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合黑北公路的實際施工、科研項目，從凍土路段選擇、觀測地點的確定、觀測方法的應用及沉降規(guī)律分析等進行較詳細的論述，以期為實際的凍土路基施工提供指導和幫助關鍵詞凍土；沉降；分析引言凍土地基必須進行適當?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，才能固結到位。以往，在路基施工過程中對于凍土路段路基穩(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，造成路面嚴重破壞，既影響了行車質量，又帶來了經(jīng)濟損失。黑北公路是202國道黑河至北安段，級公路，全長243公里。黑北公路沿線地質情況十分復雜，許多路基位于多年凍土路段。這類路段雖經(jīng)采取相應處理措施，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。因此只有通過對路基進行跟蹤沉降觀測，根據(jù)實際發(fā)生的沉降量適當調整路基填土施工速度，才能確保路基工程順利完成。1沿線凍土分布特點黑北公路段處于退化性島狀多年凍土區(qū)域內，該區(qū)內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尚不足以提供融化凍土所需的熱量，換言之，在相對短的時期內，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，它們具有較強的儲水特性。從對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)境條件對多年凍土有良好的保護作用。相反，在兩側的山坡、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中，而在相對較高的山坡、山嶺地帶則無多年凍土分布。2凍土路段選擇為保護凍土、避免對凍土層的過分擾動，造成融沉過大，黑北公路針對凍土路段的地基處理采取了淺層清基的方法進行施工，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重點凍土觀測試驗路段序號路段位置路段長度（M）路段描述1K138000K138400400凍土2K150300K151000700凍土3K165750K1669001150凍土對上述凍土路段路基進行觀測，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)及時調整施工方案，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備要求31觀測設備本項目采用分層沉降測量方法。它的特點是不僅能夠測量深層沉降量，同時也能測量地表沉降量。分層沉降測是采用電磁沉降儀結合沉降管進行觀測，是針對不同深度、層位的土體進行觀測，同時能夠完成表面及深層沉降觀測，是國內外常用的軟土地基穩(wěn)定性觀測技術。分層沉降觀測系統(tǒng)由電磁式沉降儀、沉降管、沉降環(huán)及其它配套設備構成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。每個斷面設3個測點，分別位于路中線和左、右路肩外1M（見圖1）。路中線點是為了觀測施工期間斷面的最大沉降量，在路面結構施工時需埋入土中。路肩外側各點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完成后，要立即完整地觀測一次，取得初始讀數(shù)，這一點非常重要，因為今后的沉降計算均以這一讀數(shù)為基準。在路基填土施工的初期，觀測間隔時間要短一些，每星期需要觀測一次。路基填土施工正常進行時，待2個月之后，觀測間隔時間延長至每月一次。中左右圖1橫斷面測點布置（單位MM）33埋設技術（1）觀測的孔位（測點）定位要準確。（2）在定位點安裝鉆機，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，沉降管連接處應特別注意要用膠帶包裹，這樣既可以防止泥水進入沉降管內，也可以保證管道外壁光滑，使得沉降管不受阻礙的下到預定深度。（4）下沉降環(huán)時，一般20M一個，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，三個叉簧片攏成的直徑稍大于管道直徑，到了埋設深度時，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，孔徑以及土質情況而定。（6）沉降環(huán)埋好后，應立即用沉降儀測量一次，對環(huán)的位置，數(shù)量進行校對，并對孔口高程進行測量。（7）把埋設情況記入記錄表，記錄表的主要內容為工程名稱、儀器系數(shù)、沉降管編號、位置、孔口高程、深度、埋設方式、埋設環(huán)數(shù)、埋設日期、人員等等。（8）在觀測期間，應嚴密監(jiān)視每天的觀測數(shù)據(jù)情況，沉降量控制在10MM/D以下，方可進行路基的正常施工。若超過此數(shù)值，則應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）注意對沉降管的保護，如有損壞，應在原位及時恢復。當路基填土即將超過沉降管時，需用接管連接上一節(jié)沉降管1。4凍土路段沉降量計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。三個路段開工時間均為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，確認路基的穩(wěn)定性?？紤]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。本項目中確定的重點觀測路段為三段，總長度為2250M（見表2），實際確定的觀測斷面為21個。由于觀測數(shù)據(jù)較多，所以從每個路段中選取一個斷面進行數(shù)據(jù)整理分析，相應的觀測時間及觀測結果見表3。根據(jù)沉降觀測結果繪制出測點路基沉降示意圖及相應的橫斷面沉降示意圖，如圖2圖7所示。沉降圖中實線部分為實測沉降量曲線，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。任一時刻T的沉降量計算公式如下1TSTS000（1）式可變化為2000TTT式中符號意義,見圖8。沉降量/S時間/TT0STT（T）/（S0）1圖8雙曲線法ST關系模式圖圖9（TT0）/SS0（TT0）關系圖根據(jù)實測沉降,點繪（TT0）/SS0（TT0）關系線得到圖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,則可以預測今后任意時刻沉降量ST,最終沉降量用下式2310S殘余沉降量用下式SSST4表3各測點觀測日期及沉降量累加值觀測日期測點樁號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、K166600三個斷面路基沉降觀測結果，可以得到觀測期內路基的總沉降量見表3，根據(jù)觀測曲線圖，采用公式（3）可以推算出各測點的最終沉降量，從而能夠計算出各測點的沉降程度和剩余（工后）沉降量。表4分別為三個凍土斷面測點的沉降推算值和工后沉降量計算結果。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時間（月）沉降量（100MM）填土高度（100CM）K150500沉降曲線圖K166600（中）02468101214161820222426時間（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時間（月）沉降量（100MM）填土高度（100CM）表4雙曲線推算沉降值樁號曲線擬合點雙曲線雙曲線推算最終實測最終實測與推算推算與實測處沉降值系數(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計與施工技術規(guī)范（JTJ01796）中的規(guī)定，高速、一級公路的容許沉降為300MM,二級公路的容許沉降為500MM。由此可知，上述凍土斷面測點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于黑北公路的施工特點及借鑒其它工程項目的實際工程經(jīng)驗，從以下幾個方面隊路基沉降的主要原因總結如下，以供參考。（1）路基填土壓實控制不嚴,壓適度標準對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力越大，當土基壓實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，土夾石則無法進行標準擊實實驗，施工壓實度檢測也有困難，這樣容易導致路基施工過程中或施工結束后,路基填土出現(xiàn)較大沉降或相應的變形3。（2）填土選用不當就填筑路堤而言，最合適的土是砂礫土，砂礫土和亞砂土。這些土內摩阻力小，粘結力小，同時合理的含水量區(qū)間較大容易壓實，又有足夠的穩(wěn)定性，遇水不致過分軟化。而在實際施工過程中經(jīng)常會遇到粘土質土和細亞砂土等低粘性土，這些土土質稍差些，也比較容易壓實，但這類土抵抗凍融的能力較低，這是因為在飽水情況下，這些土容易變成流動狀態(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的，在潮濕狀態(tài)下不穩(wěn)定，并容易發(fā)生剪切，其特點是液限大而最大干密度小，所以在凍土路基施工過程中，應盡量避免使用低粘性土和粘土。（3）凍土路基處理選擇的時間不恰當、施工期短凍土路基淺層處理時，如果換填時間選得不恰當或者換填速度過慢，就會出現(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，所以在路基施工結束后，甚至使路面施工結束后還會發(fā)生路基在較大范圍內進行沉降，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，而這一部分沉降對路基、路面產(chǎn)生的危害是巨大的。6結語（1）路基填土施工初期，由于凍土層溫度傳導介質改變，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，相應的沉降曲線變得越