彭 晨

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

在西北地區(qū)，黃土因分布廣、高穩(wěn)定性、承載力大的特點被廣泛應用于工程之中，但遇水土體內部結構突變而強度瞬間下降的特性會引起基礎沉降問題。為此，張耀峰[1]進行陜西軟土地基的沉降預測，證明動態(tài)灰色預測模型比傳統(tǒng)模型精度高；楊林浩[2]研究濕陷性黃土路基沉降觀測能確定無砟軌道的施工時間，表明實際沉降推算可采用雙曲線法和對數曲線法建立沉降與時間的曲線關系；王婧[3]借助突變理論的數學模型研究黃土失穩(wěn)情況，證明若應力滿足模型的分叉點集方程時，黃土空隙微結構會發(fā)生失穩(wěn)。上述專家研究濕陷性黃土路基沉降預測和沉降計算，分析黃土沉降量對施工的影響，本文圍繞G309國道固原至西吉A1合同段濕陷性黃土路基進行監(jiān)測沉降，在上述成果基礎上，結合施工進度，進一步研究西北地區(qū)濕陷性黃土的沉降規(guī)律。

1 工程概況

G309國道固原至西吉高速公路全長46.5 m，路基施工分為7個標段，研究選取A1段為沉降觀測試驗區(qū)。合同K0+000-K1+500段路線布設于黃土丘陵段，屬黃土梁坡地帶、地勢起伏較大。地層主要為第四紀更新世風積黃土，黃土以硬塑為主；K1+500-K6+000段路線布設于河谷沖積平原地帶，該段地勢開闊平坦，主要為清水河水系左岸支流大營河沖積平原，局部地段略有起伏。該區(qū)地層上部為第四紀全新世沖積黃土狀粉土，其下為角礫夾粉土，粉土層厚度一般為1～15 m不等，粉土多具有濕陷性，下部為粉土、粉質黏土、角礫。

施工主線為整體式路基，路基寬度為24.5 m，雙向四車道，為保證路基穩(wěn)定，對濕陷性區(qū)域采用素土擠密樁處理加固，樁長5.5 m，樁徑40 cm，間距0.8 m，樁上回填50 cm水泥土。

2 監(jiān)測方案

本文選取3組素土擠密樁處理地基斷面、3組天然基礎斷面、2組填方與橋臺搭接處斷面共計8組高填方路基斷面，對路基表面和底基層進行聯合觀測。試驗工作內容：①在路基基底斷面中心線部位埋設沉降板，觀測路堤中心位置沉降；②路基頂面兩側路肩位置埋設沉降觀測樁，觀測工后沉降；③路基底部埋設PVC剖面沉降管，觀測全斷面路基沉降；④傳感器布置埋設，觀測土壓力、含水率的變化。

觀測頻率：在路堤填筑期間，每天觀測1次，待填筑穩(wěn)定后可每3 d觀測1次，雨雪天氣時可加大觀測頻率；路基施工完成后，前2～3個月每5 d觀測1次，3個月以后可適當減少觀測頻率。

2.1 沉降觀測樁

路基頂面施工完成后，在斷面路肩左右寬30 cm處，開挖并埋設深度40 cm，截面尺寸20 cm×20 cm的正方形，并用水泥砂漿預制澆筑，樁體預留直徑為20 mm的不銹鋼鋼棒，底部焊接成彎鉤形狀，頂部刻上十字線，并外露樁頂3 cm作為觀測點。埋設完成后，用水準儀測定十字線的高程作為初始讀數，沉降觀測柱A1和A2及斷面示意見圖1。

圖1 斷面測試元件布置圖

2.2 沉降板

路基沉降板由底板、金屬測桿、接頭、PVC保護套管、頂帽等組成。先開挖路基，在埋設位置處用厚度10 cm砂墊層整平，埋設底板，保證底板水平，并使側桿與地面垂直。后回填砂墊層，人工整平，安設PVC保護套管，確保保護套管略低于側桿，然后封蓋，分層回填素土。埋設完成后，測定埋設底板與接頭相接的金屬測桿桿頂標高作為初始讀數。

隨著路基填筑高度的增加，應逐漸接高測桿和PVC保護套管，接高后重新測定測桿桿頂的高程，確定接高量，依次循環(huán)。

2.3 智能弦式數碼土壓力盒

本次試驗采用金馬JMZX-5xxx系列土壓力盒，見圖1中位置C1、C2和C3。在埋設時，將土壓力盒受力承壓膜面向上安裝在土層里，確保土壓力盒水平安裝。安裝好后，在其周圍覆蓋30 cm厚的中砂后壓實。

2.4 水分溫度速測儀

將水分傳感器的金屬探針全部水平或垂直插入土壤，接上儀表插頭即可工作，探針插入位置如圖1中D1、D2和D3。

2.5 剖面沉降管

剖面沉降管的埋設是沉降觀測的一個中心環(huán)節(jié)，它包括開挖斷面、水平放樣、連接沉降管、管體就位、回填土層等環(huán)節(jié)。沉降管外徑53 mm，內徑45 mm，截面見圖2。由于沉降管每節(jié)長2 m，故采用沉降管接頭(見圖3)逐次連接沉降管，將凸槽、凹槽對應連接，用螺絲固定即可。為了保護沉降管管頭，在沉降管埋設完畢后，其兩端修設混凝土保護墩，在施工允許條件下，修筑觀測井。

首先，“概念”要求我們采用自上而下的視角，從概念意義出發(fā)來看體現形式。六種及物性過程，序列、圖形和成分三個級階，實體、過程、性質等性狀，從不同的角度對經驗進行識解和描述，我們認為這些都可納入概念意義的范疇。正是基于某個概念意義，我們思考用什么樣的詞匯語法形式來體現。需注意的是，同一情景或經驗是概念之源，一致式和隱喻式體現的是同一基底概念，如3.3節(jié)所述，各自的意義雖相似，卻存在不容忽視的差異，因此，我們應該把Halliday說的“相同的所指”改為“相似的所指”。

圖2 沉降管截面圖 圖3 沉降管接頭

測定儀器是滑動測斜儀，導輪間距為0.5 m。當測斜儀的4個前后輪進入沉降管時，在沉降管的另一端通過鋼絲線緩緩拉動測斜儀，通過二次記錄儀(JMZX-7000綜合測斜儀)記錄讀數，本次記錄為1 m作為刻度標記，為減小誤差，將測斜儀翻轉180°后記錄，兩者取平均值。

3 結果分析

G309固西高速公路路基填筑時間為2015年3-12月初，路基底基層采用素土回填，基層施工采用4層砂礫回填整平。沉降元件埋設完成后，在橋頭路基施工后進行1個月堆載預壓。

3.1 路基填筑高度與土壓力

由于黃土和其他填筑材料在物理性質上不同，且孔隙比、含水率受環(huán)境的影響程度變動范圍大，引起底層荷載分布影響較大，路堤段土壓力隨時間的變化見圖4。

圖4 路堤段土壓力隨時間的變化

由圖4可見，在0～50 d內隨著填土高度的增加，路堤內土壓力明顯增大，此時填土高度約達到2.5 m，當路基停止填筑時，土壓力隨之穩(wěn)定，在110～150 d內繼續(xù)填土，表現情況亦是如此。而在施工時間在170 d時，在埋設沉降觀測元件位置處堆載預壓，土壓力明顯增加，由69 kPa增加到79 kPa，繼續(xù)增加到最大，最大值為82 kPa。當200 d預壓停止后，土壓力又出現少量的“回彈”現象，但土壓力仍然保持在75 kPa附近，隨后土壓力趨于穩(wěn)定。

3.2 沉降板監(jiān)測情況

沉降板埋設在路基基底，埋設工作完成后對數據分析，路堤段基礎底部沉降量隨時間變化見圖5。由圖5可見，路基沉降量隨著填土高度的增加而增大，而后漸漸趨向穩(wěn)定，在0～50 d施工期間，路基填土高度達到2.5 m，但沉降量在70 d后趨于穩(wěn)定，平均沉降速率為0.31 mm/d，沉降量滯后的情況表明，西北地區(qū)黃土的骨架顆粒大部分是顆粒狀，黏粒含量少，承載力小，其架空孔隙在施工過程中破壞后，形成面膠結的連接形式，故黃土的沉降穩(wěn)定會延后10～20 d，在110～150 d施工期間，路基平均沉降速率為0.33 mm/d。

圖5 路堤段基礎底部沉降量隨時間變化

由圖5可見，在170 d后路基堆載預壓，路基沉降量變大，說明路基沉降量的大小和承受的荷載有密切關系，堆載預壓明顯使路基沉降變形量增加，到210 d后又慢慢接近穩(wěn)定狀態(tài)，在210～270 d由于需要回填砂礫，路基沉降變形速率明顯減小。

3.3 沉降觀測樁監(jiān)測情況

本次沉降觀測樁設置在路肩左右附近處，并進行為期120 d的觀測，路肩沉降量隨時間的變化見圖6。

圖6 路肩沉降量隨時間的變化

由圖6可見，相比埋設在路基底部的沉降板，頂部沉降量明顯減小，在50 d時，沉降量略大，分析認為是由于西北地區(qū)干旱少雨，此時間段降雨會改變黃土的毛細壓力，并在表層砂礫作用下，形成土體細粉粒黏結，最后沉降量趨于穩(wěn)定。

3.4 含水率的變化情況

通過K3+752斷面含水率折線圖見圖7。由圖7可見，測點1、測點2處的含水率為14%～21%，不管是晴天還是下雨，其趨勢變化不大，而測點3處略顯特殊，含水率為27%～30%，造成這種情況的原因可能是：在此斷面由于雨天前施工，剖面沉降管埋設和素土回填時，測點3處出現土體“擁包”現象，土體回彈模量較大，素土的天然含水率較小時，會由于滲透作用吸水逐漸達到飽和狀態(tài)，故含水率增大。但天然含水率與濕陷有明顯的關系，當含水率較小時，濕陷性會強烈。經驗表明，一般當地的天然含水率超過25%時，就不再具有濕陷性[4-5]，故控制土體含水率尤為重要。

圖7 路堤含水率隨時間的變化

3.5 路基斷面沉降監(jiān)測

本次現場試驗對路基進行8個斷面的剖面沉降管埋設，對其已進行5個月的沉降觀測分析。其中選取代表斷面樁號K3+752，實測全斷面沉降曲線見圖8。路基填筑寬度為34 m，路堤填土高6 m。

圖8 K3+752斷面實測全斷面沉降曲線圖

由圖8可見，隨著時間的積累，路基總沉降量變化大致相同，而對于單次數據監(jiān)測分析并無規(guī)律。

而路肩右側的沉降量略小于路肩左側的沉降，現場分析：路肩右側布置便道時，由于車輛行駛，對路肩右側“反壓護道”作用。但隨著路基填土高度的增加，路基中線偏右部位處沉降明顯偏大，原因在于填筑一定高度后，便道撤除后，運載素土的自卸車輛在16～25 m區(qū)域范圍內行車，路基沉降在此范圍內達到最大，而在10～16 m范圍，載重車輛自卸黃土后，空車返回，故相比之下，總體位置處的沉降量偏小。

對路基橫斷面選擇距沉降管左側起2，8，14，20，26，32 m這6個位置點進行沉降數據分析，位置點沉降量隨時間的變化見圖9。

圖9 K3+752位置點沉降量隨時間的變化

由圖9可見，32 m(右幅)位置處沉降在總體上略小于2 m(左幅)，而20，26 m位置處沉降在總體上略大于14，8 m處沉降。為了反映剖面沉降曲線的幾何形狀，對實測數據進行多項式拋物線線性擬合和取路基中心線左側位置處沉降對數曲線進行擬合，其對數擬合曲線見圖10。

圖10 K3+752斷面沉降曲線對數擬合曲線

由圖10可見，通過實測數據擬合的相關系數，得出以下結論：在前期監(jiān)控量測時，對數曲線和拋物線都具有較好的擬合精度，但隨著對后期數據擬合，對數曲線的擬合精度明顯高于拋物線擬合精度。分析認為是黃土在灑水和壓實的施工狀態(tài)下，土體局部大孔隙及大量微孔隙被壓縮，內部性質由孔隙支架結構逐漸變?yōu)槟z結結構，孔隙連通性降低，土體密實，濕陷性消除，沉降速率逐漸減小。因此，剖面沉降量可通過對數曲線來進行評估和預測。

4 結論

對寧夏地區(qū)濕陷性黃土路基展開沉降現場試驗研究，可以得出以下結論。

1) 濕陷性黃土在施工時路基沉降平均速率為0.30～0.35 mm/d，填土高度6～8 m時，在170 d后趨于穩(wěn)定，此時黃土下路床承載力為60～80 kPa，依據此試驗數據，可合理安排路基填筑時間。

2) 濕陷性黃土路基工后總體沉降量較小，沉降擬合曲線由前期的拋物線形向對數曲線過渡，為公路運營預測沉降提供一定的依據。