黃土高填方路堤沉降監(jiān)測分析

作者簡介：

武美辰（1993—），助理工程師，研究方向：土木工程施工。

摘要：文章以某高速公路黃土高填方路堤施工為研究背景，利用現(xiàn)場監(jiān)測法對路堤沉降進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，結(jié)合設(shè)計資料制定路堤施工方案；為驗(yàn)證施工方案的合理性，在施工現(xiàn)場建立試驗(yàn)段，布置測點(diǎn)對地基、路堤各部位沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。結(jié)果表明：工后路堤中層沉降變形相對較大，下層和上層填土沉降量相對較?。郝返添斆娉两翟诒O(jiān)測初期較大，而后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，地基沉降占路堤總沉降的比例較小，說明該施工方案有效。

關(guān)鍵詞：高填方路堤；沉降；分層沉降；工后沉降；模擬分析

中圖分類號：U416.1+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 11 033 2

0 引言

在黃土高原地區(qū)建設(shè)高速公路時，為了節(jié)約施工成本，通常就地取材選擇沿線黃土棄方作為路堤填料。而對黃土高填方路堤，由于壓實(shí)質(zhì)量控制不當(dāng)、填料質(zhì)量不合格、加固措施不合理等原因［1］，完工后在車輛荷載和路基自重荷載的作用下會產(chǎn)生裂縫、沉陷等病害，破壞道路結(jié)構(gòu)。其中不均勻沉降導(dǎo)致的開裂所占比例較大，主要是由于路基在運(yùn)營期間還沒有完全固結(jié)［2-3］，持續(xù)產(chǎn)生變形導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻沉降。對于黃土高填方路堤，如何在施工過程中有效提升路基壓實(shí)質(zhì)量，減少工后固結(jié)變形，是一個值得研究的課題。

黃土高填方路堤的沉降主要包括填方體沉降和地基沉降兩大部分［4］，其中前者是路堤總沉降的主要組成部分。因此，如何采取措施有效提升地基承載力，控制路堤自身固結(jié)變形［5-6］，是控制路堤總體變形的重點(diǎn)。本文以某高速公路黃土高填方路堤施工為研究背景，利用現(xiàn)場監(jiān)測法對路堤沉降進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，結(jié)合設(shè)計資料制定路堤施工方案。為驗(yàn)證施工方案的合理性，在施工現(xiàn)場建立試驗(yàn)段，布置測點(diǎn)對地基、路堤各部位沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析監(jiān)測結(jié)果確定施工方案的合理性。

1 工程概況

某高速公路位于黃土高原，沿線地勢起伏高度大，地形條件復(fù)雜，最大高差為230 m，沿線分布有多處高填方路基。其中K53+420～K53+860段為高填方路基，最大填方高度為22 m，路基填料采用沿線挖方段黃土棄方。該路段地基上層為雜填土，下部為粉質(zhì)黏土和粉土層，經(jīng)現(xiàn)場取樣檢測確定為輕度非自重濕陷性黃土。為提升地基承載力，清表整平后采用強(qiáng)夯法對地基進(jìn)行加固處治，處治后經(jīng)檢測得出地基承載力gt;200 kPa，滿足高填方路堤施工要求。地下水深度gt;40 m以上，施工取樣基本無地表徑流水，對路堤施工所產(chǎn)生的影響較小。

路基設(shè)計寬度為25.5 m，路面橫坡度為2%，采用雙向四車道設(shè)計，道路紅線寬度為74.5 m。最大填方路堤高度為22 m，其中一級、二級邊坡高度均為8 m，三級邊坡高度為6 m，各級邊坡坡度均為1∶1.5，每兩級邊坡之間設(shè)置一個邊坡平臺，寬度為2 m。黃土路基填料具有一定的濕陷性，如果不處理工后會產(chǎn)生較大的沉降。本項目采用強(qiáng)夯法進(jìn)行處治。高填方路基分層填筑，分層采用重型壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)。填筑高度每達(dá)到4 m進(jìn)行一次強(qiáng)夯處理，處治完成后對路基填料取樣進(jìn)行檢測，確保消除黃土的濕陷性。

2 黃土高填方路堤沉降監(jiān)測方案

2.1 沉降監(jiān)測方案

路堤沉降監(jiān)測內(nèi)容包括分層沉降監(jiān)測、路基頂面沉降監(jiān)測、地基頂面沉降監(jiān)測三個方面。分層沉降監(jiān)測通過開挖探孔，埋設(shè)沉降管和沉降環(huán)，自路基頂面向下分層布置沉降環(huán)。分層沉降觀測首先使用數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測各個管口高程，量取各個沉降環(huán)距管口的距離，而后利用分層沉降儀收集各個沉降磁環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測次數(shù)不少于兩次，取平均值作為最終監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測誤差應(yīng)≤2 mm。各個沉降磁環(huán)的高程為管口高程與磁環(huán)距管口距離的差值［7］，相鄰兩次觀測磁環(huán)高程之差即為該深度的沉降量。統(tǒng)計各磁環(huán)沉降量，即得到路基不同深度的分層沉降量。

路基頂面沉降監(jiān)測是在中央分隔帶兩側(cè)布置沉降觀測樁，通過數(shù)字水準(zhǔn)儀和條碼尺觀測，按照三等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)，利用二等水準(zhǔn)測量基點(diǎn)進(jìn)行校核。測量過程中利用水準(zhǔn)儀從水準(zhǔn)基點(diǎn)引測各沉降監(jiān)測點(diǎn)高程，每次觀測次數(shù)≥2次，取平均值作為最終監(jiān)測結(jié)果。相鄰兩次沉降觀測結(jié)果的差值就是路堤頂面在某一時間段的沉降量，整理監(jiān)測時間內(nèi)的高差即得到累計沉降量。

路堤分層沉降測孔鉆孔深度應(yīng)略大于高填方路堤高度，沉降管采用PVC管，管接頭位置應(yīng)處理牢固，防止出現(xiàn)滲漏水，底部用混凝土固定，與地基同步沉降。各個磁環(huán)可以監(jiān)測不同深度路基填土的固結(jié)變形量，通過觀測管口沉降確定地基頂面沉降。

2.2 測點(diǎn)布置

本文以K53+450～K53+550段為試驗(yàn)段，試驗(yàn)段最大填方高度為22 m，路堤沉降監(jiān)測時間為300 d。選取K53+450、K53+500、K53+550 3個斷面作為研究對象，3個斷面路堤最大填筑高度分別為19 m、22 m、20 m。分別在路基兩側(cè)路肩和路基中心位置布置一個測孔，自路基頂面向下依次布置4個沉降磁環(huán)，深度分別為5 m、10 m、15 m、22 m（地基頂面），土層自下而上編號分別為1～4層。路堤頂面沉降測點(diǎn)布置在中央分隔帶兩側(cè)，分層沉降測孔和路堤頂面測點(diǎn)布置如圖1所示。

3 黃土高填方路堤現(xiàn)場沉降監(jiān)測分析

3.1 分層沉降監(jiān)測結(jié)果分析

為了分析不同深度路堤填土的沉降變形情況，對工后路堤各層填方體壓縮變形情況進(jìn)行分析，利用分層沉降儀和沉降環(huán)對不同深度路堤沉降量進(jìn)行監(jiān)測。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出路基中心部位分層沉降量最大，兩側(cè)路肩位置相對較小，且比較接近。本文選取沉降監(jiān)測結(jié)果較大的K53+500斷面作為研究對象，整理該監(jiān)測斷面路基中心位置沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

分析圖2曲線得出，隨監(jiān)測時間的增加，路堤各層填土沉降量增幅逐漸下降，其中中層填土的沉降量較大，下層和上層填土的沉降量較小。第三層路堤填土的沉降量最大，其次為第二層填土，第一層填土的沉降量最小，第四層填土的沉降量略高于第一層。分析原因是第一層填土是最早填筑的，在上層填土施工過程中反復(fù)承受施工荷載，與自重荷載的綜合作用在監(jiān)測期間已基本固結(jié)；第三層填土固結(jié)時間短，且上部有一層填土自重荷載的作用，在監(jiān)測期間所產(chǎn)生的固結(jié)沉降最大，第二層填土次之；第四層填土上部沒有外部荷載，主要在自重荷載作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降，因此沉降量也較小。在監(jiān)測時間達(dá)到95 d后，各層路堤填土沉降基本穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)沉降速率突然增大的情況，說明路堤固結(jié)變形逐漸穩(wěn)定。

3.2 路堤頂面沉降監(jiān)測結(jié)果分析

為分析路堤頂面沉降變形情況，在路堤完工后利用精密水準(zhǔn)儀觀測沉降監(jiān)測點(diǎn)，整理計算結(jié)果分析路堤頂面沉降變形規(guī)律。本文分別選取3個監(jiān)測斷面中央分隔帶外側(cè)沉降點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制路堤頂面沉降變化曲線如圖3所示。

分析圖3曲線得出，路堤頂面沉降與各層填土變化規(guī)律相近，均呈現(xiàn)監(jiān)測前期沉降增速較大，而后逐漸下降并趨穩(wěn)的變化趨勢。在沉降監(jiān)測初期的95 d以內(nèi)，沉降量增幅較大，沉降速率達(dá)到0.29 mm/d；95 d至184 d沉降速率逐漸下降，平均沉降速率僅為0.01 mm/d，下降明顯；在監(jiān)測時間達(dá)到184 d以后，各監(jiān)測斷面沉降量基本穩(wěn)定，路堤填土固結(jié)變形穩(wěn)定。綜合分析3個斷面路堤頂面沉降監(jiān)測結(jié)果，路堤沉降在監(jiān)測完成后已基本穩(wěn)定，說明施工方案可有效控制路堤沉降。

3.3 路堤工后縱向沉降監(jiān)測結(jié)果分析

由于各監(jiān)測斷面路基中心位置沉降量最大，為分析路基縱向沉降變化規(guī)律，分別取3個監(jiān)測斷面路基中心位置沉降監(jiān)測結(jié)果作為研究對象。路堤沉降包括路堤填筑體自身沉降和地基沉降，本文也分兩部分進(jìn)行研究，分別繪制地基沉降和路堤填方體沉降曲線如圖4和后頁圖5所示。

分析圖4曲線可知，工后3個監(jiān)測斷面地基頂面沉降量均較小，在監(jiān)測初期有小幅增加，監(jiān)測62 d后基本穩(wěn)定。地基沉降是由于路堤填土重力和上部施工荷載的綜合作用產(chǎn)生的，其影響深度有限，該深度范圍內(nèi)的地基土體在監(jiān)測期間已基本固結(jié)。另外，施工前對地基進(jìn)行強(qiáng)夯處治使地基承載力得到大幅提升，也降低了工后沉降。

分析圖5曲線得出，3個監(jiān)測斷面填方體沉降變化趨勢基本一致，監(jiān)測前期增幅較大，監(jiān)測結(jié)束時基本穩(wěn)定。其中K53+500斷面填方體沉降量相對較大，這是由于該斷面填方高度較大，增加了自重應(yīng)力造成的?？傊?，根據(jù)上述分析結(jié)果，3個斷面地基沉降量均較小，填方體沉降變化趨勢相近，在監(jiān)測結(jié)束時均基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明地基處治方案和路堤施工方案合理。

4 結(jié)語

本文以某高速公路黃土高填方路堤為研究背景，根據(jù)現(xiàn)場基本情況制定地基加固方案和路堤施工方案，在施工現(xiàn)場建立試驗(yàn)段，路堤填筑完工后布置沉降測點(diǎn)和測孔，分析沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

（1）第三層填土沉降量最大，第二層次之，第四層和第一層沉降均較小。分析原因是各層填土的施工順序、承受荷載等不同造成的，在監(jiān)測前期沉降增幅較大，在監(jiān)測完成后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）路堤頂面沉降監(jiān)測初期沉降速率為0.29 mm/d，而后逐步下降，在監(jiān)測時間達(dá)到184 d以后逐漸穩(wěn)定，說明路堤施工方案可有效控制路堤沉降。

（3）地基頂面沉降量較小，路堤填方體沉降量較大，地基沉降量在路堤總沉降量中所占的比例僅為10%左右，二者均在監(jiān)測初期增幅較大，在監(jiān)測95 d逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明地基采用強(qiáng)夯加固方案處治后穩(wěn)定性得到提升，路堤施工方案合理可行。

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