高速公路軟基沉降動態控制技術研究

沈士軍，賈 煒，王雅明

（1.嘉興市港務管理局，浙江 嘉興 314051；2.陜西省城鄉規劃設計研究院，陜西 西安 714000；3.嘉興市嘉通高速公路管理有限公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

伴隨我國經濟的飛速發展，近二、三十年來高速公路的建設也突飛猛進，截至2011年底我國高速公路總里程已達8.5萬km，且仍然保持強勁的發展勢頭。而與此同時，軟土地基上修建的高速公路在通車運營后，都不同程度的出現了工后沉降過大的問題，導致路基不均勻沉降、橋頭跳車和路面早期破損等一系列問題的產生。特別是在長江三角洲等地區，軟土都具有含水量高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強度低和厚度不均等不良工程地質特性，軟基處置復雜，工后沉降控制困難。

經過工程實踐檢驗，軟基沉降動態控制技術是解決這一問題的有效辦法。該技術在浙江等省份已廣泛應用，并寫入軟土地基路堤設計要點等地方規定。結合該技術的應用，很多科研課題也在進行進一步的深入研究。

1 動態控制技術的基本原理

軟基沉降動態控制技術是指在高速公路工程建設和質量管理過程中，對軟土地基的變形和穩定情況進行全面和時時監測，并結合工程實際對監測數據及時進行處理和分析，在科學評判的基礎上，合理修正設計參數，并相應動態地調整施工工期。其中主要包括監測方案的布設、監測數據的分析、反饋和動態調整三大組成要素和控制要點，以及動態設計方法和施工動態控制技術兩個技術層面。

動態設計方法是指根據施工過程中的反饋信息和監測資料，對設計參數及設計方案進行驗證和優化的軟基處理設計方法。

施工動態控制技術是指根據施工過程中的監測資料和反饋信息，對施工控制技術的安全性和合理性進行判斷，并動態跟蹤和調整的施工管理技術。

2 技術的控制要點

2.1 監測方案的布設

監測方案的布設是動態控制技術最重要的一項基礎工作，只有采取有效措施對軟土地基的變形和穩定進行監測，才能獲得客觀真實、全面準確的現場沉降和穩定監測數據，才能精確地反映路基的實際沉降狀態。

軟土地基沉降和穩定現場監測要根據不同的監測階段，相應地制定不同的布設方案，確定監測點的設置、儀器的埋設、監測的頻率和精度、監測資料的分析等控制參數。主要監測階段一般可分為路基填筑期、路基預壓期、路面施工期和通車運營期等四個階段。

2.1.1 監測點的設置

路基監測的內容主要是通過沉降板進行沉降變形監測，并通過位移邊樁進行穩定監測，特殊路段還應設置若干典型斷面埋設測斜管、孔隙水壓力計等監測儀器。

沉降板布置在左路肩、路中和右路肩三處。箱通（涵）路段各布設1個監測斷面，橋頭路段布設兩個監測斷面；一般路段布設間距為50～100m。參照規范中的規定，工程中沉降板采用A3鋼板，沉降管采用鋼管，每節長度視每層填土厚度而定，一般不超過50～100cm；沉降管外套采用直徑為80mm的保護鋼管，鋼管用套絲接長（見圖1）。

2.1.2 監測頻率

施工期路堤填高達到預壓高度之前，每層需監測一次，因故停止施工，每星期監測一次；預壓期間，第一個月每周監測一次，第二個月至第三個月每旬監測一次，從第四個月起每半個月監測一次，直到路面鋪筑前；路面施工期至少每層監測一次，且間隔不超過一旬；通車運營期可適當延長間隔，第一年可每半月監測一次，之后可每月監測一次。

2.1.3 監測的精度和等級

軟基上的沉降監測應根據不同階段相應采用不同的監測精度、監測儀具及監測技術。一般情況下，在預壓后期、路面施工期和運行期沉降速率小于5mm/月，監測精度應取1～2mm才有意義，應選擇二等水準進行監測；而在路堤施工期和預壓初期，由于大沉降量出現頻率較高，監測精度取2～3mm為宜，可選擇三～四等水準進行監測，對于沉降量較小的路段，為了提高監測精度，也可選擇二等水準進行監測。

圖1 沉降標構造與接管圖

2.2 監測數據的分析

高速公路軟基沉降監測所取得的數據應包括：所有沉降板的沉降量、沉降速率（如表1所示）；所有位移邊樁的水平位移及變化速率；重點斷面的荷載-時間-沉降過程線即P-T-S曲線（如圖2所示），以及路基橫向沉降盆圖等內容。所有監測數據應及時匯總并整理分析，以便能全面了解土體變化情況，若發現問題可及時進行復查或復測處理。

監測小組還應根據上述基礎數據，進行工后沉降量估算、總沉降量反分析計算、土體固結度分析等數理計算工作，并定期編寫沉降觀測報告，提出動態控制的建議和動態調整的措施，以及相應理論分析的依據。

通過沉降數據的統計分析，可以清晰地看到任一時間節點每一種軟基處理方式的沉降速率及變化趨勢，檢驗路基的沉降穩定狀態，驗證各種軟基設計方案是否達到預期的設計效果。

表1 某高速公路沉降速率情況統計表 單位：mm/月

圖2 某高速公路典型斷面P-T-S曲線

從上圖可以看出，該斷面從路基填筑分級加載到工后運營期間，最大荷載達0.18MPa，從2005年8月到2008年12月累積最大沉降量為360mm。路基填筑期間，每加載一級，處理路基的沉降速率和沉降量都會增大。尤其當加到0.18MPa即進入超載預壓期時，沉降量迅速變大，反應處路基堆載預壓的效果明顯。路基沉降基本穩定時，卸載至0.1MPa進入路面施工。運營期間荷載穩定，隨著時間變化，處理路段沉降有明顯的收斂趨勢。

2.3 反饋與動態調整

反饋與動態調整，是軟基沉降動態控制技術的重點與核心部分，只有通過這一階段工作的有效實施才能將動態控制落在實處。

軟土地基沉降控制有兩大關鍵問題：一是路基填筑過程中的穩定控制，只發生在路基施工過程中，通過對路基變形和穩定的有效監測，控制加載高度和加載速率基本可以做到；二是路基工后沉降控制，解決起來相對較難，關鍵在于最終沉降量的準確預測和卸載時機的精準判斷。

2.3.1 路基填筑速率的控制

為防止施工期內路基失穩，應重點限制填筑速率。極限填土高度以內，要求小于1.5～2.0m/月；大于極限填土高度，按每7天填筑一層（25cm），而且每填筑一層應觀測一次，進行動態監控。

同時應結合路基沉降速率對填筑速率進行嚴格控制，對塑料排水板處理路段，應保持填筑速率與地基固結速率相適應，以盡量減少附加沉降量。一般路段填筑應保證沿路堤中線原地面沉降速率每晝夜不大于15mm，或孔隙水壓力系數B≤0.6，坡腳水平位移每晝夜不大于3mm，測斜水平位移每晝夜不大于7mm；對于橋頭路段，為避免填土對橋樁的影響，則要求原地面沉降速率每晝夜不大于10mm；其余處理路段（復合地基、樁承式），原地面每晝夜沉降速率也應小于10mm。

2.3.2 卸載時間的確定

對卸載時間的把握，關系到軟基處理的成敗，如果卸載時間過早，則可能造成工后沉降過大，通車后路基即產生不均勻沉降，達不到沉降動態控制的目的；如卸載時間過遲，則可能拖延公路通車時間，加大建設成本。通常采用工后沉降量推算值和月沉降速率實測值相結合的方式控制卸載時間，只有兩個數值都滿足標準才允許卸載，卸載標準見表2。

表2 容許工后沉降值表

利用沉降速率控制卸載時間具有方便易行、操作簡單等特點。筆者在分析大量高速公路現場實測沉降曲線的基礎上，總結了預壓期末沉降速率和工后沉降量的對應關系，以其作為施工控制標準。具體包括：

a）對欠載預壓的段落，按連續兩個月的月沉降速率小于3mm進行控制；

b）對等載預壓的段落，按連續兩個月的月沉降速率橋頭小于3mm、一般路段小于5mm進行控制；

c）對超載預壓的段落，按連續兩個月的月沉降速率小于7mm，同時結合有效應力面積比參數進行控制。

3 結語

本文從高速公路軟基沉降動態控制技術的分析和研究入手，闡述其動態控制的機理和性質，并對控制的要點進行分析和總結。詳細介紹了沉降監測方案的設置，以及監測數據分析的方式和方法，并結合工程實際，在科學評判的基礎上，將監測信息及時反饋到施工過程中，合理指導路基填筑的穩定控制和超載預壓的動態調整，將動態設計方法和施工動態控制技術進行有機結合，對節約工程投資、確保工程質量、合理控制工期等方面均具有重要的意義。

[1]沈士軍.杭浦高速公路軟基沉降動態控制技術研究[D].上海：同濟大學，2012.

[2]董衛國，沈士軍，張玉明.嘉興地區軟土地基處理工程應用分析和經濟性評價[J].河海大學學報，2009，（12）：170-172.

[3]浙江省交通規劃設計研究院.浙江省公路軟土地基路堤設計要點[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4]JTJ 017—96，公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].