高速公路路基沉降监测方法与监测实例分析

崔立恒 高 涛 赵连启 赵 宁 高金鑫＊

（1.山东省公路桥梁建设集团有限公司，山东 济南 250014;2.山东农业大学，山东 泰安 271018）

0 引言

我国疆域辽阔，不同地域的地质条件存在着较大的差异。高速公路建设过程中受地质条件的影响较大，尤其是路基的施工，往往会因各种复杂的地质条件引发不同的病害。在各种路基病害中，路基沉降最为常见。路基沉降不仅会导致路基结构发生破坏，影响路基的稳定性，带来巨额的维护费用，还可能会给人们的安全出行带来严重威胁，甚至引发安全事故。路基施工过程中，路基沉降监测可以及时发现路基的沉降情况，有利于施工人员掌握路基施工情况，提高路基的施工质量。路基建设完成后，路基沉降监测可以为道路运营方提供路基沉降数据，有利于减小因沉降过大造成的经济损失和避免因沉降引发的交通安全事故。可见路基沉降监测对于高速公路建设和运营有着非常重要的作用。

1 高速公路路基沉降概述

1.1 路基沉降机理

引发路基产生沉降的因素有很多，例如沿线土壤类别、地层分布规律、地下水位变化、填土高度、行车荷载与速度等[1]，当各种因素发生变化时，都会使路基沉降趋势发生变化，经过长年的累积就可能导致路基破坏。引发路基产生沉降的内在原因，主要是路基土壤的孔隙比减小，同时发生土颗粒的竖向位移变形。引发路基产生沉降的外部原因，主要是路基表面受到行车荷载的作用，相当于在路基表面施加了竖向力，路基在竖向应力的作用下发生形变，由路基形变而产生的竖向位移量即为路基的沉降量。

1.2 路基沉降分类

根据沉降产生机理、表示方法等，可以对路基沉降进行分类，如图1所示。

图1 路基沉降分类

2 高速公路路基沉降监测方法

路基沉降监测可以分为表层沉降监测和分层沉降监测，其中表层沉降监测方法常用监测桩法和沉降板法；分层沉降监测常用沉降水杯法和分层沉降仪法。

2.1 表层沉降监测方法

2.1.1 监测桩法

监测桩一般由木桩和刚纤组成，监测时，将其固定于土壤中，通过水准仪实时监测桩顶的高程来测量路基的表面沉降量。监测桩法具有操作简单、造价低、方便监测的优点；但只能观测到路基表面一个点的沉降状况，不能测量路基内部的沉降量。

2.1.2 沉降板法

沉降板的底板随路基一同沉降，底板中部设有金属测杆，埋设时测杆外设置保护管，埋设完成后测杆略高于保护管，测量过程中是通过水准仪对测杆顶端高程进行测量，两次测量间高程变化量即为底座处的沉降量[2]。沉降板法具有易操作、易测试、低成本等优点，但测杆易被破坏。为保护测杆不被破坏，路基压实时需避开沉降板埋设地段。一个沉降板只可以测量路基一个点的沉降，若要测量路基不同位置的沉降，需增加沉降板的数量，但沉降板之间比较容易相互影响，而且沉降板一旦破坏便难以修复。

2.2 分层沉降监测方法

2.2.1 沉降水杯法

该方法使用的监测仪器由沉降水杯、排水管、排气管、测量管、测尺等五部分组成，利用连通器原理，把路基内部某一点的高程映射到路基外部，所以只需测量路基外部映射点的高程即可知道路基的内部变化情况。该方法原理简单、成本低，但对仪器的埋设要求较高，当埋设方法不规范，产生的气泡易堵塞管道，无法测量沉降；此方法在气温较低的地区不适用，一般用于室内试验，在实际工程中很少使用。

2.2.2 分层沉降仪法

在路基的分层沉降监测中，电磁式分层沉降仪最为常用，又称磁环沉降仪。在开始测量前，将磁环套在沉降管外部，并且安装在指定测量沉降位置，安装完毕后，用带有测头的钢尺深入其中，当发出蜂鸣时，记录该点的高程，以后测量时均如此。传统的磁环沉降仪在埋设时钻孔较深，可以认为钻孔底部无沉降，测点的沉降量等于测点的高程差。电磁式分层沉降仪易于操作和测试，便携性高，能用于各种野外作业，但管道埋设发生倾斜以及钢尺的拉伸变形都会带来难以避免的误差。

水压式分层沉降仪的测头采用的是水压探针，可以避免像磁环沉降仪测量时会因管道埋设倾斜、钢尺拉伸变形带来的误差。水压式分层沉降仪主要由以下部件组成：水压探测器、防水导线、带小孔隔板与测量装置。测量时，需先在测量处钻孔，接着将带有小孔的隔板布置在钻孔内的不同土层中，侧头固定在隔板之上，通过防水导线，将其于顶端测量装置相连接。埋设完成之后在深孔中注水，由测头测得隔板处水压的变化，再根据水压与高程的关系计算出隔板处的沉降值。

该测量方法测量原理简单，易于施工和测量，费用较低；水压测量只与液面深度相关，测值不受倾斜干扰。但孔内水分蒸发影响测量精度；不适用于寒冷地区。

3 济微高速公路路基沉降监测实例分析

对济微高速公路K20+340路段断面实施分层沉降监测，监测方法使用电磁式分层沉降仪法。

3.1 监测方案概述

3.1.1 监测过程

首先，先将感应磁环放入沉降管中，做好准备工作；接着需对路基进行钻孔，钻孔的深度达到原地面以下；将已装好磁环的沉降管放入钻孔中，将监测孔口的高程设为0 m；分别测量各感应磁环在沉降孔中的深度，读取感应环的初始值，通过每次感应环位置的读取，从而算出路基各层的沉降量[3]。

3.1.2 仪器布置

沉降磁环沿沉降管的深度方向布置，每3.5 m安装一个感应磁环，每孔中各安装4个感应磁环，从孔口向孔底依次分为：磁环01、磁环02、磁环03和磁环04。分层沉降监测信息说明见表1，分层沉降仪器布置见图2。

表1 分层沉降监测布置

图2 分层沉降仪器布置图

3.1.3 仪器安装顺序

分层沉降所有部件的安装顺序为：按管底→沉降管→磁环→外接头→沉降管→磁环→沉降管→管顶盖的顺序逐节组装放入孔内，并将沉降管支撑扶直，每节接头处均用土工布包裹，管路组装连接做到紧固、严密、无渗漏。

3.2 监测数据分析

沉降磁环监测数据，前2个月每周读取一次，后期半个月读取一次。每个沉降磁环均得到22组数据。监测孔中沉降磁环从上到下依次按磁环01、磁环02、磁环03、磁环04编号。沉降监测孔CJ01和CJ02分层沉降监测原始数据如表2、表3所示。CJ01孔、CJ02孔各磁环累计沉降量与时间的关系分别见图3、图4。

表2 CJ01孔分层沉降监测原始数据

表3 CJ02孔分层沉降监测原始数据

其中，磁环01的沉降量代表了路基上部的沉降，磁环04代表了路基下部沉降，从图3、图4中可以明显看出磁环04比磁环01更早的趋于平缓阶段，磁环01在监测后期沉降虽小但均有沉降的趋势，分析其原因：（1）路基填土时，路基的自重应力会使路基发生自生的压缩变形，路基上部的自重应力比下部的自重应力小，使得路基上部的压实度比下部要低，因此上部要比下部发生更多的沉降［4］；（2）在固结时间上，路基底部的铺筑先于路基顶部的铺筑，路基底部的固结时间更长，因此路基顶部的沉降量趋于稳定的时间较晚。最后，从路基沉降数据可知，路基最大沉降量为190mm，小于规范要求的≤300mm。

由图3与图4可知，两沉降孔各磁环的沉降趋势较为相似，沉降的速率都会随着时间的增加而减小，直至后期，沉降量趋于稳定。

图3 CJ01孔各磁环累计沉降量与时间关系

图4 CJ02孔各磁环累计沉降量与时间关系

4 结束语

综上所述，对高速公路路基发生沉降的原因进行了分析，并对常见路基沉降进行了分类；阐述了高速公路常见路基沉降监测的方法，主要分为表层沉降监测方法和分层沉降监测方法两大类，分析了各种沉降监测方法的优缺点；选用电磁式沉降仪监测法对济微高速公路进行了10个月的路基沉降监测，并分析了路基上部沉降量和下部沉降量存在差异的原因，以供相关人员借鉴。