高速公路采空區(qū)路段沉降監(jiān)測(cè)分析

張泳帥

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

引言

高速公路采空區(qū)路段處治不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生沉降變形造成路基路面結(jié)構(gòu)損壞，甚至引發(fā)交通事故[1]。結(jié)合高速公路采空區(qū)處治案例，制定方案開展沉降監(jiān)測(cè)。選取有代表性的監(jiān)測(cè)斷面，分別布置沉降監(jiān)測(cè)板和沉降觀測(cè)樁，開展沉降監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作為評(píng)價(jià)路基穩(wěn)定性和采空區(qū)處治效果的主要依據(jù)。

1 采空區(qū)路段路基沉降變形機(jī)理

1.1 地基沉降機(jī)理

天然地基是由固液氣三部分組成的三相體，地基沉降變形主要表現(xiàn)在荷載作用下固體顆粒的壓縮和孔隙體積的變小[2]。在實(shí)際中，荷載作用下土壤顆粒的壓縮量很小，主要是地基土中水和空氣的排出使土壤顆粒重組產(chǎn)生壓縮變形，地基土的壓縮變形可以分為三個(gè)階段。（1）第一階段是瞬時(shí)沉降階段，在荷載作用下地基土的孔隙水無法及時(shí)排出，土體受到剪切作用產(chǎn)生瞬時(shí)沉降變形，一般土體的瞬態(tài)變形較小，軟土地基較大。（2）第二階段是主固結(jié)沉降階段，這個(gè)階段在荷載作用下孔隙水從地基土的空隙中排出，土壤顆粒相互靠攏，地基土體積壓縮后產(chǎn)生沉降變形。地基土沉降過程中，孔隙水的排出使土壤進(jìn)一步固結(jié)，稱為固結(jié)變形。（3）第三階段是次固結(jié)變形階段，這個(gè)階段地基土內(nèi)部的孔隙水基本被排出，但土體還會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步固結(jié)，稱為次固結(jié)變形。在這個(gè)階段土壤顆粒在固定的有效應(yīng)力作用下產(chǎn)生蠕變變形，沉降量一般較小，且持續(xù)時(shí)間較長，在施工過程中一般不作深入分析[3]。

1.2 路基沉降變形機(jī)理

在路基填筑施工過程中，由于機(jī)械荷載作用、路基土自重等原因會(huì)造成路基產(chǎn)生沉降變形。與地基沉降類似，路基沉降分為四個(gè)階段。（1）第一個(gè)階段是發(fā)生階段，這個(gè)階段出現(xiàn)在路基填筑施工初期，此時(shí)地基還處于彈性變形狀態(tài)，在荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)沉降變形。（2）第二階段是發(fā)展階段，路基填筑到一定高度后，路基上部的土體自重越來越大，作用在地基上部的荷載也不斷增加。這個(gè)階段地基土逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄誀顟B(tài)，路基沉降變形量不斷增加，但隨著填筑施工時(shí)間的增長，地基土逐漸達(dá)到了固結(jié)狀態(tài)，沉降變形逐漸減小，路基沉降變形呈現(xiàn)先大后小，先快后慢的規(guī)律。（3）第三階段是成熟階段，這個(gè)階段路基填筑完成，地基上部的填土荷載不再變化，地基土和路基土處于一個(gè)緩慢的固結(jié)狀態(tài)，雖然沉降量還在增大，但沉降速率明顯放緩。（4）第四階段為極限平衡階段，經(jīng)過長時(shí)間的沉降變形，沉降量大幅下降，沉降速率較小，路基達(dá)到了極限平衡狀態(tài)，沉降量基本保持不變[4]。

2 采空區(qū)路段變形監(jiān)測(cè)方案

2.1 依托項(xiàng)目簡介

長臨高速公路K27+326—K27+980段為采空區(qū)，最小埋深22 m，最大埋深129 m，采厚1.7～2.6 m，巷道頂板為泥巖。設(shè)計(jì)采用全充填壓力注漿法進(jìn)行處治，注漿材料選用水泥、粉煤灰，固相比為1.5∶8.5。注漿水固比為1∶1.5～1∶1.0，為增加漿液黏稠度，加入2%的速凝劑。兩側(cè)設(shè)置帷幕注漿孔，布置間距為15 m，中間注漿孔間距為15 m，注漿終孔壓力為1.0～1.5 MPa，充填率為85～90%。為了檢驗(yàn)采空區(qū)的處治效果，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)路段路基的變形情況，選取有代表性的斷面開展沉降監(jiān)測(cè)。

2.2 沉降板布置

為了確定采空區(qū)段路基的沉降變形情況，在地基基面上布置沉降板，在路基填筑過程中進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。選取K27+500和K27+800斷面作為監(jiān)測(cè)斷面，每隔5 m布置一塊沉降板，每個(gè)斷面布置沉降板6塊，共計(jì)12塊，沉降板布置見圖1。

圖1 沉降板和沉降觀測(cè)樁布置

沉降板的觀測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺進(jìn)行，利用現(xiàn)有水準(zhǔn)點(diǎn)建立閉合水準(zhǔn)路線開展測(cè)量工作。該路段路基填方高度為3 m，分10級(jí)，每級(jí)填筑高度0.3 m開展填筑施工，每級(jí)填筑完工后進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。

2.3 沉降觀測(cè)樁布置

為了對(duì)采空區(qū)段路基和坡腳沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別在路基頂面和坡腳布置沉降觀測(cè)樁，具體位置為路線中心、左右線中心、左右線坡腳位置。選取K27+500和K27+800斷面作為研究對(duì)象，每個(gè)斷面布置觀測(cè)樁5根，見圖1。沉降觀測(cè)方法與沉降板相同，主要是在路基填筑完工后開展沉降監(jiān)測(cè)，用于分析路基整體結(jié)構(gòu)的沉降和位移。

3 路基沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 地基土沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在路基填筑施工過程中，開展沉降監(jiān)測(cè)，收集K27+500和K27+800斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并分析繪制路基沉降隨填筑高度和時(shí)間變化曲線，見圖2。路基沉降監(jiān)測(cè)主要分為兩個(gè)階段，即路基填筑階段和靜置階段，路基填筑階段每級(jí)填筑完成后進(jìn)行一次 監(jiān)測(cè)。

圖2 沉降變形曲線

由圖2可以得出，在路基填筑施工階段，路基沉降變形量較大，完工后沉降變形明顯下降，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。沉降曲線前期沉降速率較快，尤其是前2級(jí)填筑，路基沉降速率最大，后期沉降速率逐漸下降，填筑完成后路基沉降速率逐步下降，在完工后2個(gè)月逐步趨于平緩，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合施工過程進(jìn)行分析，路基填筑過程中由于受到施工機(jī)械荷載、填筑自重的影響，沉降量增長速度較快，尤其以前2次最快，后期逐步下降，這是由于路基填筑施工前期地基土處于彈性狀態(tài)，瞬時(shí)沉降量較大，后期地基土轉(zhuǎn)化為彈塑性狀態(tài)，沉降量不斷下降。靜置6個(gè)月后地基土沉降量不斷減小，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明采空區(qū)處治后地基達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 路基頂面和坡腳沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在路基填筑施工完成后，布置沉降觀測(cè)樁對(duì)路基頂面和坡腳開展沉降觀測(cè)，收集沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制沉降變形曲線見圖3。由于兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果相近，僅取K27+500斷面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果作為研究對(duì)象。

圖3 K27+500斷面路基頂面和坡腳沉降變形曲線

從圖3可以看出，在路基填筑完工后，路基中心和坡腳的沉降量仍然會(huì)有一定程度的增加，增加量比較小，且隨著時(shí)間的增長沉降量不斷減小，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在路基填筑完工后的3個(gè)月內(nèi)，路基沉降量有一定幅度的增長，3個(gè)月后基本沒有增長。比較5個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量，路線中線沉降量最大，兩側(cè)坡腳最小，左右幅路基中心居中，但差值較小，基本可忽略不計(jì)。另外，比較觀測(cè)樁與沉降板的監(jiān)測(cè)結(jié)果，二者的監(jiān)測(cè)結(jié)果十分接近，說明在靜置狀態(tài)下路基的沉降量很小，路基整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

以長臨高速公路采空區(qū)處治為研究背景，對(duì)采空區(qū)處治后的地基和路基開展沉降監(jiān)測(cè)。（1）分析沉降板監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出路基填筑施工過程中地基沉降量增加速度快，且呈現(xiàn)先快后慢、先大后小的發(fā)展規(guī)律，填筑完工后沉降量明顯下降，地基沉降逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。（2）分析沉降觀測(cè)樁監(jiān)測(cè)結(jié)果，路基填筑完工后路基頂面和坡腳前期有一定幅度的增加，但幅度較小，后期逐漸趨于平穩(wěn)，且路線中線、路基左右幅中心線和坡腳沉降量差異不大，路基沉降最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。綜上，該采空區(qū)路段在處治后路基沉降變形最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期效果。