高速公路路基沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

王晉峰

(山西交通建設(shè)監(jiān)理咨詢集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012)

0 前 言

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況非常復(fù)雜，這對(duì)高速公路的建設(shè)和維護(hù)工作提出了很高的要求。在高速公路的建設(shè)過(guò)程中，軟基、不良土路基、高填路堤、陡坡路堤等多種因素都可能導(dǎo)致路基沉降出現(xiàn)，復(fù)雜、惡劣的地質(zhì)情況和為了加快高速公路建設(shè)而縮短施工周期也是路基沉降出現(xiàn)的主要原因。路基沉降破壞了公路路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致路面開(kāi)裂或坑洼不平，加速了高速公路的損壞，影響了高速公路的運(yùn)行壽命和行車質(zhì)量，造成了很大的交通安全隱患問(wèn)題。加強(qiáng)路基沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，對(duì)提高高速公路的建設(shè)和維護(hù)質(zhì)量十分重要。

1 路基沉降的原理和原因

土壤主要由土顆粒、水、空氣三種物質(zhì)構(gòu)成，在建設(shè)路基時(shí)，需要將土地壓實(shí)，這時(shí)，首先會(huì)將土壤中的空氣排擠出來(lái)，然后是水分被逐漸順著縫隙壓擠出來(lái)，最后是土顆粒被不斷壓實(shí)，讓土壤密度大大增加。在此過(guò)程中，土壤中的水和空氣不會(huì)一次性全部排凈，這是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，水和空氣的不均勻擴(kuò)散和土壤應(yīng)力結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致路基的形狀發(fā)生改變，導(dǎo)致部分路基下沉，造成路面的下沉或者開(kāi)裂。路基填土壓實(shí)不足和路基填料不均勻是導(dǎo)致路基沉降出現(xiàn)的主要原因。

1.1 路基填土壓實(shí)不足

在路基填土的施工中，部分路段的土料顆粒較大，沒(méi)有被充分地粉碎破壞，在壓實(shí)過(guò)程中路基中的水和空氣存留較多，土壤密度不均勻，導(dǎo)致路基在后期使用中不能保證路基的整體結(jié)構(gòu)完整，產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻下沉，導(dǎo)致了路面開(kāi)裂或坑洼的現(xiàn)象出現(xiàn)，影響了高速公路的使用質(zhì)量。

1.2 路基填料不均勻

路基的填料通常是施工過(guò)程中產(chǎn)生的廢料，填料中物質(zhì)的性質(zhì)各不相同，壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)差異較大，施工時(shí)很難對(duì)填料進(jìn)行有效地壓實(shí)，難以保證路基的均勻度。在長(zhǎng)期的高負(fù)荷作用下，路基的結(jié)構(gòu)很容易被破壞，導(dǎo)致部分路面變形、下沉，產(chǎn)生裂縫或者路面斷裂，使高速公路損壞嚴(yán)重。

2 路基沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)

在路基沉降監(jiān)測(cè)工作中，按照沉降部位的不同，可以將其分為表層沉降監(jiān)測(cè)、分層沉降監(jiān)測(cè)和剖面沉降監(jiān)測(cè)三種類型，可分別使用不同類型的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度，提高路基施工的質(zhì)量和效率。

2.1 監(jiān)測(cè)樁法

將監(jiān)測(cè)用的鋼筋打進(jìn)錨固砂漿之中，之后將錨固砂漿打進(jìn)土壤里，使用水準(zhǔn)儀測(cè)量檢測(cè)樁和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)差，即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量。該技術(shù)通常適用于簡(jiǎn)單地表層沉降監(jiān)測(cè)，其操作簡(jiǎn)單快捷，且施工成本較低，但只能用于測(cè)量一個(gè)單獨(dú)的沉降點(diǎn)，應(yīng)用范圍較窄。

2.2 沉降板法

沉降板由底板、PVC管、金屬測(cè)桿構(gòu)成。底板水平于基準(zhǔn)線，埋入路基，其會(huì)跟隨路基的沉降而沉降，以此進(jìn)行監(jiān)測(cè)。金屬測(cè)桿垂直于底板，用于沉降值的測(cè)量，可根據(jù)測(cè)量的深度進(jìn)行加長(zhǎng)或縮短，在埋入沉降板后記錄金屬測(cè)桿的高度，以后定期對(duì)其高度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)之間的差值即為測(cè)量點(diǎn)的沉降值。PVC管用于保護(hù)金屬測(cè)桿，防止金屬測(cè)桿被腐蝕破壞，影響監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。該監(jiān)測(cè)技術(shù)施工成本較低、施工工藝簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)精度較高且便于進(jìn)行監(jiān)測(cè)操作，適用于路基的表層沉降監(jiān)測(cè)。但金屬測(cè)桿的頂端長(zhǎng)期暴露于路面，容易受到破壞影響監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。在施工過(guò)程中，由于沉降板需要預(yù)先埋設(shè)進(jìn)地基，所以可能導(dǎo)致地基壓實(shí)不足，影響地基質(zhì)量；其次，為了避免破壞沉降板，施工時(shí)需要避開(kāi)沉降板埋設(shè)區(qū)域，影響了施工的進(jìn)度；最后，沉降板被破壞后難以進(jìn)行補(bǔ)救措施。

2.3 沉降水杯法

沉降水杯由排水管、排氣管、注水管(測(cè)量管)、測(cè)尺和保護(hù)盒等構(gòu)件組成，將排水管、排氣管、注水管與保護(hù)盒安裝起來(lái)，將排水管、排氣管的出口和保護(hù)盒一起埋進(jìn)監(jiān)測(cè)位置的土壤中，將注水管的注水口通到地表，形成測(cè)量管，注入適量的水，并用測(cè)尺測(cè)量水面高度，記錄為基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)位置發(fā)生沉降時(shí)，由于連通器原理，其測(cè)量管水面高度會(huì)產(chǎn)生變化，再次測(cè)量，其數(shù)值與基準(zhǔn)點(diǎn)的差值即為沉降值。該監(jiān)測(cè)技術(shù)適用于分層沉降監(jiān)測(cè)和剖面沉降監(jiān)測(cè)，其構(gòu)架簡(jiǎn)單，施工成本較低，且不影響公路的施工建設(shè)，可用于監(jiān)測(cè)地基、地表的總沉降，且能夠預(yù)測(cè)不均勻沉降的發(fā)生。但其對(duì)安裝的要求較高，且不適用于寒冷地區(qū)的監(jiān)測(cè)工作。

2.4 電磁式分層沉降儀法

電磁式分層沉降儀由磁性探測(cè)頭、標(biāo)尺、磁環(huán)、記錄儀等構(gòu)件組成。使用時(shí)，將磁環(huán)埋入每個(gè)土層之中，然后將磁性探測(cè)頭連接上記錄儀，通過(guò)非磁性導(dǎo)管深入到地下磁環(huán)中，磁性探測(cè)頭會(huì)感應(yīng)到磁環(huán)的位置，定期進(jìn)行測(cè)量并記錄磁環(huán)位置，其測(cè)量值之間的差值即為沉降值。該監(jiān)測(cè)技術(shù)適用于分層沉降監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)同一斷面的總沉降，操作便捷，成本較低。但其監(jiān)測(cè)精度容易受到外界影響，且只能監(jiān)測(cè)一個(gè)位置的沉降情況。

2.5 水壓式剖面沉降儀法

水壓式剖面沉降儀由記錄儀、注水架、注水管、測(cè)量探頭和PVC管等構(gòu)件組成。測(cè)量探頭的主要元件為靜水壓力傳感器，在土壤深度不同時(shí)，靜水壓力會(huì)發(fā)生變化。以此為工作原理，將水壓式剖面沉降儀埋入沉降監(jiān)測(cè)位置，當(dāng)路基沉降發(fā)生時(shí)，測(cè)量探頭的位置會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致靜水壓力傳感器測(cè)量的壓力發(fā)生改變，記錄數(shù)值之間的差值即為沉降值。該檢測(cè)技術(shù)適用于剖面沉降監(jiān)測(cè)，可以測(cè)量任意監(jiān)測(cè)位置的沉降值，且可以測(cè)量監(jiān)測(cè)位置的長(zhǎng)期沉降情況，有助于全面把握沉降狀態(tài)，便于路基沉降的研究和問(wèn)題的解決，同時(shí)，其監(jiān)測(cè)成本較低，對(duì)公路的施工建設(shè)沒(méi)有影響。但該技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果精度較低，且不適用于溫度較低的地域，環(huán)境溫差較大的地區(qū)其監(jiān)測(cè)精度也會(huì)受到影響。

2.6 水平測(cè)斜儀法

水平測(cè)斜儀主要由測(cè)量探頭、PVC管等構(gòu)件組成。其中，PVC管的內(nèi)管有特制的導(dǎo)槽，作為測(cè)量探頭的運(yùn)行軌道。測(cè)量探頭的主要元件為加速度計(jì)，搭載在導(dǎo)輪上。將PVC管預(yù)先埋設(shè)到監(jiān)測(cè)位置的土壤中，注意水平放置。沉降發(fā)生后，導(dǎo)管會(huì)和路基沉降產(chǎn)生相同的形變。使用導(dǎo)線將測(cè)量探頭從導(dǎo)管的一端緩緩牽拉到另一端，在此過(guò)程中，測(cè)量加速度計(jì)的重力矢量在水平方向上的分量，即為測(cè)量探頭在水平方向上的傾斜角度，記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的角度，該角度和測(cè)量探頭的長(zhǎng)度乘積即為沉降值。該監(jiān)測(cè)技術(shù)適用于剖面沉降監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)精度較高，可以監(jiān)測(cè)剖面的整體沉降規(guī)律，且操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，成本也不高。同時(shí)，對(duì)路基施工沒(méi)有影響，外界環(huán)境對(duì)該監(jiān)測(cè)技術(shù)也沒(méi)有影響，實(shí)用性較強(qiáng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

路基沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)方法較多，需要根據(jù)具體情況選擇合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以此提高路基沉降的檢測(cè)精度，為路基的施工效率和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做出科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)路基沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用，可以總結(jié)出更加科學(xué)性的路基沉降規(guī)律，有利于研究路基沉降的解決方法，加強(qiáng)對(duì)高速公路施工質(zhì)量和施工效率的控制，有效地提高高速公路的使用壽命，提升車輛的行車質(zhì)量和交通安全。

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