山区软基监控技术与稳定判别方法

刘富成， 陈虹宇， 吴贤国， 凌 诚

(1. 湖北交投十巫高速公路有限公司， 湖北 十堰 442000， 2. 南洋理工大学 土木工程与环境学院，新加坡 639928； 3. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

近年来，我国山区高速公路建设步伐不断加快，工程界对于山区软土的认识也逐步加深，在现有阶段对山区软土的认识上，深入了解山区软土的特性，依托现有工程，对施工地区的山区软土特性进行总结，并指导未来计划实施的相似工程十分必要。

关于海相沉积软土[1～3]、三角洲软土[4, 5]、湖相沉积软土特性[6, 7]、沉降以及处理工程措施[8～10]，国内外有了较深入的研究，一套成熟的处理方法和系统的理论已经形成。在山区软土工程特性研究方面，常常从一般软土与山区软土的共性出发，分析山区软土的工程特性，如漆宝瑞[11]深入研究了山区软土的工程特性和形成原因，并着重分析了“斜坡软土”的工程特性对填方路堤的沉降性以及稳定性的作用，并研究了“斜坡软土”的地基处理方法；张良[12]基于文献中对软土的各种性质研究的描述对比，根据一般软土与斜坡软土的共同特点和各自区别，建立离心模型并通过相应实验分析了斜坡软弱土地基的稳定性；王青[13]通过认真分析“山坡型软黏土”的形成原因以及它的工程特性，研究了山坡型软土的稳定性及相应处理措施。山区软土与一般软土虽然物理力学指标相似，但在形成原因及分布范围等有所区别，现阶段对山间谷底的冲积、坡积、洪积软土虽有一定的研究，但缺乏区别于一般软土的且有系统的研究。

山区软土的稳定性评判已有一定的研究，但还存在一些不容忽视的问题。对软土的基本性质，人们己经取得了一些共识，但是在实际工程中，人们发现，在不同地区或在同一地区的不同路段，某些软土具有大相径庭的工程特性。本研究主要针对山区软土，依托已建的高速公路软土资料搜集，进行山区软基稳定性的总结分析。目前常用的三种基于软土地基变形特征的路基稳定判别方法：表观判断法、预警值法和拐点法，对于各类型软弱地基有通用性，均可应用于山区软基路段稳定判别。本文主要研究针对山区软土地基特点，对这三种方法的优化应用。

1 山区软基监控技术研究

山区软土地基多为倾斜地基，横向上软土较厚一侧的沉降与水平位移相对平原软基变形要大，地基变形与稳定性问题较突出，为确保路基稳定与减少工后沉降，必须对山区软基施工期进行动态监测，通过动态监控，不仅能根据施工中反馈信息验证和完善设计，有效控制施工速率，确保路堤的稳定性，还能通过沉降监测资料定量分析评价路堤工后沉降，从而合理安排卸载及路面铺筑时间。

1.1 常用监控技术

山区软基常用的监测技术主要有表面沉降观测、孔隙水压力观测与侧向位移观测，根据课题组多年的监测工作经验，上述3种监测方法及其施工工艺流程具体如下：

(1)表面沉降观测

用于测量地基表面的沉降量，其实施工艺流程为：表面沉降监测点沉降板制作→测量放样→开挖沉降板埋设试坑→埋设沉降板→填写埋设考试表→表面沉降水准测量→表面沉降点高程计算→表面沉降量计算→下一次水准测量。

(2)孔隙水压力监测

主要用于测试土体中孔隙水压力的变化情况，其实施工艺流程为：埋设前的准备工作→测量放样→钻机钻孔→测头埋设→测量电缆埋设→填写埋设考试表→孔隙水压力测量→孔隙水压力计算→超静孔隙水压力计算→下一次孔隙水压力测量

(3)侧向位移监测

测斜仪主要是用来测量软土地基或结构物的水平位移情况，对于工程建设的安全施工和长期稳定性检测都十分重要。其实施工艺流程为：埋设前的准备工作→测量放样→钻机钻孔→测斜管埋设→填写埋设考试表→水平位移的测量→本次水平位移的计算→下一次水平位移的测量。

1.2 监控优化研究

山区高速公路线路往往较长，软土地基路段较多，对所有软基路段均进行表面沉降、孔隙水压力与侧向位移的观测工作量非常大，在工程实践中，通常是委托经验丰富、技术力量强的专业单位对重点、难点路段进行第三方监测，其余普通软基路段由施工单位自行监测。第三方监测的监测方案制定是否科学合理对整条公路的软基监测起着至关重要的作用，因此，课题组针对山区软基变形的特点，结合以往工程经验，开展了山区软基监控技术优化研究。第三方监测方案中关键的内容有监测断面选择、监测仪器布设与监测数据处理。

1.2.1 监测断面的选择

合理选择监测断面才能真实反映软土变形状态，才能科学、准确、有效地指导施工和评价工后沉降与软基处理效果。监测断面的选择需要考虑的因素主要有软土分布状况(包括范围、厚度、底面是否倾斜)、物理力学性质、路基填高、软基处理方法、周边地形地貌等。根据山区软基特点，一般情况下可选择以下路段作为监测断面：

(1)路基附近软土厚度大并且性质差的路段、有较深水塘或者占用半幅水塘的路段；

(2)填土高度大的路段；

(3)沿路基横向软土厚度变化较大的路段(如丘陵边缘地带)；

(4)桥头、涵洞、机耕通道附近；

(5)采用特殊处理方法的路段(如复合地基+排水固结路段等)。

1.2.2 监测仪器布设

监测仪器应根据路基具体工况针对性布设，确保能够观测到本路段内不同沉降组成中最大的变形和软土中最大孔隙水压力。根据山区软基变形特点与课题研究成果，结合以往工程经验，应按以下要求进行监测仪器布设工作：

(1)同一断面上的监测仪器应沿路基横向布设；

(2)沉降观测点应设置于两侧路肩与路中位置对应的路堤底面；

(3)对于复合地基，应在同一断面布设桩顶与桩间土的沉降观测点，用于分析桩土差异沉降、桩承载力性状；

(4)根据山区软基沉降组成分析，高路堤自身压缩沉降占总沉降比例较大，且是工后沉降重要组成部分，应在路基93区顶面布设沉降观测点进行路堤压缩量的观测，沉降观测点布设于路堤底面沉降观测点附近，通过对比同一位置不同高度沉降观测点的数据分析路堤压缩沉降；

(5)根据课题组离心模型试验结果，倾斜地基软土主要发生向地基倾斜方向的水平位移，因此，水平位移观测的测斜管应埋设于地势较低一侧的路基坡脚；

(6)对于管桩复合地基，宜在地势较低一侧路基坡脚附近的管桩空腔内布设一条测斜管，用于分析桩是否发生了倾斜与软土是否发生了沿桩的绕流；

(7)孔隙水压力计布设于路面投影范围内的地基中软土最厚的位置，每间隔2～3 m深度埋设一个；

(8)倾斜地基在失稳破坏前，路基坡角有明显的隆起变形，应在地势较低一侧的路基坡角布设沉降观测点；

(9)路面施工期地基表面沉降往往被破坏，此时多数工程均终止了路基稳定监控，在实践工程中，山区高填路基多采用欠载预压，但实际上路面荷载和交通荷载均影响路基稳定性，因此，路面施工期应恢复所有测点，并持续观测至路面施工完成。

1.2.3 监测数据分析

软基监测很大的一个作用是通过监测数据反馈路基变形状况，指导路基填筑施工速率，实现动态化施工。因此，监测数据需要及时分析，发现问题及时反馈并采用相应措施。除此之外，针对山区软基的变形特点，在监测数据分析时还应做好以下几点工作：

(1)收集监测路段的地形图、地质资料、实际施工时软基处理各项参数、软基处理施工质量检测资料等，同时应结合仪器埋设进一步摸清地层分布状况，上述资料可供发现稳定隐患分析和软基处理效果评价时使用；

(2)分析地势较低一侧路肩累计沉降与坡脚最大水平位移关系，根据经验，当最大水平位移与路肩累计沉降比值大于0.4时，路基稳定安全系数较低，应加强监测与控制填土速率；

(3)根据路堤压缩沉降观测数据，分析路堤剩余压缩沉降，同时还要根据总沉降观测数据，分析总剩余沉降；

(4)利用沉降、水平位移、孔压数据综合分析路基稳定状况，不宜按单一指标阀值判断路基稳定。

2 山区软基路基稳定判别方法研究

2.1 常用稳定判别方法

监测过程中，山区软土路基稳定性判别方法常有以下三种，分别为表观判断法、预警值法和拐点法，具体如下：

2.1.1 表观判断法

基于以往公路施工经验得知，在堆载情况下，如果路基出现一些迹象，比如裂缝、隆起等，则表明地基即将破坏。通常加载情况下，当路基出现以下情况，即认为地基有发生破坏征兆：

(1)微小裂缝出现在堆载顶部、斜面或坡趾；

(2)地面隆起发生在堆载坡趾附近；

(3)纵向裂缝呈圆弧状，并在停止堆载后继续发展；

(4)堆载坡趾附近地面隆起在停止堆载后继续增大；

(5)表面沉降量、深层水平位移、孔压等在加载区域内急剧增加；

(6)各项监测数据，在停止堆载后收敛不明显或者持续增加。

2.1.2 预警值法

必须在多种仪器严密监控下进行软土地基加载，在如何安排施工措施、采取合理的施工工序、提高设计水平和反分析设计中，监测信息起着重要的作用。加载过程中综合分析监测数据，及时收集加荷信息、地基应力(孔隙水压力、土压力)、应变(沉降、位移)等资料，常规的稳定控制方法是将得出的监控数据与定量监控指标进行对比。根据过去公路监控经验，综合判断路堤的稳定性要结合地质条件、边界条件等因素，路堤稳定控制标准在路堤达到极限平衡状态(即破坏状态)时的指标如下：

(1)加载期间

单日沉降速率vs≤10 mm/d，侧向位移速率vm≤5.0 mm/d，综合孔压系数B≤0.6。

(2)下级加载前

单日沉降速率收敛明显，逐渐趋于稳定状态，单日沉降速率vs≤5 mm/d，侧向位移速率vm≤1.0 mm/d，单级孔压消散度≥55%。

(3)停载期间

一般来说，进行下一级加载的前提是，各项指标都必须满足相应要求。路基填筑如受总工期影响，必须根据现场实际情况加快速率，则必须加密监测频率，并随机动态增加监控断面，密切观察是否有变化产生于路基表面，为了防患于未然，出现问题必须及时上报解决。

2.1.3 拐点法

理论和实践均表明，路基荷载(路基填土厚度)和填土速率影响路基瞬时沉降、侧向位移、超静孔压等指标。如果上述指标与路基荷载(填土厚度)成线性关系时，则表明填土速率适当；如果路基稳定性降低，则表明填土速率过快；如果关系曲线出现拐点，则表明上述指标与路基荷载(填土厚度)的导数增大。

对于相对均质的软土地基，荷载-瞬时沉降、荷载-水平位移、荷载-孔压增量累计值曲线可能出现三段直线或曲线、两个拐点。

(1)第一段为压密阶段，第一个拐点对应软土层的前期固结压力或临塑压力；

(2)第二段为剪切阶段，地基中出现塑性区且范围不断扩大，第二个拐点对应极限荷载；

(3)第三段为破坏阶段，地基中塑性区基本贯通。

因此，可以利用拐点法评估路基稳定性。

2.2 山区软基路基稳定判别方法应用优化分析

上述3种路基稳定判别方法均基于软土地基变形的特征，对于各类型软弱地基有通用性，均可应用于山区软基路段稳定判别。这里主要研究山区软土地基特点下这几种方法的优化应用。

2.2.1 表观判断法

根据工程实践经验，应利用各种监测信息，结合路堤和软土地基状况，综合采用表观法、预警值法、拐点法等不同稳定评估方法进行路基稳定性评估。

表观判断法明了直接，但裂缝的形成原因较为复杂，出现的地方不同，其表现形式更是各种各样，可能导致路基裂缝的原因有不均匀沉降、干缩、路基稳定性差等，路面开裂则还有交通荷载、施工接缝等方面的原因。因此利用表观判断法首先应分析裂缝出现的原因，不能一概而论认为裂缝出现就意味着地基稳定性下降。因此，表观判断法只能用于初步判别路基稳定性，准确的判断还需要应用多种监测指标综合分析。

2.2.2 预警值法

2.2.2.1 应用关键内容分析

(1)预警值法分析

预警值法可依据监测数据直接判断路基的稳定性，判断标准简单明了，易于操作。预警值判断标准为定值标准，路基常用的预警值为水平位移速率4～6 mm/d，沉降速率10～15 mm/d等。但是部分工程未到达预警值已经滑塌，部分工程超过预警值仍未滑塌。主要原因有：

1)上述预警值对应5 kPa/d左右的加载速率，实际工程加载速率与此不同；

2)沉降速率标准应为不排水固结沉降速率，主固结沉降速率越大越利于路基稳定；

3)上述指标未与软土厚度及性质关联。

(2)预警值法判别标准

结合工程滑塌前速率变化情况和静载试验极限承载力判定标准，预警值取正常速率的2倍。根据瞬时沉降、水平位移产生机理，并结合工程经验推导得到表面沉降速率、水平位移速率预警标准公式。

(1)

(2)

式中：Vsa为沉降速率预警标准(mm/d)；Sc为路基软土层主固结沉降(mm)；RE为软土变形模量与压缩模量的比值，无试验数据时可取5；H为路堤填土厚度(m)；h为一天填筑厚度(m)；Vc为固结沉降速率(mm/d)；Vha为水平位移速率预警标准(mm/d)；W为路基水平位移影响宽度(m)，可取软土层地面埋深的1.5倍且不大于路基底面宽度的一半；Ts为软土层厚度(m)。

(3)预警值法注意事项

需要注意的是，路基滑动范围与路基宽度、软土空间分布及其性质等因素有关。当路基宽度较小、软土厚度较大时，路基滑塌前路基中线处沉降变化明显；当路基宽度较大、软土厚度较小时，滑动面不经过路基中线，此时利用路肩附近的沉降监测资料更有利于稳定分析。因此，为避免误判，应分别利用监测断面不同位置的沉降监测资料判断。

对于水泥搅拌桩、CFG桩、管桩等胶结桩复合地基，由于桩间土荷载与路基荷载的比值较小，将排水固结法的预警值用于胶结桩复合地基不利于路基稳定。对于地基中仍存在软弱土的换填法、预压法等，因地基中缺少排水通道，沉降速率较小，将排水固结法的预警值用于此类地基同样不利于路基稳定。

2.2.2.2 案例分析

表1为某高速公路部分路段最大沉降与最大位移速率统计表，从表中可见各路段最大沉降与最大位移速率变化很大，且沉降速率沿路基横向变化也较大。这主要是受山区软基沉降组成中有一部分为非软弱土的固结沉降、山区软土分布厚度变化大、山区软土饱和度变化较大、处理方法不同的影响，因此，采用单一的预警值来判断不同处理方法、不同路段的路基稳定性存在明显不足。但从安全角度来看，综合应用常用的水平位移速率4～6 mm/d、沉降速率10～15 mm/d预警值有利于路基稳定控制，可用于路基稳定初步判别。

表1 某高速部分路段最大沉降与最大位移速率

2.2.3 拐点法

2.2.3.1 应用关键内容分析

(1)拐点法应用

据前所述，路基稳定判别拐点法采用荷载-瞬时沉降、荷载-水平位移、荷载-孔压增量曲线，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项目冲水预压试验得到的荷载-孔压增量累计值曲线第一个拐点情况见表2。不同土层拐点前后斜率比值不同；地基经预压后第二次预压时拐点荷载增大，渗透系数为2.35×10-5cm/s的淤泥质亚黏土增大量明显大于其下方渗透系数为1.024×10-7cm/s的淤泥质黏土层。

2)未进行地基处理的福建省蒲田北洋海堤试验段监测表明，滑塌前2个孔隙水压力计对应的孔隙水压力增量累计值-荷载曲线出现拐点，拐点两侧斜率比值为3.0～3.3；一侧路肩处地基表面沉降-荷载曲线出现拐点，拐点两侧斜率比值为3.9。

3)广东省西部沿海高速公路试验段表明，路基濒临滑塌时荷载-瞬时沉降累计值曲线出现拐点，拐点两侧斜率比值为3.1～3.6。高速公路某软基加固段荷载-瞬时沉降曲线在滑塌前出现拐点，拐点两侧斜率比值为3.2～3.9。

表2 上海某项目试验段第一个拐点斜率比值

2.2.3.2 拐点法注意事项

在采用拐点法时，山区软土地基因软弱土分布厚度相对较小，一般路基稳定监控没有孔隙水压力观测项目，在瞬时沉降与水平位移速率取值时应注意：

(1)瞬时沉降不包括固结沉降。相对严谨的作法是将加载间歇后期的沉降速率看作固结沉降速率，加载当天及加载间歇前期的沉降速率减去固结沉降速率得到瞬时沉降速率，由瞬时沉降速率累计得到瞬时沉降。

监测实践表明，对于饱和度接近100%、渗透性很差的平原软土，瞬时沉降主要发生在加载当天，且加载当天的沉降主体为形变沉降，为分析简便起见，瞬时沉降可由加载当天的沉降速率累计得到。但由于山区软弱土平均饱和度约为93%，不排水沉降持续时间较短，填土当天的沉降量不仅包含了瞬时沉降，还有固结沉降。单级荷载作用下发生瞬时沉降取值填土当天的沉降速率偏大，荷载-瞬时沉降曲线的斜率亦会偏大，路基稳定判别结果偏保守。鉴于山区软弱土物理力学性质变化大的特点，按此取值有利于路基稳定控制。

(2)地基深层水平位移沿深度大小不同，绘制荷载-水平位移曲线时应采用最大位移，这样路基稳定性判别时更容易发现拐点。

2.2.3.3 案例分析

(1)拐点法应用于管桩复合地基处理分析

1)某高速公路K1579+050断面

某高速公路K1579+050断面所处路段为全断面填方路段，地势平缓，采用管桩复合地基，路基填土设计高度为15.463 m，设计桩长为17.3 m，根据右路肩沉降数据，确定该断面荷载-瞬时沉降曲线图和路基填土曲线图(分别见图1，2。图中ΣVmax为瞬时沉降；Σh为路基填土高度)，荷载-瞬时沉降曲线出现了4个拐点，斜率比值分别为0.40，1.49，2.54，0.09，该路段于2014年10月初至11月初是路基快速填土阶段，一个月累计填土5.23 m，斜率比值为1.49和2.54，对应的时间是快速填土的初期与末期。在路基快速填土期间，如果地基稳定性下降，曲线斜率不断增大，则表明填土速率高于地基强度增加速率。如果荷载-瞬时沉降曲线斜率仅为前一段斜率的9%，则表明路基填土速率降低，地基的稳定性恢复提高。

图1 K1579+050断面荷载-瞬时沉降曲线

图2 K1579+050断面路基填土曲线

2)某高速公路K1579+910断面

某高速公路K1579+910断面所处路段为全断面填方路段，地势较缓，右侧有池塘，设计采用管桩复合地基处理，桩长10.8 m，路基填土高度14.18 m，根据右路肩沉降数据，确定了该断面荷载-瞬时沉降曲线图和路基填土曲线图(图3，4)，荷载-瞬时沉降曲线出现了3个拐点，斜率比值分别为2.70，0.32，2.54，3.21，该路段于2014年9月4日至2014年11月3日这60 d时间内，累计完成填筑9.177 m的路基。在此快速填土后期，如果地基稳定性明显下降，则表明深层水平位移达到了3.35 mm/d，最大沉降速率达到了17.0 mm/d，此时荷载-瞬时沉降曲线斜率对应增大了2.70倍。此后如果荷载-瞬时沉降曲线斜率降低为前一段斜率的32%时，则表明路基填土速率降低。如果荷载-瞬时沉降曲线斜率增大了3.21倍，深层水平位移为2.64 mm/d，最大沉降速率达到了13.6 mm/d，则表明填土速率在路基填筑末期又加快了。

图3 K1579+910断面荷载-瞬时沉降曲线

图4 K1579+910断面路基填土曲线

(2)清表回填+反压护道处理

某山区高速公路K84+260断面所在路段为全断面填方路段，采用清表回填+反压护道处理，路基填土高度13.352 m，根据右路肩沉降数据，确定该断面荷载-瞬时沉降曲线图和路基填土曲线图(图5，6)。荷载-瞬时沉降曲线出现2个拐点，斜率比值分别为4.16，0.57，第一个拐点出现时，最大深层水平位移达到了8.4 mm/d，最大沉降速率达到了18 mm/d，表明地基稳定性已大幅下降。为确保路基施工安全稳定，施工方根据动态监测数据，增设了反压护道，并且调整路基填筑速率，实现了填筑路基安全施工。荷载-瞬时沉降曲线图第3段曲线斜率稍有下降，对应填筑路基间歇了37 d。

图5 K84+260断面荷载-瞬时沉降曲线

图6 K84+260断面路基填土曲线

(3)拐点法应用于清淤换填处理分析

某山区高速公路K45+245断面所在路段为全断面填方路段，采用清淤换填处理，路基填土高度21.03 m，根据路基中间沉降数据，确定该断面荷载-瞬时沉降曲线图和路基填土曲线图(图7，8)。该路段于2014年9月19日至2014年10月1日之间填土速率非常快，12 d共填筑7.90 m厚，期间沉降速率多次出现大于20 mm/d的情况，最大水平位移速率也达到了8.66 mm/d，按照预警值法该路段的稳定性已明显下降，需要降低路基填筑速率。由图7可见，该路段荷载-瞬时沉降曲线虽然出现了3个拐点，但斜率比值均较小，分别为1.27，0.50，0.26，可以判断路基一直处于稳定状态。因此，后续并未降低填土速率，路基最终顺利快速填筑完成。

图7 K45+245断面荷载-瞬时沉降曲线

图8 K45+245断面路基填土曲线

(4)应用小结

根据上述应用实例，拐点法判别山区软基的稳定性与路基实际稳定状态较相符，确保了路基快速安全填筑，是一种较适合于山区软土路基稳定的判别方法。

由于缺少路基临界失稳状态下的现场观测数据，目前尚无法确定拐点法判别路基稳定时路基临界失稳状态下对应的拐点斜率比值，但从上述应用实例来看，可初步确定曲线拐点前后两段斜率比值大于3时稳定性已明显下降，此时应当加强稳定性监控。

3 结 论

(1)利用表观判断法判别软基稳定性，应注意分析裂缝出现的原因，否则裂缝与地基稳定性无法建立必然联系。因此，表观判断法只能应用于初步判别路基稳定性，根据判断结果，对重点位置进行多种监测指标综合分析。

(2)利用预警值法判别软基稳定性，对不同处理方法、不同路段的路基稳定性需要综合考虑各种预警值，传统单一预警值的判别方法不能满足复杂工程的安全性要求。从安全角度来看，综合应用常用的水平位移速率4～6 mm/d、沉降速率10～15 mm/d预警值有利于路基稳定控制，可用于路基稳定初步判别。

(3)利用拐点法判法判别软基稳定性，需要建立路基荷载(路基填土厚度)、填土速率与路基瞬时沉降、侧向位移以及超静孔压等指标的关系，通过关系曲线的导数变化对路基稳定性进行评价。根据某高速公路的应用实例进行分析，相较于表观判断法和预警值法，拐点法判别山区软基的稳定性与路基实际稳定状态更相符，是一种较适用于山区软土路基稳定的判别方法；并可初步确定曲线拐点前后两段斜率比值大于3时稳定性已明显下降，此时应当加强稳定性监控。

(4)对比各种方法在常规路基稳定性判断结果和山区软基稳定性判断结果得出，单一的评价方法往往有很大的局限性，将各种方法应用于合适的阶段，才能充分发挥各种方法的优势，使稳定性判断结果更加可靠地指导工程实际。