彭湖高速公路軟土地基沉降影響因素分析

涂文靖，鄭明新，趙 升

(華東交通大學(xué)道橋與巖土研究所，江西南昌330013)

1 彭湖高速沿線地質(zhì)情況［1］

彭湖高速連接著江西省西北部彭澤與湖口兩縣，是江西省高速公路規(guī)劃網(wǎng)的重要組成部分，全長(zhǎng)64.5 km。彭澤、湖口兩縣位于我國(guó)長(zhǎng)江南岸，路線區(qū)地貌類型屬江河沖洪積平原和江南低丘崗地，沖溝發(fā)育。帶內(nèi)地表水系較發(fā)育，河流、溝溪、水庫(kù)、山塘眾多，其水系應(yīng)屬長(zhǎng)江的次級(jí)水系——太泊湖、芳湖水系為主。

沿線發(fā)育有崗地沖溝和水塘軟土，這些軟土多為湖泊、河流盆地原地表沖溝、溪汊淤積后造田掩埋而成，厚度一般小于3m，下伏土層厚實(shí)。沿線部分地區(qū)有湖泊河流相軟土存在，埋深大、厚度大。零星分布的水塘軟土約占線路總長(zhǎng)的7%，部分地段較密集。湖泊河流相軟土共三處，沿線路走向長(zhǎng)度分別約為1 000m、500m、400m。區(qū)內(nèi)軟土多呈軟塑～可塑狀，有機(jī)質(zhì)含量較高。

2 沉降監(jiān)測(cè)方案

2008～2010年華東交通大學(xué)巖土與道橋研究所對(duì)彭湖高速路基施工全過(guò)程進(jìn)行了沉降觀測(cè)，取得了大量的一手資料。觀測(cè)斷面主要選擇在軟土路基路段、構(gòu)造物與路堤銜接路段、高填方路段。觀測(cè)儀器主要采用了觀測(cè)樁、沉降板、電磁分層沉降儀，還特別引入了較為新式的智能式單點(diǎn)沉降儀［2］。

觀測(cè)樁埋設(shè)于已填筑完成的路基頂面，利用水準(zhǔn)儀對(duì)觀測(cè)樁的標(biāo)高變化進(jìn)行觀測(cè)，所測(cè)得的沉降量包括已填筑完成的路堤本體以及路堤以下地基沉降量的總和。觀測(cè)樁還可以用來(lái)長(zhǎng)期觀測(cè)路基體的工后沉降。

沉降板一般埋設(shè)于地基頂面，主要用于觀測(cè)路堤以下軟弱地基的沉降，由一根直徑20mm的鋼桿和600mm×600mm×9mm的沉降鋼板組成，直桿焊接在沉降板中心位置，并隨填土高度的增加而接長(zhǎng)。通過(guò)觀測(cè)鋼管頂面標(biāo)高的變化，得到地基的沉降量。

電磁分層沉降儀所用傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，將磁感應(yīng)沉降環(huán)預(yù)先通過(guò)鉆孔方式埋入地下待測(cè)的各點(diǎn)位，當(dāng)傳感器通過(guò)磁感應(yīng)環(huán)時(shí)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號(hào)送至地面儀表顯示，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。讀取孔口標(biāo)記點(diǎn)上對(duì)應(yīng)鋼尺的刻度數(shù)值，即為沉降環(huán)的深度。每次測(cè)量值與前次測(cè)值相減即為該測(cè)點(diǎn)的沉降量。

智能型單點(diǎn)沉降計(jì)是由位移計(jì)、測(cè)桿、錨頭、沉降板組成。鉆孔后將單點(diǎn)沉降計(jì)埋入地基體內(nèi)，測(cè)桿需要完全穿越軟土層，將錨頭錨入軟土層下部硬層內(nèi)。測(cè)量錨頭與沉降板之間的相對(duì)位移變化，能夠較好的反映厚度在6m以內(nèi)軟土層的在附加應(yīng)力作用下的壓縮變形量。

由以上四種觀測(cè)儀器組成的路基沉降觀測(cè)體系，能夠較完整的觀測(cè)到路堤在填筑施工中路堤本體各層填土，路堤以下地基，地基中的下覆軟土層以及工后沉降的全部沉降數(shù)據(jù)，對(duì)于進(jìn)一步深入分析沉降規(guī)律提供了強(qiáng)有力的保證(圖1)。

圖1 沉降儀器橫斷面布置

3 沉降影響因素分析

3.1 池塘軟土的影響沉降分析

彭湖高速沿線零星分布有大量的池塘軟土，就單個(gè)池塘軟土點(diǎn)而言，其范圍和深度都不大，但就整個(gè)工程而言，往往在工期和成本的壓力下無(wú)法采取相應(yīng)的軟基處理措施。所以，進(jìn)一步研究其造成的路基沉降，具有巨大的實(shí)際意義。筆者選取K2+352及K2+800兩個(gè)典型斷面做對(duì)比分析(圖2、圖3)。

圖2 K2+352觀測(cè)點(diǎn)填土高度、沉降量－時(shí)間曲線

圖3 K2+800觀測(cè)點(diǎn)填土高度、沉降量－時(shí)間曲線

K2+352及K2+800兩個(gè)斷面距離較近，地質(zhì)條件基本相同，均為范圍基本相同的池塘軟土，下覆土層厚實(shí)。兩者的填料均為黏土，填土速率、壓實(shí)方案等施工條件類似，K2+352斷面填高近10m，K2+800斷面填高僅4m，但兩斷面的地基軟土的沉降量幾乎相等。據(jù)K2+352的分層觀測(cè)資料可知，在路基填筑到5m之后，上層的填土的沉降量明顯較少，但是下層填土的持續(xù)沉降量反而大于上層。據(jù)此分析可知路基填土在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了土拱現(xiàn)象，土拱維持了上層填土的穩(wěn)定，減小了地基軟土的附加應(yīng)力。產(chǎn)生土拱現(xiàn)象的原因是池塘軟土在沿線路方向長(zhǎng)度較小，填料為較密實(shí)的黏土。

3.2 填筑材料對(duì)沉降的影響

填筑材料的性質(zhì)對(duì)路堤沉降量有重要的影響。彭湖高速公路路堤填筑材料主要分為兩類，風(fēng)化石和普通的黏土，為了分析不同填筑材料對(duì)路基沉降的影響，選擇K12+050、K41+200兩個(gè)典型斷面的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(圖4、圖5)。

K12+050為填石地段、K41+200為填土地段，兩斷面的下覆軟土層厚度均為3m。從觀測(cè)資料可知，在施加荷載的初始階段，K12+050斷面下覆軟土產(chǎn)生了較大的瞬時(shí)沉降，并且由于填石的空隙率較大，排水條件良好，軟土地基能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成大部分固結(jié)沉降，沉降量逐漸趨于穩(wěn)定。K41+200的填料為密實(shí)的黏土，其排水條件較差，固結(jié)沉降要經(jīng)歷一個(gè)緩慢增長(zhǎng)的過(guò)程。

3.3 填筑速率對(duì)沉降的影響

在路堤的填筑施工中由于工期、施工條件等多方面的原因，不同的路段往往采取不同的填筑速率。填筑速率對(duì)沉降的影響在觀測(cè)中也是顯而易見(jiàn)的。相關(guān)的有限元分析［3］也說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。現(xiàn)以位于路橋過(guò)渡段的K5+976、K5+970斷面與圖6的K12+050斷面的實(shí)測(cè)曲線為例進(jìn)行闡述，兩處的地質(zhì)情況類似，表層0.5m素填土下均為3m軟土。

圖4 K12+050觀測(cè)點(diǎn)填土高度、沉降量－時(shí)間曲線

圖5 K41+200觀測(cè)點(diǎn)填土高度、沉降量－時(shí)間曲線

圖6 K5+970、K5+976觀測(cè)點(diǎn)填土高度、沉降量－時(shí)間曲線

從觀測(cè)圖可知，3月26日至4月4日的10天里填筑了10m，填筑速度為 1m/d，K5+976沉降量 50mm，平均5mm/d，K5+970沉降量 33mm，平均 3.3mm/d。而 K12+050斷面在2月27日至3月2日的5天里填筑了13m，平均速度2.6m/d，沉降量達(dá)到了80mm，平均速度16mm/d。由此可知，填土速率較大時(shí)路基的沉降會(huì)急劇增大。這種沉降量急劇增大的原因是由于軟土地基的強(qiáng)度較低，在不太大的荷載作用下土體就會(huì)屈服，產(chǎn)生較大的塑性剪切變形。然而，高速公路的路堤填筑都是分層填筑、分層壓實(shí)的。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，飽和軟黏土隨著孔隙水壓力的消散，地基便會(huì)產(chǎn)生排水固結(jié)，同時(shí)孔隙水壓力減小，而抗剪強(qiáng)度則會(huì)得到相應(yīng)的提高，也就是利用前期荷載使地基固結(jié)，從而提高軟土的抗剪強(qiáng)度，即提高地基的承載力，以適應(yīng)下一期荷載的施加。較低的填速使得下覆軟土層有足夠的時(shí)間來(lái)進(jìn)行排水固結(jié)，如果填速過(guò)快，就會(huì)使得下覆軟土還未排水固結(jié)就承擔(dān)較大的荷載，這就使得地基土產(chǎn)生剪切破壞變形，從而造成較大的沉降量。

4 結(jié)論

在彭湖高速公路路基填筑中利用系統(tǒng)化的監(jiān)測(cè)手段對(duì)路基的沉降進(jìn)行了全過(guò)程觀測(cè)，對(duì)所得的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了相關(guān)因素對(duì)彭湖高速路基沉降的影響。

(1)路基填筑過(guò)程中，填土可能在小范圍的池塘軟土上方形成土拱，從而降低了下覆軟土的實(shí)際承載量。

(2)填石路基比填土路基更有利于下覆軟土的排水，從而使得下覆軟土層更快的完成固結(jié)。

(3)過(guò)快的填筑速率容易使得軟土層中形成剪切變形，從而使得路基產(chǎn)生較大的下沉量。

［1］ 江西省交通設(shè)計(jì)院．彭澤至湖口高速公路工程地質(zhì)報(bào)告［R］．2008

［2］ 鄭明新，趙升．智能式沉降儀在路堤沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．工程勘察，2009(9):62－64

［3］ 左威，涂文靖．填土速率對(duì)軟土路基變形的影響［J］．華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(4)