软土区高速公路地基沉降变形监控方案及实施技术研究

2011-02-14贺国栋兰州交通大学甘肃兰州730070

中国建材科技 2011年2期

贺国栋（兰州交通大学，甘肃兰州730070）

近年来，我国高速公路建设发展非常快。国内软土地基分布广泛，软土的高含水量、孔大隙比、高压缩性、小压缩模量、低承载力等特性，为软土地区施工提出了特殊要求。

目前，高速公路软土地基处理通常采用以下措施：一种是采用排水固结预压法改善土体的三相体结构比例关系，加速软土地基排水固结过程，达到改良土体的物理力学性质的目的；另一种为加固土桩法，通过土体桩和桩间软土形成复合地基，提高地基承载力，达到减小路基总沉降量的目的[1，2]。

从已有的研究成果和施工经验看，高速公路软土地基施工过程中的变形监控必不可少，监控中沉降观测目的是判断软土地基沉降变化速率，进而判定路基的稳定性，保证路堤填筑施工安全，同时可利用监控量测数据推算路基的最终沉降量，评价软土地基的固结状况以及设计方案、施工措施的合理性，丰富软土地区施工经验、充实软基处理理论。

路基变形监控工作一般可分为填筑期监控、预压期监控、路面施工期监控和工后监控4 个阶段。其中前3 个阶段(施工期)的变形监控可以对高速公路施工过程实施沉降稳定动态控制，正确控制填筑速率以确保路堤填筑安全；同时可确定加载预压强度和卸载时间，加速沉降量在施工期或更早发生，减小工后沉降量；能确定结构物和路面的施工时间，确保结构物安全，减小路面施工期沉降量；通过监控有效控制工后沉降量和不均匀沉降，保证路面结构完整和车辆高速平稳行驶。工后沉降观测可以进一步验证地基处理效果，验证沉降预测的精确性，为运营期间采取合理措施提供指导，进一步完善软基设计、施工理论。

1 软基变形监控方案技术要求

软土区路基变形监控必须先做好技术设计方案，目的在于根据作业的具体要求，从全局考虑，统筹安排，使整个监控工作能及时有效进行，为工程建设的顺利进行提供可靠、准确、连续完整的实测资料。

1.1 变形监控精度指标确定

确定路基变形的精度指标通常有3 个，一是采用规范中规定的固定值；二是根据沉降变形增量的大小确定精度指标；三是通过探讨沉降变形观测值与建筑物允许变形值的比值关系确定[3，4]。

沉降变形增量的观测精度指标要求：为了确保沉降变形速率不致过大引起地基、路基发生破坏，沉降变形观测的精度必须能够真实反映路基沉降速率。对高速公路不同施工期中路基沉降的一般变化规律进行比较分析，结合现场观测条件，目前一般在填筑期和预压初期沉降变形增量的中误差mds 宜取(2.5+0.5)mm，在预压末期和路面施工期沉降增量中误差mds 宜取(1.5+0.5)mm。

累计沉降变形量的观测精度指标：沉降变形观测点初设或接管后观测所得高程为初读数，累计沉降量为历次初读数间隔时间内的沉降增量之和。假设每次采用相同的观测方法，沉降增量中误差为mds，则经过n 次初读数后累计沉降量的中误差ms 为mds，因此可以看到累计沉降变形量的观测精度随着初读数的次数增多而降低。

1.2 沉降变形监控的平差方法

在进行软基变形监控技术方案准备阶段，如果发现为施工埋设的水准网的精度低于沉降变形观测的精度要求，此时在采用附合水准路线进行观测后，若按一般附合水准路线平差方法来消除观测中的闭合差，水准点本身的误差将直接影响观测结果的精度。因此沉降观测的平差方法应该充分考虑水准点本身的误差。

1.3 沉降变形观测技术要求

观测精度应按测量规范根据实测数据进行计算评估。为了确保观测精度达到三等水准测量的要求，沉降观测可采用单程双测站、往返观测和附合水准路线等方法，观测的不符差应满足《工程测量规范》中三等水准测量的技术要求。水准观测时应及时检查较差或闭合差，应符合规范规定，不满足限差要求必须立即复测。仪器、操作和外界环境是误差的三来源，为此，每次观测应尽量遵从5 个固定原则：即后视尺固定；测站位置固定；转点固定；仪器设备固定；观测人员固定。

1.4 观测点的布置及观测频率设计

高速公路沉降变形观测点的布置首先应满足施工过程中地基、路基安全需要，其次考虑高速公路路线较长，应对布设密度进行优化，以节省投资。沉降观测的频率应能反映出路基荷载和沉降变化的过程，通常需根据具体情况确定[5，6]。

2 软基变形监控方案实施

2.1 沉降变形观测点的选择和埋设

沉降变形观测的测量点分为校核基点、工作基点和沉降观测点。其中沉降观测点主要有埋设于路基中心线、路肩及基底的沉降板测杆。工作基点是作为沉降板测杆观测的控制点，必须埋设在路堤填土影响区以外，一般至少距路基中心线50m 以外。一般用预制混凝土桩打入坚硬土层2m 以下，保证其稳定。而校核基点是用于控制工作基点的，布设在沉降区外地基稳定的地段，也一般采用预制混凝土桩打入坚硬土层10m 以下，4周应采取永久性保护措施，且利用它定期对工作基点复测校核。沉降观测单位一般可利用施工单位所设置的校核基点。

2.2 沉降板的制作、埋设及保护

沉降板的制作要求：一般采用为长宽高尺寸为60cm×60cm×1cm 的钢板做底板，一根直径为40mm 的钢管，并用4 块钢条搭接将钢管焊接在钢板的正中心作为测杆。随着填土的增高，测杆可以接长，逐渐升高。钢管外还设置硬质PVC套管，防止钢管与路堤填土直接接触，PVC 套管也可接长。

沉降板在第1 层填土铺平但未压实之前进行埋设，安放沉降板时应确保钢板底座水平性良好，保证充实，避免底座与砂垫层局部虚空。通常在选择断面后，分别于路堤的中心和左、右路肩及基底上各埋设沉降板一块，实测不同时间不同位置的沉降变形。

路基变形数据通过对测杆的不定期测试得到，为了得到与实际吻合的数据，要确保沉降板处于正常工作状态，沉降板一旦损坏将很难恢复，更严重的是将导致数据的断点，破坏数据采集的完整性和连续性。实际工作过程中，由于施工现场的复杂性，大型施工机械多、作业频繁，极易造成沉降板的破坏。为此，监控负责方和施工方要做好相应工作，监控技术人员要对埋设做好技术指导工作，沉降板接管外要套有硬质PVC 管，沉降板周围不得有大型土块或石块，沉降板四周可人工填料并用小型机具振动压实。对施工人员做好宣传工作，在沉降板周围插上一面红旗或非常醒目的标志牌以警醒操作施工机械的人员。

2.3 观测频率和精度及观测原则

根据施工监控的技术设计方案，一般每填土1 层观测1 次，长时间停止施工，中间需要加测，观测间隔不大于7 ～10d/次。观测过程发现异常现象，要加大观测频率，调整到2d/次，甚至1d/次，密切注意沉降变形发展情况。一般而言，观测精度与沉降变形量有一定的关系，即沉降量越大，观测精度可放低，反之则要求精度高。路堤施工期间，其沉降变形观测精度与预压期及路面施工期的沉降观测精度相比，可适当放低。

2.4 沉降变形观测方法

一般进行变形监控时，测站点并不需要与工作基点及沉降标一定在一条线上，只需要后视距与前视距尽量相等，前后视距差不宜超过1m。后视距或前视距以不超过50m 为宜，当工作基点与沉降板测点相距太远或因高差的原因需要转点时，一定得使用尺垫，转点次数一般为1 次，不宜超过2 次。

沉降板埋设稳定后即可测得初始高程H0，随着填方高度增加需要接长钢管时，在接长之前，观测高程H1。将钢管接上，再观测其高程，以此观测值作为下次观测计算沉降变形的初始值，依次类推。此时本次的沉降值即为：H1-H0。每段钢管的长度以20 ～30cm 为宜，钢管过长，当接上钢管再于其上竖立铟钢尺时，铟钢尺所处位置较高，竖尺者无法看到圆水准气泡，致使铟钢尺无法竖直，而是左右晃动，让观测读数者读数产生误差。观测时间一般选择在上午或下午较好，最好避开中午时段，因为那时阳光强烈，致使观测人员眼睛眩晕，不宜看准读数，另阳光强烈时对观测仪器也有较大损害[7]。

随着路基填筑高度不断增高，观测点位置相应要发生变化。一次转点时，一般把工作基点的高程导到新压实的路面上，如果此时仪器架设于原地面时，前后视读数都有困难。可将转点设于路堤边坡上一定范围内，在其上竖立铟钢尺，仪器仍架设于原地面，则可看到读数，再把仪器架设于新压实的路面，将此处的高程导向沉降板测点。当填土高度进一步增大，仍会出现看不见铟钢尺而无法读数，而转点又不宜超过2 次。此时则需要将工作基点的高程导往附近的桥墩或通道上，因为桥墩或通道的沉降基本上已趋于稳定，所以桥墩或通道上某一处的高程可作为以后的工作基点。

2.5 测试数据处理及应用

根据现场实测的不同时间同一位置，及同一时间不同位置的变形资料，需要对数据进行及时处理，同时绘制地基、路基随时间变形的曲线，以填土时间为横坐标轴，与时间对应的荷载(填土高度)和沉降量为纵坐标轴，可绘制时间-荷载-沉降曲线，指导施工过程。根据沉降变形量随时间变化曲线，日沉降速率不超过10.0mm/d 时，可填筑下一层土方。当日沉降速率大于此值，则需报警，及时通知施工单位，上报业主，并仔细分析原因且加密观测，待路堤变形稳定才可继续填土。