高回填區(qū)域土方變形與沉降的監(jiān)測(cè)及控制研究

李紅剛

（云南建投第十建設(shè)有限公司，昆明 650000）

1 高回填區(qū)域土方變形與沉降的機(jī)理

1.1 變形機(jī)理

高回填區(qū)域土方的變形機(jī)理涉及一系列復(fù)雜的地質(zhì)、物理和力學(xué)過(guò)程。土壤的顆粒大小、形狀和排列方式?jīng)Q定了土壤的初始結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，在顆粒間的空隙中，水分和空氣可以在其中遷移，形成了復(fù)雜的土壤水氣系統(tǒng)。當(dāng)外部載荷作用于土壤時(shí)，顆粒間的接觸點(diǎn)會(huì)受到壓力，可能導(dǎo)致土壤顆粒的移動(dòng)和重新排列，從而引起土壤的變形。土壤的化學(xué)特性，特別是礦物成分和土壤酸堿度，也對(duì)土壤的變形有重要影響。膨脹性的黏土礦物，如蒙脫石，會(huì)在吸水后膨脹，增加土壤體積，導(dǎo)致土壤變形；而土壤的酸堿度會(huì)影響土壤顆粒的電荷特性，影響顆粒間的吸引力和排斥力，引發(fā)土壤變形[1]。此外，土壤的力學(xué)特性，尤其是抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，是決定土壤變形程度的重要因素，當(dāng)土壤承受外部載荷時(shí)，如果其抗壓強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度不足，可能出現(xiàn)過(guò)度塑性變形或斷裂。

1.2 沉降機(jī)理

在受到外部荷載作用時(shí)，土壤顆粒會(huì)發(fā)生位移，空隙會(huì)被壓縮，導(dǎo)致土壤體積減小并引起沉降。顆粒間的相互作用還可能導(dǎo)致水分從較大空隙流向較小的空隙，導(dǎo)致土壤體積的變化，進(jìn)一步加劇沉降。土壤質(zhì)地變化也是影響沉降機(jī)理的重要因素，例如，黏土膨脹收縮性能會(huì)引發(fā)體積變化引起沉降；某些土壤中有機(jī)質(zhì)會(huì)在受到壓力時(shí)分解，導(dǎo)致土壤體積減小，進(jìn)而引起沉降。在建筑物、道路或其他結(jié)構(gòu)物的荷載作用下，土壤會(huì)經(jīng)受壓縮，其內(nèi)部的空隙會(huì)被減少，土壤的承載能力不足，或者荷載超過(guò)土壤的承載能力，引發(fā)過(guò)度沉降，出現(xiàn)一系列工程問(wèn)題。

2 高回填區(qū)域土方變形與沉降的影響因素

2.1 環(huán)境因素

高回填區(qū)域土方的變形與沉降受到眾多環(huán)境因素的影響，包括但不限于氣候條件、地下水位變化、地質(zhì)條件、植被覆蓋等。（1）氣候條件對(duì)土壤的濕度和溫度有直接影響。高溫和干旱使土壤中的水分蒸發(fā)，可提高土壤的抗壓強(qiáng)度，減少沉降，但長(zhǎng)期的干旱條件也可能導(dǎo)致土壤的干縮，使土壤體積減小，加劇土壤的沉降；過(guò)多的降水會(huì)增加土壤的濕度，降低其抗壓強(qiáng)度，增加土壤的沉降；極端氣候條件，如洪水洪澇，會(huì)導(dǎo)致土壤劇烈變形和沉降。（2）地下水位的上升可能會(huì)增加土壤的濕度，降低其抗壓強(qiáng)度；地下水位的下降，特別是人為抽水，可能導(dǎo)致土壤干縮，加劇土壤沉降；地下水流動(dòng)也可能沖刷和侵蝕土壤，改變土壤的物理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤的變形和沉降。（3）地質(zhì)條件，包括地形、地質(zhì)構(gòu)造和土壤類型，也是影響土壤變形和沉降的重要因素[2]，例如，斜坡地形和活動(dòng)的地質(zhì)構(gòu)造可能引起土壤的位移，引發(fā)土壤的變形和沉降。而不同類型的土壤，其物理和力學(xué)特性也有很大差異，承受荷載時(shí)變形程度也不同。（4）植被覆蓋，尤其是大型植物，如樹(shù)木，其根系能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的穩(wěn)定性，減少土壤的變形和沉降。大型植物的生長(zhǎng)和死亡可能改變土壤的物理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤變形和沉降。

2.2 材料因素

土壤類型決定了土壤的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，例如，黏土由于其顆粒微小和較高的吸水性，具有較強(qiáng)的塑性和較小的剪切強(qiáng)度，因此，更易于發(fā)生變形和沉降。相比之下，砂土和礫石土由于其顆粒大、排列緊密，通常具有較高的剪切強(qiáng)度和較小的變形，但如果顆粒間的接觸被破壞，如在振動(dòng)或荷載作用下，也可能發(fā)生顯著變形。土壤狀態(tài)，包括土壤的濕度、密度和孔隙率，對(duì)土壤的變形與沉降有重要影響。濕度會(huì)改變土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角，影響土壤的剪切強(qiáng)度和壓縮模量；密度和孔隙率則決定了土壤顆粒的排列方式和空隙的大小，影響土壤的變形性和沉降。此外，土壤的厚度也是一個(gè)重要的因素，土壤的厚度越大，其變形和沉降的潛力就越大。厚度大的土層受到的自重壓力更大，且其內(nèi)部的應(yīng)力傳遞和調(diào)整過(guò)程更復(fù)雜，所以，更容易發(fā)生變形和沉降。填土材料的質(zhì)量直接決定了回填土層的物理和力學(xué)性質(zhì)，包括顆粒大小分布、含水量、壓縮性、強(qiáng)度等。高質(zhì)量的填土材料，其顆粒大小分布均勻、含水量適中、壓縮性小、強(qiáng)度高，因此，其變形和沉降的可能性較小。

3 高回填區(qū)域土方變形與沉降的監(jiān)測(cè)方法

3.1 地面監(jiān)測(cè)方法

地面監(jiān)測(cè)方法是高回填土方回填區(qū)域變形與沉降的重要手段，通過(guò)地面設(shè)備對(duì)地面變形和沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)或定期的監(jiān)測(cè)，以獲得準(zhǔn)確的、連續(xù)的地面變形數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測(cè)技術(shù)包括水準(zhǔn)測(cè)量、全站儀測(cè)量、測(cè)斜儀測(cè)量、激光掃描和地面雷達(dá)干涉等，需要根據(jù)具體的工程條件和需求，進(jìn)行綜合考慮和選擇。（1）水準(zhǔn)測(cè)量是最常用的地面監(jiān)測(cè)方法之一，通過(guò)設(shè)立一系列的水準(zhǔn)點(diǎn)，定期進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，可以得到各測(cè)點(diǎn)的高程變化數(shù)據(jù)，從而監(jiān)測(cè)地面的沉降[3]。（2）全站儀測(cè)量則可以同時(shí)獲取測(cè)點(diǎn)的平面和高程變化數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)范圍更全面。（3）測(cè)斜儀測(cè)量通過(guò)在地面或地下設(shè)立測(cè)斜管，可以監(jiān)測(cè)土壤的深層位移和變形，但設(shè)備成本和維護(hù)成本較高。（4）激光掃描和地面雷達(dá)干涉則是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型地面監(jiān)測(cè)方法，激光掃描通過(guò)高精度的激光距離和角度測(cè)量，可以快速獲取大范圍的地表形態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)效率高，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；地面雷達(dá)干涉則通過(guò)對(duì)地表的連續(xù)雷達(dá)觀測(cè)，可以獲取地表的微小位移變化，精度較高，但受到氣象條件的影響較大。

3.2 地下監(jiān)測(cè)方法

地下監(jiān)測(cè)方法對(duì)于及時(shí)掌握地下土壤結(jié)構(gòu)的變化、識(shí)別潛在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和評(píng)估工程安全性具有重要意義。（1）地質(zhì)鉆探是地下監(jiān)測(cè)中的基礎(chǔ)工作，能夠獲得土壤的樣本，以便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析和測(cè)試，獲取土壤的物理、化學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)數(shù)據(jù)，這是理解土壤變形與沉降機(jī)理的關(guān)鍵。（2）壓力計(jì)和孔隙水壓力計(jì)則可以監(jiān)測(cè)土壤的應(yīng)力和水壓變化，為了解土壤變形與沉降提供關(guān)鍵依據(jù)。壓力計(jì)通常設(shè)置在土壤或結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測(cè)土壤或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，而孔隙水壓力計(jì)則設(shè)置在土壤孔隙水中，監(jiān)測(cè)孔隙水的壓力變化，能夠幫助工程人員了解土壤在荷載和環(huán)境變化下的響應(yīng)和變化，預(yù)測(cè)和控制土壤的變形與沉降[4]。

4 高回填區(qū)域土方變形與沉降的控制

4.1 土壤改良

土壤改良是通過(guò)改善土壤的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，提高土壤的承載能力，減小土壤的壓縮性和變形性，以達(dá)到控制變形與沉降的目的。土壤改良通常包括土壤穩(wěn)定、土壤固化、土壤交換和土壤混合等，可以改善土壤的強(qiáng)度、硬度、稠度、排水性和抗剪強(qiáng)度等性質(zhì)，使其更適合作為高回填土方材料。（1）土壤穩(wěn)定技術(shù)主要是通過(guò)添加穩(wěn)定劑，如石灰、水泥、瀝青等，改善土壤的力學(xué)性質(zhì)和工程性能，使其與土壤反應(yīng)，形成較硬的、穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的承載能力和強(qiáng)度[5]。（2）土壤固化技術(shù)主要是通過(guò)添加固化劑，如硅酸鹽、有機(jī)高分子等，改善土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性，填充土壤孔隙，增加土壤的緊密性和固結(jié)性，降低土壤的壓縮性和變形性。（3）土壤交換技術(shù)則是通過(guò)替換部分或全部的原土壤，用具有更好工程性能的土壤代替，以改善土壤的工程性質(zhì)，適用于原土壤工程性質(zhì)較差，難以通過(guò)改良達(dá)到工程要求的情況。（4）土壤混合技術(shù)是通過(guò)將土壤與其他材料混合，形成新的土壤材料，以改善土壤的性質(zhì)和工程性能。根據(jù)工程需要，選擇合適的混合材料，如沙石、粉煤灰、高爐渣等，達(dá)到理想的改良效果。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過(guò)科學(xué)合理的工程設(shè)計(jì)，考慮土壤、地質(zhì)、氣候、工程功能等多種因素，優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)和施工方案，使之與回填土壤的性質(zhì)和條件相匹配，能夠在設(shè)計(jì)階段就盡可能降低結(jié)構(gòu)變形和沉降的可能性和影響。（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分考慮土壤的性質(zhì)和狀態(tài)，如物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)，以及地質(zhì)條件、地形地貌、地下水狀況等，這些因素會(huì)直接影響土壤的承載能力、變形性、穩(wěn)定性，影響工程結(jié)構(gòu)的性能和安全。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮工程的功能和要求，如結(jié)構(gòu)的用途、載荷、使用壽命、安全要求等，對(duì)于承載力要求高、使用壽命長(zhǎng)、安全性要求嚴(yán)格的工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用深基礎(chǔ)、增強(qiáng)地基、剛性結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方案。

4.3 管理和維護(hù)策略

在土方回填過(guò)程中，有效的維護(hù)和管理策略旨在預(yù)防和減輕土壤的變形與沉降，以保持工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。（1）防止水土流失是一個(gè)重要的保護(hù)措施。因?yàn)樗至魇Э梢砸l(fā)土壤結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤質(zhì)地疏松，增加土壤的變形和沉降的可能性。（2）對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢修和維護(hù)是保證其安全和穩(wěn)定的重要手段。出現(xiàn)裂縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清理和修復(fù)，以防止裂縫的擴(kuò)展和深化；支撐不足的結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)其支撐，以提高其抗變形和抗沉降的能力；性能不佳的結(jié)構(gòu)應(yīng)通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)或施工方法來(lái)改善其性能，如提高其剛度、強(qiáng)度或韌性等。（3）調(diào)整施工方法和使用狀況也是一種有效的策略，應(yīng)根據(jù)土壤和工程的具體情況選擇適合的方法，如減輕載荷、采用溫和的施工方式等，以減小對(duì)土壤和結(jié)構(gòu)的影響；對(duì)于使用狀況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求和可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，如改變使用方式、延長(zhǎng)使用周期等，以減小變形和沉降的可能性。

5 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，高回填區(qū)域土方變形與沉降是一個(gè)復(fù)雜的工程問(wèn)題，涉及多種因素和環(huán)節(jié)，需要綜合運(yùn)用地質(zhì)、土壤、結(jié)構(gòu)、工程等領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行研究和控制。雖然目前已經(jīng)有了一些有效的監(jiān)測(cè)方法和控制技術(shù)，但由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，還需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，增強(qiáng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和關(guān)注，提高對(duì)工程安全和穩(wěn)定的重視，采取更科學(xué)、更有效的管理和措施，減輕變形與沉降的影響，保障工程的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性。