基于分層觀測法的凍土路基豎向沉降分析

基于分層觀測法的凍土路基豎向沉降分析摘要結(jié)合黑北公路的實(shí)際施工、科研項(xiàng)目，從凍土路段選擇、觀測地點(diǎn)的確定、觀測方法的應(yīng)用及沉降規(guī)律分析等進(jìn)行較詳細(xì)的論述，以期為實(shí)際的凍土路基施工提供指導(dǎo)和幫助關(guān)鍵詞凍土；沉降；分析引言凍土地基必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，才能保證路基具有足夠的穩(wěn)定性。但是不論如何處理,凍土層都要經(jīng)過一定的沉降過程，才能固結(jié)到位。以往，在路基施工過程中對(duì)于凍土路段路基穩(wěn)定性的跟蹤觀測未能給予足夠的重視，對(duì)于路基施工期間的沉降過程以及竣工后的殘余沉降量未能充分掌握，致使很多路段路基完成后發(fā)生了較大的沉降，造成路面嚴(yán)重破壞，既影響了行車質(zhì)量，又帶來了經(jīng)濟(jì)損失。黑北公路是202國道黑河至北安段，級(jí)公路，全長243公里。黑北公路沿線地質(zhì)情況十分復(fù)雜，許多路基位于多年凍土路段。這類路段雖經(jīng)采取相應(yīng)處理措施，但由于下部土層的不確切性和不穩(wěn)定性，在路基填筑過程中極易發(fā)生過度沉降，造成失穩(wěn)破壞。因此只有通過對(duì)路基進(jìn)行跟蹤沉降觀測，根據(jù)實(shí)際發(fā)生的沉降量適當(dāng)調(diào)整路基填土施工速度，才能確保路基工程順利完成。1沿線凍土分布特點(diǎn)黑北公路段處于退化性島狀多年凍土區(qū)域內(nèi)，該區(qū)內(nèi)島狀多年凍土基本全部發(fā)育在地表積水、塔頭草生長茂密、草炭和泥炭積累較厚的低洼沼澤地中。退化性多年凍土所能維持、保存的根本原因在于凍土層中的熱收支量在短期內(nèi)尚不足以提供融化凍土所需的熱量，換言之，在相對(duì)短的時(shí)期內(nèi)，現(xiàn)有多年凍土層基本處于熱量平衡狀態(tài)。從孫吳北K42至引龍河K190，島狀多年凍土分布共有17段，總長為3165KM。地質(zhì)勘察資料表明，路段中的島狀多年凍土都發(fā)育在低洼地、地表積水、塔頭草生長茂盛、草炭和泥炭發(fā)育的沼澤化濕地當(dāng)中。從上述島狀多年凍土存在的地域條件來看，斷面上不同地貌部位環(huán)境組合差異，影響著多年凍土的發(fā)育與保存。溝谷谷地的環(huán)境條件最有利凍土生成與保存，那里具有叢生茂盛的塔頭草，厚度大于兩側(cè)山坡510倍的松散沉積物，地表發(fā)育著較厚的草炭、泥炭、苔蘚和腐殖土，它們具有較強(qiáng)的儲(chǔ)水特性。從對(duì)多年凍土的保存條件來講，含有大量水分的草炭與泥炭層，不但起保溫作用，而且有很強(qiáng)的蒸發(fā)耗熱能力，加上地表生長茂盛的塔頭草甸，阻隔太陽對(duì)地表的直接輻射，減少了地表土層的短波輻射熱交換量，上述環(huán)境條件對(duì)多年凍土有良好的保護(hù)作用。相反，在兩側(cè)的山坡、山嶺上，僅有02M左右的腐殖土層，土中含水量小，比較干燥，對(duì)氣溫變化較為敏感。因此，黑北公路沿線的多年凍土，主要分布在有利于多年凍土保存環(huán)境條件的溝谷洼地當(dāng)中，而在相對(duì)較高的山坡、山嶺地帶則無多年凍土分布。2凍土路段選擇為保護(hù)凍土、避免對(duì)凍土層的過分?jǐn)_動(dòng)，造成融沉過大，黑北公路針對(duì)凍土路段的地基處理采取了淺層清基的方法進(jìn)行施工，最大清基深度為09M。以確保路面施工完成后，路基整體具有足夠的穩(wěn)定性，竣工后不會(huì)發(fā)生過大的沉降。確定的主要凍土路段及各自的處理方案如表1所示。表1主要凍土路段及路基處理方案樁號(hào)處理方案K63330K63600清基09M，換填碎石土，高出原地面30。K138000K138400清基09M，換填碎石土，高出原地面40。K150300K151000清基05M，換填碎石土，高出原地面50。表2重點(diǎn)凍土觀測試驗(yàn)路段序號(hào)路段位置路段長度（M）路段描述1K138000K138400400凍土2K150300K151000700凍土3K165750K1669001150凍土對(duì)上述凍土路段路基進(jìn)行觀測，目的是為了掌握這些路段施工期間路基的變化情況，以便根據(jù)觀測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工方案，確保路基施工完成后能夠具有足夠的穩(wěn)定性。3路基沉降測量方案及設(shè)備要求31觀測設(shè)備本項(xiàng)目采用分層沉降測量方法。它的特點(diǎn)是不僅能夠測量深層沉降量，同時(shí)也能測量地表沉降量。分層沉降測是采用電磁沉降儀結(jié)合沉降管進(jìn)行觀測，是針對(duì)不同深度、層位的土體進(jìn)行觀測，同時(shí)能夠完成表面及深層沉降觀測，是國內(nèi)外常用的軟土地基穩(wěn)定性觀測技術(shù)。分層沉降觀測系統(tǒng)由電磁式沉降儀、沉降管、沉降環(huán)及其它配套設(shè)備構(gòu)成1。32路基沉降測量方案根據(jù)觀測路段長度，斷面間距確定為100M。每個(gè)斷面設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，分別位于路中線和左、右路肩外1M（見圖1）。路中線點(diǎn)是為了觀測施工期間斷面的最大沉降量，在路面結(jié)構(gòu)施工時(shí)需埋入土中。路肩外側(cè)各點(diǎn)是為了方便在路面竣工后繼續(xù)觀測路基的工后沉降。在沉降觀測元件埋設(shè)完成后，要立即完整地觀測一次，取得初始讀數(shù)，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榻窈蟮某两涤?jì)算均以這一讀數(shù)為基準(zhǔn)。在路基填土施工的初期，觀測間隔時(shí)間要短一些，每星期需要觀測一次。路基填土施工正常進(jìn)行時(shí)，待2個(gè)月之后，觀測間隔時(shí)間延長至每月一次。中左右圖1橫斷面測點(diǎn)布置（單位MM）33埋設(shè)技術(shù)（1）觀測的孔位（測點(diǎn)）定位要準(zhǔn)確。（2）在定位點(diǎn)安裝鉆機(jī)，鉆孔直徑為108MM，成孔要垂直，避免坍孔。（3）沉降管道連接成幾段，逐節(jié)在孔口連接，沉降管連接處應(yīng)特別注意要用膠帶包裹，這樣既可以防止泥水進(jìn)入沉降管內(nèi)，也可以保證管道外壁光滑，使得沉降管不受阻礙的下到預(yù)定深度。（4）下沉降環(huán)時(shí)，一般20M一個(gè)，也可以根據(jù)填土高度來決定放置沉降環(huán)的數(shù)量及位置。下沉降環(huán)時(shí)，三個(gè)叉簧片攏成的直徑稍大于管道直徑，到了埋設(shè)深度時(shí)，再使叉簧片的彈性發(fā)揮到最大限度的，使三只叉簧片牢牢地插入土壁上。（5）每埋好一個(gè)沉降環(huán)，都要用中粗砂回填，回填量可以根據(jù)孔深，孔徑以及土質(zhì)情況而定。（6）沉降環(huán)埋好后，應(yīng)立即用沉降儀測量一次，對(duì)環(huán)的位置，數(shù)量進(jìn)行校對(duì)，并對(duì)孔口高程進(jìn)行測量。（7）把埋設(shè)情況記入記錄表，記錄表的主要內(nèi)容為工程名稱、儀器系數(shù)、沉降管編號(hào)、位置、孔口高程、深度、埋設(shè)方式、埋設(shè)環(huán)數(shù)、埋設(shè)日期、人員等等。（8）在觀測期間，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視每天的觀測數(shù)據(jù)情況，沉降量控制在10MM/D以下，方可進(jìn)行路基的正常施工。若超過此數(shù)值，則應(yīng)立即停止路基填筑施工，待沉降趨于穩(wěn)定后，方可繼續(xù)。（9）注意對(duì)沉降管的保護(hù)，如有損壞，應(yīng)在原位及時(shí)恢復(fù)。當(dāng)路基填土即將超過沉降管時(shí)，需用接管連接上一節(jié)沉降管1。4凍土路段沉降量計(jì)算在黑北公路的觀測過程中，路基底部均采用淺層清基處理，即清除表層塔頭或林表土，然后換填碎石土的形式。三個(gè)路段開工時(shí)間均為2002年5月，路基填土不是很高（填土高度見表），通常在3M左右。因此必須通過沉降觀測，確認(rèn)路基的穩(wěn)定性。考慮到沉降幅度不是很大，各階段均以觀測原地基表面沉降量為主。本項(xiàng)目中確定的重點(diǎn)觀測路段為三段，總長度為2250M（見表2），實(shí)際確定的觀測斷面為21個(gè)。由于觀測數(shù)據(jù)較多，所以從每個(gè)路段中選取一個(gè)斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，相應(yīng)的觀測時(shí)間及觀測結(jié)果見表3。根據(jù)沉降觀測結(jié)果繪制出測點(diǎn)路基沉降示意圖及相應(yīng)的橫斷面沉降示意圖，如圖2圖7所示。沉降圖中實(shí)線部分為實(shí)測沉降量曲線，虛線部分為采用雙曲線法推算得到的沉降量曲線。雙曲線法為國內(nèi)常用的沉降分析方法,假定沉降曲線按“沉降平均速度按雙曲線遞減”的規(guī)律而變化。任一時(shí)刻T的沉降量計(jì)算公式如下1TSTS000（1）式可變化為2000TTT式中符號(hào)意義,見圖8。沉降量/S時(shí)間/TT0STT（T）/（S0）1圖8雙曲線法ST關(guān)系模式圖圖9（TT0）/SS0（TT0）關(guān)系圖根據(jù)實(shí)測沉降,點(diǎn)繪（TT0）/SS0（TT0）關(guān)系線得到圖9所示的直線,由直線的截距和斜率可以得到待定參數(shù)和。將求得的、代入1式,則可以預(yù)測今后任意時(shí)刻沉降量ST,最終沉降量用下式2310S殘余沉降量用下式SSST4表3各測點(diǎn)觀測日期及沉降量累加值觀測日期測點(diǎn)樁號(hào)020720020923021123030522030815031116040409040617左132216241290302309310310K138350中153240271322332342344345右152237259296309321322322左95154198237255264264264K150500中106161201248267278279280右94155193246260267269270左152233268315334343345345K166600中155240281325343350350352右148238274325340346347348圖2K138350（中）沉降曲線圖3K138350橫斷面沉降圖4K150500（中）沉降曲線圖5K150500橫斷面沉降圖6K166600（中）沉降曲線圖7K166600橫斷面沉降根據(jù)K138350、K150500、K166600三個(gè)斷面路基沉降觀測結(jié)果，可以得到觀測期內(nèi)路基的總沉降量見表3，根據(jù)觀測曲線圖，采用公式（3）可以推算出各測點(diǎn)的最終沉降量，從而能夠計(jì)算出各測點(diǎn)的沉降程度和剩余（工后）沉降量。表4分別為三個(gè)凍土斷面測點(diǎn)的沉降推算值和工后沉降量計(jì)算結(jié)果。橫斷面圖K1383500100200300400左中右沉降量（MM）橫斷面圖K1505000100200300400左中右沉降量（MM）沉降曲線圖K150500（中）02468101214161820222426時(shí)間（月）沉降量（100MM）填土高度（100CM）K150500沉降曲線圖K166600（中）02468101214161820222426時(shí)間（月）沉降量（100MM）填土高度（100CM）橫斷面圖K1666000100200300400左中右沉降量（MM）沉降曲線圖K138350（中）02468101214161820222426時(shí)間（月）沉降量（100MM）填土高度（100CM）表4雙曲線推算沉降值樁號(hào)曲線擬合點(diǎn)雙曲線雙曲線推算最終實(shí)測最終實(shí)測與推算推算與實(shí)測處沉降值系數(shù)系數(shù)沉降值沉降值最終沉降比值最終沉降差值（MM）（MM）（MM）（）（MM）S0SSTST/S（）S左0017250002638431080674K138350中0019210002638434589739右00192100028357322901635左00341900033303264871239K150500中0034930003132228086842右0035230003231227086442左0016740002638434088444K166600中00174500026384343891841右0018240002638434589739根據(jù)交通部公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范（JTJ01796）中的規(guī)定，高速、一級(jí)公路的容許沉降為300MM,二級(jí)公路的容許沉降為500MM。由此可知，上述凍土斷面測點(diǎn)的工后沉降量均能滿足規(guī)范要求。5路基沉降原因探討針對(duì)于黑北公路的施工特點(diǎn)及借鑒其它工程項(xiàng)目的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，從以下幾個(gè)方面隊(duì)路基沉降的主要原因總結(jié)如下，以供參考。（1）路基填土壓實(shí)控制不嚴(yán),壓適度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于凍土路基而言有些偏低。路基填土越高，下層土體所受自重應(yīng)力越大，當(dāng)土基壓實(shí)度要求卻越低違背了路基受力和穩(wěn)定性的客觀規(guī)律,另外路基填料允許含有10CM20CM的粒徑石料，土夾石則無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，施工壓實(shí)度檢測也有困難，這樣容易導(dǎo)致路基施工過程中或施工結(jié)束后,路基填土出現(xiàn)較大沉降或相應(yīng)的變形3。（2）填土選用不當(dāng)就填筑路堤而言，最合適的土是砂礫土，砂礫土和亞砂土。這些土內(nèi)摩阻力小，粘結(jié)力小，同時(shí)合理的含水量區(qū)間較大容易壓實(shí)，又有足夠的穩(wěn)定性，遇水不致過分軟化。而在實(shí)際施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到粘土質(zhì)土和細(xì)亞砂土等低粘性土，這些土土質(zhì)稍差些，也比較容易壓實(shí)，但這類土抵抗凍融的能力較低，這是因?yàn)樵陲査闆r下，這些土容易變成流動(dòng)狀態(tài)并失去承載能力。另外粘土也是施工中經(jīng)常遇到的這類土是最難于壓實(shí)的，在潮濕狀態(tài)下不穩(wěn)定，并容易發(fā)生剪切，其特點(diǎn)是液限大而最大干密度小，所以在凍土路基施工過程中，應(yīng)盡量避免使用低粘性土和粘土。（3）凍土路基處理選擇的時(shí)間不恰當(dāng)、施工期短凍土路基淺層處理時(shí)，如果換填時(shí)間選得不恰當(dāng)或者換填速度過慢，就會(huì)出現(xiàn)邊換填邊融化或者換填以后土基下的凍土融化的現(xiàn)象，尤其是后者對(duì)路基穩(wěn)定產(chǎn)生的危害更大。另外由于施工過程和工期較短，在路面施工前，路基填土的沉降不夠充分，所以在路基施工結(jié)束后，甚至使路面施工結(jié)束后還會(huì)發(fā)生路基在較大范圍內(nèi)進(jìn)行沉降，包括車輛荷載的沖擊產(chǎn)生的沉降和填土自身產(chǎn)生的沉降，而這一部分沉降對(duì)路基、路面產(chǎn)生的危害是巨大的。6結(jié)語（1）路基填土施工初期，由于凍土層溫度傳導(dǎo)介質(zhì)改變，凍土層表面開始融化變軟，在施加填土荷載后迅速發(fā)生沉降，沉降的幅度較大。隨著路基填土施工的正常進(jìn)行，凍土層的沉降趨于穩(wěn)定，沉降速率逐漸降低并趨向均勻。隨著凍土層的穩(wěn)定，路基沉降量逐步減小，相應(yīng)的沉降曲線變得越