黑北公路重湿地软土路基施工沉降观测分析

黑北公路重湿地软土路基施工沉降观测分析

黑北公路重湿地软土路基施工沉降观测分析摘要：本文结合黑北公路的实际施工、科研项目，从塑料排水板的加固机理、塑料排水板的施工工艺、沉降观测点的选择、观测地点的确定、观测方法的应用以及最后的沉降规律分析等方面进行较为详细的论述，以期为实际的漂筏路基施工提供指导和帮助。关键词：软土；沉降；观测引言重湿地软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,软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，Ⅱ级公路，全长243公里。黑北公路沿线地质情况十分复杂，部分路基位于重湿地软土路段。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黑北公路重湿地软土特点黑龙江省黑北公路是黑河至大连公路的黑河市至北安段，也是202国道的北段，北起黑龙江边的黑河市，南至北安市的二井子镇，全长243公里，路线跨越小兴安岭，其地理位置为：东经126°24′～127°27′，北纬48°20′～50°15′，根据孙吴县气象站资料，1954～1999年平均气温为-0.88℃，最高气温为35.2℃，最低气温为-48.1℃。黑北公路K223+800～K224+900一段体现的工程地质状况极差，属重湿地软土路段，当地百姓称其为“漂筏”路段。所谓的“漂筏”就是雨季来临时表层塔头随着水位的升高漂浮在上面。在地面以下14m的范围内，土的天然含水量非常高，最低为26%，最高达到41%，超过或接近液限值，均为软弱土层。因此整个地基呈现出极软弱、高压缩的不稳定状态。2重湿地软土观测路段选择黑北公路针对于重湿地软土路段，采用了铺筑天然砂砾结合塑料排水板技术进行处理。通过本项目对相关重湿地软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。确定的主要重湿地软土路段及各自的处理方案如表2-1～2-2所示。表2-2软、冻土观测试验路段路段位置路段长度（m）路段描述K223+800~K225+3001500重湿地表2-1软、冻土路段及路基处理方案桩号处理方案K223+850~K225+300填筑天然砂砾70㎝；采用塑料排水板进行处理。3塑料排水板的加固机理及施工工艺为了保证重湿地软土路段路基的工程质量，采用了塑料排水板加固技术，以确保路基具有足够的稳定性。塑料排水板在路基底部全宽范围内设置（见图3-1），间距为1.5m，设计深度为5.5m。n图3-1塑料排水板处理软基断面示意图3.1塑料排水板材料与机械设备3.1.1材料要求塑料排水板是由芯体和滤套组成的复合体。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带；滤套一般是由无纺织物制成。具体的材料标准和要求如下：⑴芯板应具有足够的抗拉强度和垂直排水能力，其抗拉强度不应小于130N／cm。当周围土体压力在15m深度范围内不大于250kN／m2或在大于15m范围内不大于350kN／m2条件下，其排水能力心不低于30cm3／m。芯板应具备耐腐性和足够的柔性，保证塑料板在地下的耐久性，并在土体固结变形时不会被折断或破裂。⑵滤套一般由无纺织物制成，应具有一定的隔离土颗粒和渗透功能，应等效于0.025mm，孔隙，其最小自由透水表面积宜为1500cm2／m，渗透系数应不小于5×10-3cm／s。3.1.2施工机械塑料排水板法的施工机具主要是插板机，也可与袋装砂井打设机具共用，但应将圆形套管换成矩形套管。对于振动打设工艺、锤击振力大小，可根据每次打设根数、导管断面大小、入土长度和地基均匀程度确定。选择排水板施工机械，应根据工程实际情况，从机械的结构特点、工效、适用程度等方面来确定，其包括对地基的压力、稳定性、打设能力、机动性及打设速度等。目前，用于塑料排水板施工的插板机种类很多，但经常使用的主要有如下几种：⑴挖掘机改装的插板机由挖掘机改装的插板机，在使用过程中可以灵活的操作，而且可以将排水板打设到各个部位，尤其是在边角处。但是由于其具有自身重、轮胎接地面积小等缺点，因此一般软基难以承受，只能在地基承载力较好的地方使用。⑵履带式插板机履带式插板机行走方便，可在现场组装，比挖掘机改装的接地面积大，一般地基在稍做处理后即可承受。但是由于其足靠两条履带控制垂直度的，受基础干整度影响较大，且插板机容易发生倾斜，一般用于插入深度小于10m的比较合适。⑶门式轨道插板机该机型可进行自行拼装，比较适合公路等带状的软基处理。由于其移动受轨道控制，通过事先调整轨道的水平度，可以很好地保证排水板的施工准确度和施工垂直度。其缺点是移动时显得相对笨重、对垫层的宽度要求较高等。3.2塑料排水板加固机理在软土地基上填土时，软土地基在荷载的作用下失去了原有的平衡，饱和软粘土随着孔隙水压力的消散，地基就会产生排水固结，同时孔隙比会减小，从而抗剪强度会得到相应的提高，同时由于排水固结和剪切变形，地基会产生很大的沉降，甚至由于强度不足而产生破坏。路基填土的施工，实际上可认为是一个分级加载的过程，可以使地基强度的增长能适应附加荷载的增加。由于土体固结排水所需的时间和渗透路径长度的平方成正比，在地基中设置连同的排水体可以大大缩短加载固结所需的时间，因此通常在加载之前先在地基中设置排水体，形成地基土固结排水通道，然后分级加载，我们可以将这种方法称为排水固结法[1]。n排水固结法是由两大部分组成的，即排水系统和加载系统，这两部分缺一不可，只有排水系统而无加载系统，孔隙水压力差不能自动排出，因而地基就得不到加固；反之，如果只有加载系统而无排水系统，排水距离不能缩短，就不能尽快地提高地基强度，因此在设计中，必须把排水系统和加载系统联系起来考虑。加载系统，主要是指路基填土。排水系统就是在地基中设置一些排水通道，改变原有地基的边界条件，增加孔隙水的排出途径，通过这个“通道”，在荷载作用下，使得软基中的水分能够快速排出，从而缩短固结时间、加快软土固结速率。塑料排水板就是起到这种排水通道的作用。由于塑料排水板的间距远小于被加固软土上层的厚度，因此土体中的孔隙水主要是从水平向集中到塑料排水板排出的，竖向排水只是少量的。3.3塑料排水板的施工工艺3.3.1工序塑料排水板施工前要对软基进行预先处理。首先整平场地，铺设砂垫层，具体工艺如下：平整场地、挖排水沟——铺下层砂垫层——稳压——放样——机具就位——塑料排水板穿靴——插入套管——拔出套管——割断排水板——检查并记录板位等情况——机具移位——铺设上层砂垫层。3.3.2关键工序控制⑴塑料排水板施工前，要对场地进行清表、挡平和初步碾压，做好土拱坡，铺设好砂垫层，为了保持工作面的整洁，根据地形要挖好排水沟，以利排水。⑵放样时要根据设计情况准确定位，并在每个插位都做好标记，所用的标记通常有石灰、油布、细条塑料板芯等，做到明显且不易被损坏为宜。⑶定位要准确。⑷穿靴，将塑料排水板端部穿过预制靴头固定架，对折带子长约10cm，固定联结。一般预制靴头可采用铁质或混凝土靴头。将靴头套在牛心套管端部，固定塑料排水板，并使其在下沉过程中能阻止泥砂进入套骨。4路基沉降测量方案及设备要求4.1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[2]。4.2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4-1）。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4-1横断面测点布置（单位：mm）4.3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φ108mm，成孔要垂直，避免坍孔。n（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[2]。5重湿地软土路段沉降量计算本项目中确定的重点观测路段总长度为1500m（见表2-2），实际确定的观测断面为12个。由于观测数据较多，所以只选取了三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5-1。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：(5-1)（1）式可变化为：(5-2)式中符号意义,见图5-1。图5-1双曲线法S—t关系模式图图5-2（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5-2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[3]:(5-3)残余沉降量用下式:ΔS=S∞-St(5-4)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5-3～5-8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。表5-1各测点观测日期及沉降量累加值(㎜)n测点桩号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）890925935943946K224+800（右）794833845855859图5-3K224+200横断面沉降图图5-4K224+200（中）沉降曲线图图5-5K224+400横断面沉降图图5-6K224+400（中）沉降曲线图图5-7K224+800横断面沉降图图5-8K224+800（中）沉降曲线图根据K224+200、K224+400、K224+800三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5-2)，根据观测曲线图，采用公式5-1～5-4可以推算出各测点的最终沉降量，计算出各测点的沉降程度和剩余（工后）沉降量。表5-2分别为三个重湿地软土断面路中测点的沉降推算值和工后沉降量计算结果。表5-2双曲线推算沉降值桩号S0（㎜）αβS∽（㎜）St（㎜）St/S∽（%）ΔS（㎜）nK224+200（中）9143.340.02695294499.118K224+400（中）9067.730.021595293498.0518K224+800（中）92512.250.018897894997.0129说明：表中符号意义如下：“S0”－曲线拟合点处沉降值；“α”、“β”－双曲线系数；“S∽”－推算最终沉降值；“St”－实测最终沉降值；“ΔS”－推算与实测最终沉降差值。由以上图形及数据分析可以看出，在初期填土高度虽然不大，但是由于软土地基受到外部荷载的突然扰动，迅速发生沉降，沉降速率非常大。此后，沉降趋于平稳。但是，当填土高度持续增加的时候，沉降速率也随之增大，发生突变。当填土高度不变时，沉降速率大幅度降低，且变化范围很小。6施工效果分析⑴漂筏路段的塑料排水板及砂垫层施工于先期进行，而路基填土施工的主要部分在次年开始进行，这样使得地基在这一时段内在自重和施工车辆荷载的作用下，形成一个预压期，确保路基填土施工在相对稳定的基础上进行，不会造成失稳破坏。实际应用表明，这种方法具有充分的科学性、合理性。⑵基于上述原因，纵观该路段路基沉降的全过程，虽然总沉降量很大，但是未发生沉降突变的现象。⑶塑料排水板充分起到了加速软土层固结的作用，使得路基底部在一年的时间内完成了近80%的沉降量。⑷土工格栅加筋天然砂砾垫层提高了路基底部的整体性，可以均匀分布上部荷载。虽然塑料排水板能够起到排水通道的作用，但是并不具备整体性，也缺乏足够的承载力，土工格栅加筋层充分弥补了塑料排水板的不足。7结语（1）对于重湿地软土路基，通过相应的数据和图表可以说明，施工初期，软土地基的沉降迅速发生，而且速率非常大。当填土高度持续增加的时候，沉降速率也随之增大，发生突变。所以对于重湿地软土路基施工，施工初期和后期是沉降表现较为明显的阶段。这一点需要在今后的施工过程中加以注意。（2）在本论文的研究中，主要采用了重湿地软土的塑料排水板法、设置砂垫层以及重湿地软土路段沉降预测采用的“双曲线法”，这几种方法经过黑北公路的实际应用，证明在重湿地路基的施工中的应用是完全合理的，同时其应用效果也很好。（3）在研究过程中感到缺乏对重湿地软土地基进行快速勘探的有效手段，建议采用孔压静力触探等方法进行详尽的勘探，提供科学、可靠的基本数据资料。