依据现场监测数据评价城市道路软土地基处理效果

刘红军，钱大伟，李洪峰

(1.五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020；2.哈尔滨西部地区开发建设集团有限公司，哈尔滨 150086；3.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

依据现场监测数据评价城市道路软土地基处理效果

刘红军1，钱大伟2，李洪峰*3

(1.五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020；2.哈尔滨西部地区开发建设集团有限公司，哈尔滨 150086；3.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

为评价软基处理效果，确定合理的卸载时间，选取典型监测断面的地表沉降、超孔隙水压力及十字板剪切强度数据进行分析研究。结果表明：在软土地基总沉降量中，填土加载期占主要部分，接近于60%，预压期的沉降量占总沉降量35%左右；推测软土地基工后沉降的结果证明，预压期前三个月，推测的工后沉降大于30 cm，此后随着堆载预压时间的增加，推测的工后沉降逐渐减少，但表现的并不十分明显；整个填土加载期，超孔隙水压力变化过程呈现出波浪型的变化，浅层大于深层的超孔隙水压力，随着堆载预压时间的增加，软土地基中，不同深度的超孔隙水压力逐渐减小，并逐渐接近；软土层经过预压排水固结，抗剪强度有个明显增加的过程，预压卸载前比排水固结前的十字板剪切强度增加6～8 kPa，抗剪强度增长率会随着剪切深度的增加而减少，增长率在26.3%～91.0%之间。研究成果为今后本区域的软基设计和施工提供可靠的依据。

现场监测数据；软基处理效果；地表沉降；超孔隙水压力；十字板剪切强度

0 引 言

修建在软土地基上的城市道路，施工的过程中要解决以下几个方面的问题：①保证路堤填土过程中软土地基的稳定性；②在堆载预压期间，各附属工程施工中(如市政管道的施工、开挖边沟等)也要保证软土地基的稳定性；③超载预压卸载时间的确定；④软土地基工后沉降量的确定[4-5]。要解决上述问题，仅靠工程经验和理论分析是难以满足工程需求的，必须对软土地基进行长期监测，依据监测数据指导施工过程，保证软土地基的沉降与稳定[6]。

1 场地工程地质条件

本项目所处区域位于江门市滨江新区新南路，地貌属于三角洲边缘与河流冲积地带，地形较平坦，地势较低，地形开阔。沿线场地主要为鱼塘、沟涌，少量农田。根据钻探揭露，场地内分布的地层主要有人工填土层、第四系冲积层和残积层，下伏基岩为白垩系粉砂质泥岩。本文结合工程实际，选取典型断面的监测数据进行分析，选取路段为新南路西段一标K2+370，监测断面的地质条件及监测点布置如图1所示，监测断面软土的物理力学性质指标见表1。

软基处理方法采用塑料排水板堆载预压排水固结法[7]。排水板平面布置呈梅花形，间距为1.0 m，排水板长度以下部穿透软土层，上部高出施工期砂垫层顶部0.2 m为准。

表1 K2+370监测断面软土基本物理力学性质指标Tab.1 The data of the basic physical mechanics of the soft soil from K2+370 monitoring section

图1 k2+370监测断面监测点布置及地质条件剖面图Fig.1 The monitoring site layout and geological condition profile of K2+370 monitoring section

2 监测方案及技术要求

2.1 监测方案

地表沉降监测是在砂垫层整平验收后、施打排水板之前，在原地面埋设沉降板，分别布置在路堤横断面的中间和两侧路肩，具体位置如图1所示。基准水准点采用独立高程网，与施工采用的高程系统相一致，按二级沉降监测技术要求，对3个水准基点的高程进行联测，以求得每个点的高程最可靠值。同时为确保观测质量，基准点的稳定性宜一个月进行一次联测。沉降点的监测根据基准水准点所采用的高程系统，按三等沉降监测要求进行。

孔隙水压力测试采用孔隙水压力仪，为钢弦式，特点：稳定性好、灵敏度高，使用最多。孔隙水压力监测采用钻孔法布设，要求不能距离塑料排水板太近，且与附近的深(分层)沉降监测孔距离不小于2 m。孔隙水压力监测孔布设于道路中间，如图1所示。监测孔要求埋深进入淤泥以下粘土层不少于0.5 m，每个监测孔安置3个孔隙水压力计，分上、中、下平均分布于淤泥层。

4.1 病态行为 病态行为是一组症状群，这组症状群主要是由中枢或外周给予微生物、LPS、疫苗、促炎性细胞因子所诱导[38]。这些行为主要包括食欲与体重改变，社交、主动行为、性行为下降，快感缺乏以及睡眠结构的改变。这些行为和临床干扰素诱导的抑郁症状类似[39]。

十字板剪切试验在排水固结前和预压卸载前各进行一次，为便于对比固结效果，前后两次的试验点位置及深度相同。

监测频率：土方填筑期间1次/d，间歇期1次/3d，满载预压期第一个月1次/2d，一个月后1次/7d，路面底层、面层施工期间每层施工结束观测一次，运营期前半年每月观测一次，以后每季度观测一次。

2.2 技术要求

软基监测的主要目的是通过对监测数据的处理分析，指导路基施工[8]，对可能出现的不利情况进行提前预测，保障路基的安全，确保正常的施工和后期项目的正常运营[9-10]。

填土速率和卸载标准：①在堆载预压法处理段，路基填土速率的标准为：每天24小时内道路中心位置垂直沉降不超过1 cm；每天24小时内道路坡脚水平方向位移不超过0.5 cm；孔隙水压力增长值与一层路基填土所增加的附加应力之比不大于0.6。②软基卸载的标准为：经过预压处理后的淤泥层固结度要达到≥90%的设计要求；预压期最后连续两个月，沉降速率小于5 mm/月；根据沉降曲线推算工后沉降小于30 cm。

3 监测数据分析

3.1 地表沉降监测结果分析

表面沉降随时间的变化规律是路堤控制施工进度和安排后期施工的最重要指标，也是理论研究结果是否正确的最直接检验标准和加固效果最直接的反映[11-12]。为了便于分析地表沉降的变化规律，表2给出了路堤施工各阶段的起止日期及历时天数。地表沉降(S)随时间(t)的变化过程如图2所示。

表2 K2+370监测断面各阶段沉降量统计表Tab.2 The data of the settlement statistics of each period from K2+370 monitoring section

图2 K2+370地表沉降与时间关系曲线Fig.2 The data of surface subsidence and time curves from K2+370

由图2中的曲线变化特征可知，在塑料排水板打设后，堆载开始前，沉降曲线较为平缓，堆载开始后，沉降曲线明显变陡，说明在软基中施打塑料排水板只是增加土体的竖向排水通道，如果不配合堆载，土体总应力不变，从本质上达不到加速软基固结的目的，所以，排水系统与加压系统缺一不可[13]。在填土加载期曲线较陡，软土地基沉降较快，停止填土后，逐渐趋于平缓，说明土体主固结变化速率是一个渐变收敛的过程，到卸载前为止，各条曲线趋于水平，沉降趋于稳定。对比三个沉降板沉降过程曲线可知，它们的沉降过程及沉降趋势基本相同，从沉降量大小来看，中间沉降板的沉降量要比左右路肩处的大，出现了一个沉降盆，这也符合土力学当中的附加应力分布规律。

结合图1和根据表2的对比数据可知，填土高度为5.255 m，填土历时为130 d，在软土地基总沉降量中，填土加载期占主要部分，接近于60%，因此，填土期一定要控制软土地基的沉降速率，保证软土地基在每级荷载下排水固结和稳定性，即填土荷载的增加一定要与软土排水固结增长的强度相匹配。本监测断面堆载预压期为288 d，本期的沉降量占总沉降量35%左右。

图3为堆载预压后各月沉降量柱形图，根据图3柱状图的变化特征可知，满载后，随着堆载预压时间的增加，各月的沉降量在逐渐减小，不同阶段沉降减少的快慢不同。

根据大量实测资料分析，软基路堤在荷载稳定的条件下，沉降曲线均具有一定的线性变化规律[14]。所以工后沉降推算方法多采用拟合曲线法，常用的有沉降曲率法、星野法、三点法、双曲线法和指数法等。具体采用哪种线性规律更为合理，它与荷载大小、地基条件和处理方法等多种因素有关，必须采用多种方法作出综合判断[15]。从有关资料反映我国目前采用双曲线法较为普遍，在这方面积累的成熟经验较多。本项工程采用双曲线法推测工后沉降，工后沉降的预测按设计年限30 a计算。根据规范规定，利用地表沉降曲线推算工后沉降要小于30 cm，才能满足工程要求。

双曲线法是假定下沉平均速度以双曲线形式减少的经验推导法。从填土满载开始到任意时间t的沉降量st可用下式求得：

(1)

式中：s0为t=0时的初始沉降量，cm，千万注意要从最后一级恒载稳定时开始计算；st为t时的沉降量，cm；t为经过时间天；α和β是实测值经过回归求得的两个常数。

根据公式(1)可得：

(2)

当时t=∞，最终沉降量为：

利用公式(1)预测道路使用30 a的沉降量，减去t=0时的初始沉降量s0，即为软基的工后沉降量。

为研究软基工后沉降的变化规律，确定合理的卸载时间，也为今后该地区的软基设计和施工提供可靠的依据，利用双曲线法推算了满载期后各月的工后沉降，推测结果如图4所示。

依据图4可知，随着堆载预压时间的增加，推测的软土地基工后沉降在逐渐减少，堆载预压期前三个月推测的工后沉降大于30 cm，还不能满足卸载要求，以后推测的工后沉降虽然随着预压期的增加在逐渐减小，但表现的并不明显，因此，结合卸载标准的另一指标要求，同时考虑工期，最终确定，预压期要达到9个月以上才能开始卸载，整平路基后，进行路面施工。

图3 堆载预压后各月沉降量柱形图Fig.3 The data of the column chart of the monthly settlement after pre-loading

图4 堆载预压后不同时间推测的工后沉降Fig.4 The data of the concluded post-construction settlement of different time after pre-loading

3.2 超孔隙水压力监测结果分析

软基超孔隙水压力消散和增长规律，反映了地基土的排水固结特性和有效应力变化规律[16]，根据图5所示超孔隙水压力展布特征，可以看出：填土加载期，每填一层土，超孔隙水压力都会升高，在填下一层土前，超孔隙水压力会逐渐消散，表明间歇期，软土地基在排水固结，有效应力逐渐增大，整个填土加载期，超孔隙水压力变化过程呈现出波浪型的变化，总体上呈现出逐渐消散的过程。堆载预压期，超孔隙水压力逐渐减小，个别出现反弹，主要受降雨影响，到了堆载预压期的后期，超孔隙压力出现负值，表明软土地基已充分排水固结，固结效果较好。为研究软土地基排水固结的深度效应，笔者在同一位置，软土地基不同深度的地方分别埋设了孔隙水压力探头，由图5可知，浅层超孔隙水压力反应迅速，而深层反应相对滞后，在填土期，浅层超孔隙水压力明显大于深层的超孔隙水压力，而且相差比较大，这与附加应力分布规律相吻合。堆载预压期，超孔隙水压力在逐渐减小，由于浅层超孔隙水压力消散的快，随着堆载预压时间的增加，软土地基中，不同深度的超孔隙水压力逐渐减小，并且逐渐接近。

3.3 剪切强度增长情况分析

为了评价软基加固前后强度的变化，测试堆载预压软基处理方法引起的地基强度的增长，采用现场十字板剪切强度试验来评价软基处理的效果[17-18]，在断面中心点进行现场测试，堆载预压处理前后各进行一次，试验深度根据地质情况确定。表3统计了监测断面排水固结前与预压卸载前测得的软土层十字板剪切强度，由表3统计的数据可知，软土层经过预压排水固结，抗剪强度有个明显增加的过程，预压卸载前比排水固结前的十字板剪切强度增加6～8 kPa。抗剪强度增长率会随着剪切深度的增加而减少，这是因为路堤填土在地基土中产生的附加应力随着深度的增加而减小，埋深越小的软土层，受路堤填土影响越显著，排水固结就越强。

图5 K2+370超孔隙水压力与时间关系曲线Fig.5 The data of the excess pore water pressure and time curves from K2+370

试验点深度/m2.03.04.05.06.0填土前十字板剪切强度/kPa7.811.88.516.025.5卸载前十字板剪切强度/kPa14.918.116.123.532.2十字板剪切强度增长率/%91.053.489.446.926.3

4 结论

(1)堆载开始前，沉降曲线较为平缓，堆载开始后，沉降曲线明显变陡，停止填土后，逐渐趋于平缓，说明土体主固结变化速率是一个渐变收敛的过程，到卸载前为止，各条曲线趋于水平，沉降趋于稳定。对比三个沉降板沉降过程曲线可知，它们的沉降过程及沉降趋势基本相同，从沉降量大小来看，中间沉降板的沉降量要比左右路肩处的大，出现了一个沉降盆，这也符合土力学当中的附加应力分布规律。

(2)在软土地基总沉降量中，填土加载期占主要部分，接近于60%，堆载预压期的沉降量占总沉降量35%左右，随着堆载预压时间的增加，推测的软土地基工后沉降在逐渐减少，堆载预压期前三个月推测的工后沉降大于30 cm，还不能满足卸载要求，以后推测的工后沉降虽然随着预压期的增加在逐渐减小，但表现的并不明显。

(3)整个填土加载期，超孔隙水压力变化过程呈现出波浪型的变化，总体上呈现出逐渐消散的过程，随着堆载预压时间的增加，软土地基中，不同深度的超孔隙水压力逐渐减小，并逐渐接近。

(4)软土层经过预压排水固结，抗剪强度有个明显增加的过程，预压卸载前比排水固结前的十字板剪切强度增加6～8 kPa，抗剪强度增长率会随着剪切深度的增加而减少，增长率在26.3%～91.0%之间。

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EvaluationofSoftFoundationTreatmentofUrbanRoadBasedonFieldMonitoringData

Liu Hongjun1，Qian Dawei2，Li Hongfeng*3

(1.College of Civil Architecture，Wu Yi university，Jiangmen 529020； 2.The Western Region in Harbin Development and Construction Refco Ltd.Harbin 150086； 3.College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to evaluate the effect of soft foundation treatment and determine the reasonable unloading time，the surface settlement，excess pore water pressure and cross shear strength data typical monitoring section were selected and analyzed.Results show that：in the total settlement of soft soil foundation，the filling period was the main part，which was close to 60%，and the settlement of the preloading period accounts for about 35%.It was assumed that the post construction settlement of soft soil foundation proves that the settlement after construction was greater than 30cm in the first three months of the preloading period.Then，with the increase of the preloading time，the post-construction settlement decreased，but the performance was not very obvious.During the whole loading period，the change of excess pore water pressure showed a changed of the wave type，and the pressure in shallow layer was larger than that in deep layer.With the increase of surcharge preloading time，the excess pore water pressure at different depths decreased gradually and gradually approaches in soft soil foundation.In the soft soil layer，the shear strength increased obviously by preloading drainage consolidation，and the shear strength of the cross plate before preloading was increased by 6～8 kPa，compared with that before the drainage consolidation.The shear strength growth rate would decrease with the increase of shear depth，and the growth rate was between 26.3% and 91.0%.The research will provide a reliable basis for the design and construction of soft soil in this region.

Field monitoring data；the treatment effect of soft soil foundation；ground surface subsidence；excess pore water pressure；cross shear strength

U 416

A

1001-005X(2017)06-0077-06

2017-08-23

住房和城乡建设部科学技术项目(2011-k5-36)；黑龙江省青年科学基金项目(QC2012C080)

刘红军，博士，教授。研究方向：岩土工程与道路工程。E-mail：liuhongjun_0821@163.com

*通信作者：李洪峰，博士，讲师。研究方向：岩土工程与道路工程，lhfdoctor@163.com

刘红军，钱大伟，李洪峰.依据现场监测数据评价城市道路软土地基处理效果[J].森林工程，2017，33(6)：77-82.