高速公路软基沉降与稳定观测
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摘要：本文在某高速公路软土路基沉降观测实践的基础上，阐述了高速公路软基沉降观测的重要性及观测的方法、频率。提出沉降观测的观测频率、水准测量等级以及沉降观测的实施的具体要求。
关键词：公路；软基；沉降；观测
Abstract: In this paper, based on observations in Soft Soil Subgrade of Expressway settlement, expounds the importance and frequency method, observation of the settlement of soft ground in expressway. The settlement observation frequency, leveling grade and the settlement observation of the implementation of specific requirements.
Keywords: highway；soft ground；settlement；observation
中图分类号：U412.36文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
在软土地基上修筑的高等级公路最突出的是稳定与沉降的问题，直接影响到工程的质量。为了确保工程质量，掌握路堤在施工过程中的动态变形，必须成立专业的部门对软基路段进行沉降和稳定管理。在施工过程中，观测部门必须进行连续的沉降观测，来保证路堤在施工的过程的安全和稳定，使有害的沉降在工前发生。路基填筑可根据观测成果来调整路基填土速率，预测沉降趋势，确定预压卸载时间和涵洞通道开工时间，提供施工期间沉落土方量的计算依据，同时可作为判断路堤施工进展中安全与否和预压是否到稳定的依据，以便使工程顺利进行。
规范中明确规定，对于高等级公路路堤，必须进行稳定和沉降观测。稳定观测主要是指在施工过程中对超过极限高度的路堤进行侧向位移观测，侧向位移观测点一般设置在路堤的坡脚和坡脚外一定距离的地方；沉降观测是指在路基填筑的过程中路堤进行垂直变形观测，沉降观测点一般设在路堤中心，根据软土地基的实际情况，有必要时也可设在路肩处。
2、工程概况
某高速公路第九合同段K43+234.855~K45+800，全长为2.565km，其中软土路基为2.016km。本项目地处泥沙沉积区，沿线鱼塘纵横，河道交错，淤泥较厚，上覆0.5~5m的素土外，其下26~40m均为淤泥或淤泥质。这些土质呈流塑、软塑状，扰动易失水离析，具有高压缩性、高含水量、低强度低承载力的特点，工程性质较差，在此种地基上修筑高填方路基，路基很不稳定。为了保证路基的稳定，必须对软土地基进行处理，同时，应在路基填筑的过程中加强沉降稳定观测，来指导路基的施工。本合同段根据本路段软基特点共设置28个观测断面，在路基中心及路肩共布设84个接杆式沉降板，在路基的坡脚处共125个水平位移边桩，112个侧向位移基桩。通过观测地表位移边桩的水平位移来获悉路基的稳定性，通过对地表沉降板的高程量测来测量软土路基的沉降量。
3、沉降稳定的观测
3.1、观测元件的布设
3.1.1、沉降板的埋设及观测
规范中规定：软土路基一般每隔200m埋设一个沉降点；非软土路基每1km埋设一个。沉降板由一根测杆（直径=20～30mm的钢管或自来水管）和500×500×30mm的沉降钢板组成。测杆可直接焊接在沉降板上。在施工中为了节约成本也可用混凝土制作的沉降板（厚度一般为50mm），测杆采用直径3cm的PVC管。此种沉降板预先将测杆的接套浇筑在沉降板混凝土中，埋设时再将测杆和接套连接。某高速公路采用此种混凝土制作的沉降板。
沉降板一般埋设在路基的底面或砂垫层下（图1）。为了使沉降杆不受破坏，杆长应随填土升高而逐段接高。每段接管的长度为50mm，两端有螺纹接头与空心管紧绞连接。PVC管用胶水粘接。观测时，每段接管的顶面应有相邻两期的观测标高。也就是说：第一段接管埋好后，随即测量管顶标高，作为第一期观测值。待填筑一层土后，先在原顶管面处观测标高，作为第二期观测值。随即接上第二段接管，观测管顶标高。这样，循序逐节升高，计算出每期观测的沉降量。
为了使测杆处于自由状态，防止测杆与路基填料直接接触发生摩擦，影响沉降结果，测杆外应设保护套管，保护套管尺寸以能套住测杆并使水准尺能进入套管为宜。随着填土高度的增加，测杆和套管亦相应的接高，每节长度不超过50cm，两端有螺纹接头与空心管紧绞连接，接高后的测杆顶面应略高于套管上口，套管上口应加护盖封住管口，避免填料落入管内而影响测杆下沉自由度，盖顶高出碾压面高度不大于50cm。具体尺寸见图1。
图1 接杆式沉降板
3.1.2、位移桩的设置及观测
在路基填筑过程中，由于路堤自身荷载的作用，使路堤坡脚处可能产生水平位移和垂直位移，因此要在路堤坡脚处设置若干位移桩。位移观测边桩根据需要一般埋设在路堤的坡脚，以及边沟的外缘与外缘以外10m的地方（本合同段位移边桩埋设见图2）。位移桩长度为150cm，断面为12×12cm的方桩打入地基内。桩的入土深度是随土基软硬程度不同而异，以不被踩动为原则。位移桩的布置根据地基及路堤场地条件确定，一般从路堤坡脚起，在垂直于路基中心线方向，在路基的趾部以外设置2~3个位移桩，并用经纬仪定线方法使位移桩在同一条横轴线上。位移桩埋设方法采用打入或开挖埋设，要求桩周围回填密实，并采用混凝土浇注固定（混凝土的标号不小于25），确保位移桩埋置稳定。
水平位移的观测一般有两种方法①拉力称法：为了观测水平位移，在移位桩的延长线上设置二个固定桩A、B（AB为20～30m）。每次观测时，安置经纬仪于A点，后视B点，倒转望远镜观测2个桩是否在一直线上，否则量出偏出直线的垂距（即横向位移）。用钢尺丈量（拉力称拉力保持在5kg）固定点A到各位移的距离，两期观测的距离差为纵向位移。钢尺丈量时要记上气温，以便进行温度改正。②视准线法：若由于地形的限制位移基桩无法设置时，水平位移的观测可采用视准线法即用光电测距仪直接测取位移桩的水平位移。水平位移采用拉力称法测量误差应为：±2mm；采用视准线法：测距误差：±5mm；位移桩的垂直位移可用水准仪测量，用首次观测的标高减去第i次观测的标高即为垂直位移。规定“正”号为下沉；“负”号为上升，如上升到一定量级，则表示地基有破坏的趋向，应及时上报，以便采取措施。
图2某高速公路位移桩布设示意图
3.1.3、观测控制点的布设
本合同段软土分布较广，加之在施工过程中，施工机械对软土的扰动，路基两侧的控制点在不同的程度上有所变化，为了保证观测结果的准确性，用于沉降观测的控制点应布设在路基施工影响之外的地方。一般设置在垂直于路中心线50m外的距离，土质坚硬便于长期保存和使用的地点，并埋设混凝土水准标石，以便在路堤施工时进行沉降观测。由于本标段路基高填方路段，随着路堤升至一定高度时，路基两侧地面水准点用于沉降观测就不太方便了。为了减小沉降观测的过程中，高程传递的误差，可将水准点引至附近居民的房屋顶或者附近的建筑物上，其位置尽量满足观测时不转点的要求，并做水准标识。这些增加的控制点应与原先的控制点组成控制网，平差后方能使用。之后每隔一定的时间对新设置的控制点较核一次。
3.2、观测的精度与仪器的选择
沉降观测仪器采用DS1及DS3水准仪，观测的误差应符合测量规范的三、四等测量要求。DS1水准仪作二等水准测量用，配用因瓦水准尺，主要用于工作基桩和较核基桩标高的检测；DS3水准仪作三、四等水准测量用，配用3m长的红、黑面木质水准尺（带有圆水准器），主要在路基填筑过程观测沉降用。仪器要定期进行检定，保养，保证仪器有足够的精度来观测沉降。每次观测前都应对圆水准器、十字丝位置正确性，自动安平水准仪补偿器灵敏度等项目进行检查。着重提出：塔尺是不能用做沉降观测，因为塔尺上没有圆水准器，尺子的垂直度难以控制，加上人为的因素，观测结果的误差比较大，不能指导软土路基的施工，这样就失去了沉降观测的精度意义。
3.3、沉降观测的外业
路基在施工的的动态变化对路基的稳定非常重要，必须严格按照设计文件及规范要求对路基同步进行沉降和稳定的跟踪观测外，观测方法也是影响观测结果的重要因素。为了提高沉降观测精度，按如下要求进行操作：
（1）每期观测时尽量作到：固定观测人员；固定仪器及水准尺；固定测站及转点。这样可以降低人为读数误差、仪器等因素的误差。（2）观测时必须携带尺垫，严禁用砖石或不设尺垫作为转点。（3）观测时红、黑面读数各项限差及路线允许闭合差均应符合测量规范的三、四等水准测量要求见表2。
水准测量的主要技术指标表1
（4）每次观测结束后，应及时填写沉降观测记录表（表2）。
沉降观测记录表表2
表中本次沉降量一栏，“正”号表示下沉；“负”号表示上升。在沉降观测中，上升情况一般不会出现，除非在等、超载土体卸载时，由于路基的回弹可能出现上升的“负”值。因此，在卸土完毕后，随即进行观测，以便积累路堤土回弹的观测资料。
3.4、沉降观测的成果整理
成果整理时，首先检查手薄中的数据和计算是否正确，观测限差是否符合要求，文字说明是否齐全。然后计算两期观测的沉降量和累计沉降量，为了清楚地表示时间、填土高度和沉降量之间的关系，绘制沉降点的时间-填土高度-沉降量的关系曲线。如图3表示的沉降过程线。水平位移量测结束后，根据工程的需要，及时整理有关资料：①侧向位移成果表；②观测点侧向位移曲线图；③稳定分析报告。沉降测量结束后，根据工程的需要，及时整理有关资料：①沉降测量成果表；②填土高度、时间、沉降量曲线图；③侧向位移与沉降量综合曲线图；④沉降变形分析报告。沉降观测工作量大，成果整理繁琐，测量完成后，应及时整理，为路基填筑提供准确、及时的数字依据；所以观测成果的及时整理是至关重要的。
4、沉降观测的精度及频率
4.1、沉降观测与填土速率
在软土路基的施工的过程中，填土的速率要受到观测沉降的制约，通过对地表位移桩和地表沉降板的观测来获悉路基的稳定性。如若填土过快，路堤的变形过大，路堤就有失稳的可能性。根据软基规范规定，路基填土速率的控制可采用以下指标：①路基位移桩的竖向位移10mm/天，水平位移5mm/天；②路堤地面沉降10mm/天。在路基填土的过程中，应每填筑一层观测一次，进行动态控制。对于桥头，为了避免填土对桥桩的影响，则要求原地面的沉降速率每昼夜不大于5mm/天；当路堤变形超过以上指标，应注意分析路堤的稳定性，如路堤有失稳的可能，应立即停止填筑，待路基稳定后方可继续填筑。
当路堤填筑高度接近极限高度时，也应注意控制填土速率，每天填土厚度不宜超过0.3m，分层碾压。路堤填筑过程中，应注意均匀填筑，避免土方在某一部位长时间堆积而造成不均匀沉降甚至出现局部破坏，故本标段路基设计建议在填筑过程中采用薄层轮加法，以避免路堤失稳或局部破坏。
4.2、沉降观测的频率
路基填筑期间每填一层观测一次，预压荷载填筑期间每填一层观测两次；填筑间歇期每天观测一次，超过5天，每3天观测一次；填筑完毕后，每天一次观测5天，3天一次观测21天，5天一次观测30天，以后每10天观测一次，直至预压期结束。各种观测结果应当整理后，报监理单位，以便根据观测的结果调整填土速率，当发现变形速率发展较快或超过规定的标准时，应加强观测，增加观测的频数。当路堤出现破坏前兆时，应及时上报，暂停路堤填筑。加载期间，地表沉降速率铺有土工布的路段不超过15mm/天，没有土工布路段不超过10mm/天，坡脚侧向位移不超过5mm/天，并注意观察路基两侧地面有没有异常的隆起现象，如有应立即停止加载，并加大观测频率或采取其他措施，避免路基失稳，停载期间日沉降速率不超过6mm/天，可填筑下一级荷载堆土。
图3沉降过程曲线图
沉降观测的频率取决于沉降量的大小、加载方法和观测目的等。通常要求观测的次数能反映出沉降变化的过程，又不遗漏变化的时刻。为了说明确定观测频率的方法，现取软土较薄的粘土层路段，沉降过程线呈现单一走向的曲线（图3）。图中看出：第Ⅰ阶段为路堤填筑期，随着土的荷载加大，沉降速率较大，观测频率应大一些。第Ⅱ阶段为预压期，该阶段沉降的特点，先是发生较大的沉降量，经转折点T后（图3），很快趋于缓和。
5、结束语
沉降稳定观测在软土路基的施工中有着至关重要的作用，路基施工中应予特别重视，其沉降观测的资料必须有较高的可靠性，来指导路基施工。在本标段的K44+120~K45+800段软土路基填筑已经结束，通过沉降稳定观测，路基最大沉降量达2m之多，由于路基的填土速率得到了有效的控制，填土期间路基一直处于稳定状态，达到了指导路基施工的目的。
参考文献
[1]公路软土地基路堤设计与施工技术规范（JTJ 017-96）
[2]公路路基设计规范（JTJ 013-95）
[3]工程测量规范（GB50026-93）