劉富成， 陳虹宇， 吳賢國， 凌 誠

(1. 湖北交投十巫高速公路有限公司， 湖北 十堰 442000， 2. 南洋理工大學(xué) 土木工程與環(huán)境學(xué)院，新加坡 639928； 3. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

近年來，我國山區(qū)高速公路建設(shè)步伐不斷加快，工程界對于山區(qū)軟土的認(rèn)識也逐步加深，在現(xiàn)有階段對山區(qū)軟土的認(rèn)識上，深入了解山區(qū)軟土的特性，依托現(xiàn)有工程，對施工地區(qū)的山區(qū)軟土特性進(jìn)行總結(jié)，并指導(dǎo)未來計(jì)劃實(shí)施的相似工程十分必要。

關(guān)于海相沉積軟土[1～3]、三角洲軟土[4, 5]、湖相沉積軟土特性[6, 7]、沉降以及處理工程措施[8～10]，國內(nèi)外有了較深入的研究，一套成熟的處理方法和系統(tǒng)的理論已經(jīng)形成。在山區(qū)軟土工程特性研究方面，常常從一般軟土與山區(qū)軟土的共性出發(fā)，分析山區(qū)軟土的工程特性，如漆寶瑞[11]深入研究了山區(qū)軟土的工程特性和形成原因，并著重分析了“斜坡軟土”的工程特性對填方路堤的沉降性以及穩(wěn)定性的作用，并研究了“斜坡軟土”的地基處理方法；張良[12]基于文獻(xiàn)中對軟土的各種性質(zhì)研究的描述對比，根據(jù)一般軟土與斜坡軟土的共同特點(diǎn)和各自區(qū)別，建立離心模型并通過相應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析了斜坡軟弱土地基的穩(wěn)定性；王青[13]通過認(rèn)真分析“山坡型軟黏土”的形成原因以及它的工程特性，研究了山坡型軟土的穩(wěn)定性及相應(yīng)處理措施。山區(qū)軟土與一般軟土雖然物理力學(xué)指標(biāo)相似，但在形成原因及分布范圍等有所區(qū)別，現(xiàn)階段對山間谷底的沖積、坡積、洪積軟土雖有一定的研究，但缺乏區(qū)別于一般軟土的且有系統(tǒng)的研究。

山區(qū)軟土的穩(wěn)定性評判已有一定的研究，但還存在一些不容忽視的問題。對軟土的基本性質(zhì)，人們己經(jīng)取得了一些共識，但是在實(shí)際工程中，人們發(fā)現(xiàn)，在不同地區(qū)或在同一地區(qū)的不同路段，某些軟土具有大相徑庭的工程特性。本研究主要針對山區(qū)軟土，依托已建的高速公路軟土資料搜集，進(jìn)行山區(qū)軟基穩(wěn)定性的總結(jié)分析。目前常用的三種基于軟土地基變形特征的路基穩(wěn)定判別方法：表觀判斷法、預(yù)警值法和拐點(diǎn)法，對于各類型軟弱地基有通用性，均可應(yīng)用于山區(qū)軟基路段穩(wěn)定判別。本文主要研究針對山區(qū)軟土地基特點(diǎn)，對這三種方法的優(yōu)化應(yīng)用。

1 山區(qū)軟基監(jiān)控技術(shù)研究

山區(qū)軟土地基多為傾斜地基，橫向上軟土較厚一側(cè)的沉降與水平位移相對平原軟基變形要大，地基變形與穩(wěn)定性問題較突出，為確保路基穩(wěn)定與減少工后沉降，必須對山區(qū)軟基施工期進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)控，不僅能根據(jù)施工中反饋信息驗(yàn)證和完善設(shè)計(jì)，有效控制施工速率，確保路堤的穩(wěn)定性，還能通過沉降監(jiān)測資料定量分析評價(jià)路堤工后沉降，從而合理安排卸載及路面鋪筑時(shí)間。

1.1 常用監(jiān)控技術(shù)

山區(qū)軟基常用的監(jiān)測技術(shù)主要有表面沉降觀測、孔隙水壓力觀測與側(cè)向位移觀測，根據(jù)課題組多年的監(jiān)測工作經(jīng)驗(yàn)，上述3種監(jiān)測方法及其施工工藝流程具體如下：

(1)表面沉降觀測

用于測量地基表面的沉降量，其實(shí)施工藝流程為：表面沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降板制作→測量放樣→開挖沉降板埋設(shè)試坑→埋設(shè)沉降板→填寫埋設(shè)考試表→表面沉降水準(zhǔn)測量→表面沉降點(diǎn)高程計(jì)算→表面沉降量計(jì)算→下一次水準(zhǔn)測量。

(2)孔隙水壓力監(jiān)測

主要用于測試土體中孔隙水壓力的變化情況，其實(shí)施工藝流程為：埋設(shè)前的準(zhǔn)備工作→測量放樣→鉆機(jī)鉆孔→測頭埋設(shè)→測量電纜埋設(shè)→填寫埋設(shè)考試表→孔隙水壓力測量→孔隙水壓力計(jì)算→超靜孔隙水壓力計(jì)算→下一次孔隙水壓力測量

(3)側(cè)向位移監(jiān)測

測斜儀主要是用來測量軟土地基或結(jié)構(gòu)物的水平位移情況，對于工程建設(shè)的安全施工和長期穩(wěn)定性檢測都十分重要。其實(shí)施工藝流程為：埋設(shè)前的準(zhǔn)備工作→測量放樣→鉆機(jī)鉆孔→測斜管埋設(shè)→填寫埋設(shè)考試表→水平位移的測量→本次水平位移的計(jì)算→下一次水平位移的測量。

1.2 監(jiān)控優(yōu)化研究

山區(qū)高速公路線路往往較長，軟土地基路段較多，對所有軟基路段均進(jìn)行表面沉降、孔隙水壓力與側(cè)向位移的觀測工作量非常大，在工程實(shí)踐中，通常是委托經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)力量強(qiáng)的專業(yè)單位對重點(diǎn)、難點(diǎn)路段進(jìn)行第三方監(jiān)測，其余普通軟基路段由施工單位自行監(jiān)測。第三方監(jiān)測的監(jiān)測方案制定是否科學(xué)合理對整條公路的軟基監(jiān)測起著至關(guān)重要的作用，因此，課題組針對山區(qū)軟基變形的特點(diǎn)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，開展了山區(qū)軟基監(jiān)控技術(shù)優(yōu)化研究。第三方監(jiān)測方案中關(guān)鍵的內(nèi)容有監(jiān)測斷面選擇、監(jiān)測儀器布設(shè)與監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。

1.2.1 監(jiān)測斷面的選擇

合理選擇監(jiān)測斷面才能真實(shí)反映軟土變形狀態(tài)，才能科學(xué)、準(zhǔn)確、有效地指導(dǎo)施工和評價(jià)工后沉降與軟基處理效果。監(jiān)測斷面的選擇需要考慮的因素主要有軟土分布狀況(包括范圍、厚度、底面是否傾斜)、物理力學(xué)性質(zhì)、路基填高、軟基處理方法、周邊地形地貌等。根據(jù)山區(qū)軟基特點(diǎn)，一般情況下可選擇以下路段作為監(jiān)測斷面：

(1)路基附近軟土厚度大并且性質(zhì)差的路段、有較深水塘或者占用半幅水塘的路段；

(2)填土高度大的路段；

(3)沿路基橫向軟土厚度變化較大的路段(如丘陵邊緣地帶)；

(4)橋頭、涵洞、機(jī)耕通道附近；

(5)采用特殊處理方法的路段(如復(fù)合地基+排水固結(jié)路段等)。

1.2.2 監(jiān)測儀器布設(shè)

監(jiān)測儀器應(yīng)根據(jù)路基具體工況針對性布設(shè)，確保能夠觀測到本路段內(nèi)不同沉降組成中最大的變形和軟土中最大孔隙水壓力。根據(jù)山區(qū)軟基變形特點(diǎn)與課題研究成果，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)按以下要求進(jìn)行監(jiān)測儀器布設(shè)工作：

(1)同一斷面上的監(jiān)測儀器應(yīng)沿路基橫向布設(shè)；

(2)沉降觀測點(diǎn)應(yīng)設(shè)置于兩側(cè)路肩與路中位置對應(yīng)的路堤底面；

(3)對于復(fù)合地基，應(yīng)在同一斷面布設(shè)樁頂與樁間土的沉降觀測點(diǎn)，用于分析樁土差異沉降、樁承載力性狀；

(4)根據(jù)山區(qū)軟基沉降組成分析，高路堤自身壓縮沉降占總沉降比例較大，且是工后沉降重要組成部分，應(yīng)在路基93區(qū)頂面布設(shè)沉降觀測點(diǎn)進(jìn)行路堤壓縮量的觀測，沉降觀測點(diǎn)布設(shè)于路堤底面沉降觀測點(diǎn)附近，通過對比同一位置不同高度沉降觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析路堤壓縮沉降；

(5)根據(jù)課題組離心模型試驗(yàn)結(jié)果，傾斜地基軟土主要發(fā)生向地基傾斜方向的水平位移，因此，水平位移觀測的測斜管應(yīng)埋設(shè)于地勢較低一側(cè)的路基坡腳；

(6)對于管樁復(fù)合地基，宜在地勢較低一側(cè)路基坡腳附近的管樁空腔內(nèi)布設(shè)一條測斜管，用于分析樁是否發(fā)生了傾斜與軟土是否發(fā)生了沿樁的繞流；

(7)孔隙水壓力計(jì)布設(shè)于路面投影范圍內(nèi)的地基中軟土最厚的位置，每間隔2～3 m深度埋設(shè)一個(gè)；

(8)傾斜地基在失穩(wěn)破壞前，路基坡角有明顯的隆起變形，應(yīng)在地勢較低一側(cè)的路基坡角布設(shè)沉降觀測點(diǎn)；

(9)路面施工期地基表面沉降往往被破壞，此時(shí)多數(shù)工程均終止了路基穩(wěn)定監(jiān)控，在實(shí)踐工程中，山區(qū)高填路基多采用欠載預(yù)壓，但實(shí)際上路面荷載和交通荷載均影響路基穩(wěn)定性，因此，路面施工期應(yīng)恢復(fù)所有測點(diǎn)，并持續(xù)觀測至路面施工完成。

1.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

軟基監(jiān)測很大的一個(gè)作用是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋路基變形狀況，指導(dǎo)路基填筑施工速率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化施工。因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)需要及時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)反饋并采用相應(yīng)措施。除此之外，針對山區(qū)軟基的變形特點(diǎn)，在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時(shí)還應(yīng)做好以下幾點(diǎn)工作：

(1)收集監(jiān)測路段的地形圖、地質(zhì)資料、實(shí)際施工時(shí)軟基處理各項(xiàng)參數(shù)、軟基處理施工質(zhì)量檢測資料等，同時(shí)應(yīng)結(jié)合儀器埋設(shè)進(jìn)一步摸清地層分布狀況，上述資料可供發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定隱患分析和軟基處理效果評價(jià)時(shí)使用；

(2)分析地勢較低一側(cè)路肩累計(jì)沉降與坡腳最大水平位移關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)最大水平位移與路肩累計(jì)沉降比值大于0.4時(shí)，路基穩(wěn)定安全系數(shù)較低，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測與控制填土速率；

(3)根據(jù)路堤壓縮沉降觀測數(shù)據(jù)，分析路堤剩余壓縮沉降，同時(shí)還要根據(jù)總沉降觀測數(shù)據(jù)，分析總剩余沉降；

(4)利用沉降、水平位移、孔壓數(shù)據(jù)綜合分析路基穩(wěn)定狀況，不宜按單一指標(biāo)閥值判斷路基穩(wěn)定。

2 山區(qū)軟基路基穩(wěn)定判別方法研究

2.1 常用穩(wěn)定判別方法

監(jiān)測過程中，山區(qū)軟土路基穩(wěn)定性判別方法常有以下三種，分別為表觀判斷法、預(yù)警值法和拐點(diǎn)法，具體如下：

2.1.1 表觀判斷法

基于以往公路施工經(jīng)驗(yàn)得知，在堆載情況下，如果路基出現(xiàn)一些跡象，比如裂縫、隆起等，則表明地基即將破壞。通常加載情況下，當(dāng)路基出現(xiàn)以下情況，即認(rèn)為地基有發(fā)生破壞征兆：

(1)微小裂縫出現(xiàn)在堆載頂部、斜面或坡趾；

(2)地面隆起發(fā)生在堆載坡趾附近；

(3)縱向裂縫呈圓弧狀，并在停止堆載后繼續(xù)發(fā)展；

(4)堆載坡趾附近地面隆起在停止堆載后繼續(xù)增大；

(5)表面沉降量、深層水平位移、孔壓等在加載區(qū)域內(nèi)急劇增加；

(6)各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在停止堆載后收斂不明顯或者持續(xù)增加。

2.1.2 預(yù)警值法

必須在多種儀器嚴(yán)密監(jiān)控下進(jìn)行軟土地基加載，在如何安排施工措施、采取合理的施工工序、提高設(shè)計(jì)水平和反分析設(shè)計(jì)中，監(jiān)測信息起著重要的作用。加載過程中綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)收集加荷信息、地基應(yīng)力(孔隙水壓力、土壓力)、應(yīng)變(沉降、位移)等資料，常規(guī)的穩(wěn)定控制方法是將得出的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與定量監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行對比。根據(jù)過去公路監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)，綜合判斷路堤的穩(wěn)定性要結(jié)合地質(zhì)條件、邊界條件等因素，路堤穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)在路堤達(dá)到極限平衡狀態(tài)(即破壞狀態(tài))時(shí)的指標(biāo)如下：

(1)加載期間

單日沉降速率vs≤10 mm/d，側(cè)向位移速率vm≤5.0 mm/d，綜合孔壓系數(shù)B≤0.6。

(2)下級加載前

單日沉降速率收斂明顯，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，單日沉降速率vs≤5 mm/d，側(cè)向位移速率vm≤1.0 mm/d，單級孔壓消散度≥55%。

(3)停載期間

一般來說，進(jìn)行下一級加載的前提是，各項(xiàng)指標(biāo)都必須滿足相應(yīng)要求。路基填筑如受總工期影響，必須根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況加快速率，則必須加密監(jiān)測頻率，并隨機(jī)動(dòng)態(tài)增加監(jiān)控?cái)嗝?，密切觀察是否有變化產(chǎn)生于路基表面，為了防患于未然，出現(xiàn)問題必須及時(shí)上報(bào)解決。

2.1.3 拐點(diǎn)法

理論和實(shí)踐均表明，路基荷載(路基填土厚度)和填土速率影響路基瞬時(shí)沉降、側(cè)向位移、超靜孔壓等指標(biāo)。如果上述指標(biāo)與路基荷載(填土厚度)成線性關(guān)系時(shí)，則表明填土速率適當(dāng)；如果路基穩(wěn)定性降低，則表明填土速率過快；如果關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，則表明上述指標(biāo)與路基荷載(填土厚度)的導(dǎo)數(shù)增大。

對于相對均質(zhì)的軟土地基，荷載-瞬時(shí)沉降、荷載-水平位移、荷載-孔壓增量累計(jì)值曲線可能出現(xiàn)三段直線或曲線、兩個(gè)拐點(diǎn)。

(1)第一段為壓密階段，第一個(gè)拐點(diǎn)對應(yīng)軟土層的前期固結(jié)壓力或臨塑壓力；

(2)第二段為剪切階段，地基中出現(xiàn)塑性區(qū)且范圍不斷擴(kuò)大，第二個(gè)拐點(diǎn)對應(yīng)極限荷載；

(3)第三段為破壞階段，地基中塑性區(qū)基本貫通。

因此，可以利用拐點(diǎn)法評估路基穩(wěn)定性。

2.2 山區(qū)軟基路基穩(wěn)定判別方法應(yīng)用優(yōu)化分析

上述3種路基穩(wěn)定判別方法均基于軟土地基變形的特征，對于各類型軟弱地基有通用性，均可應(yīng)用于山區(qū)軟基路段穩(wěn)定判別。這里主要研究山區(qū)軟土地基特點(diǎn)下這幾種方法的優(yōu)化應(yīng)用。

2.2.1 表觀判斷法

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)利用各種監(jiān)測信息，結(jié)合路堤和軟土地基狀況，綜合采用表觀法、預(yù)警值法、拐點(diǎn)法等不同穩(wěn)定評估方法進(jìn)行路基穩(wěn)定性評估。

表觀判斷法明了直接，但裂縫的形成原因較為復(fù)雜，出現(xiàn)的地方不同，其表現(xiàn)形式更是各種各樣，可能導(dǎo)致路基裂縫的原因有不均勻沉降、干縮、路基穩(wěn)定性差等，路面開裂則還有交通荷載、施工接縫等方面的原因。因此利用表觀判斷法首先應(yīng)分析裂縫出現(xiàn)的原因，不能一概而論認(rèn)為裂縫出現(xiàn)就意味著地基穩(wěn)定性下降。因此，表觀判斷法只能用于初步判別路基穩(wěn)定性，準(zhǔn)確的判斷還需要應(yīng)用多種監(jiān)測指標(biāo)綜合分析。

2.2.2 預(yù)警值法

2.2.2.1 應(yīng)用關(guān)鍵內(nèi)容分析

(1)預(yù)警值法分析

預(yù)警值法可依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)直接判斷路基的穩(wěn)定性，判斷標(biāo)準(zhǔn)簡單明了，易于操作。預(yù)警值判斷標(biāo)準(zhǔn)為定值標(biāo)準(zhǔn)，路基常用的預(yù)警值為水平位移速率4～6 mm/d，沉降速率10～15 mm/d等。但是部分工程未到達(dá)預(yù)警值已經(jīng)滑塌，部分工程超過預(yù)警值仍未滑塌。主要原因有：

1)上述預(yù)警值對應(yīng)5 kPa/d左右的加載速率，實(shí)際工程加載速率與此不同；

2)沉降速率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為不排水固結(jié)沉降速率，主固結(jié)沉降速率越大越利于路基穩(wěn)定；

3)上述指標(biāo)未與軟土厚度及性質(zhì)關(guān)聯(lián)。

(2)預(yù)警值法判別標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合工程滑塌前速率變化情況和靜載試驗(yàn)極限承載力判定標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)警值取正常速率的2倍。根據(jù)瞬時(shí)沉降、水平位移產(chǎn)生機(jī)理，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)得到表面沉降速率、水平位移速率預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)公式。

(1)

(2)

式中：Vsa為沉降速率預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)(mm/d)；Sc為路基軟土層主固結(jié)沉降(mm)；RE為軟土變形模量與壓縮模量的比值，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可取5；H為路堤填土厚度(m)；h為一天填筑厚度(m)；Vc為固結(jié)沉降速率(mm/d)；Vha為水平位移速率預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)(mm/d)；W為路基水平位移影響寬度(m)，可取軟土層地面埋深的1.5倍且不大于路基底面寬度的一半；Ts為軟土層厚度(m)。

(3)預(yù)警值法注意事項(xiàng)

需要注意的是，路基滑動(dòng)范圍與路基寬度、軟土空間分布及其性質(zhì)等因素有關(guān)。當(dāng)路基寬度較小、軟土厚度較大時(shí)，路基滑塌前路基中線處沉降變化明顯；當(dāng)路基寬度較大、軟土厚度較小時(shí)，滑動(dòng)面不經(jīng)過路基中線，此時(shí)利用路肩附近的沉降監(jiān)測資料更有利于穩(wěn)定分析。因此，為避免誤判，應(yīng)分別利用監(jiān)測斷面不同位置的沉降監(jiān)測資料判斷。

對于水泥攪拌樁、CFG樁、管樁等膠結(jié)樁復(fù)合地基，由于樁間土荷載與路基荷載的比值較小，將排水固結(jié)法的預(yù)警值用于膠結(jié)樁復(fù)合地基不利于路基穩(wěn)定。對于地基中仍存在軟弱土的換填法、預(yù)壓法等，因地基中缺少排水通道，沉降速率較小，將排水固結(jié)法的預(yù)警值用于此類地基同樣不利于路基穩(wěn)定。

2.2.2.2 案例分析

表1為某高速公路部分路段最大沉降與最大位移速率統(tǒng)計(jì)表，從表中可見各路段最大沉降與最大位移速率變化很大，且沉降速率沿路基橫向變化也較大。這主要是受山區(qū)軟基沉降組成中有一部分為非軟弱土的固結(jié)沉降、山區(qū)軟土分布厚度變化大、山區(qū)軟土飽和度變化較大、處理方法不同的影響，因此，采用單一的預(yù)警值來判斷不同處理方法、不同路段的路基穩(wěn)定性存在明顯不足。但從安全角度來看，綜合應(yīng)用常用的水平位移速率4～6 mm/d、沉降速率10～15 mm/d預(yù)警值有利于路基穩(wěn)定控制，可用于路基穩(wěn)定初步判別。

表1 某高速部分路段最大沉降與最大位移速率

2.2.3 拐點(diǎn)法

2.2.3.1 應(yīng)用關(guān)鍵內(nèi)容分析

(1)拐點(diǎn)法應(yīng)用

據(jù)前所述，路基穩(wěn)定判別拐點(diǎn)法采用荷載-瞬時(shí)沉降、荷載-水平位移、荷載-孔壓增量曲線，前人在此方面做了大量研究工作，如：

1)上海金山石化某油罐工程項(xiàng)目沖水預(yù)壓試驗(yàn)得到的荷載-孔壓增量累計(jì)值曲線第一個(gè)拐點(diǎn)情況見表2。不同土層拐點(diǎn)前后斜率比值不同；地基經(jīng)預(yù)壓后第二次預(yù)壓時(shí)拐點(diǎn)荷載增大，滲透系數(shù)為2.35×10-5cm/s的淤泥質(zhì)亞黏土增大量明顯大于其下方滲透系數(shù)為1.024×10-7cm/s的淤泥質(zhì)黏土層。

2)未進(jìn)行地基處理的福建省蒲田北洋海堤試驗(yàn)段監(jiān)測表明，滑塌前2個(gè)孔隙水壓力計(jì)對應(yīng)的孔隙水壓力增量累計(jì)值-荷載曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)兩側(cè)斜率比值為3.0～3.3；一側(cè)路肩處地基表面沉降-荷載曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)兩側(cè)斜率比值為3.9。

3)廣東省西部沿海高速公路試驗(yàn)段表明，路基瀕臨滑塌時(shí)荷載-瞬時(shí)沉降累計(jì)值曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)兩側(cè)斜率比值為3.1～3.6。高速公路某軟基加固段荷載-瞬時(shí)沉降曲線在滑塌前出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)兩側(cè)斜率比值為3.2～3.9。

表2 上海某項(xiàng)目試驗(yàn)段第一個(gè)拐點(diǎn)斜率比值

2.2.3.2 拐點(diǎn)法注意事項(xiàng)

在采用拐點(diǎn)法時(shí)，山區(qū)軟土地基因軟弱土分布厚度相對較小，一般路基穩(wěn)定監(jiān)控沒有孔隙水壓力觀測項(xiàng)目，在瞬時(shí)沉降與水平位移速率取值時(shí)應(yīng)注意：

(1)瞬時(shí)沉降不包括固結(jié)沉降。相對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鞣ㄊ菍⒓虞d間歇后期的沉降速率看作固結(jié)沉降速率，加載當(dāng)天及加載間歇前期的沉降速率減去固結(jié)沉降速率得到瞬時(shí)沉降速率，由瞬時(shí)沉降速率累計(jì)得到瞬時(shí)沉降。

監(jiān)測實(shí)踐表明，對于飽和度接近100%、滲透性很差的平原軟土，瞬時(shí)沉降主要發(fā)生在加載當(dāng)天，且加載當(dāng)天的沉降主體為形變沉降，為分析簡便起見，瞬時(shí)沉降可由加載當(dāng)天的沉降速率累計(jì)得到。但由于山區(qū)軟弱土平均飽和度約為93%，不排水沉降持續(xù)時(shí)間較短，填土當(dāng)天的沉降量不僅包含了瞬時(shí)沉降，還有固結(jié)沉降。單級荷載作用下發(fā)生瞬時(shí)沉降取值填土當(dāng)天的沉降速率偏大，荷載-瞬時(shí)沉降曲線的斜率亦會偏大，路基穩(wěn)定判別結(jié)果偏保守。鑒于山區(qū)軟弱土物理力學(xué)性質(zhì)變化大的特點(diǎn)，按此取值有利于路基穩(wěn)定控制。

(2)地基深層水平位移沿深度大小不同，繪制荷載-水平位移曲線時(shí)應(yīng)采用最大位移，這樣路基穩(wěn)定性判別時(shí)更容易發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)。

2.2.3.3 案例分析

(1)拐點(diǎn)法應(yīng)用于管樁復(fù)合地基處理分析

1)某高速公路K1579+050斷面

某高速公路K1579+050斷面所處路段為全斷面填方路段，地勢平緩，采用管樁復(fù)合地基，路基填土設(shè)計(jì)高度為15.463 m，設(shè)計(jì)樁長為17.3 m，根據(jù)右路肩沉降數(shù)據(jù)，確定該斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線圖和路基填土曲線圖(分別見圖1，2。圖中ΣVmax為瞬時(shí)沉降；Σh為路基填土高度)，荷載-瞬時(shí)沉降曲線出現(xiàn)了4個(gè)拐點(diǎn)，斜率比值分別為0.40，1.49，2.54，0.09，該路段于2014年10月初至11月初是路基快速填土階段，一個(gè)月累計(jì)填土5.23 m，斜率比值為1.49和2.54，對應(yīng)的時(shí)間是快速填土的初期與末期。在路基快速填土期間，如果地基穩(wěn)定性下降，曲線斜率不斷增大，則表明填土速率高于地基強(qiáng)度增加速率。如果荷載-瞬時(shí)沉降曲線斜率僅為前一段斜率的9%，則表明路基填土速率降低，地基的穩(wěn)定性恢復(fù)提高。

圖1 K1579+050斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線

圖2 K1579+050斷面路基填土曲線

2)某高速公路K1579+910斷面

某高速公路K1579+910斷面所處路段為全斷面填方路段，地勢較緩，右側(cè)有池塘，設(shè)計(jì)采用管樁復(fù)合地基處理，樁長10.8 m，路基填土高度14.18 m，根據(jù)右路肩沉降數(shù)據(jù)，確定了該斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線圖和路基填土曲線圖(圖3，4)，荷載-瞬時(shí)沉降曲線出現(xiàn)了3個(gè)拐點(diǎn)，斜率比值分別為2.70，0.32，2.54，3.21，該路段于2014年9月4日至2014年11月3日這60 d時(shí)間內(nèi)，累計(jì)完成填筑9.177 m的路基。在此快速填土后期，如果地基穩(wěn)定性明顯下降，則表明深層水平位移達(dá)到了3.35 mm/d，最大沉降速率達(dá)到了17.0 mm/d，此時(shí)荷載-瞬時(shí)沉降曲線斜率對應(yīng)增大了2.70倍。此后如果荷載-瞬時(shí)沉降曲線斜率降低為前一段斜率的32%時(shí)，則表明路基填土速率降低。如果荷載-瞬時(shí)沉降曲線斜率增大了3.21倍，深層水平位移為2.64 mm/d，最大沉降速率達(dá)到了13.6 mm/d，則表明填土速率在路基填筑末期又加快了。

圖3 K1579+910斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線

圖4 K1579+910斷面路基填土曲線

(2)清表回填+反壓護(hù)道處理

某山區(qū)高速公路K84+260斷面所在路段為全斷面填方路段，采用清表回填+反壓護(hù)道處理，路基填土高度13.352 m，根據(jù)右路肩沉降數(shù)據(jù)，確定該斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線圖和路基填土曲線圖(圖5，6)。荷載-瞬時(shí)沉降曲線出現(xiàn)2個(gè)拐點(diǎn)，斜率比值分別為4.16，0.57，第一個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，最大深層水平位移達(dá)到了8.4 mm/d，最大沉降速率達(dá)到了18 mm/d，表明地基穩(wěn)定性已大幅下降。為確保路基施工安全穩(wěn)定，施工方根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，增設(shè)了反壓護(hù)道，并且調(diào)整路基填筑速率，實(shí)現(xiàn)了填筑路基安全施工。荷載-瞬時(shí)沉降曲線圖第3段曲線斜率稍有下降，對應(yīng)填筑路基間歇了37 d。

圖5 K84+260斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線

圖6 K84+260斷面路基填土曲線

(3)拐點(diǎn)法應(yīng)用于清淤換填處理分析

某山區(qū)高速公路K45+245斷面所在路段為全斷面填方路段，采用清淤換填處理，路基填土高度21.03 m，根據(jù)路基中間沉降數(shù)據(jù)，確定該斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線圖和路基填土曲線圖(圖7，8)。該路段于2014年9月19日至2014年10月1日之間填土速率非?？?，12 d共填筑7.90 m厚，期間沉降速率多次出現(xiàn)大于20 mm/d的情況，最大水平位移速率也達(dá)到了8.66 mm/d，按照預(yù)警值法該路段的穩(wěn)定性已明顯下降，需要降低路基填筑速率。由圖7可見，該路段荷載-瞬時(shí)沉降曲線雖然出現(xiàn)了3個(gè)拐點(diǎn)，但斜率比值均較小，分別為1.27，0.50，0.26，可以判斷路基一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，后續(xù)并未降低填土速率，路基最終順利快速填筑完成。

圖7 K45+245斷面荷載-瞬時(shí)沉降曲線

圖8 K45+245斷面路基填土曲線

(4)應(yīng)用小結(jié)

根據(jù)上述應(yīng)用實(shí)例，拐點(diǎn)法判別山區(qū)軟基的穩(wěn)定性與路基實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)較相符，確保了路基快速安全填筑，是一種較適合于山區(qū)軟土路基穩(wěn)定的判別方法。

由于缺少路基臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，目前尚無法確定拐點(diǎn)法判別路基穩(wěn)定時(shí)路基臨界失穩(wěn)狀態(tài)下對應(yīng)的拐點(diǎn)斜率比值，但從上述應(yīng)用實(shí)例來看，可初步確定曲線拐點(diǎn)前后兩段斜率比值大于3時(shí)穩(wěn)定性已明顯下降，此時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)穩(wěn)定性監(jiān)控。

3 結(jié) 論

(1)利用表觀判斷法判別軟基穩(wěn)定性，應(yīng)注意分析裂縫出現(xiàn)的原因，否則裂縫與地基穩(wěn)定性無法建立必然聯(lián)系。因此，表觀判斷法只能應(yīng)用于初步判別路基穩(wěn)定性，根據(jù)判斷結(jié)果，對重點(diǎn)位置進(jìn)行多種監(jiān)測指標(biāo)綜合分析。

(2)利用預(yù)警值法判別軟基穩(wěn)定性，對不同處理方法、不同路段的路基穩(wěn)定性需要綜合考慮各種預(yù)警值，傳統(tǒng)單一預(yù)警值的判別方法不能滿足復(fù)雜工程的安全性要求。從安全角度來看，綜合應(yīng)用常用的水平位移速率4～6 mm/d、沉降速率10～15 mm/d預(yù)警值有利于路基穩(wěn)定控制，可用于路基穩(wěn)定初步判別。

(3)利用拐點(diǎn)法判法判別軟基穩(wěn)定性，需要建立路基荷載(路基填土厚度)、填土速率與路基瞬時(shí)沉降、側(cè)向位移以及超靜孔壓等指標(biāo)的關(guān)系，通過關(guān)系曲線的導(dǎo)數(shù)變化對路基穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)某高速公路的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析，相較于表觀判斷法和預(yù)警值法，拐點(diǎn)法判別山區(qū)軟基的穩(wěn)定性與路基實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)更相符，是一種較適用于山區(qū)軟土路基穩(wěn)定的判別方法；并可初步確定曲線拐點(diǎn)前后兩段斜率比值大于3時(shí)穩(wěn)定性已明顯下降，此時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)穩(wěn)定性監(jiān)控。

(4)對比各種方法在常規(guī)路基穩(wěn)定性判斷結(jié)果和山區(qū)軟基穩(wěn)定性判斷結(jié)果得出，單一的評價(jià)方法往往有很大的局限性，將各種方法應(yīng)用于合適的階段，才能充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢，使穩(wěn)定性判斷結(jié)果更加可靠地指導(dǎo)工程實(shí)際。