高速公路軟土地基沉降監測分析

李培樂

(山西機械化建設集團有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

高速公路軟土地基處治不當，會造成路基路面結構出現較大的沉降變形，進而導致道路整體結構破壞。為了解決軟土地基沉降變形問題，通常采用強夯法、水泥攪拌樁法對軟土地基進行處治。為了準確確定軟基處治效果，布置測點在路基、路面施工過程中進行沉降監測，收集數據進行分析，作為分析軟基處治效果的主要依據。

1 軟基的沉降機理

軟土地基承載能力差、強度低，在外界荷載作用下容易出現較大的壓縮變形。高速公路沿線分布廣，地基地質情況變化較大，準確掌握地基土的基本特性難度比較大。在路基填筑施工過程中，在路基填料重量的作用下，會使地基產生進一步的固結變形，使路基產生沉降變形。

地基土的變形包括體積變形和形狀變形兩部分，體積變形時在正應力的作用下壓密地基土，使土體體積縮??；形狀變形是在剪應力作用下土體結構產生剪切破壞，使地基土形狀發生變化，進而使土體產生剪切破壞，地基沉降主要是由于土體體積變形引起的。

地基土在外界荷載作用下，會產生壓縮變形，發生固結。外界荷載一部分由地基土中的水承擔，從而產生孔隙水壓力；另一部分荷載由土體骨架結構所產生的有效應力承擔。根據太沙基理論，孔隙水壓力和有效應力之和構成了地基土的總應力。土體在外界荷載作用下，產生沉降變形會經歷以下兩個過程：第一個過程是土體顆粒在外界荷載作用下產生壓縮和側向膨脹變形，此時壓應力沒有超過地基土所能承受的極限壓應力，因此土體顆粒的變形量較??；第二個過程是在壓應力超過極限壓應力，土體結構產生流體排出，這個過程中土體體積大幅縮小，水分和空氣被排出，進而造成地基產生沉降變形。

2 聞合高速軟基沉降監測方案

2.1 工程概況

聞合高速公路設計采用雙向四車道，路基設計寬度26 mm，路線全長75.98 km，設計車速100 km/h。該高速公路處于黃土高原干濕過渡區，夏季濕潤多雨，冬季干旱少雨，降雨主要集中在夏季。該地區一年中平均氣溫最高月份出現在7月，平均氣溫為23.8 ℃，平均氣溫最低月份出現在1月，平均氣溫為-20.6 ℃。冬季冰凍厚度為56 cm，冬季干燥少雨，冬歇期間應做好防護。該地區降雨主要集中在6月～9月，其中7月～8月降雨量最大，路基施工過程中應做好防排水設計，防止雨水浸泡。路線個別路段穿越軟土地區，主要為粉土、粉質粘土，軟土厚度為3.7 m～8.7 m，軟土區域地基土含水量高，承載能力差。為提高地基承載力，采用強夯法和水泥攪拌樁處治軟基路段，并制定監測方案對路基沉降變形情況進行監測，確保路基穩定性滿足設計要求。

2.2 軟基沉降監測方案

該項目軟基處治后，進行路基填筑施工，由于施工工期緊張，填筑施工速度快，為了控制路基沉降變形，在路基填筑完成后對軟基沉降情況進行控制。結合路基填筑高度布置監測斷面，在每個斷面布設沉降板、測桿開展監測工作。為了準確確定各路段軟基沉降情況，分別在強夯法和水泥攪拌樁處治路段布置監測斷面和觀測點。監測斷面間距為150 m～200 m，在路基與橋梁、涵洞等構造物連接處適當加密。

沉降監測采用電子水準儀、銦鋼尺進行觀測，測量精度必須滿足二等水準測量要求。根據路基實際情況確定觀測頻率，對一般路段，觀測初期1次/(1～2)d或1次/3 d，如出現沉降突變增加觀測頻率至1次/d，完工后或冬歇期1次/14 d。路面施工后6個月1次/(10～15)d，通車運行0～3個月1次/月，4個月～12個月2次/月。

3 軟土地基沉降監測結果分析

3.1 施工中路基中心沉降變形分析

為了準確確定路基中心在施工過程中的沉降變形情況，選取有代表性的斷面進行沉降變形分析。在路基填筑過程中，分別在每次填筑完成后進行路基沉降觀測，記錄變形數據如表1所示，繪制沉降量—填高—時間曲線如圖1所示。

表1 監測斷面路基中心沉降變形數據統計表

分析監測斷面監測數據和變化曲線，在路基填筑施工初期該監測斷面路基中心沉降變化速度較快，后期變化速度趨緩。這主要是由于施工期間隨著路基填筑厚度不斷增加，軟基上部荷載不斷增加，在荷載作用下軟基不斷被壓密和固結。施工初期沉降變形大，瞬時沉降速率高；在填筑施工后期，軟基固結變形逐漸下降，沉降速率下降，變形曲線逐步趨于平緩。

3.2 軟基沉降結果分析

為了準確確定軟基沉降變化情況，在路基填筑施工過程中，完工后分別進行監測，收集數據分析軟基變形情況。項目施工過程中先后布置60多個觀測斷面，分別在路基填筑施工階段、完工后和路面施工階段開展沉降監測。

軟土地基采用強夯法、水泥攪拌樁進行處治，分別在各處治路段選擇監測斷面，其中斷面一、斷面二位于強夯處治路段，斷面三、斷面四和斷面五位于水泥攪拌樁處治路段。該施工區域軟土地質主要為粉土和粉質黏土，監測斷面布置如圖2所示。監測時間自2018年8月開始，一直持續到2019年2月，監測結果如表2所示。

表2 各監測斷面沉降監測記錄表

分析表2數據，軟土路基沉降監測時間為7個月，5個監測斷面監測時間分布范圍201 d～210 d。各監測斷面最大沉降量達到了95.4 mm，為斷面四，遠小于規范要求的300 mm，位于水泥攪拌樁處治路段。斷面二沉降量最小，為83.1 mm，位于強夯處治路段。最終月沉降量為0.1 mm～0.3 mm，說明軟基沉降已基本趨于穩定。通過對比分析，強夯法處治路段沉降變形量低于水泥攪拌樁處治路段，說明強夯法軟基處治效果更好。

3.3 軟基沉降速率分析

分析五個斷面監測結果，各斷面沉降監測結果見表3，繪制各斷面沉降速率變化曲線詳見圖3。

表3 各監測斷面沉降速率統計表

分析圖3曲線變化情況，在監測初期，路基沉降變化速度快，且隨著路基荷載的增加，沉降速率迅速增大。這是由于路基施工階段，路基填筑厚度不斷增加，荷載不斷增大，軟土地基在荷載作用下逐漸產生固結和壓密，加快了沉降速率變化速度。路基填筑完成后，路基沉降速率明顯下降，且隨著時間的增長，沉降速率不斷變小，到路面施工階段路基沉降變形速率接近于0，遠小于規范要求的3 mm/月，說明路基沉降變形已基本趨于穩定。

4 結論

通過對處治后高速公路軟土地基開展沉降監測工作，對路基、路面施工過程中和完工后軟基沉降情況進行分析，得出以下結論：

1)分析監測斷面路基中心沉降監測結果，得出路基填筑施工初期沉降變化速率較快，后期變化速率趨緩，這是由于施工初期軟基壓密和固結變形大，后期變形小造成的；

2)分析軟土路基沉降監測結果，得出各監測斷面最終沉降變形量均小于規范要求的300 mm，滿足設計要求，且強夯法處治的軟基沉降變形較水泥攪拌樁處治路段??；

3)分析路基沉降變形速率曲線，得出施工前期軟基沉降變形速度快，后期逐步趨于穩定，且沉降速率小于3 mm/月，說明沉降變形趨于穩定，達到了預期的處治效果。