高速公路路基沉降監測方法與監測實例分析

崔立恒 高 濤 趙連啟 趙 寧 高金鑫＊

（1.山東省公路橋梁建設集團有限公司，山東 濟南 250014;2.山東農業大學，山東 泰安 271018）

0 引言

我國疆域遼闊，不同地域的地質條件存在著較大的差異。高速公路建設過程中受地質條件的影響較大，尤其是路基的施工，往往會因各種復雜的地質條件引發不同的病害。在各種路基病害中，路基沉降最為常見。路基沉降不僅會導致路基結構發生破壞，影響路基的穩定性，帶來巨額的維護費用，還可能會給人們的安全出行帶來嚴重威脅，甚至引發安全事故。路基施工過程中，路基沉降監測可以及時發現路基的沉降情況，有利于施工人員掌握路基施工情況，提高路基的施工質量。路基建設完成后，路基沉降監測可以為道路運營方提供路基沉降數據，有利于減小因沉降過大造成的經濟損失和避免因沉降引發的交通安全事故。可見路基沉降監測對于高速公路建設和運營有著非常重要的作用。

1 高速公路路基沉降概述

1.1 路基沉降機理

引發路基產生沉降的因素有很多，例如沿線土壤類別、地層分布規律、地下水位變化、填土高度、行車荷載與速度等[1]，當各種因素發生變化時，都會使路基沉降趨勢發生變化，經過長年的累積就可能導致路基破壞。引發路基產生沉降的內在原因，主要是路基土壤的孔隙比減小，同時發生土顆粒的豎向位移變形。引發路基產生沉降的外部原因，主要是路基表面受到行車荷載的作用，相當于在路基表面施加了豎向力，路基在豎向應力的作用下發生形變，由路基形變而產生的豎向位移量即為路基的沉降量。

1.2 路基沉降分類

根據沉降產生機理、表示方法等，可以對路基沉降進行分類，如圖1所示。

圖1 路基沉降分類

2 高速公路路基沉降監測方法

路基沉降監測可以分為表層沉降監測和分層沉降監測，其中表層沉降監測方法常用監測樁法和沉降板法；分層沉降監測常用沉降水杯法和分層沉降儀法。

2.1 表層沉降監測方法

2.1.1 監測樁法

監測樁一般由木樁和剛纖組成，監測時，將其固定于土壤中，通過水準儀實時監測樁頂的高程來測量路基的表面沉降量。監測樁法具有操作簡單、造價低、方便監測的優點；但只能觀測到路基表面一個點的沉降狀況，不能測量路基內部的沉降量。

2.1.2 沉降板法

沉降板的底板隨路基一同沉降，底板中部設有金屬測桿，埋設時測桿外設置保護管，埋設完成后測桿略高于保護管，測量過程中是通過水準儀對測桿頂端高程進行測量，兩次測量間高程變化量即為底座處的沉降量[2]。沉降板法具有易操作、易測試、低成本等優點，但測桿易被破壞。為保護測桿不被破壞，路基壓實時需避開沉降板埋設地段。一個沉降板只可以測量路基一個點的沉降，若要測量路基不同位置的沉降，需增加沉降板的數量，但沉降板之間比較容易相互影響，而且沉降板一旦破壞便難以修復。

2.2 分層沉降監測方法

2.2.1 沉降水杯法

該方法使用的監測儀器由沉降水杯、排水管、排氣管、測量管、測尺等五部分組成，利用連通器原理，把路基內部某一點的高程映射到路基外部，所以只需測量路基外部映射點的高程即可知道路基的內部變化情況。該方法原理簡單、成本低，但對儀器的埋設要求較高，當埋設方法不規范，產生的氣泡易堵塞管道，無法測量沉降；此方法在氣溫較低的地區不適用，一般用于室內試驗，在實際工程中很少使用。

2.2.2 分層沉降儀法

在路基的分層沉降監測中，電磁式分層沉降儀最為常用，又稱磁環沉降儀。在開始測量前，將磁環套在沉降管外部，并且安裝在指定測量沉降位置，安裝完畢后，用帶有測頭的鋼尺深入其中，當發出蜂鳴時，記錄該點的高程，以后測量時均如此。傳統的磁環沉降儀在埋設時鉆孔較深，可以認為鉆孔底部無沉降，測點的沉降量等于測點的高程差。電磁式分層沉降儀易于操作和測試，便攜性高，能用于各種野外作業，但管道埋設發生傾斜以及鋼尺的拉伸變形都會帶來難以避免的誤差。

水壓式分層沉降儀的測頭采用的是水壓探針，可以避免像磁環沉降儀測量時會因管道埋設傾斜、鋼尺拉伸變形帶來的誤差。水壓式分層沉降儀主要由以下部件組成：水壓探測器、防水導線、帶小孔隔板與測量裝置。測量時，需先在測量處鉆孔，接著將帶有小孔的隔板布置在鉆孔內的不同土層中，側頭固定在隔板之上，通過防水導線，將其于頂端測量裝置相連接。埋設完成之后在深孔中注水，由測頭測得隔板處水壓的變化，再根據水壓與高程的關系計算出隔板處的沉降值。

該測量方法測量原理簡單，易于施工和測量，費用較低；水壓測量只與液面深度相關，測值不受傾斜干擾。但孔內水分蒸發影響測量精度；不適用于寒冷地區。

3 濟微高速公路路基沉降監測實例分析

對濟微高速公路K20+340路段斷面實施分層沉降監測，監測方法使用電磁式分層沉降儀法。

3.1 監測方案概述

3.1.1 監測過程

首先，先將感應磁環放入沉降管中，做好準備工作；接著需對路基進行鉆孔，鉆孔的深度達到原地面以下；將已裝好磁環的沉降管放入鉆孔中，將監測孔口的高程設為0 m；分別測量各感應磁環在沉降孔中的深度，讀取感應環的初始值，通過每次感應環位置的讀取，從而算出路基各層的沉降量[3]。

3.1.2 儀器布置

沉降磁環沿沉降管的深度方向布置，每3.5 m安裝一個感應磁環，每孔中各安裝4個感應磁環，從孔口向孔底依次分為：磁環01、磁環02、磁環03和磁環04。分層沉降監測信息說明見表1，分層沉降儀器布置見圖2。

表1 分層沉降監測布置

圖2 分層沉降儀器布置圖

3.1.3 儀器安裝順序

分層沉降所有部件的安裝順序為：按管底→沉降管→磁環→外接頭→沉降管→磁環→沉降管→管頂蓋的順序逐節組裝放入孔內，并將沉降管支撐扶直，每節接頭處均用土工布包裹，管路組裝連接做到緊固、嚴密、無滲漏。

3.2 監測數據分析

沉降磁環監測數據，前2個月每周讀取一次，后期半個月讀取一次。每個沉降磁環均得到22組數據。監測孔中沉降磁環從上到下依次按磁環01、磁環02、磁環03、磁環04編號。沉降監測孔CJ01和CJ02分層沉降監測原始數據如表2、表3所示。CJ01孔、CJ02孔各磁環累計沉降量與時間的關系分別見圖3、圖4。

表2 CJ01孔分層沉降監測原始數據

表3 CJ02孔分層沉降監測原始數據

其中，磁環01的沉降量代表了路基上部的沉降，磁環04代表了路基下部沉降，從圖3、圖4中可以明顯看出磁環04比磁環01更早的趨于平緩階段，磁環01在監測后期沉降雖小但均有沉降的趨勢，分析其原因：（1）路基填土時，路基的自重應力會使路基發生自生的壓縮變形，路基上部的自重應力比下部的自重應力小，使得路基上部的壓實度比下部要低，因此上部要比下部發生更多的沉降［4］；（2）在固結時間上，路基底部的鋪筑先于路基頂部的鋪筑，路基底部的固結時間更長，因此路基頂部的沉降量趨于穩定的時間較晚。最后，從路基沉降數據可知，路基最大沉降量為190mm，小于規范要求的≤300mm。

由圖3與圖4可知，兩沉降孔各磁環的沉降趨勢較為相似，沉降的速率都會隨著時間的增加而減小，直至后期，沉降量趨于穩定。

圖3 CJ01孔各磁環累計沉降量與時間關系

圖4 CJ02孔各磁環累計沉降量與時間關系

4 結束語

綜上所述，對高速公路路基發生沉降的原因進行了分析，并對常見路基沉降進行了分類；闡述了高速公路常見路基沉降監測的方法，主要分為表層沉降監測方法和分層沉降監測方法兩大類，分析了各種沉降監測方法的優缺點；選用電磁式沉降儀監測法對濟微高速公路進行了10個月的路基沉降監測，并分析了路基上部沉降量和下部沉降量存在差異的原因，以供相關人員借鑒。