高速公路采空區路段沉降監測分析

張泳帥

（山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006）

引言

高速公路采空區路段處治不當，會產生沉降變形造成路基路面結構損壞，甚至引發交通事故[1]。結合高速公路采空區處治案例，制定方案開展沉降監測。選取有代表性的監測斷面，分別布置沉降監測板和沉降觀測樁，開展沉降監測收集數據進行分析，作為評價路基穩定性和采空區處治效果的主要依據。

1 采空區路段路基沉降變形機理

1.1 地基沉降機理

天然地基是由固液氣三部分組成的三相體，地基沉降變形主要表現在荷載作用下固體顆粒的壓縮和孔隙體積的變小[2]。在實際中，荷載作用下土壤顆粒的壓縮量很小，主要是地基土中水和空氣的排出使土壤顆粒重組產生壓縮變形，地基土的壓縮變形可以分為三個階段。（1）第一階段是瞬時沉降階段，在荷載作用下地基土的孔隙水無法及時排出，土體受到剪切作用產生瞬時沉降變形，一般土體的瞬態變形較小，軟土地基較大。（2）第二階段是主固結沉降階段，這個階段在荷載作用下孔隙水從地基土的空隙中排出，土壤顆粒相互靠攏，地基土體積壓縮后產生沉降變形。地基土沉降過程中，孔隙水的排出使土壤進一步固結，稱為固結變形。（3）第三階段是次固結變形階段，這個階段地基土內部的孔隙水基本被排出，但土體還會產生進一步固結，稱為次固結變形。在這個階段土壤顆粒在固定的有效應力作用下產生蠕變變形，沉降量一般較小，且持續時間較長，在施工過程中一般不作深入分析[3]。

1.2 路基沉降變形機理

在路基填筑施工過程中，由于機械荷載作用、路基土自重等原因會造成路基產生沉降變形。與地基沉降類似，路基沉降分為四個階段。（1）第一個階段是發生階段，這個階段出現在路基填筑施工初期，此時地基還處于彈性變形狀態，在荷載的作用下會產生較大的瞬態沉降變形。（2）第二階段是發展階段，路基填筑到一定高度后，路基上部的土體自重越來越大，作用在地基上部的荷載也不斷增加。這個階段地基土逐步轉變為彈塑性狀態，路基沉降變形量不斷增加，但隨著填筑施工時間的增長，地基土逐漸達到了固結狀態，沉降變形逐漸減小，路基沉降變形呈現先大后小，先快后慢的規律。（3）第三階段是成熟階段，這個階段路基填筑完成，地基上部的填土荷載不再變化，地基土和路基土處于一個緩慢的固結狀態，雖然沉降量還在增大，但沉降速率明顯放緩。（4）第四階段為極限平衡階段，經過長時間的沉降變形，沉降量大幅下降，沉降速率較小，路基達到了極限平衡狀態，沉降量基本保持不變[4]。

2 采空區路段變形監測方案

2.1 依托項目簡介

長臨高速公路K27+326—K27+980段為采空區，最小埋深22 m，最大埋深129 m，采厚1.7～2.6 m，巷道頂板為泥巖。設計采用全充填壓力注漿法進行處治，注漿材料選用水泥、粉煤灰，固相比為1.5∶8.5。注漿水固比為1∶1.5～1∶1.0，為增加漿液黏稠度，加入2%的速凝劑。兩側設置帷幕注漿孔，布置間距為15 m，中間注漿孔間距為15 m，注漿終孔壓力為1.0～1.5 MPa，充填率為85～90%。為了檢驗采空區的處治效果，準確掌握采空區路段路基的變形情況，選取有代表性的斷面開展沉降監測。

2.2 沉降板布置

為了確定采空區段路基的沉降變形情況，在地基基面上布置沉降板，在路基填筑過程中進行沉降監測。選取K27+500和K27+800斷面作為監測斷面，每隔5 m布置一塊沉降板，每個斷面布置沉降板6塊，共計12塊，沉降板布置見圖1。

圖1 沉降板和沉降觀測樁布置

沉降板的觀測采用精密水準儀和銦鋼尺進行，利用現有水準點建立閉合水準路線開展測量工作。該路段路基填方高度為3 m，分10級，每級填筑高度0.3 m開展填筑施工，每級填筑完工后進行一次數據采集。

2.3 沉降觀測樁布置

為了對采空區段路基和坡腳沉降情況進行監測，分別在路基頂面和坡腳布置沉降觀測樁，具體位置為路線中心、左右線中心、左右線坡腳位置。選取K27+500和K27+800斷面作為研究對象，每個斷面布置觀測樁5根，見圖1。沉降觀測方法與沉降板相同，主要是在路基填筑完工后開展沉降監測，用于分析路基整體結構的沉降和位移。

3 路基沉降變形監測結果分析

3.1 地基土沉降變形監測結果分析

在路基填筑施工過程中，開展沉降監測，收集K27+500和K27+800斷面監測數據并分析繪制路基沉降隨填筑高度和時間變化曲線，見圖2。路基沉降監測主要分為兩個階段，即路基填筑階段和靜置階段，路基填筑階段每級填筑完成后進行一次 監測。

圖2 沉降變形曲線

由圖2可以得出，在路基填筑施工階段，路基沉降變形量較大，完工后沉降變形明顯下降，并最終達到穩定狀態。沉降曲線前期沉降速率較快，尤其是前2級填筑，路基沉降速率最大，后期沉降速率逐漸下降，填筑完成后路基沉降速率逐步下降，在完工后2個月逐步趨于平緩，達到穩定狀態。結合施工過程進行分析，路基填筑過程中由于受到施工機械荷載、填筑自重的影響，沉降量增長速度較快，尤其以前2次最快，后期逐步下降，這是由于路基填筑施工前期地基土處于彈性狀態，瞬時沉降量較大，后期地基土轉化為彈塑性狀態，沉降量不斷下降。靜置6個月后地基土沉降量不斷減小，最終達到穩定狀態，說明采空區處治后地基達到了穩定狀態。

3.2 路基頂面和坡腳沉降監測結果分析

在路基填筑施工完成后，布置沉降觀測樁對路基頂面和坡腳開展沉降觀測，收集沉降監測數據繪制沉降變形曲線見圖3。由于兩個監測斷面的監測結果相近，僅取K27+500斷面沉降監測結果作為研究對象。

圖3 K27+500斷面路基頂面和坡腳沉降變形曲線

從圖3可以看出，在路基填筑完工后，路基中心和坡腳的沉降量仍然會有一定程度的增加，增加量比較小，且隨著時間的增長沉降量不斷減小，最終達到穩定狀態。在路基填筑完工后的3個月內，路基沉降量有一定幅度的增長，3個月后基本沒有增長。比較5個測點的沉降量，路線中線沉降量最大，兩側坡腳最小，左右幅路基中心居中，但差值較小，基本可忽略不計。另外，比較觀測樁與沉降板的監測結果，二者的監測結果十分接近，說明在靜置狀態下路基的沉降量很小，路基整體結構穩定。

4 結語

以長臨高速公路采空區處治為研究背景，對采空區處治后的地基和路基開展沉降監測。（1）分析沉降板監測結果，得出路基填筑施工過程中地基沉降量增加速度快，且呈現先快后慢、先大后小的發展規律，填筑完工后沉降量明顯下降，地基沉降逐步達到穩定狀態。（2）分析沉降觀測樁監測結果，路基填筑完工后路基頂面和坡腳前期有一定幅度的增加，但幅度較小，后期逐漸趨于平穩，且路線中線、路基左右幅中心線和坡腳沉降量差異不大，路基沉降最終達到穩定狀態。綜上，該采空區路段在處治后路基沉降變形最終達到穩定狀態，達到了預期效果。