高速公路软土路基稳定性监控

高速公路软土路基稳定性监控摘要：结合安徽六（安）武（汉）高速公路施工现状，提出高速公路软土路基稳定性的监控方法。

①给出地层概况及断面传感器埋设技术；②研究填筑期软土路基稳定控制标准；③分析高速公路软基的监测方法；④考虑沉降预测模型的堆载卸荷标准，提高路基沉降的预测精度。

关键词：高速公路；软土路基；稳定控制；中图分类号：u412.36+6 文献标识码：a 文章编号：1、引言高等级公路路面的造价昂贵，技术标准高，对路基变形与稳定性的要求十分严格。

而软土地区高速公路的变形与稳定性控制，是高速公路路基工程中的主要技术难题。

软土的物理力学性质差，天然含水量大，强度低，透水性差，压缩性高，易受扰动影响，土性参数取值困难。

在软基高速公路的工程建设中，路基稳定性和路堤的变形始终未能得到很好的解决，造成桥头跳车，路面早期破损，严重影响了公路的通车能力和行车舒适性，同时带来安全隐患。

国外高速公路极少类似病害，其主要原因在于：一是路基高度较低，路基工后沉降较；二是重视软基处理，特别是软土较厚时，甚至不惜成本进行处理。

例如，在桥头相当长的路段，用桩承路堤法处理软基，使桥与路平稳过渡；他们为处理软基最有效、最经济的方法是提前施工，在地表上逐级填筑路堤，自然沉降至路堤稳定。

软土路基在各级填土荷载作用下的地基稳定性分析和高速公路沉降预测，已经引起国内外学者的广泛关注。

目前，由于滑动面的位置及其强度参数难以准确确定，使计算结果与实际情况存在较大的差别。

为了保证软基路堤既安全又经济地顺利施工，通常采用现场观测和试验报告对软土路基的稳定性进行综合分析评价，以使结果更符合实际。

2、地层概况及断面传感器埋设我公司承建的六武高速公路，施工位于山区沉积深厚软土路基上，软土路基的厚度10m左右，沿线相差较大，在地质上属第四系q4上层，多为饱和正常压密粘土，土的类别多为淤泥、淤泥质亚粘土层。

路面设计宽度为双向4车道，路基宽度28.4m，填筑高度8.0m，边坡坡率为1∶1.5。

典型地层概况及断面传感器埋设如图1所示。

结合观测仪器埋设钻孔，对各土层取样进行室内土工试验，包括：（1）天然含水率和密度；（2）比重、液塑限；（3）颗粒级配分析；（4）压缩（固结）特性；（5）渗透试验；（6）直剪固结快剪；（7）无侧限抗压强度试验；（8）应力~应变关系。

2.填筑期软土路基稳定控制标准在软基上修筑路堤，地基的稳定性预测与控制是每项工程都要面临的十分重要的课题。

地基的稳定性预测与控制一般分2个阶段进行：第一阶段是在施工图设计期间，对路基的整体稳定性进行预估分析，并结合地基沉降的计算，拟定施工加载计划；第二阶段是在施工填土期间，对路基的竖向沉降、水平位移、地基土中的孔隙水压力进行观测。

根据观测结果对路基稳定性进行评价，并及时修改施工加载计划，甚至对地基采取必要的补救处理措施。

这里着重对第二阶段的工作进行相关研究。

设计阶段的路堤填筑计划是根据理论上的地基固结和稳定性分析确定的。

由于地基土的固结和强度指标很难准确选取，分析方法也不一定完全适宜，加上设计阶段的填土计划往往受到处置政策、资源配置等因素的限制而不能按时实施，因此设计阶段的填土计划往往不一定能完全反应实施阶段的实际状况。

加之软土的强度很低，如果施工不当，地基极易发生破坏，因而用原位观测来控制地基施工期的稳定是非常重要的。

目前，路堤施工期对软土路基的稳定性控制一般都采用现场观测的方法，即通过观测地基在路基填筑期间所表现出的各种特征，对路基的稳定性进行预测，从而起到稳定性控制的作用。

一般主要有下面方法：（1）水平位移速率和沉降速率控制方法。

地基的水平位移和沉降速率是随填土荷载大小、填土速率、路堤形状及地基情况等的不同而变化的。

大量的工程实践表明：地基在破坏前，水平位移速率和沉降速率有一定的极限值。

因此可以根据以往或类似工程的经验，规定地基的允许水平位移速率和沉降速率，作为路堤施工时控制地基稳定的标准。

当然，确定这些标准的数据值要结合具体的工程条件考虑，同时要留有一定余地。

经过大量工程实践后，采用排水固结法处理软土路基的路堤填土施工期间稳定性控制标准逐渐得到统一，即用《公路软土路基路堤设计与施工技术规范》（jtj017-96）标准来控制填土过程。

（2）地基侧向水平位移及沉降绘制控制图。

根据实测的地基侧向水平位移及沉降绘制控制图控制施工。

这种方法是由日本的松尾提出的，着眼于路堤中心处的地表沉降量s和路堤坡脚附近的侧向水平位移δh。

在对大量的破坏实例进行分析后发现，很多地基临近破坏时的沉降量s和δh/s之间的关系大致落在一条曲线上，此曲线称为破坏基准线。

在获得地基的破坏基准线后，将填土过程中实测的水平位移及沉降绘制在s~δh/s图上，如（δh/s，s）的点接近破坏基准线，则认为地基临近破坏；如（δh/s，s）落在破坏基准线下方，并远离破坏基准线，则地基稳定。

这种方法的关键在于确定某种地基的破坏基准线，它需要以大量破坏实例的观测资料为基础。

（3）水平位移系数。

水平位移系数方法是shibate等根据日本的几条高速公路路堤填筑经验提出的。

设计路堤某级填土荷载量为△q，相应的在这级荷载内地基产生了水平位移增量为△δh，则称△q/△δh为此级荷载的水平位移系数。

将路堤填筑过程中的△q/△δh 值同相应的总填土荷载量q联系起来，点绘出每级填土加载期间内△q/△δh随q的变化曲线。

然后发现，在加载初期，水平位移系数△q/△δh较大，当填土荷载量q达到一定值后，△q/△δh则随q的增大而线性减小。

如将该段直线延长交于q轴，便可获得该段填土期间的极限荷载。

在一些文献中建议以水平位移系数不小于200kn/m3作为地基稳定的控制标准。

（4）地基内的孔隙水压力系数。

早就有软基处理工程利用地基内的孔隙水压力变化来控制路堤施工期地基的稳定性，根据这种方法可以由地基内某处的空隙压力变化情况判断该处地基土体是否已进入塑性屈服阶段，并进而由地基内的塑性区发展情况控制地基的稳定。

因孔隙水压力测试技术要求比较高，一般工程中比较难测准，截止目前为止还没有形成共识。

一般以综合孔隙压力系数b=（∑△u/∑△p）≤0.6来控制加载量；以单级孔隙压力系数b≤0.4或单级孔隙压力消耗50%可加下一级荷载为加荷控制标准。

（5）坡脚水平位移与道中沉降的比值。

通过综合分析我们承建的合叶、合铜、六武等高速公路的变形观测资料及离心模型试验成果，得到坡脚水平位移量与沉降量之比与稳定性的关系。

可以看出：①通过原型观测，有效地控制了沉降速率和水平位移速率，保证了路堤填筑过程中的稳定性；②国道312线高速公路试验段最大沉降速率达68mm/d，水平位移速率达17.4mm/d，仍保证了路堤的稳定性；许亳高速公路大面积填坡顶最大沉降率也达到了25mm/d，仍处在稳定状态；③界阜埠高速公路某段曾因加荷速度加快及暴雨，在填土达4.81m时，出现过局部滑坡的现象，失稳前2d所测得的沉降速率及水平位移速率分别为4mm/d及3mm/d，均小于规范所规定的指标值；广佛某加固工程，也出现过类似的现象；因此，仅用规范规定的沉降速率及水平位移速率来控制路堤稳定性是不充分的，仍不能保证路堤在施工过程中的稳定性；④由图2可见，当sx脚/sy中≤30%时，地基均处于稳定状态，当sx脚/sy中＞30%时，地基处于极限状态或失稳状态。

许亳某段滑塌之前的特征为：填土高度为5.81m，道中沉降和道肩沉降分别为39.1cm和39.5cm，道肩水平位移为32.8cm，坡脚水平位移为21.1cm，坡脚水平位移与道中沉降之比为32.5%。

由此可见：用坡脚水平位移与道中沉降之比小于等于25%作为稳定控制的辅助标准是有意义的。

在六武高速公路中的各试验断面监测中，路堤的稳定性采用最大沉降速率≤10mm/d、最大水平位移速率≤4mm/d以及最大水平位移与沉降量之比≤20%相结合的标准进行控制。

在路堤填土施工速率期间，通过适当调整施工间歇，全面保证了六武软基高速公路路堤地基的稳定性。

3、高速公路软基的监3.1观测频度。

在路堤填土期间每3d观测1次，填土间歇期每周观测1次，预压期间每月观测1次。

3.2观测时间。

软基处理试验段的观测历时30个月。

3.3观测内容。

在各处理方案的观测断面上，分别埋设了：（1）测斜管，进行道肩及路堤坡脚的水平位移测量；（2）分层沉降环，掌握路基各土层的沉降规律；（3）沉降板及位移边桩，用以观测原路基表面的变形；（4）孔隙水压力计，测试地基中的孔隙水压力，评价软基处理的排水固结效果。

其典型断面的观测曲线如图3~5所示。

六武某一段试验断面填土期(包括砂垫层)历时120d，填土厚度为3.92m，平均填土速率为2.63cm/d。

预压期164d。

填土高度达3.0m时，沉降显著加快，其中最大沉降速率达到9mm/d，接近稳定控制标准。

采取控制手段后，降到3.57mm/d。

地基沉降主要发生在软塑状的淤泥质粉质黏层，压缩量达284mm，占总总沉降的30.7%以上。

而下部由于插板未达到，压缩量较小，仅占总沉降的24.0%。

道肩处水平位移在填土结束时为74.91mm，预压结束时为117.35mm，发生在地面以下5m处，明显变形部位位于地面以下2.5~13.0m，为第一层软土。

13.0m以下基本无明显的水平位移。

填土阶段的水平位移速率为0.40mm/d，预压期间为0.27mm/d。

而在填土前期，土体有向内变形的情况，这与测斜管埋设部位有关，因为紧靠施工便道，使土体受到反向的荷载作用。

填土期水平位移量和表面沉降的比值为0.15。

图3典型断面分层沉降曲线图4断面分层沉降曲线图5断面孔隙水压力曲线4.高速公路软基沉降预测方法根据实测沉降数据来预测沉降的发展在高等级公路的建设中具有重要的意义，沉降预测结果将决定预压期的长短和修筑路面的时间，并最终影响通车后沉降的大小。

在本次软基处理试验沉降观测数据的预测中，除采用常规的预测方法，如双曲线法、三点法和指数函数法外，重点将灰色理论的预测方法引入到沉降预测当中来，并从一般灰色gm（1，1）沉降预测模型拓展出考虑参数时变的时变灰色gm（1,1）沉降预测模型，为提出高精度及适合中长期预测的沉降模型奠定了基础[7] 。

4.1 沉降灰色gm（1,1,）预测模型设有n+1个等时间间隔的沉降观测数据（s0，s1，…，sn），相应的沉降增量序列为（△s0，△s1，…，△sn），根据灰色建模理论，可建立沉降灰色gm（1,1）模型的一阶微分方程如下：（1）式中：a,b为常系数，方程系数按下式确定：=[ bt b]-1·bt·yn(2)式中：b=，yn=[△s1,△s2,…,△sn]t灰色gm（1,1）模型（7.19）式的通解为：s（t）=s∞-( s∞- s0)e-at (3)式中：s0为t=0时刻的沉降；s∞为最终沉降，s∞=b/a。