高等级公路软基沉降观测的精度指标

1、高等级公路软基沉降观测的精度指标及观测规范化问题白忠良徐泽中【河海大学南京210024】摘要：在沪宁高速公路江苏段沉降观测实践的基础上，探讨适合于公路软基沉降观规范化问题。提出沉降观测的精度指标、观测频率、水准测量等级及沉降观测测的实施的具体要求，作为高等级公路正确掌握沉降观测标准的建议。关键词：公路软基理论沉降观测指标规范化1前言高等级公路软基路段的沉降问题，直接影响到工程的质量。建设单位为确保质量成立了专门的机构进行沉降和稳定管理，指定施工单位进行连续的沉降观测，使有害的沉降在工前发生，观测成果用以作为判断路堤施工进展中安全与否和预压是否到稳定的依据，以便使工程顺利进行。鉴于目前高等级公路

2、的沉降观测没有专门规范可循，施工单位的测量多般习惯于用标高测设的方法进行沉降观测。这种操作方法实际上是一种等外水准(一次仪器高)配用塔尺，不过多考虑观测精度的一种水准测量方法。这种方法当地基沉降发生为几mm时，很难获得真实的结果，把没有沉降的点测成几个毫米的量值，或者相反。其次，各个施工队测量员的技术水平相差甚大，尽管有熟练操作仪器的技能，但对观测精度、操作限差及手薄格等规范化问题往往注意不够，特别是手薄格式的五花八门，导致数据混乱，易于出错。因此，研究沉降观测的精度、统一测量方法及操作规范、统一记录格式和成果整理等技术问题已刻不容缓。本文根据国家标准(GB50026-93)工程测量规范，结合

3、高等级公路沉降观测的实践经验和具体条件，探讨适合于公路软基沉降观测规范化问题，旨在使沉降观测的技术有所发现、有所提高。2沉降观测的精度指标及频率2.1沉降观测的精度指标通常，确定沉降观测的精度指标有三条标准：一是根据沉降量的大小确定精度指标；二是探讨沉降观测中误差与建筑物允许变形值的比值关系；三是采用规范中规定的固定值，例如前苏联水工建筑物变形观测规范规定软土地基沉降观测精度为2mm。本文着重讨论沉降量大小与观测精度的关系，即沉降量越小，观测精度越高，反之，要求为低。就公路软土地基的沉降量来说：沉降量的变化是相当复杂的，它与设计总沉降量的大小、观测频率、软基厚度、地基处理的方法、填土高度、沉降

4、控制的方法以及沉降趋于稳定状态等因素有关。所谓稳定状态有两方面含义：一是路槽层(或95层，以下称95层)完成后，经过一定时间预压(堆载或等、超载)，若连续两个月实测沉降速率小于5mm/月时称为路基稳定；二是路基稳定后，进行底基层、基层和油面层施工时，若连续两个月实测沉降速率小于3mm/月时称为路面层稳定。显然，若考虑稳定状态时的小沉降量(35mm/月)，则要求很高的观测精度，应采用精密的仪器和方法进行沉降观测，增加了测量难度和工作量。因此，对施工全过程(路堤填筑、预压期及路面施工期)分阶段确定观测精度是合理的，下面用实测资料来分析沉降量变化的规律。2.1.1路堤填筑的沉降量取沪宁高速公路江苏段

5、A-D标的路基沉降观测资料(计331个观测点、3680次观测的时段沉降量)，以15d为观测时段，划分05mm、510mm、大于10mm的三个沉降量的区间，经统计得各区间出现的次数与百分比，见表1所示。A-D标段已发生的沉降量百分比，见表2所示。15d沉降量的统计表表沉降量的区间(mm)A标(37km)B标(32km)C标(45km)D标(42km)126点794次95点1094次66点1020次44点772次出现次数%出现次数%出现次数%出现次数%0519023.961556.233032.432542.151015519.518617.020019.616721.71044856.62932

6、6.849048.028036.2路堤填筑期发生的沉降量统计量表2沉降量(cm)标段303050506060A标(昆山段)46.73%38%4.4%10.86%B标(苏州段)88.7%4.5%4.4%2.2%C标(无锡段)23.4%32.8%23.4%20.3%D标(常州段)82.3%16.7%1%0表1中，若将大于10mm的沉降量看作是大沉降量，则各标出现的百分比：A标为56.6%、B标为26.8%、C标为48%、D标为36.2%。这些大沉降量一般出现在路堤施工期的大部分时间中；而05mm的小沉降量大部分出现在95层即将到位的时段中。表2可知，由于每个标段的地基土质和软基深度厚度不完全一致，

7、所发生的沉降量也有所区别。例如，以大于30mm的沉降量为界限，A、C标出现的百分比分别为53.3%和76.6%，而B标、C标为11.3%和17.7%。若取路堤填筑施工期为500d，则折算为月平均沉降量为2cm。可见，A、C标的测量精度可放低一些，而B、C标应作较高的要求。2.1.2堆载，等、超载预压期的沉降量95层完成以后，路段采用堆载或等载预压；桥的两端应进行超载预压。这种等、超载预压技术措施，可使后续施工路面结构荷载对地基引起再沉降量达到最小程度。资料表明：堆载或等载路段预压36个月后，实测总沉降量一般在26cm之间；桥头超载为520cm。其中第一个月的沉降量要大一些，但很快地衰减为毫米级

8、的小沉降量。沉降速率至35mm/月，趋于稳定。这个结论可在一份抽检报告中给予证实。抽检时间为1995年1月15日到1995年5月15日(每个月观测一次)。江苏段全线抽检92个点计322次观测。其结果大于10mm占28%；小于10mm占72%。可见，大部分的沉降量为毫米级的小沉降量。2.1.3路面施工期的沉降量取沪宁高速公路A标段沉降量最大的路段作资料统计，该段于1994年10月完成全线油面底层的施工。根据实测资料，将底基层、基层及油面层(中面层施工未完，暂不统计)施工中的沉降量出现的次数及百分比列于表3。表中可知，05mm的小沉降量出现频率在80%以上。至于其它标段，例如B标，全线仅有2个点达

9、10mm的沉降量，其它均小于5mm。因此，路面施工期的沉降观测必须讲究提高观测精度。标路面施工期沉降量统计表表3出现频率施工期05mm510mm10mm次数百分比%次数百分比%次数百分比%底基层(二灰)5372.679.61317.8基层(二灰碎石)15580.82211.4157.8油底面层14288.2148.753.1统计资料表明：随着路堤填筑的升高，沉降变化的规律是由厘米级的大沉降量变为毫米级的小沉降量。因此，沉降观测的精度也应随筑堤的升高而提高。本文提出：在路堤填筑期中，由于沉降量一般较大，观测精度可适当低一些，取32mm为宜，但在预压期和路面施工期中，观测精度要求较高，一是因为观测

10、的沉降量为毫米级的小沉降量，特别是趋于稳定时要求更高；二是因为路堤填筑结束后，在稳定荷载的作用下，仍有一部分后期沉降量，通过观测达到稳定标准35mm/月求得沉降过程线，并推算出最终沉降量，满足设计工后沉降的要求。但测点的观测精度将直接影响到最终沉降量值的精度。因此，95层完成以后，沉降观测精度取21mm才有意义。2.2沉降观测的频率图1沉降过程线图沉降观测的频率取决于沉降量的大小、加载方法和观测目的等。通常要求观测的次数能反映出沉降变化的过程，又不遗漏变化的时刻。为了说明确定观测频率的方法，现取软土较薄的粘土层路段，沉降过程线呈现单一走向的曲线(图1)。图中看出：第阶段为路堤填筑期，随着土的荷

11、载加大，沉降速率较大，观测频率应大一些。一般每填12层或710d观测一次。第阶段为预压期，该阶段沉降的特点，先是发生较大的沉降量，经转折点T后(图1)，很快趋于缓和，因此预压初期的观测频率每710d观测一次，以后每个月观测12次。第阶段为路面施工期，分底基层、基层和油面层三期施工。根据设计厚度，每层分一次或二次碾压。该阶段沉降量较平稳，观测频率为每做一层观测一次。若下层与上层施工间隔较长，则增补隔月观测一次。3水准测量的精度与方法观测精度指标确定后，选用何种等级的水准测量是众所关心的问题。现取水准测量规范中，二、三、四等水准测量的观测中误差m观(尺上一次读数中误差)分别为0.18mm、0.78

12、mm、1.04mm，以此来分析一测站的高差中误差和两期观测测站之差的中误差，见表4。水准测量精度分析表达式表4等 级m观(mm)一测站基、辅分划或红、黑面平均值的高差中误差(mm)二期观测高差之差的中误差(mm)沉降点由二个或三个测站完成，二期观测高差之差的中误差(mm)二个测站三个测站二0.18m站=m观=0.180.18根号2=±0.25±0.35±0.43三0.78m站=m观=0.780.78根号2=±1.1±1.6±1.9四1.04m站=m观=1.041.04根号2=±1.5±2.1±2.6水准测

13、量若考虑其它一些误差影响，表4所列的误差值还略大一些，若不考虑水准基点高程中误差，则沉降点二期观测高程之差的中误差就是表4中所列的各项误差值。表4可见，若观测精度为21mm时，预压期及路面施工期的沉降观测选用三等或二等水准测量。施工单位配有DSI水准仪时，可采用二等水准，否则至少用三等水准观测。目前高等级公路的建设单位和各个监理组配有进口的精密水准仪，可以用二等水准要求检查三等水准的沉降观测成果。这样比较合理地判别沉降观测的正确性。在路基填筑过程中，要求达到32mm的观测精度时应采用四等水准测量或红、黑面五等水准测量。4沉降观测的实施4.1准备工作4.1.1沉降板的埋设软土路基一般每隔200m

14、埋设一个沉降点；非软土路基每1km埋设一个。沉降板由一根直杆(直径=2030mm的钢管或自来水管)和600×600×9mm的沉降钢板组成。直杆用三根斜钢筋焊接在沉降板上，沉降板埋设在路基的底面或砂垫层下(图2)。为了使沉降杆不受破坏，杆长应随填土升高而逐段接高。每段接管的长度为2030mm，两端有螺纹接头与空心管紧绞连接。观测时，每段接管的顶面应有相邻两期的观测标高。也就是说：第一段接管埋好后，随即测量管顶标高，作为第一期观测值。待填筑一层土后，先在原顶管面处观测标高，作为第二期观测值。随即接上第二段接管，观测管顶标高。这样，循序逐节升高，计算出每期观测的沉降量。图2为了不

15、使填压的土质嵌入空心螺纹管内，每段接管应套上一段塑料圆管，圆管的高度略高于接管顶面，圆管的直径略大于水准尺的宽度。套管顶面盖上一个圆盖板，盖板中心穿一段红布线条，以便下次测量找出沉降点位。4.1.2位移桩的设置在路基填筑过程中，由于路堤荷重的作用，使路堤坡脚处可能产生水平位移和垂直位移，因此要在路堤坡脚处设置若干位移桩(图3)。位移桩长度为100200cm，断面为10×10cm的方桩打入地基内。桩的入土深度是随土基软硬程度不同而异，以不被踩动为原则。位移桩的布置根据地基及路堤场地条件确定，一般从路堤坡脚起，在垂直于路中心线方向每隔23m布设5个位移桩，并用经纬仪定线方法使5个桩在一条

16、直线上，最后用小钉在木桩上标定桩位。为了观测水平位移，在移位桩的延长线上设置二个固定桩A、B(AB为2030m)。每次观测时，安置经纬仪于A点，后视B点，倒转望远镜观测5个桩是否在一直线上，否则量出偏出直线的垂距(即横向位移)。用钢尺丈量固定点A到各位移的距离，两期观测的距离差为纵向位移。钢尺丈量时要记上气温，以便进行温度改正。用水准仪测量位移桩的垂直位移，用首次观测的标高减去第i次观测的标高即为垂直位移。规定“正”号为下沉；“负”号为上升，如上升到一定量级，则表示地基有破坏的趋向，应及时上报，以便采取措施。图3位移桩布设示意图4.1.3水准点布设及转置桥上水准点水准点应选在垂直于路中心线50

17、m外的距离，土质坚硬便于长期保存和使用的地点，并埋设混凝土水准标石，以便在路堤施工时进行沉降观测。随着路堤升至一定高度时，这些地面水准点的观测就不太方便了。因此，当桥梁工程结束时，为了减少沉降观测由地面水准点传递到路面的高差影响。可将水准点转设到有灌注桩的耳墙桥角上。桥角水准点必须钻孔埋设有球状顶面的水准标点，各桥上水准点应组成水准线路，求得正确高程后，才能使用。4.1.4水准仪及水准尺二等水准测量仪器采用DS1精密水准仪，配用因瓦水准尺；三、四等水准测量采用DS3水准仪，配用3m长的红、黑面木质水准尺。水准尺各部分转动应灵活，望远镜制微动螺旋作用应可靠，调焦镜运用及目镜调节不能有明显的晃动现

18、象。每次观测前除检验圆水准器、十字丝位置正确性，自动安平水准仪补偿器灵敏度等项目外，必须正确进行i角的检验。精密水准仪按国家一、二等水准测量规范进行检验；普通水准仪按国家三、四等水准规范进行检验。DS1水准仪i角不应超过15；DS3型水准仪不应超过20。水准尺必须牢固无损，尺底板不应有松动，尺的中线与尺底成垂直，尺面不能有弯曲。水准尺应进行标尺零点不等差、1米长度和分米长度等项目的检验，水准尺必须装有圆水准器，不符合要求不能使用。着重提出：大多数施工队习惯用塔尺进行沉降观测，这是不能允许的，因为塔尺上没有圆水准器，尺子的垂直度难以控制。若尺子前、后有倾斜，加上风的影响，则尺子上35m处的读数可

19、达510mm的误差影响，这样就失去了沉降观测的精度意义。4.2沉降观测的外业为了提高沉降观测精度，按如下要求进行操作：(1)每期观测做到四个固定：固定观测人员；固定仪器及水准尺；固定后视尺读数；固定测站及转点。在实际工作中，由于路堤逐层升高，导致测站位置难以固定。笔者建议：在首次观测时，将水准仪大致安置在路中心线处，使前、后视距满足要求，读取一个前视距离作为固定值。这样在以后各期观测中仪器安置于相同位置，既固定了测站，又不必在每次观测时读取前、后视距。当沉降观测点转置到人孔井上(人孔点用标钉标志)时，可利用桥上水准点和人孔井的固定关系固定测站位置。操作时有三种情况：一是观测桥头两端人孔点时，仪

20、器安置在桥的中部(中央分隔带的左侧或右侧，并在桥面板上用红漆绘上“不”的记号)位置，视距一般1030m左右(中、小型桥)；二是当桥上水准点离人孔点为200m左右时，仪器固定在这二点中间的那个人孔旁(人孔井100m左右有一个)，视距可能在100m左右；三是桥上水准点离人孔100m左右时，仪器固定在距水准点50m(等距离处)。用上述方法固定测站，视距不等差可能会超出规定的若干米。但由于沉降量是两期观测高程之差求得，每次观测的高程即使有mh的误差，只要固定仪器，i角校正到很小，且变化不大，不等差引起的高程误差mh可以在两期高程相减中给予消除，所求得的沉降量是正确的。可以认为，根据公路人孔沉降观测的实

21、际情况，操作中不必严格使前、后视距控制在3m(三等)或5m(四等)之内。这就是采用四固定方法的优点所在。(2)观测时必须携带尺垫，严禁用砖石或不设尺垫作为转点。(3)一测站观测高差必须用红、黑面(或基铺面)读数，各项限差及路线允许闭合差见表5。当沉降量较大时，可用五等水准代替四等水准测量。这里所指的五等水准，其操作方法与三、四等水准测量完全相同，限差见表5。水准测量的主要技术指标表等级水准仪的型号视线长度(m)前后视距差(m)前后视累距差(m)红、黑面(基、辅面)读数较差(mm)红、黑面(基、辅面)高差较差(mm)往、返较差，附合允许闭合差(mm)二DS150130.50.7±0.6

22、根号n三DS1100361.01.5±1.4根号nDS3752.03.0四DS31005103.05.0±2根号n五DS312020/4.06.0/注：n-测站数；路线允许闭合差取自工程测量规范9.3.4款(4)每次观测结束后，应及时填写沉降观测记录表(表6)。沉降观测记录表表6沉降板编号7-06路槽底面标高8.35m地基处理方法砂垫层埋设桩号16+480原地面标高7.04m设计总沉降量350mm观测日期填土项面标高(m)累计填土高度(m)接管顶标高(m)本次沉降量(mm)累计沉降量(mm)荷载名称备注1994.4.303.3707.33700路堤底1994.5.267.660.297.3117.5232626加载第一层1994.6.17.750.377.5097.7171440加载第二层1994.6.177.990.627.7117.935646加载第三层1994.7.158.371.007.9338.346248路槽层1994.8.108.371.008.346-148路槽层1994.9.128.691.398.3438.673351底基层：表中本次沉降量一栏，“正”号表示下沉；“负”号表示上升。在沉降观测中，上升情况一般不会出现，除非在等、超载土下卸时，由于路基的回弹可能出现上升的“负”值。因此，在卸土完毕后，随即进行观测，以便