)算結(jié)果

圖8 f(t)～t曲線

由圖8可知：雙曲線模型的參數(shù)α=0.281 6，β=0.003 6，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2=0.990 5，相關(guān)度較大。將參數(shù)代入式(1)，得：

(5)

利用式(5)對(duì)FK0+268斷面進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，結(jié)果見圖9。

由圖9可知：利用前151 d的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)整個(gè)監(jiān)測(cè)期250 d的沉降，預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)值較接近，誤差大部分控制在1.5～6 mm，最大誤差8.37 mm，最小誤差0.13 mm，誤差較小，說明運(yùn)用雙曲線模型法預(yù)測(cè)路基沉降合理。t→時(shí)，由St=S0+1/β計(jì)算得路基的最終沉降量為278 mm。根據(jù)JTG/T D30-02-2013《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》，橋頭路段容許工后沉降為100 mm。該工程監(jiān)測(cè)期沉降量為209 mm，工后沉降為69 mm，符合規(guī)范要求。

圖9 沉降預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié)語

該文通過沉降板法對(duì)甬臺(tái)溫高速公路進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，分析不同填土階段的沉降情況，闡述地基變形和加載速率之間的關(guān)系；對(duì)比分析不同路基處理方式對(duì)沉降的影響，得出水泥攪拌樁處理橋頭地基可改善路基沉降，塑料排水板處理一般路段地基可減緩路基沉降的發(fā)生；采用雙曲線模型法預(yù)測(cè)路基最終沉降，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差很小，采用該方法預(yù)測(cè)路基沉降具有相當(dāng)高的可靠性。