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摘要：详细阐述了软土路基沉降观测的原理、监测仪器的埋设以及监测方法。对堆载预压期间路基的沉降变形进行综合研究，最终确定地基受上部荷载主要作用位置只在浅层淤泥层，并根据沉降曲线可判定路基是否处于稳定阶段，从而指导施工，减少浪费。
关键词：堆载预压，软土地基，沉降观测
中图分类号： TU471 文献标识码： A
1 引言
软土作为一种不良地基具有承载力低、沉降量大、固结时间长等不良工程特性，在道路修筑过程中，经常遇到软土地基等地质条件较差的地段，如果路基填筑速度过快，就会造成软土层沉降过大，发生剪切破坏，地基失稳，对工程安全带来隐患。因此，对沉降变形的现场观测以及沉降规律的总结研究对保障施工安全以及指导施工进度有着重要意义。
本文结合胶州湾产业基地围海工程防潮堤建设工程，对填方路堤进行了路基沉降、孔隙水压力、分层沉降、土体水平位移现场观测，并根据其变化情况，研究现场软基沉降规律。根据沉降曲线的斜率变化，确定路堤所处变形状态当斜率增长过快时控制填土速率，当沉降曲线持续平缓时，可以卸载。
2 工程概况
胶州湾产业基地围海工程防潮堤总长9654.96米，海堤工程的级别为2级，允许部分越浪设计。海堤工程所在地属暖温带季风气候区，多年平均气温为12.2摄氏度，8月平均25.5摄氏度，1月平均-1.2摄氏度，夏无酷暑，冬无严寒，平均降雨量775.6毫米，湾东部多雾，年平均雾日为50天，主要出现在秋末和冬季。
工程地质条件
工程场地地层分布稳定，层序较清晰，上覆土层主要由第四系淤泥质土，粘性土，砂土组成，下伏基岩为白垩纪-第三系古新统王氏群胶州组泥质砂岩。依据《青岛综合地层表》，工程场地第四系地层自上而下大体分为三个沉积层：以中砂为主的第12层陆相沉降层，以中砂为主的第8层海沉积层，以淤泥质土为主的第6层海相沉积层。表层淤泥和淤泥质黏土平均厚度11米，均为高含水量，极微透水，固结条件差，高压缩性，低强度软土。
3 施工过程及监测方案
3.1 施工流程
海堤工程施工流程为：清基-铺设有纺土工布-抛填碎石垫层-插设塑料排水板，施工振动沉管砂石桩-铺设土工格栅-外坡镇压层大块石抛石护底机械理平-主堤，子堤石坝分层抛填石方，主堤内坡，子堤外坡铺设碎石及复合土工布，闭气土方分层填筑跟进-等载预压-沉降稳定后，C20细石砼灌砌块石挡墙及铺砌外侧花岗岩条石-防浪墙及堤顶道路，绿化。
3.2 监测原理及监测仪器的埋设
本工程海堤高度较高，施工周期长，海堤的施工速度将直接影响工程的安全质量。通过沉降监测等，以控制和调整施工进度及加荷速率，为工程的安全，快速施工提供可靠的保证，对海堤在施工期和运营期间进行地表垂直位移，地层分层沉降，深部水平位移，超静孔隙水压力等设计规定监测指标长时间，连续定性与定量的现场监测与分析工作，确定监测项目：地表垂直位移观测，路基沉降观测，土体分层沉降观测，孔隙水压力观测，土体深层水平位移观测。
路基沉降监测原理
沉降观测采用水准仪进行。当土体发生沉降或隆起时，埋设在土中的底座也跟随一道移动，并连带观测杆在套管中做上下运动。测定观测杆的顶面高程，即可推算出待测点的沉降值。某点处沉降量计算公式为：
（3-1）
其中：：第次监测时的路基沉降量
：第次监测时观测杆的顶面高程
：第次监测时观测杆的顶面高程
某点出累计沉降量计算公式为：
（3-2）
其中：：到第次监测时的路基累计沉降量
：观测杆的初始顶面高程
路基沉降板的埋设
路基沉降监测是根据监测基准点高程进行的，与地表垂直位移观测共用工作基点。
路基沉降板安装埋设具体按照工程设计示意图，路基沉降观测测点采用500mm×500mm×10mm的钢板作为底板，底板中央垂直焊接一根φ40的镀锌钢管，在距底板中心200mm处对称焊接4根铁杆在镀锌钢管上起固定作用。根据设计提供的测点坐标现场放样，进行测量定位，在埋设地面挖一500*500*200mm左右的土坑，坑内用30-50mm黄砂垫平压实，将沉降板放置预定位置，四周用黄砂填实并用水准校正水平，再回填土整平压实，填料时，应先在沉降板周围填料压实，以保护沉降板，护套管埋设于离底板30cm处，注意沉降板，测杆连接4m高度倾斜度不应大于1°。沉降观测点完全固定后及时测量沉降点初始标高。以后随着加堆载高度用结箍连接逐渐加高。
土体分层沉降监测原理
电磁式沉降仪的工作原理是在土体中埋设一竖管，根据设计要求在竖管外侧固定磁环，当土体发生沉降时和土体同步沉降，利用电磁测头测出发生沉降厚磁环的位置，将其与磁环起初的位置比较，即可算出测点(磁环)的沉降量。
工程中磁环初始位置位于地基不同土层分隔处，根据某土层上下边界磁环的沉降量之差可以求出本土层的压缩量。某土层压缩量计算公式为：
（3-3）
其中：：某土层的压缩量
：某土层上边界磁环沉降量
：某土层下边界磁环沉降量
沉降管的埋设
深层分层沉降采用钻孔安装沉降管埋设，具体按照工程设计示意图，沉降管安装时应保证管中心垂直，钻孔垂直偏差率不大于1.5%，成孔后清孔，同时应保护好关口以免杂物进入管中，沉降管采用ABS直通连接，且连接点高于碾压面30cm，没2.0m设一连接点，连接点外部采用400g/m2土工布包裹。ABS管周边无需回填，没2个沉降环间必须设1个活动间隙为15cm的滑动接头，层间距离较大的宜设置2个及2个以上滑动接头，埋设完毕后对不同深度磁环按次序编号，待孔侧土回淤稳定后，并测量其初始标高。
土体水平位移监测原理
测斜仪是通过逐段测量其测斜管与铅垂线的夹角,利用几何关系可计算得到测斜管轴线与铅垂线的水平偏移量,不同时刻测斜管轴线在某一方向的偏移量即为土体的侧向位移大小。
某一测点处侧向位移大小的计算公式为：
（3-4）
其中：：第測点处测斜管轴线与铅垂线之间的偏离量，即水平位移量
：测点间距，通常与测头导轮间距相同，一般为500mm
：第测量段测斜管与铅垂线的夹角
测斜管的埋设
测斜管采用钻孔安装，具体按照工程设计示意图，测斜管的钻孔孔径不小于110mm，终孔孔径应大于测斜管外径30mm，钻孔完毕应核实钻孔深度和倾斜度，倾斜度应小于2°，测斜管采用带导槽的ABS管，相邻两管用管接头紧密相连，连接时应使导槽严格对正，不得偏扭，必须保证装配好的测斜管导槽的扭转角每3m不超过1°，全厂范围内不超过5°，安装时，控制其中一组导槽方向对准边坡方向，接头处及铆钉出用防水胶带缠紧，测斜管按要求全部下放到孔内后，检查导槽是否畅通，并用测扭仪测量其扭转角，测斜孔与钻孔孔壁之间的空隙用水泥砂浆回填，测斜孔主要观测顺坡向的位移，同时在测斜管内注满清水。随后做好测斜管口的各种保护措施并在管口旁边做醒目标志。
孔隙水压力监测原理
当被测水压荷载作用在孔隙水压力计上，将引起弹性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经水工屏蔽专用电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值。某点处孔隙水压力的计算公式为：
其中：：某测点的孔隙水压力值
：所用孔隙水压力计的修正系数
：所用孔隙水压力计的计算修正值
：所用孔隙水压力计的初始振动频率
：现场实测孔隙水压力计的振动频率
孔隙水压力计的埋设
孔隙水压力计采用钻孔埋设，同一测孔内分不同高程安装4支，埋设方法严格按照工程设计进行，且严格控制填筑料。 孔隙水压力计仪器电缆宜穿管保护，并沿程做好标识，引至相应断面堤顶公路外海侧防浪墙上的集线箱内。
4 监测数据分析
4.1 路基沉降数据分析
路基沉降随时间的变化规律显示，前期路基沉降数据曲线接近直线，说明此时的路基变形处于弹性变形过程。而当堆载开始，曲线斜率增大，此时处于塑性变形过程，要注意堆载速度，防止造成路基失稳。到后期沉降曲线变缓，说明沉降不再发生，固结基本完成，地基稳定，可进行卸载。
4.2 分层沉降数据分析
分层沉降随时间的变化规律显示，随着时间的延长，在5个月的观测期内各分层沉降总体趋势逐渐增大，表明沉降仍继续发展，需要继续观测，直到稳定为止。
4.3 测斜数据分析
路基侧向位移随时间的变化规律显示不同深度土体水平位移变化趋势大致相同，在堆载预压初期，侧向位移向路堤外发展，侧向变形的增长速率相对较小，当路堤超过临界填土高度时，侧向变形急剧发展，并且在同一位置达到拐点，然后出现土层“回弹”现象。
4.4 孔隙水压力数据分析
孔隙水压力随时间的变化规律显示，堆载预压期间孔隙水压力随时间的变化过程随着加载一般都经历了增长—消散—稳定的过程，说明附加总应力在不断由超静孔隙水压力向土体有效应力转化，孔压开始消散时消散速率较快，随时间的推移孔压的消散速率减慢，在后期孔压趋于稳定。浅层地基孔隙水压力持续消散，固结过程持续进行，沉降过程以浅层地基为主，此处与分层沉降所得数据所得结论相一致。
另外，通过监测过程也发现孔隙水压力值受降雨影响显著，在填土高度不变的情况下，雨后测得的孔压值明显大于雨前。这种变化是由于降雨过程相当于对地基进行加载，增大了地基的附加荷载，从而使孔隙水压力值增大。
5 结论
1、堆载预压初期，路基沉降随时间增長较快，随着固结过程进行，路堤稳定，沉降曲线变平缓，从而可以确定卸载时间。
2、堆载预压期间，地基沉降主要集中在浅层淤泥土层，因此可以确定前期地基处理深度，以免造成浪费。
3、沉降过程中，土体水平位移先向路堤外侧发展即发生侧向膨胀，然后再侧向压缩，侧向变形是先增大后减少。沉降先由土体的侧向膨胀引起，随后土体的侧向压缩使沉降减小。
关键词：堆载预压，软土地基，沉降观测
中图分类号： TU471 文献标识码： A
1 引言
软土作为一种不良地基具有承载力低、沉降量大、固结时间长等不良工程特性，在道路修筑过程中，经常遇到软土地基等地质条件较差的地段，如果路基填筑速度过快，就会造成软土层沉降过大，发生剪切破坏，地基失稳，对工程安全带来隐患。因此，对沉降变形的现场观测以及沉降规律的总结研究对保障施工安全以及指导施工进度有着重要意义。
本文结合胶州湾产业基地围海工程防潮堤建设工程，对填方路堤进行了路基沉降、孔隙水压力、分层沉降、土体水平位移现场观测，并根据其变化情况，研究现场软基沉降规律。根据沉降曲线的斜率变化，确定路堤所处变形状态当斜率增长过快时控制填土速率，当沉降曲线持续平缓时，可以卸载。
2 工程概况
胶州湾产业基地围海工程防潮堤总长9654.96米，海堤工程的级别为2级，允许部分越浪设计。海堤工程所在地属暖温带季风气候区，多年平均气温为12.2摄氏度，8月平均25.5摄氏度，1月平均-1.2摄氏度，夏无酷暑，冬无严寒，平均降雨量775.6毫米，湾东部多雾，年平均雾日为50天，主要出现在秋末和冬季。
工程地质条件
工程场地地层分布稳定，层序较清晰，上覆土层主要由第四系淤泥质土，粘性土，砂土组成，下伏基岩为白垩纪-第三系古新统王氏群胶州组泥质砂岩。依据《青岛综合地层表》，工程场地第四系地层自上而下大体分为三个沉积层：以中砂为主的第12层陆相沉降层，以中砂为主的第8层海沉积层，以淤泥质土为主的第6层海相沉积层。表层淤泥和淤泥质黏土平均厚度11米，均为高含水量，极微透水，固结条件差，高压缩性，低强度软土。
3 施工过程及监测方案
3.1 施工流程
海堤工程施工流程为：清基-铺设有纺土工布-抛填碎石垫层-插设塑料排水板，施工振动沉管砂石桩-铺设土工格栅-外坡镇压层大块石抛石护底机械理平-主堤，子堤石坝分层抛填石方，主堤内坡，子堤外坡铺设碎石及复合土工布，闭气土方分层填筑跟进-等载预压-沉降稳定后，C20细石砼灌砌块石挡墙及铺砌外侧花岗岩条石-防浪墙及堤顶道路，绿化。
3.2 监测原理及监测仪器的埋设
本工程海堤高度较高，施工周期长，海堤的施工速度将直接影响工程的安全质量。通过沉降监测等，以控制和调整施工进度及加荷速率，为工程的安全，快速施工提供可靠的保证，对海堤在施工期和运营期间进行地表垂直位移，地层分层沉降，深部水平位移，超静孔隙水压力等设计规定监测指标长时间，连续定性与定量的现场监测与分析工作，确定监测项目：地表垂直位移观测，路基沉降观测，土体分层沉降观测，孔隙水压力观测，土体深层水平位移观测。
路基沉降监测原理
沉降观测采用水准仪进行。当土体发生沉降或隆起时，埋设在土中的底座也跟随一道移动，并连带观测杆在套管中做上下运动。测定观测杆的顶面高程，即可推算出待测点的沉降值。某点处沉降量计算公式为：
（3-1）
其中：：第次监测时的路基沉降量
：第次监测时观测杆的顶面高程
：第次监测时观测杆的顶面高程
某点出累计沉降量计算公式为：
（3-2）
其中：：到第次监测时的路基累计沉降量
：观测杆的初始顶面高程
路基沉降板的埋设
路基沉降监测是根据监测基准点高程进行的，与地表垂直位移观测共用工作基点。
路基沉降板安装埋设具体按照工程设计示意图，路基沉降观测测点采用500mm×500mm×10mm的钢板作为底板，底板中央垂直焊接一根φ40的镀锌钢管，在距底板中心200mm处对称焊接4根铁杆在镀锌钢管上起固定作用。根据设计提供的测点坐标现场放样，进行测量定位，在埋设地面挖一500*500*200mm左右的土坑，坑内用30-50mm黄砂垫平压实，将沉降板放置预定位置，四周用黄砂填实并用水准校正水平，再回填土整平压实，填料时，应先在沉降板周围填料压实，以保护沉降板，护套管埋设于离底板30cm处，注意沉降板，测杆连接4m高度倾斜度不应大于1°。沉降观测点完全固定后及时测量沉降点初始标高。以后随着加堆载高度用结箍连接逐渐加高。
土体分层沉降监测原理
电磁式沉降仪的工作原理是在土体中埋设一竖管，根据设计要求在竖管外侧固定磁环，当土体发生沉降时和土体同步沉降，利用电磁测头测出发生沉降厚磁环的位置，将其与磁环起初的位置比较，即可算出测点(磁环)的沉降量。
工程中磁环初始位置位于地基不同土层分隔处，根据某土层上下边界磁环的沉降量之差可以求出本土层的压缩量。某土层压缩量计算公式为：
（3-3）
其中：：某土层的压缩量
：某土层上边界磁环沉降量
：某土层下边界磁环沉降量
沉降管的埋设
深层分层沉降采用钻孔安装沉降管埋设，具体按照工程设计示意图，沉降管安装时应保证管中心垂直，钻孔垂直偏差率不大于1.5%，成孔后清孔，同时应保护好关口以免杂物进入管中，沉降管采用ABS直通连接，且连接点高于碾压面30cm，没2.0m设一连接点，连接点外部采用400g/m2土工布包裹。ABS管周边无需回填，没2个沉降环间必须设1个活动间隙为15cm的滑动接头，层间距离较大的宜设置2个及2个以上滑动接头，埋设完毕后对不同深度磁环按次序编号，待孔侧土回淤稳定后，并测量其初始标高。
土体水平位移监测原理
测斜仪是通过逐段测量其测斜管与铅垂线的夹角,利用几何关系可计算得到测斜管轴线与铅垂线的水平偏移量,不同时刻测斜管轴线在某一方向的偏移量即为土体的侧向位移大小。
某一测点处侧向位移大小的计算公式为：
（3-4）
其中：：第測点处测斜管轴线与铅垂线之间的偏离量，即水平位移量
：测点间距，通常与测头导轮间距相同，一般为500mm
：第测量段测斜管与铅垂线的夹角
测斜管的埋设
测斜管采用钻孔安装，具体按照工程设计示意图，测斜管的钻孔孔径不小于110mm，终孔孔径应大于测斜管外径30mm，钻孔完毕应核实钻孔深度和倾斜度，倾斜度应小于2°，测斜管采用带导槽的ABS管，相邻两管用管接头紧密相连，连接时应使导槽严格对正，不得偏扭，必须保证装配好的测斜管导槽的扭转角每3m不超过1°，全厂范围内不超过5°，安装时，控制其中一组导槽方向对准边坡方向，接头处及铆钉出用防水胶带缠紧，测斜管按要求全部下放到孔内后，检查导槽是否畅通，并用测扭仪测量其扭转角，测斜孔与钻孔孔壁之间的空隙用水泥砂浆回填，测斜孔主要观测顺坡向的位移，同时在测斜管内注满清水。随后做好测斜管口的各种保护措施并在管口旁边做醒目标志。
孔隙水压力监测原理
当被测水压荷载作用在孔隙水压力计上，将引起弹性膜板的变形，其变形带动振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经水工屏蔽专用电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值。某点处孔隙水压力的计算公式为：
其中：：某测点的孔隙水压力值
：所用孔隙水压力计的修正系数
：所用孔隙水压力计的计算修正值
：所用孔隙水压力计的初始振动频率
：现场实测孔隙水压力计的振动频率
孔隙水压力计的埋设
孔隙水压力计采用钻孔埋设，同一测孔内分不同高程安装4支，埋设方法严格按照工程设计进行，且严格控制填筑料。 孔隙水压力计仪器电缆宜穿管保护，并沿程做好标识，引至相应断面堤顶公路外海侧防浪墙上的集线箱内。
4 监测数据分析
4.1 路基沉降数据分析
路基沉降随时间的变化规律显示，前期路基沉降数据曲线接近直线，说明此时的路基变形处于弹性变形过程。而当堆载开始，曲线斜率增大，此时处于塑性变形过程，要注意堆载速度，防止造成路基失稳。到后期沉降曲线变缓，说明沉降不再发生，固结基本完成，地基稳定，可进行卸载。
4.2 分层沉降数据分析
分层沉降随时间的变化规律显示，随着时间的延长，在5个月的观测期内各分层沉降总体趋势逐渐增大，表明沉降仍继续发展，需要继续观测，直到稳定为止。
4.3 测斜数据分析
路基侧向位移随时间的变化规律显示不同深度土体水平位移变化趋势大致相同，在堆载预压初期，侧向位移向路堤外发展，侧向变形的增长速率相对较小，当路堤超过临界填土高度时，侧向变形急剧发展，并且在同一位置达到拐点，然后出现土层“回弹”现象。
4.4 孔隙水压力数据分析
孔隙水压力随时间的变化规律显示，堆载预压期间孔隙水压力随时间的变化过程随着加载一般都经历了增长—消散—稳定的过程，说明附加总应力在不断由超静孔隙水压力向土体有效应力转化，孔压开始消散时消散速率较快，随时间的推移孔压的消散速率减慢，在后期孔压趋于稳定。浅层地基孔隙水压力持续消散，固结过程持续进行，沉降过程以浅层地基为主，此处与分层沉降所得数据所得结论相一致。
另外，通过监测过程也发现孔隙水压力值受降雨影响显著，在填土高度不变的情况下，雨后测得的孔压值明显大于雨前。这种变化是由于降雨过程相当于对地基进行加载，增大了地基的附加荷载，从而使孔隙水压力值增大。
5 结论
1、堆载预压初期，路基沉降随时间增長较快，随着固结过程进行，路堤稳定，沉降曲线变平缓，从而可以确定卸载时间。
2、堆载预压期间，地基沉降主要集中在浅层淤泥土层，因此可以确定前期地基处理深度，以免造成浪费。
3、沉降过程中，土体水平位移先向路堤外侧发展即发生侧向膨胀，然后再侧向压缩，侧向变形是先增大后减少。沉降先由土体的侧向膨胀引起，随后土体的侧向压缩使沉降减小。