高速公路软基路堤施工监测
2015-05-27
在高速公路施工中，难免碰到在软弱地基路段施工。由于，软土具有压缩性高和含水量大、强度低、透水性差、固结变形持续时间长等特点，要求在施工过程中，要严格控制路堤的填筑速率，严密监控填筑段的路基变化情况。边施工，边监控，监控所得结果又用于指导施工，否则盲目地施工，一味地追求工程进度，不顾地基变化的实际情况，有时将造成严重工程事故及重大经济损失。
因此，较为准确及时的施工监控在施工中起着极为重要的作用。目前常用的方法是通过观测路堤的沉降情况和侧向位移情况来判断当前路堤的稳定性，控制填筑速率。
1 软基路段监测的方法及过程
1.1观测仪器及作用
（1）沉降板：测量地表沉降。填筑期利用沉降速率分析路基施工期稳定情况，控制填土周期，利用观测资料推算软土的最终沉降量，估算预留超高，确定卸载时间，确定结构物施工的反开挖时间，预测工后沉降，计算填筑期沉降引起的土方工作量。
（2）测斜管：测量地表及其以下深层的水平位移，用于分析路基的稳定状况，分析侧向变形对沉降的影响。
（3）边桩：用于分析路基的稳定状况，每个断面4根，左右各布设2根，并设置观测基点，按线路地质条件最不利因素分析计算，滑动面最大影响范围约15米，基点设置在距路基坡角20米以外，用J2型经纬仪测量水平位移（或测量钢尺加测力计），用S2型水准仪测量高程的变化。
（4）分层沉降：掌握地基土不同深度、层位的沉降情况，用于沉降计算对比，设置在路基中部。
（5）孔隙水压力计：为了观测埋设点处的渗透水位。
1.2 软基监测工作程序
编制监控计划→软基处理结束→埋设监控仪器→测初始读数→路堤填筑第一层土→跟踪观测→数据分析→稳定时填筑下一层土→如此观测、填筑循环，至路堤施工结束。
1.3 观测资料整理分析
（1）当天资料整理将当天观测的沉降、土压力、侧斜等原始数据记录表、原始记录汇总表和各种关系曲线及时整理，发现问题及时复测。绘制荷载～时间～沉降关系曲线、荷载～时间～水平位移关系曲线、荷载～时间～孔压关系曲线。
（2）根据观测得到的关系曲线，判断路基稳定状况。根据实践经验及现行规范要求，路基填筑施工期变形指标按如下标准控制：地表沉降速率：10～20mm/d；侧向位移速率：≤5.0mm/d；孔隙水压力系数：≤0.5。超过控制指标时，可以临时要求施工单位暂停施工并应调整路堤的施工进度。
2 沉降监测
为了研究路基的垂直变形，我们采用了沉降板观测地表沉降。以此来控制填土施工过程中的填土速度，使填土荷载的增加和软土抗剪强度的增长相适应，从而使路堤不产生滑移破坏。其次，根据堆载（超载）预压完成后实测沉降曲线推算得到最终沉降量和工后沉降量来判断是否满足卸载要求，并以此来确定卸载时间。
2.1沉降监测设备及使用
采用的观测设备有：沉降板和观测仪器设备。沉降板是用钢板制成，尺寸为500×500×10mm，沉降管选用φ20镀锌钢管，其构造如图1所示。在实际观测中，沉降管外套有一根PVC套管，管顶盖有一块钢板，以此来保护沉降管。在观测时，将管箍旋在管顶可以接管以实现持续观测。沉降观测仪器采用带测微装置的自动安平水准仪，测量精度满足二等水准测量要求。
（1）地基沉降观测
观测地基沉降，通过这部分数据的测量可以分析地基的稳定性情况。观测时将沉降板直接放置在清表后的地基表面，沉降管顶高程的变化即地基沉降量。
（2）分层沉降观测
观测路堤自身各层在自重及上部荷载作用下的压缩量，这部分数据可以用于分析路堤的自身压缩。观测时将两块沉降板放置在填土层的上下表面，两根沉降管顶的沉降之差即为中间土层的自身压缩量。
沉降观测之前应确定沉降观测的精度指标，到现场根据水准点的位置与整个观测点的布设情况，详细拟定观测路线、仪器架设位置、转点位置、要按既考虑观测距离又顾及后视、中间视、前视的距离不等差较小的原则下，合理地观测到全部观测点。每个观测断面，沉降板埋设在路肩、路中心、路堤坡脚处，如果要观测断面横向沉降盆曲线时，可增设沉降板。埋设时，深冲沟地段选择同一里程断面，或沿冲沟流向做观测面，分左右幅各设一沉降观测点。软土路基一般每隔200m埋设一个沉降点；非软土路基每1km埋设一个沉降点。
3 测斜观测
当地基抗剪强度不足时，路堤与地基易发生整体侧向滑动，表现为地基发生较大的侧向变形，故施工中常采用地基的侧向位移作为稳定控制的指标[2]。路基的侧向变形主要是由软土层的压缩和剪切变形以及流变引起的。路堤填筑期间，路基中的应力随着沉降的发展发生重分布并出现拱作用，在坡趾处地基内部的水平应力和竖向应力都明显增大，随着应力的增加和塑性区的开展，地基土产生侧向变形，并带来附加沉降[3]。由于常规的沉降计算方法中没有考虑侧向变形所引起的附加沉降，致使设计预估沉降明显小于实际沉降[4]，对于高填方路堤下的深厚软基，差别尤为突出。
3.1测斜管的埋设
每个观测断面，在路堤坡脚和路堤中心处埋设测斜孔，采用测斜仪测量不同深度的侧向位移量，测斜管采用PVC高精度测斜管。以0.5m为测点标距，水平位移观测精度为0.1mm。
测斜管采用钻孔埋设法，管底应进入硬土层至少1.0m，终止于无水平位移处。成孔偏差不大于1%，然后将分段接长的测斜管逐段接长沉入钻孔中，下沉过程中应注意导向槽的对正，使管内导槽对准路基的纵横方向，用标准砂沿管周边均衡回填捣实，等管外填砂密实、紧贴测斜管后，可读测初读数。
3.2 测斜的数据及图表整理结果
根据地质层状构造情况，可将该区分为3种典型层，即浅层型、夹层型、深厚型[5]。
由上图可知，最大侧向位移都发育在软土层中。软土是沉降变形和侧向变形的关键土层，其厚度对侧向位移的大小和速率及最大侧向位移发生部位均有较大影响[6][7]。
路堤填筑越高，对应的地基变形也越大。对于浅层型地基，随着荷载的增加，土体的压缩程度更大，但由于软土层是地基变形的主要土层，则当荷载变化时，压缩层厚度变化较小，故地基变形有限；对于夹层型和深厚型地基，软土层较厚，当路堤荷载增大时，荷载的径向和竖向影响范围都将增加，故荷载的增加不仅加强了地基土体的压缩程度，也加大了地基压缩层厚度。由此可见，路堤填高增大时，夹层型和深厚型地基的变形相对于浅层型地基变形要大的多，因此侧向位移的大小和最大侧向位移发生的深度也会受到影响。
4 孔隙水压力的监测
4.1孔隙水压力概述
孔隙水压力是多孔多相松散介质一个主要的应力特征，可分为两部分：静水压力，在荷载施加之前就存在于地基中；超孔隙水压力，是外荷载引起的孔隙水压力的增量。土介质力学特性的研究必须以孔隙水压力物理力学效应的真实揭示为基础[8]。
4.2 孔隙水压力监测现状
埋设孔隙水压力计是为了观测埋设点处的渗透水位。目前关于孔隙水压力计的使用不成熟，还没有正式规范。如何利用有限的试验方案数，达到预期的试验目的，这是试验成功的基础，在方案设计中需要重点考虑。
5 结束语
软土地基的沉降和侧向位移直接影响到工程进度和质量。对道路施工过程实施稳定动态控制和侧向位移观测，可以保证施工期填筑路堤的稳定安全，验证设计并优化软基处理方案，确定路面铺筑时间，使沉降在工前发生，控制工后沉降和路面施工期沉降量。
