宁夏湿陷性黄土路基沉降观测现场试验研究

彭 晨

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

在西北地区，黄土因分布广、高稳定性、承载力大的特点被广泛应用于工程之中，但遇水土体内部结构突变而强度瞬间下降的特性会引起基础沉降问题。为此，张耀峰[1]进行陕西软土地基的沉降预测，证明动态灰色预测模型比传统模型精度高；杨林浩[2]研究湿陷性黄土路基沉降观测能确定无砟轨道的施工时间，表明实际沉降推算可采用双曲线法和对数曲线法建立沉降与时间的曲线关系；王婧[3]借助突变理论的数学模型研究黄土失稳情况，证明若应力满足模型的分叉点集方程时，黄土空隙微结构会发生失稳。上述专家研究湿陷性黄土路基沉降预测和沉降计算，分析黄土沉降量对施工的影响，本文围绕G309国道固原至西吉A1合同段湿陷性黄土路基进行监测沉降，在上述成果基础上，结合施工进度，进一步研究西北地区湿陷性黄土的沉降规律。

1 工程概况

G309国道固原至西吉高速公路全长46.5 m，路基施工分为7个标段，研究选取A1段为沉降观测试验区。合同K0+000-K1+500段路线布设于黄土丘陵段，属黄土梁坡地带、地势起伏较大。地层主要为第四纪更新世风积黄土，黄土以硬塑为主；K1+500-K6+000段路线布设于河谷冲积平原地带，该段地势开阔平坦，主要为清水河水系左岸支流大营河冲积平原，局部地段略有起伏。该区地层上部为第四纪全新世冲积黄土状粉土，其下为角砾夹粉土，粉土层厚度一般为1～15 m不等，粉土多具有湿陷性，下部为粉土、粉质黏土、角砾。

施工主线为整体式路基，路基宽度为24.5 m，双向四车道，为保证路基稳定，对湿陷性区域采用素土挤密桩处理加固，桩长5.5 m，桩径40 cm，间距0.8 m，桩上回填50 cm水泥土。

2 监测方案

本文选取3组素土挤密桩处理地基断面、3组天然基础断面、2组填方与桥台搭接处断面共计8组高填方路基断面，对路基表面和底基层进行联合观测。试验工作内容：①在路基基底断面中心线部位埋设沉降板，观测路堤中心位置沉降；②路基顶面两侧路肩位置埋设沉降观测桩，观测工后沉降；③路基底部埋设PVC剖面沉降管，观测全断面路基沉降；④传感器布置埋设，观测土压力、含水率的变化。

观测频率：在路堤填筑期间，每天观测1次，待填筑稳定后可每3 d观测1次，雨雪天气时可加大观测频率；路基施工完成后，前2～3个月每5 d观测1次，3个月以后可适当减少观测频率。

2.1 沉降观测桩

路基顶面施工完成后，在断面路肩左右宽30 cm处，开挖并埋设深度40 cm，截面尺寸20 cm×20 cm的正方形，并用水泥砂浆预制浇筑，桩体预留直径为20 mm的不锈钢钢棒，底部焊接成弯钩形状，顶部刻上十字线，并外露桩顶3 cm作为观测点。埋设完成后，用水准仪测定十字线的高程作为初始读数，沉降观测柱A1和A2及断面示意见图1。

图1 断面测试元件布置图

2.2 沉降板

路基沉降板由底板、金属测杆、接头、PVC保护套管、顶帽等组成。先开挖路基，在埋设位置处用厚度10 cm砂垫层整平，埋设底板，保证底板水平，并使侧杆与地面垂直。后回填砂垫层，人工整平，安设PVC保护套管，确保保护套管略低于侧杆，然后封盖，分层回填素土。埋设完成后，测定埋设底板与接头相接的金属测杆杆顶标高作为初始读数。

随着路基填筑高度的增加，应逐渐接高测杆和PVC保护套管，接高后重新测定测杆杆顶的高程，确定接高量，依次循环。

2.3 智能弦式数码土压力盒

本次试验采用金马JMZX-5xxx系列土压力盒，见图1中位置C1、C2和C3。在埋设时，将土压力盒受力承压膜面向上安装在土层里，确保土压力盒水平安装。安装好后，在其周围覆盖30 cm厚的中砂后压实。

2.4 水分温度速测仪

将水分传感器的金属探针全部水平或垂直插入土壤，接上仪表插头即可工作，探针插入位置如图1中D1、D2和D3。

2.5 剖面沉降管

剖面沉降管的埋设是沉降观测的一个中心环节，它包括开挖断面、水平放样、连接沉降管、管体就位、回填土层等环节。沉降管外径53 mm，内径45 mm，截面见图2。由于沉降管每节长2 m，故采用沉降管接头(见图3)逐次连接沉降管，将凸槽、凹槽对应连接，用螺丝固定即可。为了保护沉降管管头，在沉降管埋设完毕后，其两端修设混凝土保护墩，在施工允许条件下，修筑观测井。

首先，“概念”要求我们采用自上而下的视角，从概念意义出发来看体现形式。六种及物性过程，序列、图形和成分三个级阶，实体、过程、性质等性状，从不同的角度对经验进行识解和描述，我们认为这些都可纳入概念意义的范畴。正是基于某个概念意义，我们思考用什么样的词汇语法形式来体现。需注意的是，同一情景或经验是概念之源，一致式和隐喻式体现的是同一基底概念，如3.3节所述，各自的意义虽相似，却存在不容忽视的差异，因此，我们应该把Halliday说的“相同的所指”改为“相似的所指”。

图2 沉降管截面图 图3 沉降管接头

测定仪器是滑动测斜仪，导轮间距为0.5 m。当测斜仪的4个前后轮进入沉降管时，在沉降管的另一端通过钢丝线缓缓拉动测斜仪，通过二次记录仪(JMZX-7000综合测斜仪)记录读数，本次记录为1 m作为刻度标记，为减小误差，将测斜仪翻转180°后记录，两者取平均值。

3 结果分析

G309固西高速公路路基填筑时间为2015年3-12月初，路基底基层采用素土回填，基层施工采用4层砂砾回填整平。沉降元件埋设完成后，在桥头路基施工后进行1个月堆载预压。

3.1 路基填筑高度与土压力

由于黄土和其他填筑材料在物理性质上不同，且孔隙比、含水率受环境的影响程度变动范围大，引起底层荷载分布影响较大，路堤段土压力随时间的变化见图4。

图4 路堤段土压力随时间的变化

由图4可见，在0～50 d内随着填土高度的增加，路堤内土压力明显增大，此时填土高度约达到2.5 m，当路基停止填筑时，土压力随之稳定，在110～150 d内继续填土，表现情况亦是如此。而在施工时间在170 d时，在埋设沉降观测元件位置处堆载预压，土压力明显增加，由69 kPa增加到79 kPa，继续增加到最大，最大值为82 kPa。当200 d预压停止后，土压力又出现少量的“回弹”现象，但土压力仍然保持在75 kPa附近，随后土压力趋于稳定。

3.2 沉降板监测情况

沉降板埋设在路基基底，埋设工作完成后对数据分析，路堤段基础底部沉降量随时间变化见图5。由图5可见，路基沉降量随着填土高度的增加而增大，而后渐渐趋向稳定，在0～50 d施工期间，路基填土高度达到2.5 m，但沉降量在70 d后趋于稳定，平均沉降速率为0.31 mm/d，沉降量滞后的情况表明，西北地区黄土的骨架颗粒大部分是颗粒状，黏粒含量少，承载力小，其架空孔隙在施工过程中破坏后，形成面胶结的连接形式，故黄土的沉降稳定会延后10～20 d，在110～150 d施工期间，路基平均沉降速率为0.33 mm/d。

图5 路堤段基础底部沉降量随时间变化

由图5可见，在170 d后路基堆载预压，路基沉降量变大，说明路基沉降量的大小和承受的荷载有密切关系，堆载预压明显使路基沉降变形量增加，到210 d后又慢慢接近稳定状态，在210～270 d由于需要回填砂砾，路基沉降变形速率明显减小。

3.3 沉降观测桩监测情况

本次沉降观测桩设置在路肩左右附近处，并进行为期120 d的观测，路肩沉降量随时间的变化见图6。

图6 路肩沉降量随时间的变化

由图6可见，相比埋设在路基底部的沉降板，顶部沉降量明显减小，在50 d时，沉降量略大，分析认为是由于西北地区干旱少雨，此时间段降雨会改变黄土的毛细压力，并在表层砂砾作用下，形成土体细粉粒黏结，最后沉降量趋于稳定。

3.4 含水率的变化情况

通过K3+752断面含水率折线图见图7。由图7可见，测点1、测点2处的含水率为14%～21%，不管是晴天还是下雨，其趋势变化不大，而测点3处略显特殊，含水率为27%～30%，造成这种情况的原因可能是：在此断面由于雨天前施工，剖面沉降管埋设和素土回填时，测点3处出现土体“拥包”现象，土体回弹模量较大，素土的天然含水率较小时，会由于渗透作用吸水逐渐达到饱和状态，故含水率增大。但天然含水率与湿陷有明显的关系，当含水率较小时，湿陷性会强烈。经验表明，一般当地的天然含水率超过25%时，就不再具有湿陷性[4-5]，故控制土体含水率尤为重要。

图7 路堤含水率随时间的变化

3.5 路基断面沉降监测

本次现场试验对路基进行8个断面的剖面沉降管埋设，对其已进行5个月的沉降观测分析。其中选取代表断面桩号K3+752，实测全断面沉降曲线见图8。路基填筑宽度为34 m，路堤填土高6 m。

图8 K3+752断面实测全断面沉降曲线图

由图8可见，随着时间的积累，路基总沉降量变化大致相同，而对于单次数据监测分析并无规律。

而路肩右侧的沉降量略小于路肩左侧的沉降，现场分析：路肩右侧布置便道时，由于车辆行驶，对路肩右侧“反压护道”作用。但随着路基填土高度的增加，路基中线偏右部位处沉降明显偏大，原因在于填筑一定高度后，便道撤除后，运载素土的自卸车辆在16～25 m区域范围内行车，路基沉降在此范围内达到最大，而在10～16 m范围，载重车辆自卸黄土后，空车返回，故相比之下，总体位置处的沉降量偏小。

对路基横断面选择距沉降管左侧起2，8，14，20，26，32 m这6个位置点进行沉降数据分析，位置点沉降量随时间的变化见图9。

图9 K3+752位置点沉降量随时间的变化

由图9可见，32 m(右幅)位置处沉降在总体上略小于2 m(左幅)，而20，26 m位置处沉降在总体上略大于14，8 m处沉降。为了反映剖面沉降曲线的几何形状，对实测数据进行多项式抛物线线性拟合和取路基中心线左侧位置处沉降对数曲线进行拟合，其对数拟合曲线见图10。

图10 K3+752断面沉降曲线对数拟合曲线

由图10可见，通过实测数据拟合的相关系数，得出以下结论：在前期监控量测时，对数曲线和抛物线都具有较好的拟合精度，但随着对后期数据拟合，对数曲线的拟合精度明显高于抛物线拟合精度。分析认为是黄土在洒水和压实的施工状态下，土体局部大孔隙及大量微孔隙被压缩，内部性质由孔隙支架结构逐渐变为胶结结构，孔隙连通性降低，土体密实，湿陷性消除，沉降速率逐渐减小。因此，剖面沉降量可通过对数曲线来进行评估和预测。

4 结论

对宁夏地区湿陷性黄土路基展开沉降现场试验研究，可以得出以下结论。

1) 湿陷性黄土在施工时路基沉降平均速率为0.30～0.35 mm/d，填土高度6～8 m时，在170 d后趋于稳定，此时黄土下路床承载力为60～80 kPa，依据此试验数据，可合理安排路基填筑时间。

2) 湿陷性黄土路基工后总体沉降量较小，沉降拟合曲线由前期的抛物线形向对数曲线过渡，为公路运营预测沉降提供一定的依据。