彭湖高速公路软土地基沉降影响因素分析

涂文靖，郑明新，赵 升

(华东交通大学道桥与岩土研究所，江西南昌330013)

1 彭湖高速沿线地质情况［1］

彭湖高速连接着江西省西北部彭泽与湖口两县，是江西省高速公路规划网的重要组成部分，全长64.5 km。彭泽、湖口两县位于我国长江南岸，路线区地貌类型属江河冲洪积平原和江南低丘岗地，冲沟发育。带内地表水系较发育，河流、沟溪、水库、山塘众多，其水系应属长江的次级水系——太泊湖、芳湖水系为主。

沿线发育有岗地冲沟和水塘软土，这些软土多为湖泊、河流盆地原地表冲沟、溪汊淤积后造田掩埋而成，厚度一般小于3m，下伏土层厚实。沿线部分地区有湖泊河流相软土存在，埋深大、厚度大。零星分布的水塘软土约占线路总长的7%，部分地段较密集。湖泊河流相软土共三处，沿线路走向长度分别约为1 000m、500m、400m。区内软土多呈软塑～可塑状，有机质含量较高。

2 沉降监测方案

2008～2010年华东交通大学岩土与道桥研究所对彭湖高速路基施工全过程进行了沉降观测，取得了大量的一手资料。观测断面主要选择在软土路基路段、构造物与路堤衔接路段、高填方路段。观测仪器主要采用了观测桩、沉降板、电磁分层沉降仪，还特别引入了较为新式的智能式单点沉降仪［2］。

观测桩埋设于已填筑完成的路基顶面，利用水准仪对观测桩的标高变化进行观测，所测得的沉降量包括已填筑完成的路堤本体以及路堤以下地基沉降量的总和。观测桩还可以用来长期观测路基体的工后沉降。

沉降板一般埋设于地基顶面，主要用于观测路堤以下软弱地基的沉降，由一根直径20mm的钢杆和600mm×600mm×9mm的沉降钢板组成，直杆焊接在沉降板中心位置，并随填土高度的增加而接长。通过观测钢管顶面标高的变化，得到地基的沉降量。

电磁分层沉降仪所用传感器是根据电磁感应原理设计，将磁感应沉降环预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位，当传感器通过磁感应环时，产生电磁感应信号送至地面仪表显示，同时发出声光报警。读取孔口标记点上对应钢尺的刻度数值，即为沉降环的深度。每次测量值与前次测值相减即为该测点的沉降量。

智能型单点沉降计是由位移计、测杆、锚头、沉降板组成。钻孔后将单点沉降计埋入地基体内，测杆需要完全穿越软土层，将锚头锚入软土层下部硬层内。测量锚头与沉降板之间的相对位移变化，能够较好的反映厚度在6m以内软土层的在附加应力作用下的压缩变形量。

由以上四种观测仪器组成的路基沉降观测体系，能够较完整的观测到路堤在填筑施工中路堤本体各层填土，路堤以下地基，地基中的下覆软土层以及工后沉降的全部沉降数据，对于进一步深入分析沉降规律提供了强有力的保证(图1)。

图1 沉降仪器横断面布置

3 沉降影响因素分析

3.1 池塘软土的影响沉降分析

彭湖高速沿线零星分布有大量的池塘软土，就单个池塘软土点而言，其范围和深度都不大，但就整个工程而言，往往在工期和成本的压力下无法采取相应的软基处理措施。所以，进一步研究其造成的路基沉降，具有巨大的实际意义。笔者选取K2+352及K2+800两个典型断面做对比分析(图2、图3)。

图2 K2+352观测点填土高度、沉降量－时间曲线

图3 K2+800观测点填土高度、沉降量－时间曲线

K2+352及K2+800两个断面距离较近，地质条件基本相同，均为范围基本相同的池塘软土，下覆土层厚实。两者的填料均为黏土，填土速率、压实方案等施工条件类似，K2+352断面填高近10m，K2+800断面填高仅4m，但两断面的地基软土的沉降量几乎相等。据K2+352的分层观测资料可知，在路基填筑到5m之后，上层的填土的沉降量明显较少，但是下层填土的持续沉降量反而大于上层。据此分析可知路基填土在此区域内产生了土拱现象，土拱维持了上层填土的稳定，减小了地基软土的附加应力。产生土拱现象的原因是池塘软土在沿线路方向长度较小，填料为较密实的黏土。

3.2 填筑材料对沉降的影响

填筑材料的性质对路堤沉降量有重要的影响。彭湖高速公路路堤填筑材料主要分为两类，风化石和普通的黏土，为了分析不同填筑材料对路基沉降的影响，选择K12+050、K41+200两个典型断面的沉降观测数据进行对比分析(图4、图5)。

K12+050为填石地段、K41+200为填土地段，两断面的下覆软土层厚度均为3m。从观测资料可知，在施加荷载的初始阶段，K12+050断面下覆软土产生了较大的瞬时沉降，并且由于填石的空隙率较大，排水条件良好，软土地基能够在较短的时间内完成大部分固结沉降，沉降量逐渐趋于稳定。K41+200的填料为密实的黏土，其排水条件较差，固结沉降要经历一个缓慢增长的过程。

3.3 填筑速率对沉降的影响

在路堤的填筑施工中由于工期、施工条件等多方面的原因，不同的路段往往采取不同的填筑速率。填筑速率对沉降的影响在观测中也是显而易见的。相关的有限元分析［3］也说明了这个问题。现以位于路桥过渡段的K5+976、K5+970断面与图6的K12+050断面的实测曲线为例进行阐述，两处的地质情况类似，表层0.5m素填土下均为3m软土。

图4 K12+050观测点填土高度、沉降量－时间曲线

图5 K41+200观测点填土高度、沉降量－时间曲线

图6 K5+970、K5+976观测点填土高度、沉降量－时间曲线

从观测图可知，3月26日至4月4日的10天里填筑了10m，填筑速度为 1m/d，K5+976沉降量 50mm，平均5mm/d，K5+970沉降量 33mm，平均 3.3mm/d。而 K12+050断面在2月27日至3月2日的5天里填筑了13m，平均速度2.6m/d，沉降量达到了80mm，平均速度16mm/d。由此可知，填土速率较大时路基的沉降会急剧增大。这种沉降量急剧增大的原因是由于软土地基的强度较低，在不太大的荷载作用下土体就会屈服，产生较大的塑性剪切变形。然而，高速公路的路堤填筑都是分层填筑、分层压实的。在这个过程当中，饱和软黏土随着孔隙水压力的消散，地基便会产生排水固结，同时孔隙水压力减小，而抗剪强度则会得到相应的提高，也就是利用前期荷载使地基固结，从而提高软土的抗剪强度，即提高地基的承载力，以适应下一期荷载的施加。较低的填速使得下覆软土层有足够的时间来进行排水固结，如果填速过快，就会使得下覆软土还未排水固结就承担较大的荷载，这就使得地基土产生剪切破坏变形，从而造成较大的沉降量。

4 结论

在彭湖高速公路路基填筑中利用系统化的监测手段对路基的沉降进行了全过程观测，对所得的大量观测数据进行分析的基础上，本文总结了相关因素对彭湖高速路基沉降的影响。

(1)路基填筑过程中，填土可能在小范围的池塘软土上方形成土拱，从而降低了下覆软土的实际承载量。

(2)填石路基比填土路基更有利于下覆软土的排水，从而使得下覆软土层更快的完成固结。

(3)过快的填筑速率容易使得软土层中形成剪切变形，从而使得路基产生较大的下沉量。

［1］ 江西省交通设计院．彭泽至湖口高速公路工程地质报告［R］．2008

［2］ 郑明新，赵升．智能式沉降仪在路堤沉降监测中的应用［J］．工程勘察，2009(9):62－64

［3］ 左威，涂文靖．填土速率对软土路基变形的影响［J］．华东交通大学学报，2010(4)