高速公路軟基沉降動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究

沈士軍，賈 煒，王雅明

（1.嘉興市港務(wù)管理局，浙江 嘉興 314051；2.陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，近二、三十年來(lái)高速公路的建設(shè)也突飛猛進(jìn)，截至2011年底我國(guó)高速公路總里程已達(dá)8.5萬(wàn)km，且仍然保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。而與此同時(shí)，軟土地基上修建的高速公路在通車運(yùn)營(yíng)后，都不同程度的出現(xiàn)了工后沉降過(guò)大的問(wèn)題，導(dǎo)致路基不均勻沉降、橋頭跳車和路面早期破損等一系列問(wèn)題的產(chǎn)生。特別是在長(zhǎng)江三角洲等地區(qū)，軟土都具有含水量高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強(qiáng)度低和厚度不均等不良工程地質(zhì)特性，軟基處置復(fù)雜，工后沉降控制困難。

經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，軟基沉降動(dòng)態(tài)控制技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效辦法。該技術(shù)在浙江等省份已廣泛應(yīng)用，并寫(xiě)入軟土地基路堤設(shè)計(jì)要點(diǎn)等地方規(guī)定。結(jié)合該技術(shù)的應(yīng)用，很多科研課題也在進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

1 動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的基本原理

軟基沉降動(dòng)態(tài)控制技術(shù)是指在高速公路工程建設(shè)和質(zhì)量管理過(guò)程中，對(duì)軟土地基的變形和穩(wěn)定情況進(jìn)行全面和時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行處理和分析，在科學(xué)評(píng)判的基礎(chǔ)上，合理修正設(shè)計(jì)參數(shù)，并相應(yīng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整施工工期。其中主要包括監(jiān)測(cè)方案的布設(shè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、反饋和動(dòng)態(tài)調(diào)整三大組成要素和控制要點(diǎn)，以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法和施工動(dòng)態(tài)控制技術(shù)兩個(gè)技術(shù)層面。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法是指根據(jù)施工過(guò)程中的反饋信息和監(jiān)測(cè)資料，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化的軟基處理設(shè)計(jì)方法。

施工動(dòng)態(tài)控制技術(shù)是指根據(jù)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)資料和反饋信息，對(duì)施工控制技術(shù)的安全性和合理性進(jìn)行判斷，并動(dòng)態(tài)跟蹤和調(diào)整的施工管理技術(shù)。

2 技術(shù)的控制要點(diǎn)

2.1 監(jiān)測(cè)方案的布設(shè)

監(jiān)測(cè)方案的布設(shè)是動(dòng)態(tài)控制技術(shù)最重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，只有采取有效措施對(duì)軟土地基的變形和穩(wěn)定進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能獲得客觀真實(shí)、全面準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)沉降和穩(wěn)定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，才能精確地反映路基的實(shí)際沉降狀態(tài)。

軟土地基沉降和穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)要根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)階段，相應(yīng)地制定不同的布設(shè)方案，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置、儀器的埋設(shè)、監(jiān)測(cè)的頻率和精度、監(jiān)測(cè)資料的分析等控制參數(shù)。主要監(jiān)測(cè)階段一般可分為路基填筑期、路基預(yù)壓期、路面施工期和通車運(yùn)營(yíng)期等四個(gè)階段。

2.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

路基監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要是通過(guò)沉降板進(jìn)行沉降變形監(jiān)測(cè)，并通過(guò)位移邊樁進(jìn)行穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，特殊路段還應(yīng)設(shè)置若干典型斷面埋設(shè)測(cè)斜管、孔隙水壓力計(jì)等監(jiān)測(cè)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(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，橋頭路段布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；一般路段布設(shè)間距為50～100m。參照規(guī)范中的規(guī)定，工程中沉降板采用A3鋼板，沉降管采用鋼管，每節(jié)長(zhǎng)度視每層填土厚度而定，一般不超過(guò)50～100cm；沉降管外套采用直徑為80mm的保護(hù)鋼管，鋼管用套絲接長(zhǎng)（見(jiàn)圖1）。

2.1.2 監(jiān)測(cè)頻率

施工期路堤填高達(dá)到預(yù)壓高度之前，每層需監(jiān)測(cè)一次，因故停止施工，每星期監(jiān)測(cè)一次；預(yù)壓期間，第一個(gè)月每周監(jiān)測(cè)一次，第二個(gè)月至第三個(gè)月每旬監(jiān)測(cè)一次，從第四個(gè)月起每半個(gè)月監(jiān)測(cè)一次，直到路面鋪筑前；路面施工期至少每層監(jiān)測(cè)一次，且間隔不超過(guò)一旬；通車運(yùn)營(yíng)期可適當(dāng)延長(zhǎng)間隔，第一年可每半月監(jiān)測(cè)一次，之后可每月監(jiān)測(cè)一次。

2.1.3 監(jiān)測(cè)的精度和等級(jí)

軟基上的沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)不同階段相應(yīng)采用不同的監(jiān)測(cè)精度、監(jiān)測(cè)儀具及監(jiān)測(cè)技術(shù)。一般情況下，在預(yù)壓后期、路面施工期和運(yùn)行期沉降速率小于5mm/月，監(jiān)測(cè)精度應(yīng)取1～2mm才有意義，應(yīng)選擇二等水準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；而在路堤施工期和預(yù)壓初期，由于大沉降量出現(xiàn)頻率較高，監(jiān)測(cè)精度取2～3mm為宜，可選擇三～四等水準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于沉降量較小的路段，為了提高監(jiān)測(cè)精度，也可選擇二等水準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 沉降標(biāo)構(gòu)造與接管圖

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析

高速公路軟基沉降監(jiān)測(cè)所取得的數(shù)據(jù)應(yīng)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(diǎn)斷面的荷載-時(shí)間-沉降過(guò)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(nèi)容。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)匯總并整理分析，以便能全面了解土體變化情況，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可及時(shí)進(jìn)行復(fù)查或復(fù)測(cè)處理。

監(jiān)測(cè)小組還應(yīng)根據(jù)上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行工后沉降量估算、總沉降量反分析計(jì)算、土體固結(jié)度分析等數(shù)理計(jì)算工作，并定期編寫(xiě)沉降觀測(cè)報(bào)告，提出動(dòng)態(tài)控制的建議和動(dòng)態(tài)調(diào)整的措施，以及相應(yīng)理論分析的依據(jù)。

通過(guò)沉降數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以清晰地看到任一時(shí)間節(jié)點(diǎn)每一種軟基處理方式的沉降速率及變化趨勢(shì)，檢驗(yàn)路基的沉降穩(wěn)定狀態(tài)，驗(yàn)證各種軟基設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

表1 某高速公路沉降速率情況統(tǒng)計(jì)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(jí)加載到工后運(yùn)營(yíng)期間，最大荷載達(dá)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(jí)，處理路基的沉降速率和沉降量都會(huì)增大。尤其當(dāng)加到0.18MPa即進(jìn)入超載預(yù)壓期時(shí)，沉降量迅速變大，反應(yīng)處路基堆載預(yù)壓的效果明顯。路基沉降基本穩(wěn)定時(shí)，卸載至0.1MPa進(jìn)入路面施工。運(yùn)營(yíng)期間荷載穩(wěn)定，隨著時(shí)間變化，處理路段沉降有明顯的收斂趨勢(shì)。

2.3 反饋與動(dòng)態(tài)調(diào)整

反饋與動(dòng)態(tài)調(diào)整，是軟基沉降動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的重點(diǎn)與核心部分，只有通過(guò)這一階段工作的有效實(shí)施才能將動(dòng)態(tài)控制落在實(shí)處。

軟土地基沉降控制有兩大關(guān)鍵問(wèn)題：一是路基填筑過(guò)程中的穩(wěn)定控制，只發(fā)生在路基施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)路基變形和穩(wěn)定的有效監(jiān)測(cè)，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(lái)相對(duì)較難，關(guān)鍵在于最終沉降量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和卸載時(shí)機(jī)的精準(zhǔn)判斷。

2.3.1 路基填筑速率的控制

為防止施工期內(nèi)路基失穩(wěn)，應(yīng)重點(diǎn)限制填筑速率。極限填土高度以內(nèi)，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(yīng)觀測(cè)一次，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

同時(shí)應(yīng)結(jié)合路基沉降速率對(duì)填筑速率進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)塑料排水板處理路段，應(yīng)保持填筑速率與地基固結(jié)速率相適應(yīng)，以盡量減少附加沉降量。一般路段填筑應(yīng)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(shù)B≤0.6，坡腳水平位移每晝夜不大于3mm，測(cè)斜水平位移每晝夜不大于7mm；對(duì)于橋頭路段，為避免填土對(duì)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(fù)合地基、樁承式），原地面每晝夜沉降速率也應(yīng)小于10mm。

2.3.2 卸載時(shí)間的確定

對(duì)卸載時(shí)間的把握，關(guān)系到軟基處理的成敗，如果卸載時(shí)間過(guò)早，則可能造成工后沉降過(guò)大，通車后路基即產(chǎn)生不均勻沉降，達(dá)不到沉降動(dòng)態(tài)控制的目的；如卸載時(shí)間過(guò)遲，則可能拖延公路通車時(shí)間，加大建設(shè)成本。通常采用工后沉降量推算值和月沉降速率實(shí)測(cè)值相結(jié)合的方式控制卸載時(shí)間，只有兩個(gè)數(shù)值都滿足標(biāo)準(zhǔn)才允許卸載，卸載標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 容許工后沉降值表

利用沉降速率控制卸載時(shí)間具有方便易行、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。筆者在分析大量高速公路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降曲線的基礎(chǔ)上，總結(jié)了預(yù)壓期末沉降速率和工后沉降量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以其作為施工控制標(biāo)準(zhǔn)。具體包括：

a）對(duì)欠載預(yù)壓的段落，按連續(xù)兩個(gè)月的月沉降速率小于3mm進(jìn)行控制；

b）對(duì)等載預(yù)壓的段落，按連續(xù)兩個(gè)月的月沉降速率橋頭小于3mm、一般路段小于5mm進(jìn)行控制；

c）對(duì)超載預(yù)壓的段落，按連續(xù)兩個(gè)月的月沉降速率小于7mm，同時(shí)結(jié)合有效應(yīng)力面積比參數(shù)進(jìn)行控制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從高速公路軟基沉降動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的分析和研究入手，闡述其動(dòng)態(tài)控制的機(jī)理和性質(zhì)，并對(duì)控制的要點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)。詳細(xì)介紹了沉降監(jiān)測(cè)方案的設(shè)置，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的方式和方法，并結(jié)合工程實(shí)際，在科學(xué)評(píng)判的基礎(chǔ)上，將監(jiān)測(cè)信息及時(shí)反饋到施工過(guò)程中，合理指導(dǎo)路基填筑的穩(wěn)定控制和超載預(yù)壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整，將動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法和施工動(dòng)態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，對(duì)節(jié)約工程投資、確保工程質(zhì)量、合理控制工期等方面均具有重要的意義。

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