高速公路軟土地基沉降監(jiān)測分析

李培樂

(山西機械化建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

高速公路軟土地基處治不當(dāng)，會造成路基路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的沉降變形，進而導(dǎo)致道路整體結(jié)構(gòu)破壞。為了解決軟土地基沉降變形問題，通常采用強夯法、水泥攪拌樁法對軟土地基進行處治。為了準(zhǔn)確確定軟基處治效果，布置測點在路基、路面施工過程中進行沉降監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)進行分析，作為分析軟基處治效果的主要依據(jù)。

1 軟基的沉降機理

軟土地基承載能力差、強度低，在外界荷載作用下容易出現(xiàn)較大的壓縮變形。高速公路沿線分布廣，地基地質(zhì)情況變化較大，準(zhǔn)確掌握地基土的基本特性難度比較大。在路基填筑施工過程中，在路基填料重量的作用下，會使地基產(chǎn)生進一步的固結(jié)變形，使路基產(chǎn)生沉降變形。

地基土的變形包括體積變形和形狀變形兩部分，體積變形時在正應(yīng)力的作用下壓密地基土，使土體體積縮小；形狀變形是在剪應(yīng)力作用下土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪切破壞，使地基土形狀發(fā)生變化，進而使土體產(chǎn)生剪切破壞，地基沉降主要是由于土體體積變形引起的。

地基土在外界荷載作用下，會產(chǎn)生壓縮變形，發(fā)生固結(jié)。外界荷載一部分由地基土中的水承擔(dān)，從而產(chǎn)生孔隙水壓力；另一部分荷載由土體骨架結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的有效應(yīng)力承擔(dān)。根據(jù)太沙基理論，孔隙水壓力和有效應(yīng)力之和構(gòu)成了地基土的總應(yīng)力。土體在外界荷載作用下，產(chǎn)生沉降變形會經(jīng)歷以下兩個過程：第一個過程是土體顆粒在外界荷載作用下產(chǎn)生壓縮和側(cè)向膨脹變形，此時壓應(yīng)力沒有超過地基土所能承受的極限壓應(yīng)力，因此土體顆粒的變形量較小；第二個過程是在壓應(yīng)力超過極限壓應(yīng)力，土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生流體排出，這個過程中土體體積大幅縮小，水分和空氣被排出，進而造成地基產(chǎn)生沉降變形。

2 聞合高速軟基沉降監(jiān)測方案

2.1 工程概況

聞合高速公路設(shè)計采用雙向四車道，路基設(shè)計寬度26 mm，路線全長75.98 km，設(shè)計車速100 km/h。該高速公路處于黃土高原干濕過渡區(qū)，夏季濕潤多雨，冬季干旱少雨，降雨主要集中在夏季。該地區(qū)一年中平均氣溫最高月份出現(xiàn)在7月，平均氣溫為23.8 ℃，平均氣溫最低月份出現(xiàn)在1月，平均氣溫為-20.6 ℃。冬季冰凍厚度為56 cm，冬季干燥少雨，冬歇期間應(yīng)做好防護。該地區(qū)降雨主要集中在6月～9月，其中7月～8月降雨量最大，路基施工過程中應(yīng)做好防排水設(shè)計，防止雨水浸泡。路線個別路段穿越軟土地區(qū)，主要為粉土、粉質(zhì)粘土，軟土厚度為3.7 m～8.7 m，軟土區(qū)域地基土含水量高，承載能力差。為提高地基承載力，采用強夯法和水泥攪拌樁處治軟基路段，并制定監(jiān)測方案對路基沉降變形情況進行監(jiān)測，確保路基穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

2.2 軟基沉降監(jiān)測方案

該項目軟基處治后，進行路基填筑施工，由于施工工期緊張，填筑施工速度快，為了控制路基沉降變形，在路基填筑完成后對軟基沉降情況進行控制。結(jié)合路基填筑高度布置監(jiān)測斷面，在每個斷面布設(shè)沉降板、測桿開展監(jiān)測工作。為了準(zhǔn)確確定各路段軟基沉降情況，分別在強夯法和水泥攪拌樁處治路段布置監(jiān)測斷面和觀測點。監(jiān)測斷面間距為150 m～200 m，在路基與橋梁、涵洞等構(gòu)造物連接處適當(dāng)加密。

沉降監(jiān)測采用電子水準(zhǔn)儀、銦鋼尺進行觀測，測量精度必須滿足二等水準(zhǔn)測量要求。根據(jù)路基實際情況確定觀測頻率，對一般路段，觀測初期1次/(1～2)d或1次/3 d，如出現(xiàn)沉降突變增加觀測頻率至1次/d，完工后或冬歇期1次/14 d。路面施工后6個月1次/(10～15)d，通車運行0～3個月1次/月，4個月～12個月2次/月。

3 軟土地基沉降監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 施工中路基中心沉降變形分析

為了準(zhǔn)確確定路基中心在施工過程中的沉降變形情況，選取有代表性的斷面進行沉降變形分析。在路基填筑過程中，分別在每次填筑完成后進行路基沉降觀測，記錄變形數(shù)據(jù)如表1所示，繪制沉降量—填高—時間曲線如圖1所示。

表1 監(jiān)測斷面路基中心沉降變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

分析監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)和變化曲線，在路基填筑施工初期該監(jiān)測斷面路基中心沉降變化速度較快，后期變化速度趨緩。這主要是由于施工期間隨著路基填筑厚度不斷增加，軟基上部荷載不斷增加，在荷載作用下軟基不斷被壓密和固結(jié)。施工初期沉降變形大，瞬時沉降速率高；在填筑施工后期，軟基固結(jié)變形逐漸下降，沉降速率下降，變形曲線逐步趨于平緩。

3.2 軟基沉降結(jié)果分析

為了準(zhǔn)確確定軟基沉降變化情況，在路基填筑施工過程中，完工后分別進行監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)分析軟基變形情況。項目施工過程中先后布置60多個觀測斷面，分別在路基填筑施工階段、完工后和路面施工階段開展沉降監(jiān)測。

軟土地基采用強夯法、水泥攪拌樁進行處治，分別在各處治路段選擇監(jiān)測斷面，其中斷面一、斷面二位于強夯處治路段，斷面三、斷面四和斷面五位于水泥攪拌樁處治路段。該施工區(qū)域軟土地質(zhì)主要為粉土和粉質(zhì)黏土，監(jiān)測斷面布置如圖2所示。監(jiān)測時間自2018年8月開始，一直持續(xù)到2019年2月，監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 各監(jiān)測斷面沉降監(jiān)測記錄表

分析表2數(shù)據(jù)，軟土路基沉降監(jiān)測時間為7個月，5個監(jiān)測斷面監(jiān)測時間分布范圍201 d～210 d。各監(jiān)測斷面最大沉降量達到了95.4 mm，為斷面四，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的300 mm，位于水泥攪拌樁處治路段。斷面二沉降量最小，為83.1 mm，位于強夯處治路段。最終月沉降量為0.1 mm～0.3 mm，說明軟基沉降已基本趨于穩(wěn)定。通過對比分析，強夯法處治路段沉降變形量低于水泥攪拌樁處治路段，說明強夯法軟基處治效果更好。

3.3 軟基沉降速率分析

分析五個斷面監(jiān)測結(jié)果，各斷面沉降監(jiān)測結(jié)果見表3，繪制各斷面沉降速率變化曲線詳見圖3。

表3 各監(jiān)測斷面沉降速率統(tǒng)計表

分析圖3曲線變化情況，在監(jiān)測初期，路基沉降變化速度快，且隨著路基荷載的增加，沉降速率迅速增大。這是由于路基施工階段，路基填筑厚度不斷增加，荷載不斷增大，軟土地基在荷載作用下逐漸產(chǎn)生固結(jié)和壓密，加快了沉降速率變化速度。路基填筑完成后，路基沉降速率明顯下降，且隨著時間的增長，沉降速率不斷變小，到路面施工階段路基沉降變形速率接近于0，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的3 mm/月，說明路基沉降變形已基本趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過對處治后高速公路軟土地基開展沉降監(jiān)測工作，對路基、路面施工過程中和完工后軟基沉降情況進行分析，得出以下結(jié)論：

1)分析監(jiān)測斷面路基中心沉降監(jiān)測結(jié)果，得出路基填筑施工初期沉降變化速率較快，后期變化速率趨緩，這是由于施工初期軟基壓密和固結(jié)變形大，后期變形小造成的；

2)分析軟土路基沉降監(jiān)測結(jié)果，得出各監(jiān)測斷面最終沉降變形量均小于規(guī)范要求的300 mm，滿足設(shè)計要求，且強夯法處治的軟基沉降變形較水泥攪拌樁處治路段小；

3)分析路基沉降變形速率曲線，得出施工前期軟基沉降變形速度快，后期逐步趨于穩(wěn)定，且沉降速率小于3 mm/月，說明沉降變形趨于穩(wěn)定，達到了預(yù)期的處治效果。