高速公路路基沉降監(jiān)測(cè)方法與監(jiān)測(cè)實(shí)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(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

0 引言

我國(guó)疆域遼闊，不同地域的地質(zhì)條件存在著較大的差異。高速公路建設(shè)過程中受地質(zhì)條件的影響較大，尤其是路基的施工，往往會(huì)因各種復(fù)雜的地質(zhì)條件引發(fā)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(huì)導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，影響路基的穩(wěn)定性，帶來巨額的維護(hù)費(fèi)用，還可能會(huì)給人們的安全出行帶來嚴(yán)重威脅，甚至引發(fā)安全事故。路基施工過程中，路基沉降監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(zhì)量。路基建設(shè)完成后，路基沉降監(jiān)測(cè)可以為道路運(yùn)營(yíng)方提供路基沉降數(shù)據(jù)，有利于減小因沉降過大造成的經(jīng)濟(jì)損失和避免因沉降引發(fā)的交通安全事故?？梢娐坊两当O(jiān)測(cè)對(duì)于高速公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)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(jī)理

引發(fā)路基產(chǎn)生沉降的因素有很多，例如沿線土壤類別、地層分布規(guī)律、地下水位變化、填土高度、行車荷載與速度等[1]，當(dāng)各種因素發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)使路基沉降趨勢(shì)發(fā)生變化，經(jīng)過長(zhǎng)年的累積就可能導(dǎo)致路基破壞。引發(fā)路基產(chǎn)生沉降的內(nèi)在原因，主要是路基土壤的孔隙比減小，同時(shí)發(fā)生土顆粒的豎向位移變形。引發(fā)路基產(chǎn)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(dāng)于在路基表面施加了豎向力，路基在豎向應(yīng)力的作用下發(fā)生形變，由路基形變而產(chǎn)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(jù)沉降產(chǎn)生機(jī)理、表示方法等，可以對(duì)路基沉降進(jìn)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(jiān)測(cè)方法

路基沉降監(jiān)測(cè)可以分為表層沉降監(jiān)測(cè)和分層沉降監(jiān)測(cè)，其中表層沉降監(jiān)測(cè)方法常用監(jiān)測(cè)樁法和沉降板法；分層沉降監(jiān)測(cè)常用沉降水杯法和分層沉降儀法。

2.1 表層沉降監(jiān)測(cè)方法

2.1.1 監(jiān)測(cè)樁法

監(jiān)測(cè)樁一般由木樁和剛纖組成，監(jiān)測(cè)時(shí)，將其固定于土壤中，通過水準(zhǔn)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁頂?shù)母叱虂頊y(cè)量路基的表面沉降量。監(jiān)測(cè)樁法具有操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低、方便監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)；但只能觀測(cè)到路基表面一個(gè)點(diǎn)的沉降狀況，不能測(cè)量路基內(nèi)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(shè)有金屬測(cè)桿，埋設(shè)時(shí)測(cè)桿外設(shè)置保護(hù)管，埋設(shè)完成后測(cè)桿略高于保護(hù)管，測(cè)量過程中是通過水準(zhǔn)儀對(duì)測(cè)桿頂端高程進(jìn)行測(cè)量，兩次測(cè)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(cè)試、低成本等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)桿易被破壞。為保護(hù)測(cè)桿不被破壞，路基壓實(shí)時(shí)需避開沉降板埋設(shè)地段。一個(gè)沉降板只可以測(cè)量路基一個(gè)點(diǎn)的沉降，若要測(cè)量路基不同位置的沉降，需增加沉降板的數(shù)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(fù)。

2.2 分層沉降監(jiān)測(cè)方法

2.2.1 沉降水杯法

該方法使用的監(jiān)測(cè)儀器由沉降水杯、排水管、排氣管、測(cè)量管、測(cè)尺等五部分組成，利用連通器原理，把路基內(nèi)部某一點(diǎn)的高程映射到路基外部，所以只需測(cè)量路基外部映射點(diǎn)的高程即可知道路基的內(nèi)部變化情況。該方法原理簡(jiǎn)單、成本低，但對(duì)儀器的埋設(shè)要求較高，當(dāng)埋設(shè)方法不規(guī)范，產(chǎn)生的氣泡易堵塞管道，無法測(cè)量沉降；此方法在氣溫較低的地區(qū)不適用，一般用于室內(nèi)試驗(yàn)，在實(shí)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(jiān)測(cè)中，電磁式分層沉降儀最為常用，又稱磁環(huán)沉降儀。在開始測(cè)量前，將磁環(huán)套在沉降管外部，并且安裝在指定測(cè)量沉降位置，安裝完畢后，用帶有測(cè)頭的鋼尺深入其中，當(dāng)發(fā)出蜂鳴時(shí)，記錄該點(diǎn)的高程，以后測(cè)量時(shí)均如此。傳統(tǒng)的磁環(huán)沉降儀在埋設(shè)時(shí)鉆孔較深，可以認(rèn)為鉆孔底部無沉降，測(cè)點(diǎn)的沉降量等于測(cè)點(diǎn)的高程差。電磁式分層沉降儀易于操作和測(cè)試，便攜性高，能用于各種野外作業(yè)，但管道埋設(shè)發(fā)生傾斜以及鋼尺的拉伸變形都會(huì)帶來難以避免的誤差。

水壓式分層沉降儀的測(cè)頭采用的是水壓探針，可以避免像磁環(huán)沉降儀測(cè)量時(shí)會(huì)因管道埋設(shè)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(cè)器、防水導(dǎo)線、帶小孔隔板與測(cè)量裝置。測(cè)量時(shí)，需先在測(cè)量處鉆孔，接著將帶有小孔的隔板布置在鉆孔內(nèi)的不同土層中，側(cè)頭固定在隔板之上，通過防水導(dǎo)線，將其于頂端測(cè)量裝置相連接。埋設(shè)完成之后在深孔中注水，由測(cè)頭測(cè)得隔板處水壓的變化，再根據(jù)水壓與高程的關(guān)系計(jì)算出隔板處的沉降值。

該測(cè)量方法測(cè)量原理簡(jiǎn)單，易于施工和測(cè)量，費(fèi)用較低；水壓測(cè)量只與液面深度相關(guān)，測(cè)值不受傾斜干擾。但孔內(nèi)水分蒸發(fā)影響測(cè)量精度；不適用于寒冷地區(qū)。

3 濟(jì)微高速公路路基沉降監(jiān)測(cè)實(shí)例分析

對(duì)濟(jì)微高速公路K20+340路段斷面實(shí)施分層沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方法使用電磁式分層沉降儀法。

3.1 監(jiān)測(cè)方案概述

3.1.1 監(jiān)測(cè)過程

首先，先將感應(yīng)磁環(huán)放入沉降管中，做好準(zhǔn)備工作；接著需對(duì)路基進(jìn)行鉆孔，鉆孔的深度達(dá)到原地面以下；將已裝好磁環(huán)的沉降管放入鉆孔中，將監(jiān)測(cè)孔口的高程設(shè)為0 m；分別測(cè)量各感應(yīng)磁環(huán)在沉降孔中的深度，讀取感應(yīng)環(huán)的初始值，通過每次感應(yīng)環(huán)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(huán)沿沉降管的深度方向布置，每3.5 m安裝一個(gè)感應(yīng)磁環(huán)，每孔中各安裝4個(gè)感應(yīng)磁環(huán)，從孔口向孔底依次分為：磁環(huán)01、磁環(huán)02、磁環(huán)03和磁環(huán)04。分層沉降監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)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?yàn)椋喊垂艿住两倒堋怒h(huán)→外接頭→沉降管→磁環(huán)→沉降管→管頂蓋的順序逐節(jié)組裝放入孔內(nèi)，并將沉降管支撐扶直，每節(jié)接頭處均用土工布包裹，管路組裝連接做到緊固、嚴(yán)密、無滲漏。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

沉降磁環(huán)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，前2個(gè)月每周讀取一次，后期半個(gè)月讀取一次。每個(gè)沉降磁環(huán)均得到22組數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)孔中沉降磁環(huán)從上到下依次按磁環(huán)01、磁環(huán)02、磁環(huán)03、磁環(huán)04編號(hào)。沉降監(jiān)測(cè)孔CJ01和CJ02分層沉降監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)如表2、表3所示。CJ01孔、CJ02孔各磁環(huán)累計(jì)沉降量與時(shí)間的關(guān)系分別見圖3、圖4。

表2 CJ01孔分層沉降監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)

表3 CJ02孔分層沉降監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)

其中，磁環(huán)01的沉降量代表了路基上部的沉降，磁環(huán)04代表了路基下部沉降，從圖3、圖4中可以明顯看出磁環(huán)04比磁環(huán)01更早的趨于平緩階段，磁環(huán)01在監(jiān)測(cè)后期沉降雖小但均有沉降的趨勢(shì)，分析其原因：（1）路基填土?xí)r，路基的自重應(yīng)力會(huì)使路基發(fā)生自生的壓縮變形，路基上部的自重應(yīng)力比下部的自重應(yīng)力小，使得路基上部的壓實(shí)度比下部要低，因此上部要比下部發(fā)生更多的沉降［4］；（2）在固結(jié)時(shí)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(jié)時(shí)間更長(zhǎng)，因此路基頂部的沉降量趨于穩(wěn)定的時(shí)間較晚。最后，從路基沉降數(shù)據(jù)可知，路基最大沉降量為190mm，小于規(guī)范要求的≤300mm。

由圖3與圖4可知，兩沉降孔各磁環(huán)的沉降趨勢(shì)較為相似，沉降的速率都會(huì)隨著時(shí)間的增加而減小，直至后期，沉降量趨于穩(wěn)定。

圖3 CJ01孔各磁環(huán)累計(jì)沉降量與時(shí)間關(guān)系

圖4 CJ02孔各磁環(huán)累計(jì)沉降量與時(shí)間關(guān)系

4 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)高速公路路基發(fā)生沉降的原因進(jìn)行了分析，并對(duì)常見路基沉降進(jìn)行了分類；闡述了高速公路常見路基沉降監(jiān)測(cè)的方法，主要分為表層沉降監(jiān)測(cè)方法和分層沉降監(jiān)測(cè)方法兩大類，分析了各種沉降監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)；選用電磁式沉降儀監(jiān)測(cè)法對(duì)濟(jì)微高速公路進(jìn)行了10個(gè)月的路基沉降監(jiān)測(cè)，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(guān)人員借鑒。