高回填區域土方變形與沉降的監測及控制研究

李紅剛

（云南建投第十建設有限公司，昆明 650000）

1 高回填區域土方變形與沉降的機理

1.1 變形機理

高回填區域土方的變形機理涉及一系列復雜的地質、物理和力學過程。土壤的顆粒大小、形狀和排列方式決定了土壤的初始結構和質地，在顆粒間的空隙中，水分和空氣可以在其中遷移，形成了復雜的土壤水氣系統。當外部載荷作用于土壤時，顆粒間的接觸點會受到壓力，可能導致土壤顆粒的移動和重新排列，從而引起土壤的變形。土壤的化學特性，特別是礦物成分和土壤酸堿度，也對土壤的變形有重要影響。膨脹性的黏土礦物，如蒙脫石，會在吸水后膨脹，增加土壤體積，導致土壤變形；而土壤的酸堿度會影響土壤顆粒的電荷特性，影響顆粒間的吸引力和排斥力，引發土壤變形[1]。此外，土壤的力學特性，尤其是抗壓強度和抗剪強度，是決定土壤變形程度的重要因素，當土壤承受外部載荷時，如果其抗壓強度或抗剪強度不足，可能出現過度塑性變形或斷裂。

1.2 沉降機理

在受到外部荷載作用時，土壤顆粒會發生位移，空隙會被壓縮，導致土壤體積減小并引起沉降。顆粒間的相互作用還可能導致水分從較大空隙流向較小的空隙，導致土壤體積的變化，進一步加劇沉降。土壤質地變化也是影響沉降機理的重要因素，例如，黏土膨脹收縮性能會引發體積變化引起沉降；某些土壤中有機質會在受到壓力時分解，導致土壤體積減小，進而引起沉降。在建筑物、道路或其他結構物的荷載作用下，土壤會經受壓縮，其內部的空隙會被減少，土壤的承載能力不足，或者荷載超過土壤的承載能力，引發過度沉降，出現一系列工程問題。

2 高回填區域土方變形與沉降的影響因素

2.1 環境因素

高回填區域土方的變形與沉降受到眾多環境因素的影響，包括但不限于氣候條件、地下水位變化、地質條件、植被覆蓋等。（1）氣候條件對土壤的濕度和溫度有直接影響。高溫和干旱使土壤中的水分蒸發，可提高土壤的抗壓強度，減少沉降，但長期的干旱條件也可能導致土壤的干縮，使土壤體積減小，加劇土壤的沉降；過多的降水會增加土壤的濕度，降低其抗壓強度，增加土壤的沉降；極端氣候條件，如洪水洪澇，會導致土壤劇烈變形和沉降。（2）地下水位的上升可能會增加土壤的濕度，降低其抗壓強度；地下水位的下降，特別是人為抽水，可能導致土壤干縮，加劇土壤沉降；地下水流動也可能沖刷和侵蝕土壤，改變土壤的物理結構，導致土壤的變形和沉降。（3）地質條件，包括地形、地質構造和土壤類型，也是影響土壤變形和沉降的重要因素[2]，例如，斜坡地形和活動的地質構造可能引起土壤的位移，引發土壤的變形和沉降。而不同類型的土壤，其物理和力學特性也有很大差異，承受荷載時變形程度也不同。（4）植被覆蓋，尤其是大型植物，如樹木，其根系能改善土壤結構，提高土壤的穩定性，減少土壤的變形和沉降。大型植物的生長和死亡可能改變土壤的物理結構，導致土壤變形和沉降。

2.2 材料因素

土壤類型決定了土壤的物理、化學和力學性質，例如，黏土由于其顆粒微小和較高的吸水性，具有較強的塑性和較小的剪切強度，因此，更易于發生變形和沉降。相比之下，砂土和礫石土由于其顆粒大、排列緊密，通常具有較高的剪切強度和較小的變形，但如果顆粒間的接觸被破壞，如在振動或荷載作用下，也可能發生顯著變形。土壤狀態，包括土壤的濕度、密度和孔隙率，對土壤的變形與沉降有重要影響。濕度會改變土壤的黏聚力和內摩擦角，影響土壤的剪切強度和壓縮模量；密度和孔隙率則決定了土壤顆粒的排列方式和空隙的大小，影響土壤的變形性和沉降。此外，土壤的厚度也是一個重要的因素，土壤的厚度越大，其變形和沉降的潛力就越大。厚度大的土層受到的自重壓力更大，且其內部的應力傳遞和調整過程更復雜，所以，更容易發生變形和沉降。填土材料的質量直接決定了回填土層的物理和力學性質，包括顆粒大小分布、含水量、壓縮性、強度等。高質量的填土材料，其顆粒大小分布均勻、含水量適中、壓縮性小、強度高，因此，其變形和沉降的可能性較小。

3 高回填區域土方變形與沉降的監測方法

3.1 地面監測方法

地面監測方法是高回填土方回填區域變形與沉降的重要手段，通過地面設備對地面變形和沉降進行實時或定期的監測，以獲得準確的、連續的地面變形數據。地面監測技術包括水準測量、全站儀測量、測斜儀測量、激光掃描和地面雷達干涉等，需要根據具體的工程條件和需求，進行綜合考慮和選擇。（1）水準測量是最常用的地面監測方法之一，通過設立一系列的水準點，定期進行水準測量，可以得到各測點的高程變化數據，從而監測地面的沉降[3]。（2）全站儀測量則可以同時獲取測點的平面和高程變化數據，監測范圍更全面。（3）測斜儀測量通過在地面或地下設立測斜管，可以監測土壤的深層位移和變形，但設備成本和維護成本較高。（4）激光掃描和地面雷達干涉則是近年來發展起來的新型地面監測方法，激光掃描通過高精度的激光距離和角度測量，可以快速獲取大范圍的地表形態數據，監測效率高，但數據處理復雜；地面雷達干涉則通過對地表的連續雷達觀測，可以獲取地表的微小位移變化，精度較高，但受到氣象條件的影響較大。

3.2 地下監測方法

地下監測方法對于及時掌握地下土壤結構的變化、識別潛在的地質災害風險和評估工程安全性具有重要意義。（1）地質鉆探是地下監測中的基礎工作，能夠獲得土壤的樣本，以便進行實驗室分析和測試，獲取土壤的物理、化學、力學等性質數據，這是理解土壤變形與沉降機理的關鍵。（2）壓力計和孔隙水壓力計則可以監測土壤的應力和水壓變化，為了解土壤變形與沉降提供關鍵依據。壓力計通常設置在土壤或結構中，監測土壤或結構的應力變化，而孔隙水壓力計則設置在土壤孔隙水中，監測孔隙水的壓力變化，能夠幫助工程人員了解土壤在荷載和環境變化下的響應和變化，預測和控制土壤的變形與沉降[4]。

4 高回填區域土方變形與沉降的控制

4.1 土壤改良

土壤改良是通過改善土壤的物理、化學和力學性質，提高土壤的承載能力，減小土壤的壓縮性和變形性，以達到控制變形與沉降的目的。土壤改良通常包括土壤穩定、土壤固化、土壤交換和土壤混合等，可以改善土壤的強度、硬度、稠度、排水性和抗剪強度等性質，使其更適合作為高回填土方材料。（1）土壤穩定技術主要是通過添加穩定劑，如石灰、水泥、瀝青等，改善土壤的力學性質和工程性能，使其與土壤反應，形成較硬的、穩定的土壤結構，提高土壤的承載能力和強度[5]。（2）土壤固化技術主要是通過添加固化劑，如硅酸鹽、有機高分子等，改善土壤的物理性質和化學穩定性，填充土壤孔隙，增加土壤的緊密性和固結性，降低土壤的壓縮性和變形性。（3）土壤交換技術則是通過替換部分或全部的原土壤，用具有更好工程性能的土壤代替，以改善土壤的工程性質，適用于原土壤工程性質較差，難以通過改良達到工程要求的情況。（4）土壤混合技術是通過將土壤與其他材料混合，形成新的土壤材料，以改善土壤的性質和工程性能。根據工程需要，選擇合適的混合材料，如沙石、粉煤灰、高爐渣等，達到理想的改良效果。

4.2 結構優化設計

結構優化設計是通過科學合理的工程設計，考慮土壤、地質、氣候、工程功能等多種因素，優化工程結構和施工方案，使之與回填土壤的性質和條件相匹配，能夠在設計階段就盡可能降低結構變形和沉降的可能性和影響。（1）結構設計需要充分考慮土壤的性質和狀態，如物理性質、化學性質、力學性質，以及地質條件、地形地貌、地下水狀況等，這些因素會直接影響土壤的承載能力、變形性、穩定性，影響工程結構的性能和安全。（2）結構設計需要考慮工程的功能和要求，如結構的用途、載荷、使用壽命、安全要求等，對于承載力要求高、使用壽命長、安全性要求嚴格的工程結構，應采用深基礎、增強地基、剛性結構等設計方案。

4.3 管理和維護策略

在土方回填過程中，有效的維護和管理策略旨在預防和減輕土壤的變形與沉降，以保持工程結構的安全性和穩定性。（1）防止水土流失是一個重要的保護措施。因為水分流失可以引發土壤結構的改變，進一步導致土壤質地疏松，增加土壤的變形和沉降的可能性。（2）對工程結構進行檢修和維護是保證其安全和穩定的重要手段。出現裂縫的結構應及時進行清理和修復，以防止裂縫的擴展和深化；支撐不足的結構應加強其支撐，以提高其抗變形和抗沉降的能力；性能不佳的結構應通過改進設計或施工方法來改善其性能，如提高其剛度、強度或韌性等。（3）調整施工方法和使用狀況也是一種有效的策略，應根據土壤和工程的具體情況選擇適合的方法，如減輕載荷、采用溫和的施工方式等，以減小對土壤和結構的影響；對于使用狀況，應根據實際需求和可能的風險進行調整和優化，如改變使用方式、延長使用周期等，以減小變形和沉降的可能性。

5 結語

總的來說，高回填區域土方變形與沉降是一個復雜的工程問題，涉及多種因素和環節，需要綜合運用地質、土壤、結構、工程等領域的知識和技術進行研究和控制。雖然目前已經有了一些有效的監測方法和控制技術，但由于地質環境的復雜性和不確定性，還需要進一步研究和改進，增強對這個問題的認識和關注，提高對工程安全和穩定的重視，采取更科學、更有效的管理和措施，減輕變形與沉降的影響，保障工程的安全、穩定和經濟性。