高填路堤沉降自動化觀測技術及沉降規律研究

問武華，樊 剛

（中交二公局東萌工程有限公司景文標項目經理部，陜西 西安 710000）

1 引言

山區公路高填路堤沉降規律的探討已成為我國高等級公路修筑面臨的關鍵問題[1]。目前國內學者主要采用數值計算或通過有限元法建立相應的模型來預測和分析不同因素對高填路堤的沉降特性的影響[2-6]，而根據現場實測沉降資料進行預測分析的研究較少。劉志強等[7]采用自動化設備監測了云湛高速的路基總位移并得到了其與監測時段的關系；葛苗苗等[8]采用FEM計算并反演預測了黃土高填路堤的沉降起因，得到了較為理想的反演參數；李占鋒[9]通過實測山區高速公路的沉降數據并建立模型，分析了施工工藝和地質條件等因素對路基沉降的影響；杜雁鵬[10]通過對比降雨前后高速高填路堤段的沉降變化討論了沉降規律和機理。盡管數值計算法和有限元法能夠模擬路堤沉降，但由于路堤填土材料的復雜性，試驗得到的材料參數并不具有很好的規律性，因此數值模擬等理論方法很難找到能夠同時符合多因素影響效果的合適模型。而實測沉降資料是在實測數據的基礎上通過預測法獲得，能夠較好的反映路堤沉降的規律，從而可以達到理想的預測效果。

目前，實測沉降多采用水準尺、觀測樁、沉降板及水平測斜儀等傳統的監測方法，但這些觀測辦法過于麻煩，且精度不夠高，因此本研究采用精度高、無線通信傳輸、低功耗、密封性好、可靠性高且穩定性好的單點沉降計，對路基進行全自動檢測，對比研究了其與常規路堤沉降測試方法的差異，在此基礎上分析高填路堤沉降自動化檢測技術的優勢，并得出沉降規律。

2 工程概況

2.1 工程簡介

浙江景寧至文成第五合同段為試驗的沉降監測對象，線路起點位于西坑鎮南坑垟村，終點位于大峃鎮樟坑村，主線路基為雙向四車道高速公路標準，設計車速80km/h，整體式路基寬25.1m，分離式路基寬12.75m。路線全長9.415km，其中高填方路基位于景文第五合同段（道路樁號YBXK0+000-YBXK0+459），最大填方高度32.4m。平面布置圖如圖1所示。

2.2 水文地質條件

工程區屬亞熱帶季風區，受地形變化的影響，氣候垂直差異和層次分布明顯，年平均降雨量為1589mm。場地勘探深度可劃分為填土、含礫粉質黏土、全風化安山巖、強風化安山巖、中風化安山巖。

圖1 平面布置圖

2.3 高填路堤施工處理措施

為提高路堤強度并降低工后沉降，需對高填路堤做如下特殊處理。

①采用隧道廢棄石料填筑路堤。

②填石路堤和下路床之間設置40cm 過渡層，采用粒徑不大于15cm 的宕渣填筑，單層鋪筑厚度不大于20cm；過渡層底面設置一層無紡土工布，下路床采用宕渣填筑，粒徑不大于10cm，單層鋪筑厚度不大于20cm，上路床采用級配碎石填筑，單層鋪筑厚度不大于15cm。

③壓實過程中每隔5m 采用強夯措施進一步提高路基壓實度。

④填實路基坡面采用塊石碼砌，同時邊坡平臺設置爬藤客土槽，上部路床和過渡層路基坡面采用植草灌綠化防護。

⑤采用擋墻或護腳增強路堤的穩定性與耐久性，護腳采用C20片石混凝土現澆并設置排水平孔，具體高填方路堤特殊處理斷面圖如圖2、圖3所示。

3 路基沉降監測分析

3.1 沉降監測儀器

圖2 高填方路堤特殊處理斷面圖

圖3 YBXK0+210高填方路堤特殊處理斷面圖

本次研究分別采用水準尺常規監測和單點沉降計全自動監測設備進行平行試驗，基于兩部分路堤沉降監測數據，分析自動化監測與常規監測差異。工程監測儀器分別采用測量精度為1mm 的3m 雙面水準尺和單點沉降計。單點沉降計工作時主要依托設置在監測點高程處的沉降板，可與路堤達到同步沉降，使得活動導磁體與感應線圈發生相對位移并將此信號傳輸到讀數儀，最后通過與單點沉降計相連的導線遠程輸出到終端設備，從而達到沉降數據進而達到實時監測的目的[11]。本次選用的單點沉降計靈敏度0.05mm，自編號傳感器量程為200mm，精度為0.01mm，內置存儲功能要求存儲數據可達1600 條，通用讀數儀測量范圍為6000Hz。如圖4所示。

圖4 單點沉降計安裝示意圖

3.2 沉降監測點的布設方案

本次沉降監測選定YBXK65段300m試驗段作為監測對象，根據設計文件及規范要求將斷面監測間距設為100m，試驗段橫斷面示意圖如圖5 所示。在各橫斷面路堤頂根據高程的不同分別設置3個監測點，單點沉降計分別埋放在距兩側土路肩邊緣30cm處的地基頂面以及橫斷面位置在路基中央的地基頂面，并按照觀測點距地面線深度從高到低依次記為1#、2#、3#，沉降計布設編號如表1所示。

3.3 沉降觀測結果分析

圖5 高填方段沉降監測斷面及監測點布設圖

選取試驗路段的施工期（2019年11月15日至2020年10月15日）為本次研究的監測期，每相隔30d到各編號位置處采用水準尺手動多次測量沉降值，并與采用單點沉降計連接的無線設備實時采集的路基高度數據對比，監測期內12 次常規監測數據和自動采集設備所收集的各斷面監測點沉降數據見表2和表3。

根據表2和表3的高填路堤段沉降監測結果，繪制常規監測和自動化監測的不同斷面監測點處的沉降曲線如圖6和圖7所示。

根據圖6 和圖7 的試驗路段各監測點處的累計沉降曲線可知，同一路段上三個橫斷面上的最大沉降值均發生在1#處，且整體沉降量隨著觀測點距地面線高程的降低而逐漸減小。而對于所有的監測點，沉降量隨觀測時間的增加均表現出相似的趨勢，即在第一個觀測月，累計沉降量呈直線式上升，隨后沉降增加速率顯著減緩，當觀測天數達到十個月后，沉降量基本趨于穩定[12-14]。由此可以判定，路堤填土完成十個月后沉降已基本穩定，可以進行下一步的面層施工等工序。

表1 高填方段單點沉降計布設位置編號及高程

表2 水準尺常規觀測沉降監測結果 mm

表3 單點沉降計自動化觀測沉降監測結果 mm

圖6 常規監測高填路堤沉降量與觀測時間關系曲線

圖7 自動化監測高填路堤沉降量與觀測時間關系曲線

此外，由于本次監測所取斷面位于同一路段且間距較小，因此不同斷面同一高程處監測點的沉降值應相差不大，而對比圖6 和圖7 發現，盡管采用常規監測手段和自動化觀測得到的沉降量相差不大，但采取常規監測數據的起伏波動明顯大于采用自動化觀測得到的累計沉降量，從側面反映出采用單點沉降計的自動化觀測具有可靠度高、穩定性好的特點。因此，采用自動化觀測得到的沉降量均值對實際工程中預測路基沉降提供了參考。

4 結語

本文通過采用常規監測和基于單點沉降計的自動化監測方法，分別對浙江景寧至文成第五合同段高填路堤進行了沉降監測，基于沉降數據分析得出如下結論：

①同一斷面不同高程監測點處的沉降量不同，具體表現為整體沉降量隨著觀測點距地面線高程的降低而逐漸減小。

②高填路堤沉降量隨觀測時間的增加表現出先直線增大，然后增長速率逐漸變慢直到基本穩定的趨勢。

③相較于常規監測手段，采用單點沉降計的自動化觀測可靠度高、穩定性好，其得到的沉降量均值可為實際工程中預測路基沉降提供參考。