黑北公路重濕地軟土路基施工沉降觀測(cè)分析

1、黑北公路重濕地軟土路基施工沉降觀測(cè)分析 摘要：本文結(jié)合黑北公路的實(shí)際施工、科研項(xiàng)目，從塑料排水板的加固機(jī)理、塑料排水板的施工工藝、沉降觀測(cè)點(diǎn)的選擇、觀測(cè)地點(diǎn)的確定、觀測(cè)方法的應(yīng)用以及最后的沉降規(guī)律分析等方面進(jìn)行較為詳細(xì)的論述，以期為實(shí)際的漂筏路基施工提供指導(dǎo)和幫助。關(guān)鍵詞：軟土；沉降；觀測(cè)引言重濕地軟土地基必須進(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,軟土層都要經(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

2、。黑北公路是202國(guó)道黑河至北安段，級(jí)公路，全長(zhǎng)243公里。黑北公路沿線地質(zhì)情況十分復(fù)雜，部分路基位于重濕地軟土路段。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(cè)，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黑北公路重濕地軟土特點(diǎn)黑龍江省黑北公路是黑河至大連公路的黑河市至北安段，也是202國(guó)道的北段，北起黑龍江邊的黑河市，南至北安市的二井子鎮(zhèn)，全長(zhǎng)243公里，路線跨越小興安嶺，其地理位置為：東經(jīng)1262412727，北緯48205015，根據(jù)孫吳縣氣象站資料，1

3、9541999年平均氣溫為-0.88，最高氣溫為35.2，最低氣溫為-48.1。黑北公路k223+800k224+900一段體現(xiàn)的工程地質(zhì)狀況極差，屬重濕地軟土路段，當(dāng)?shù)匕傩辗Q其為“漂筏”路段。所謂的“漂筏”就是雨季來臨時(shí)表層塔頭隨著水位的升高漂浮在上面。在地面以下14m的范圍內(nèi)，土的天然含水量非常高，最低為26%，最高達(dá)到41%，超過或接近液限值，均為軟弱土層。因此整個(gè)地基呈現(xiàn)出極軟弱、高壓縮的不穩(wěn)定狀態(tài)。2重濕地軟土觀測(cè)路段選擇黑北公路針對(duì)于重濕地軟土路段，采用了鋪筑天然砂礫結(jié)合塑料排水板技術(shù)進(jìn)行處理。通過本項(xiàng)目對(duì)相關(guān)重濕地軟土路段路基進(jìn)行觀測(cè)，目的是為了掌握這些路段施工期間路基的變化情況

4、，以便根據(jù)觀測(cè)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。確定的主要重濕地軟土路段及各自的處理方案如表2-12-2所示。表2-2 軟、凍土觀測(cè)試驗(yàn)路段路段位置路段長(zhǎng)度（m）路段描述k223+800k225+3001500重濕地表2-1 軟、凍土路段及路基處理方案樁 號(hào)處 理 方 案k223+850k225+300填筑天然砂礫70；采用塑料排水板進(jìn)行處理。3塑料排水板的加固機(jī)理及施工工藝 為了保證重濕地軟土路段路基的工程質(zhì)量，采用了塑料排水板加固技術(shù)，以確保路基具有足夠的穩(wěn)定性。塑料排水板在路基底部全寬范圍內(nèi)設(shè)置（見圖3-1），間距為1.5 m，設(shè)計(jì)深度為5.5m。 圖3-1

5、塑料排水板處理軟基斷面示意圖3.1塑料排水板材料與機(jī)械設(shè)備3.1.1材料要求塑料排水板是由芯體和濾套組成的復(fù)合體。芯板一般是由聚乙烯或聚丙烯加工而成的多孔管道或其它形式的板帶；濾套一般是由無紡織物制成。具體的材料標(biāo)準(zhǔn)和要求如下：芯板應(yīng)具有足夠的抗拉強(qiáng)度和垂直排水能力，其抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于130ncm。當(dāng)周圍土體壓力在15m深度范圍內(nèi)不大于250knm2或在大于15m范圍內(nèi)不大于350knm2條件下，其排水能力心不低于30cm3m。芯板應(yīng)具備耐腐性和足夠的柔性，保證塑料板在地下的耐久性，并在土體固結(jié)變形時(shí)不會(huì)被折斷或破裂。 濾套一般由無紡織物制成，應(yīng)具有一定的隔離土顆粒和滲透功能，應(yīng)等效于0.02

6、5mm，孔隙，其最小自由透水表面積宜為1 500cm2m，滲透系數(shù)應(yīng)不小于510-3cms。3.1.2施工機(jī)械 塑料排水板法的施工機(jī)具主要是插板機(jī)，也可與袋裝砂井打設(shè)機(jī)具共用，但應(yīng)將圓形套管換成矩形套管。對(duì)于振動(dòng)打設(shè)工藝、錘擊振力大小，可根據(jù)每次打設(shè)根數(shù)、導(dǎo)管斷面大小、入土長(zhǎng)度和地基均勻程度確定。選擇排水板施工機(jī)械，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，從機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工效、適用程度等方面來確定，其包括對(duì)地基的壓力、穩(wěn)定性、打設(shè)能力、機(jī)動(dòng)性及打設(shè)速度等。目前，用于塑料排水板施工的插板機(jī)種類很多，但經(jīng)常使用的主要有如下幾種：挖掘機(jī)改裝的插板機(jī)由挖掘機(jī)改裝的插板機(jī)，在使用過程中可以靈活的操作，而且可以將排水板打設(shè)

7、到各個(gè)部位，尤其是在邊角處。但是由于其具有自身重、輪胎接地面積小等缺點(diǎn)，因此一般軟基難以承受，只能在地基承載力較好的地方使用。履帶式插板機(jī)履帶式插板機(jī)行走方便，可在現(xiàn)場(chǎng)組裝，比挖掘機(jī)改裝的接地面積大，一般地基在稍做處理后即可承受。但是由于其足靠?jī)蓷l履帶控制垂直度的，受基礎(chǔ)干整度影響較大，且插板機(jī)容易發(fā)生傾斜，一般用于插入深度小于10m的比較合適。門式軌道插板機(jī)該機(jī)型可進(jìn)行自行拼裝，比較適合公路等帶狀的軟基處理。由于其移動(dòng)受軌道控制，通過事先調(diào)整軌道的水平度，可以很好地保證排水板的施工準(zhǔn)確度和施工垂直度。其缺點(diǎn)是移動(dòng)時(shí)顯得相對(duì)笨重、對(duì)墊層的寬度要求較高等。3.2塑料排水板加固機(jī)理在軟土地基上填土

8、時(shí)，軟土地基在荷載的作用下失去了原有的平衡，飽和軟粘土隨著孔隙水壓力的消散，地基就會(huì)產(chǎn)生排水固結(jié)，同時(shí)孔隙比會(huì)減小，從而抗剪強(qiáng)度會(huì)得到相應(yīng)的提高，同時(shí)由于排水固結(jié)和剪切變形，地基會(huì)產(chǎn)生很大的沉降，甚至由于強(qiáng)度不足而產(chǎn)生破壞。路基填土的施工，實(shí)際上可認(rèn)為是一個(gè)分級(jí)加載的過程，可以使地基強(qiáng)度的增長(zhǎng)能適應(yīng)附加荷載的增加。由于土體固結(jié)排水所需的時(shí)間和滲透路徑長(zhǎng)度的平方成正比，在地基中設(shè)置連同的排水體可以大大縮短加載固結(jié)所需的時(shí)間，因此通常在加載之前先在地基中設(shè)置排水體，形成地基土固結(jié)排水通道，然后分級(jí)加載，我們可以將這種方法稱為排水固結(jié)法1。排水固結(jié)法是由兩大部分組成的，即排水系統(tǒng)和加載系統(tǒng)，這兩部分

9、缺一不可，只有排水系統(tǒng)而無加載系統(tǒng)，孔隙水壓力差不能自動(dòng)排出，因而地基就得不到加固；反之，如果只有加載系統(tǒng)而無排水系統(tǒng)，排水距離不能縮短，就不能盡快地提高地基強(qiáng)度，因此在設(shè)計(jì)中，必須把排水系統(tǒng)和加載系統(tǒng)聯(lián)系起來考慮。加載系統(tǒng)，主要是指路基填土。排水系統(tǒng)就是在地基中設(shè)置一些排水通道，改變?cè)械鼗倪吔鐥l件，增加孔隙水的排出途徑，通過這個(gè)“通道”，在荷載作用下，使得軟基中的水分能夠快速排出，從而縮短固結(jié)時(shí)間、加快軟土固結(jié)速率。塑料排水板就是起到這種排水通道的作用。由于塑料排水板的間距遠(yuǎn)小于被加固軟土上層的厚度，因此土體中的孔隙水主要是從水平向集中到塑料排水板排出的，豎向排水只是少量的。3.3塑料排

10、水板的施工工藝3.3.1工序塑料排水板施工前要對(duì)軟基進(jìn)行預(yù)先處理。首先整平場(chǎng)地，鋪設(shè)砂墊層，具體工藝如下：平整場(chǎng)地、挖排水溝鋪下層砂墊層穩(wěn)壓放樣機(jī)具就位塑料排水板穿靴插入套管拔出套管割斷排水板檢查并記錄板位等情況機(jī)具移位鋪設(shè)上層砂墊層。3.3.2關(guān)鍵工序控制塑料排水板施工前，要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行清表、擋平和初步碾壓，做好土拱坡，鋪設(shè)好砂墊層，為了保持工作面的整潔，根據(jù)地形要挖好排水溝，以利排水。放樣時(shí)要根據(jù)設(shè)計(jì)情況準(zhǔn)確定位，并在每個(gè)插位都做好標(biāo)記，所用的標(biāo)記通常有石灰、油布、細(xì)條塑料板芯等，做到明顯且不易被損壞為宜。定位要準(zhǔn)確。穿靴，將塑料排水板端部穿過預(yù)制靴頭固定架，對(duì)折帶子長(zhǎng)約10cm，固定聯(lián)結(jié)。

11、一般預(yù)制靴頭可采用鐵質(zhì)或混凝土靴頭。將靴頭套在牛心套管端部，固定塑料排水板，并使其在下沉過程中能阻止泥砂進(jìn)入套骨。4路基沉降測(cè)量方案及設(shè)備要求4.1觀測(cè)設(shè)備本項(xiàng)目采用分層沉降測(cè)量方法。它的特點(diǎn)是不僅能夠測(cè)量深層沉降量，同時(shí)也能測(cè)量地表沉降量。分層沉降測(cè)是采用電磁沉降儀結(jié)合沉降管進(jìn)行觀測(cè)，是針對(duì)不同深度、層位的土體進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)能夠完成表面及深層沉降觀測(cè)，是國(guó)內(nèi)外常用的軟土地基穩(wěn)定性觀測(cè)技術(shù)。分層沉降觀測(cè)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2。4.2路基沉降測(cè)量方案根據(jù)觀測(cè)路段長(zhǎng)度，斷面間距確定為100m。每個(gè)斷面設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于路中線和左、右路肩外1m（見圖4-1）。路中線

12、點(diǎn)是為了觀測(cè)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(cè)路基的工后沉降。在沉降觀測(cè)元件埋設(shè)完成后，要立即完整地觀測(cè)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(cè)間隔時(shí)間要短一些，每星期需要觀測(cè)一次。路基填土施工正常進(jìn)行時(shí)，待2個(gè)月之后，觀測(cè)間隔時(shí)間延長(zhǎng)至每月一次。圖4-1橫斷面測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）4.3埋設(shè)技術(shù)（1）觀測(cè)的孔位（測(cè)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

13、，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2.0m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(cè)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(cè)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)

14、 、埋設(shè)日期、人員等等。（8）在觀測(cè)期間，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視每天的觀測(cè)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2。5重濕地軟土路段沉降量計(jì)算本項(xiàng)目中確定的重點(diǎn)觀測(cè)路段總長(zhǎng)度為1500m（見表2-2），實(shí)際確定的觀測(cè)斷面為12個(gè)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)較多，所以只選取了三個(gè)斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，相應(yīng)的觀測(cè)時(shí)間及觀測(cè)結(jié)果見表5-1。雙曲線法為國(guó)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。

15、任一時(shí)刻t的沉降量計(jì)算公式如下： (5-1)（1）式可變化為： (5-2)式中符號(hào)意義,見圖5-1。 圖5-1 雙曲線法st關(guān)系模式圖 圖5-2 （t-t0）/(s-s0)（t-t0）關(guān)系圖根據(jù)實(shí)測(cè)沉降, 點(diǎn)繪（t-t0）/(s-s0)（t-t0）關(guān)系線得到圖5-2 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(cè)今后任意時(shí)刻沉降量st , 最終沉降量用下式3: (5-3)殘余沉降量用下式:s= s - st (5-4) 根據(jù)沉降觀測(cè)結(jié)果繪制出測(cè)點(diǎn)路基沉降示意圖及相應(yīng)的橫斷面沉降示意圖，如圖5-35-8所示。沉降圖中實(shí)線部分為實(shí)測(cè)沉降量曲線，虛線部分為

16、采用雙曲線法推算得到的沉降量曲線。表5-1 各測(cè)點(diǎn)觀測(cè)日期及沉降量累加值() 測(cè) 點(diǎn) 樁 號(hào)2002.09.232002.11.232003.05.222003.08.152003.11.16k224+200（左）766805817826831k224+200（中）881914928939943k224+200（右）793829844856857k224+400（左）746779790799801k224+400（中）864906920928931k224+400（右）788828845855856k224+800（左）768804812821823k224+800（中）89092593594

17、3946k224+800（右）794833845855859 圖5-3 k224+200橫斷面沉降圖 圖5-4 k224+200（中）沉降曲線圖 圖5-5 k224+400橫斷面沉降圖 圖5-6 k224+400（中）沉降曲線圖 圖5-7 k224+800橫斷面沉降圖 圖5-8 k224+800（中）沉降曲線圖根據(jù)k224+200、k224+400、k224+800 三個(gè)斷面路基沉降觀測(cè)結(jié)果，可以得到觀測(cè)期內(nèi)路基的總沉降量(見表5-2)，根據(jù)觀測(cè)曲線圖，采用公式5-15-4可以推算出各測(cè)點(diǎn)的最終沉降量，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的沉降程度和剩余（工后）沉降量。表5-2分別為三個(gè)重濕地軟土斷面路中測(cè)點(diǎn)的沉降推

18、算值和工后沉降量計(jì)算結(jié)果。表5-2 雙曲線推算沉降值樁 號(hào)s0（）s（）st（）st/ s（%）s（）k224+200（中）9143.340.02695294499.118k224+400（中）9067.730.021595293498.0518k224+800（中）92512.250.018897894997.0129說明：表中符號(hào)意義如下：“s0”曲線擬合點(diǎn)處沉降值；“”、“”雙曲線系數(shù)；“s”推算最終沉降值；“st”實(shí)測(cè)最終沉降值；“s”推算與實(shí)測(cè)最終沉降差值。由以上圖形及數(shù)據(jù)分析可以看出，在初期填土高度雖然不大，但是由于軟土地基受到外部荷載的突然擾動(dòng)，迅速發(fā)生沉降，沉降速率非常大。此后，沉降趨于平穩(wěn)。但是，當(dāng)填土高度持續(xù)增加的時(shí)候，沉降速率也隨之增大，發(fā)生突變。當(dāng)填土高度不變時(shí)，沉降速率大幅度降低，且變化范圍很小。6施工效果分析 漂筏路段的塑料排水板及砂墊層施工于先期進(jìn)行，