基于分层观测法的冻土路基竖向沉降分析

基于分层观测法的冻土路基竖向沉降分析 摘要：结合黑北公路的实际施工、科研项目，从冻土路段选择、观测地点的确定、观测方法的应用及沉降规律分析等进行较详细的论述，以期为实际的冻土路基施工提供指导和帮助关键词：冻土；沉降；分析引言冻土地基必须进行适当的处理，才能保证路基具有足够的稳定性。但是不论如何处理,冻土层都要经过一定的沉降过程，才能固结到位。以往，在路基施工过程中对于冻土路段路基稳定性的跟踪观测未能给予足够的重视，对于路基施工期间的沉降过程以及竣工后的残余沉降量未能充分掌握，致使很多路段路基完成后发生了较大的沉降，造成路面严重破坏，既影响了行车质量，又带来了经济损失。黑北公路是202国道黑河至北安段，级公路，全长243公里。黑北公路沿线地质情况十分复杂，许多路基位于多年冻土路段。这类路段虽经采取相应处理措施，但由于下部土层的不确切性和不稳定性，在路基填筑过程中极易发生过度沉降，造成失稳破坏。因此只有通过对路基进行跟踪沉降观测，根据实际发生的沉降量适当调整路基填土施工速度，才能确保路基工程顺利完成。1沿线冻土分布特点黑北公路段处于退化性岛状多年冻土区域内，该区内岛状多年冻土基本全部发育在地表积水、塔头草生长茂密、草炭和泥炭积累较厚的低洼沼泽地中。退化性多年冻土所能维持、保存的根本原因在于冻土层中的热收支量在短期内尚不足以提供融化冻土所需的热量，换言之，在相对短的时期内，现有多年冻土层基本处于热量平衡状态。从孙吴北(K42)至引龙河(K190)，岛状多年冻土分布共有17段，总长为3.165Km。地质勘察资料表明，路段中的岛状多年冻土都发育在低洼地、地表积水、塔头草生长茂盛、草炭和泥炭发育的沼泽化湿地当中。从上述岛状多年冻土存在的地域条件来看，断面上不同地貌部位环境组合差异，影响着多年冻土的发育与保存。沟谷谷地的环境条件最有利冻土生成与保存，那里具有丛生茂盛的塔头草，厚度大于两侧山坡510倍的松散沉积物，地表发育着较厚的草炭、泥炭、苔藓和腐殖土，它们具有较强的储水特性。从对多年冻土的保存条件来讲，含有大量水分的草炭与泥炭层，不但起保温作用，而且有很强的蒸发耗热能力，加上地表生长茂盛的塔头草甸，阻隔太阳对地表的直接辐射，减少了地表土层的短波辐射热交换量，上述环境条件对多年冻土有良好的保护作用。相反，在两侧的山坡、山岭上，仅有0.2m左右的腐殖土层，土中含水量小，比较干燥，对气温变化较为敏感。因此，黑北公路沿线的多年冻土，主要分布在有利于多年冻土保存环境条件的沟谷洼地当中，而在相对较高的山坡、山岭地带则无多年冻土分布。2冻土路段选择 为保护冻土、避免对冻土层的过分扰动，造成融沉过大，黑北公路针对冻土路段的地基处理采取了浅层清基的方法进行施工，最大清基深度为0.9m。以确保路面施工完成后，路基整体具有足够的稳定性，竣工后不会发生过大的沉降。确定的主要冻土路段及各自的处理方案如表1所示。表1主要冻土路段及路基处理方案桩 号 处 理 方 案K63+330K63+600 清基0.9m，换填碎石土，高出原地面30。 K138+000K138+400 清基0.9m，换填碎石土，高出原地面40。 K150+300K151+000 清基0.5m，换填碎石土，高出原地面50。表2 重点冻土观测试验路段序号 路 段 位 置 路段长度（m） 路 段 描 述1 K138+000K138+400 400 冻 土2 K150+300K151+000 700 冻 土3 K165+750K166+900 1150 冻 土对上述冻土路段路基进行观测，目的是为了掌握这些路段施工期间路基的变化情况，以便根据观测数据及时调整施工方案，确保路基施工完成后能够具有足够的稳定性。3路基沉降测量方案及设备要求3.1观测设备本项目采用分层沉降测量方法。它的特点是不仅能够测量深层沉降量，同时也能测量地表沉降量。分层沉降测是采用电磁沉降仪结合沉降管进行观测，是针对不同深度、层位的土体进行观测，同时能够完成表面及深层沉降观测，是国内外常用的软土地基稳定性观测技术。分层沉降观测系统由电磁式沉降仪、沉降管、沉降环及其它配套设备构成1。3.2路基沉降测量方案根据观测路段长度，断面间距确定为100m。每个断面设3个测点，分别位于路中线和左、右路肩外1m（见图1）。路中线点是为了观测施工期间断面的最大沉降量，在路面结构施工时需埋入土中。路肩外侧各点是为了方便在路面竣工后继续观测路基的工后沉降。在沉降观测元件埋设完成后，要立即完整地观测一次，取得初始读数，这一点非常重要，因为今后的沉降计算均以这一读数为基准。在路基填土施工的初期，观测间隔时间要短一些，每星期需要观测一次。路基填土施工正常进行时，待2个月之后，观测间隔时间延长至每月一次。图1横断面测点布置（单位：mm）3.3埋设技术（1）观测的孔位（测点）定位要准确。（2）在定位点安装钻机，钻孔直径为108mm，成孔要垂直，避免坍孔。（3）沉降管道连接成几段，逐节在孔口连接，沉降管连接处应特别注意要用胶带包裹，这样既可以防止泥水进入沉降管内，也可以保证管道外壁光滑，使得沉降管不受阻碍的下到预定深度。（4）下沉降环时，一般2.0m一个，也可以根据填土高度来决定放置沉降环的数量及位置。下沉降环时，三个叉簧片拢成的直径稍大于管道直径，到了埋设深度时，再使叉簧片的弹性发挥到最大限度的，使三只叉簧片牢牢地插入土壁上。（5）每埋好一个沉降环，都要用中粗砂回填，回填量可以根据孔深，孔径以及土质情况而定。（6）沉降环埋好后，应立即用沉降仪测量一次，对环的位置，数量进行校对，并对孔口高程进行测量。（7）把埋设情况记入记录表，记录表的主要内容为：工程名称、仪器系数、沉降管编号、位置、孔口高程、深度、埋设方式、埋设环数 、埋设日期、人员等等。（8）在观测期间，应严密监视每天的观测数据情况，沉降量控制在10mm/d以下，方可进行路基的正常施工。若超过此数值，则应立即停止路基填筑施工，待沉降趋于稳定后，方可继续。（9）注意对沉降管的保护，如有损坏，应在原位及时恢复。当路基填土即将超过沉降管时，需用接管连接上一节沉降管1。4冻土路段沉降量计算在黑北公路的观测过程中，路基底部均采用浅层清基处理，即清除表层塔头或林表土，然后换填碎石土的形式。三个路段开工时间均为2002年5月，路基填土不是很高（填土高度见表），通常在3m左右。因此必须通过沉降观测，确认路基的稳定性。考虑到沉降幅度不是很大，各阶段均以观测原地基表面沉降量为主。本项目中确定的重点观测路段为三段，总长度为2250m（见表2），实际确定的观测断面为21个。由于观测数据较多，所以从每个路段中选取一个断面进行数据整理分析，相应的观测时间及观测结果见表3。根据沉降观测结果绘制出测点路基沉降示意图及相应的横断面沉降示意图，如图2图7所示。沉降图中实线部分为实测沉降量曲线，虚线部分为采用双曲线法推算得到的沉降量曲线。双曲线法为国内常用的沉降分析方法,假定沉降曲线按“沉降平均速度按双曲线递减”的规律而变化。任一时刻t的沉降量计算公式如下： (1)（1）式可变化为： (2)式中符号意义,见图8。 图8 双曲线法St关系模式图 图9 （t-t0）/(s-s0)（t-t0）关系图根据实测沉降, 点绘（t-t0）/(s-s0)（t-t0）关系线得到图9 所示的直线, 由直线的截距和斜率可以得到待定参数和。将求得的、代入(1) 式, 则可以预测今后任意时刻沉降量St , 最终沉降量用下式2: (3)残余沉降量用下式:S= S - St (4) 表3 各测点观测日期及沉降量累加值()测 点 桩 号 观 测 日 期020720 020923 021123 030522 030815 031116 040409 040617 左 132 216 241 290 302 309 310 310K138+350 中 153 240 271 322 332 342 344 345 右 152 237 259 296 309 321 322 322 左 95 154 198 237 255 264 264 264K150+500 中 106 161 201 248 267 278 279 280 右 94 155 193 246 260 267 269 270 左 152 233 268 315 334 343 345 345K166+600 中 155 240 281 325 343 350 350 352 右 148 238 274 325 340 346 347 348图2 K138+350（中）沉降曲线 图3 K138+350横断面沉降图4 K150+500（中）沉降曲线 图5 K150+500横断面沉降图6 K166+600（中）沉降曲线 图7 K166+600横断面沉降根据K138+350、K150+500、 K166+600 三个断面路基沉降观测结果，可以得到观测期内路基的总沉降量(见表3)，根据观测曲线图，采用公式（3）可以推算出各测点的最终沉降量，从而能够计算出各测点的沉降程度和剩余（工后）沉降量。表4分别为三个冻土断面测点的沉降推算值和工后沉降量计算结果。表4 双曲线推算沉降值桩 号曲线拟合点 双曲线 双曲线 推算最终 实测最终 实测与推算 推算与实测处沉降值 系数 系数 沉降值 沉降值 最终沉降比值 最终沉降差值（mm） （mm） （mm） （%） （mm） S0 S St St/ S（%） S左 0 0.1725 0.0026 384 310 80.6 74K138+350 中 0 0.1921 0.0026 384 345 89.7 39右 0 0.1921 0.0028 357 322 90.16 35 左 0 0.3419 0.0033 303 264 87.12 39K150+500 中 0 0.3493 0.0031 322 280 86.8 42右 0 0.3523 0.0032 312 270 86.4 42左 0 0.1674 0.0026 384 340 88.4 44K166+600 中 0 0.1745 0.0026 384 343 89.18 41右 0 0.1824 0.0026 384 345 89.7 39根据交通部公路软土地基路堤设计与施工技术规范（JTJ 017-96）中的规定，高速、一级公路的容许沉降为300mm,二级公路的容许沉降为500mm。由此可知，上述冻土断面测点的工后沉降量均能满足规范要求。5 路基沉降原因探讨针对于黑北公路的施工特点及借鉴其它工程项目的实际工程经验，从以下几个方面队路基沉降的主要原因总结如下，以供参考。（1）路基填土压实控制不严,压适度标准对于冻土路基而言有些偏低。路基填土越高，下层土体所受自重应力越大，当土基压实度要求却越低违背了路基受力和稳定性的客观规律,另外路基填料允许含有10cm20 cm的粒径石料，土夹石则无法进行标准击实实验，施工压实度检测也有困难，这样容易导致路基施工过程中或施工结束后,路基填土出现较大沉降或相应的变形3。（2）填土选用不当就填筑路堤而言，最合适的土是砂砾土，砂砾土和亚砂土。这些土内摩阻力小，粘结力小，同时合理的含水量区间较大容易压实，又有足够的稳定性，遇水不致过分软化。而在实际施工过程中经常会遇到粘土质土和细亚砂土等低粘性土，这些土土质稍差些，也比较容易压实，但这类土抵抗冻融的能力较低，这是因为在饱水情况下，这些土容易变成流动状态并失去承载能力。另外粘土也是施工中经常遇到的这类土是最难于压实的，在潮湿状态下不稳定，并容易发生剪切，其特点是液限大而最大干密度小，所以在冻土路基施工过程中，应尽量避免使用低粘性土和粘土。（3）冻土路基处理选择的时间不恰当、施工期短冻土路基浅层处理时，如果换填时间选得不恰当或者换填速度过慢，就会出现边换填边融化或者换填以后土基下的冻土融化的现象，尤其是后者对路基稳定产生的危害更大。另外由于施工过程和工期较短，在路面施工前，路基填土的沉降不够充分，所以在路基施工结束后，甚至使路面施工结束后还会发生路基在较大范围内进行沉降，包括车辆荷载的冲击产生的沉降和填土自身产生的沉降，而这一部分沉降对路基、路面产生的危害是巨大的。6 结语（1）路基填土施工初期，由于冻土层温度传导介质改变，冻土层表面开始融化变软，在施加填土荷载后迅速发生沉降，沉降的幅度较大。随着路基填土施工的正常进行，冻土层的沉降趋于稳定，沉降速率逐渐降低并趋向均匀。随着冻土层的稳定，路基沉降量逐步减小，相应的沉降曲线变得越来越平缓。（2）采用分层沉降观测，不仅可以掌握地表以上路基部分的沉降过程，而且可以对地面以下土层的沉降分别进行观测和分析，测量精度可达到1，能够实现精确观测。对控制路基填土的沉降和工后沉降会起到很好的作用。（3）在实际工作中感到缺乏对冻土地基进行快速勘探的有效手段，建议采用孔压静力触探方法对冻土地基进行详尽的勘探，提供科学、可靠的基本数据资料。参考文献:1滕俊常等.分层沉降观测技术的应用.黑龙江交通科技，20012于元峰等.几种软土地基沉降计算方法的分析探讨.山西建筑，20053邓春阳等. 高等级公路路基沉降原因分析与防治措施探讨.国外建材科技，200310