软土地区高速公路路基沉降监测及预测分析*

张军辉， 周剑坤， 周平

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114；2.云南省建设投资控股集团有限公司， 云南 昆明 650501)

路基的沉降稳定是高速公路畅行的重要保证，施工中沉降变形值是路基处理的重要指标。路基沉降监测方法有横剖测试法、CMOS图像传感器测量法、沉降水杯法、基于光纤光栅(FBG)的新型拉伸计、沉降板法等。其中：横剖测试法的监测设施便于保护，不影响施工，但其监测质量不易控制，可靠性差；CMOS图像传感器测量法的监测精度较高，可实现自动化监测，但其稳定性差，现场监测难以实施；沉降水杯法通过测量管内液面高度差得出土体内部沉降量，仅限于不结冰的地区使用；基于光纤光栅(FBG)的新型拉伸计可实现连续自动监测，但成本高，测量范围小；沉降板法通过测量不同时间段沉降观测点的标高得出路基沉降量，技术成熟，成本低廉，是路基沉降监测的首选。

除对路基进行沉降监测外，路基工后沉降预测同等重要，方法有灰色理论方法、BP神经网络法、分层总和法、数值计算、双曲线模型法等。其中：灰色理论方法不够精确，理论性强，局限性大，数据处理麻烦；BP神经网络法的工作量大，需使用庞大的软件进行处理，一般技术人员不能适应，且无法及时处理数据，不具有时效性；分层总和法假设地基只产生竖向变形，但软基存在明显的侧向变形；岩土工程数值计算软件大都需室内试验为其提供参数，且理论性较强、操作复杂，不易被一线施工人员接受；双曲线模型法相对简单，且可靠性高，当天处理完数据即可作出推算，其运用最为广泛。

目前类似浙江温州沿海地区软土地基的地质条件可供信赖的经验和信息很少，路基沉降趋势经验更少，无法合理有效地预测路基工后沉降。该文采用沉降板法监测路基沉降，利用双曲线模型法预测工后沉降，为该地区路基沉降监测和预测提供参考。

1 沉降监测设计

1.1 工程概况

甬台温(宁波—台州—温州)高速公路温州段全长56.855 km，沿线为特殊性岩土，以粉质黏土和淤泥质黏土为主。出露地层单元较少，基岩主要为侏罗系、白垩系火山碎屑岩和侵入岩，第四系主要为全新统海积松散堆积物地层。侏罗系上统磨石山组以中酸性火山碎屑岩为主，岩性以青灰色、灰紫色块状流纹质晶屑凝灰岩或晶屑熔结凝灰岩为主，常含角砾；白垩系下统朝川组以中酸性火山碎屑岩为主，岩性以青灰色晶屑凝灰岩、晶屑熔结凝灰岩、晶屑玻屑熔结凝灰岩、熔结凝灰岩为主，部分段夹砂砾岩；侵入岩岩性以酸性岩为主，少量中酸性，主要为马站钾长花岗岩。工程区第四系分布最广，岩性以粉质黏土、含黏性土碎石为主；平原区上部堆积厚度巨大的第四纪地层，厚度达70～100 m，岩性以淤泥、淤泥质土为主。

该地区软土呈软塑～流塑状，干缩性大，工程性质极差，易发生侧向滑移和不均匀沉降。一般无特殊要求的路段采用塑料排水板处理；桥头、通道等结构物相邻路段对路基沉降要求较高，采用水泥搅拌桩处理。

1.2 沉降监测断面选取

根据该工程软基段路基填土高度、淤泥层厚度、软基处理方式等情况，为对比塑料排水板地基、水泥搅拌桩地基及不同填土高度路基的沉降情况，选取10个断面进行沉降监测。其中：5个断面为塑料排水板地基，设计填土高度，桩号AK0+020为3.25 m，FK0+236为2.79 m，GK0+640为2.87 m，GK0+850为2.82 m，IK0+187为2.54 m；5个断面为水泥搅拌桩地基，设计填土高度，桩号AK0+270为2.55 m，DK0+110为3.31 m，FK0+268为2.55 m，FK0+603为3.06 m，IK0+300为2.23 m。选取断面的路基跨度均大于12 m。监测断面平面布置见图1。

图1 沉降监测断面平面布置

一般路段每隔100～200 m设置1个监测断面，桥头路段和过渡段设置2～3个监测断面；路基宽度不大于8.5 m时仅设置路中沉降板，路基宽度为8.5～12 m时设置路肩沉降板，路基宽度大于12 m时设置路中沉降板和路肩沉降板(见图2)。

图2 沉降板布设

1.3 沉降监测装置及埋设方法

沉降监测装置由钢板、闷头和金属测管等组成。底板尺寸为60 cm×60 cm×0.9 cm，测管直径3 cm，厚度不小于5 mm，每节长度20 cm。第一节管用3根加强钢筋将其焊在沉降板上，随着填土的增加，测管相应加高。接高后的测管上口加盖闷头，便于立尺和保护测管不被破坏(见图3)。

图3 沉降监测装置(单位：cm)

沉降板埋设方法：在埋设点地面挖80 cm×80 cm×30 cm左右的土坑，坑内用厚度为3～5 cm的砂石垫平压实；把沉降板平放在土坑内，周围用砂石填实，并校正水平，用填土整平压实；填土时先将沉降板的周围压实，保护沉降板不受破坏；护套管埋设在高于底板35 cm处。

2 沉降监测结果与分析

沉降监测按规范要求进行，由固定人员按照固定周期进行监测，并采用相同的监测路线和监测方法，以最大限度减小误差。每次监测完成后，当天处理数据，以及时发现问题并加以解决，为以后的监测提供经验教训。

2.1 沉降监测结果

2.1.1 塑料排水板处理路段

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桩号AK0+020路段为过水塘路段，填方高度3.25 m。采用的塑料排水板宽度为100 mm，厚度4.5 mm，路基处理长度100 m，布置间距1.1 m，处治深度30 m。该路段路基含水量大，土基松软，最终完成填土时最大沉降量高达630 mm。路基填筑第1阶段填土高度仅2 m、堆载预压时间仅29 d时，左侧路基累计沉降量已达210 mm，约占总沉降量的35%，沉降速率过大，为保证路基的安全及时停止填土。在第2阶段，随着堆载时间的延长，路基沉降减缓，继续填土。到第3阶段时，沉降趋于稳定。沉降监测结果见图4。

桩号GK0+850路段为林地，填方高度为2.82 m，路基主要承力层为粉质黏土和砂土。塑料排水板宽度为100 mm，厚度为4.5 mm，路基处理长度55 m，布置间距1.1 m，处治深度15 m。在路基填筑第1阶段，随着填土高度的增加，路基累计沉降量较快增长；第2、3阶段填土高度增加而沉降量几乎不变。由于前期施工速度快，路基沉降量较大，为保证路基的安全和通车后的稳定，采用先预压再继续填土的方法。在预压一定时间后，填土增加而路基沉降并不明显。沉降监测结果见图5。

图4 AK0+020断面路基累计沉降量与填土高度时间曲线

图5 GK0+850断面路基累计沉降量与填土高度时间曲线

2.1.2 水泥搅拌桩处理路段

桩号FK0+268路段为桥头路段，填方高度为2.55 m。该处路基松软、含水量大、路基反弹性大，采用水泥搅拌桩处理。处理长度35.3 m，桩长18 m，桩径0.5 m，桩距1.1 m，采用42.5号普通硅酸盐水泥浇筑。在路基填筑第1阶段，尽管填筑速度较快，但路基沉降量并未增长太多；第2阶段继续填土，路基沉降速度大幅减小；第3阶段达到设计填土高度并继续预压时，路基沉降不明显，几乎保持稳定，平均沉降速率仅0.55 mm/d。在整个监测期内，路基沉降速率相对较慢，路基预压期内路基沉降速率更小。沉降监测结果见图6。

IK0+300路段为过渡段，填方高度2.23 m。该处为高速公路路口处，车流量大，行车荷载集中，路基沉降要求高，采用水泥搅拌桩处理。处理长度30 m，桩长15 m，桩径0.5 m，桩距1.1 m，采用42.5号普通硅酸盐水泥浇筑。以路中沉降板为例，在路基填筑第1阶段，路基填筑至1.86 m时，路基累计沉降量为102 mm，沉降量与填土高度比约为5.5%；第2阶段填土至设计标高2.23 m时，路基累计沉降量为122 mm，沉降量与填土高度比约为4.7%，路基土承载性能有所提高；第3阶段路基沉降趋于平稳，基本保持不变。填筑期的平均沉降速率为1.95 mm/d，监测期为1.16 mm/d，预压期为0.83 mm/d，随着堆载时间的延长，路基沉降速率逐步降低，路基承载性能和稳定性能提高。沉降监测结果见图7。

图6 FK0+268断面路基累计沉降量与填土高度时间曲线

图7 IK0+300断面路基累计沉降量与填土高度时间曲线

2.2 沉降结果分析

在整个路基沉降监测期内，各断面累计沉降量均在合理范围内，路基相对保持稳定，卸载前2个月内路基沉降不超过5 mm/月，符合JTG D30-2015《公路路基设计规范》的要求。各断面沉降量见表1。

表1 各断面沉降量

对比图4～7，路基填筑第1阶段，填土速率较大时，沉降速率较大；经过第2阶段预压再填土后，沉降速率下降，地基性能得到提升；经历第3阶段长时间预压后，沉降速率更小。水泥搅拌桩处理路基更节省时间，可缩短工期；累计沉降量更小，可节约成本；平均沉降速率更低，可提高路基安全性能。

从整体情况看，水泥搅拌桩处理路基后，平均沉降量比塑料排水板的小，原因在于塑料排水板只是挤压出路基中多余的水分和空气，使其密实度增大，改变土体的一些物理性能；而水泥搅拌桩是将水泥喷入土体内部，经过充分搅拌，土体和水泥形成一个整体，土体结构发生改变。

3 路基沉降预测

根据已有监测数据和沉降规律，采用双曲线模型法预测路基沉降，推测路基的最终沉降。公式为：

(1)

式中：St为t时刻的沉降量；S0为初始沉降量；α、β为参数。

由下式可求得任意时刻路基的沉降量：

(2)

式中：t0为初始时间。

当t→时，St=S0+1/β,由式(2)得：

(3)

令

(4)

由式(4)可知，f(t)是关于t的一次函数，通过计算可求得α、β的数值。以FK0+268中间沉降板前151 d实测数据为例，取t0=0、S0=0，计算f(t)的值，结果见表2和图8。

表2 f(t)计算结果

图8 f(t)～t曲线

由图8可知：双曲线模型的参数α=0.281 6，β=0.003 6，拟合曲线的相关系数R2=0.990 5，相关度较大。将参数代入式(1)，得：

(5)

利用式(5)对FK0+268断面进行沉降预测，结果见图9。

由图9可知：利用前151 d的沉降监测数据预测整个监测期250 d的沉降，预测结果和实测值较接近，误差大部分控制在1.5～6 mm，最大误差8.37 mm，最小误差0.13 mm，误差较小，说明运用双曲线模型法预测路基沉降合理。t→时，由St=S0+1/β计算得路基的最终沉降量为278 mm。根据JTG/T D30-02-2013《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》，桥头路段容许工后沉降为100 mm。该工程监测期沉降量为209 mm，工后沉降为69 mm，符合规范要求。

图9 沉降预测结果与实测值对比

4 结语

该文通过沉降板法对甬台温高速公路进行沉降监测，分析不同填土阶段的沉降情况，阐述地基变形和加载速率之间的关系；对比分析不同路基处理方式对沉降的影响，得出水泥搅拌桩处理桥头地基可改善路基沉降，塑料排水板处理一般路段地基可减缓路基沉降的发生；采用双曲线模型法预测路基最终沉降，预测结果与实测值的误差很小，采用该方法预测路基沉降具有相当高的可靠性。