高填方路基不均匀沉降机理分析及智能监测预警系统开发

引言

随着我国交通基础设施建设向山区、丘陵等复杂地形区域延伸，高填方路基在公路、铁路建设中广泛应用。高填方路基具有填土高度大、工程量大等特点，但其不均匀沉降问题严重威胁道路结构安全与行车舒适性，可能导致路面开裂、桥头跳车，甚至引发交通事故。深入研究高填方路基不均匀沉降机理，并开发智能监测预警系统，对保障交通基础设施安全运行意义重大。

一、高填方路基不均匀沉降机理分析

（一）地质条件因素

地基承载力差异：高填方路基下伏地基土性质不均，如存在软土地基、填土与岩质地基交界处，地基土承载力存在显著差异。在填土荷载作用下，软弱地基压缩变形量大，而坚硬地基变形量小，导致路基产生不均匀沉降。

地下水影响：地下水水位变化会显著影响路基稳定性。当地下水水位上升时，填土含水量增加，土体抗剪强度降低，压缩性增大，导致沉降加剧；地下水的渗流作用还可能带走填土中的细颗粒，造成局部空洞，引发不均匀沉降。若地下水长期侵蚀地基土，会使其强度持续下降，进一步恶化路基沉降状况。

（二）填土材料因素

材料特性差异：填土材料的颗粒级配、含水量、有机质含量等特性对路基沉降影响显著。若填土中含有大量有机质，在微生物作用下会逐渐分解，导致土体体积减小；含水量过高或过低，都会影响填土压实效果，压实度不足的区域在后期运营中易产生较大沉降。不同批次、不同来源的填土材料性质不一致，也会造成路基各部位沉降不均匀。

填土压实度不足：施工过程中，若填土压实机械选型不当、压实遍数不足或碾压工艺不合理，会导致填土压实度不达标。压实度不足的填土在车辆荷载与自重作用下，会继续发生压缩变形，造成路基不均匀沉降。

（三）施工工艺因素

填筑工艺不合理：分层填筑厚度过大、填筑速率过快，会使填土无法充分压实，且填土内部应力不能及时消散，导致后期沉降增大。若填筑过程中未按设计要求设置台阶，新旧填土结合面易产生滑移，引发不均匀沉降。

排水系统不完善：良好的排水系统是保证高填方路基稳定的关键。若路基排水不畅，雨水积聚在填土中，会增加填土含水量，降低土体强度。地表排水设施缺失或损坏，会使雨水下渗至地基，影响地基土的稳定性，进而导致路基不均匀沉降。

（四）外部荷载与环境因素

车辆荷载作用：车辆行驶过程中产生的动荷载会对高填方路基产生反复作用。长期的动荷载作用会使填土颗粒重新排列，导致土体压缩变形。在交通流量大、重型车辆多的路段，车辆荷载对路基的影响更为显著，容易加剧不均匀沉降。

气候变化：季节性温差变化会使填土产生热胀冷缩效应，长期的温度循环作用可能导致填土结构破坏，引起沉降。冻融地区冬季土体冻结膨胀，春季融化后体积收缩，这种冻融循环会使路基土体产生裂缝和空洞，造成不均匀沉降。此外，暴雨等极端天气引发的地表径流冲刷，也会破坏路基结构，影响其稳定性。

二、高填方路基智能监测预警系统开发

（一）监测系统架构设计

感知层：采用高精度传感器实现对路基沉降、位移、含水量、土压力等参数的实时采集。如使用北斗卫星定位系统、全站仪进行路基表面沉降与位移监测；通过光纤光栅传感器、振弦式传感器监测土体内部变形与土压力变化；利用时域反射（TDR）传感器测量填土含水量。各类传感器合理布设，覆盖高填方路基关键部位，如填挖交界处、桥头路段等。

传输层：运用物联网通信技术，将传感器采集的数据实时传输至数据处理中心。对于距离较近的监测点，可采用有线传输方式，如光纤、以太网等，保证数据传输的稳定性；对于偏远、布线困难的区域，采用 4G/5G、NB - IoT 等无线通信技术，实现数据的远程传输。

平台层：构建数据处理与分析平台，接收、存储和处理传输层传来的数据。对原始数据进行清洗、滤波、校准等预处理，去除噪声和异常数据，保证数据质量。同时，建立数据库对数据进行分类存储，便于后续查询与分析。

（二）数据分析与预警模型构建

数据分析方法：运用时间序列分析、回归分析等方法，对监测数据进行处理。通过时间序列分析，研究路基沉降随时间的变化趋势，预测未来沉降量；利用回归分析建立沉降与影响因素（如填土高度、压实度、降雨量等）之间的关系模型，量化各因素对沉降的影响程度。

预警模型建立：结合路基设计规范与工程经验，确定沉降预警阈值。采用机器学习算法，如支持向量机（SVM）、长短期记忆网络（LSTM）构建预警模型。SVM 可通过训练数据学习沉降特征与预警状态之间的非线性关系；LSTM 能够有效处理时间序列数据，捕捉沉降变化的长期依赖关系，实现对路基沉降发展趋势的准确预测，当监测数据超过预警阈值时，及时发出预警信号。

（三）系统功能实现

实时监测展示：在系统界面以图表、地图等形式实时展示高填方路基各监测点的沉降、位移等数据，直观呈现路基变形状态。用户可通过系统查看历史数据，了解路基变形发展过程。智能预警发布：当系统检测到路基沉降或其他参数超过预警阈值时，通过短信、邮件、APP 推送等多种方式向管理人员发布预警信息，并标注预警位置与严重程度，以便管理人员及时采取处理措施。

数据分析报告：系统定期生成数据分析报告，对路基沉降趋势、影响因素进行综合分析，为路基养护与加固提供决策依据。同时，通过数据可视化技术，展示路基沉降分布规律与变化特征。

三、结论

高填方路基不均匀沉降受地质条件、填土材料、施工工艺及外部环境等多种因素共同影响，深入研究其沉降机理是开展监测预警的基础。开发的高填方路基智能监测预警系统，通过多类型传感器实时采集数据，结合先进的数据分析与预警模型，实现了对路基沉降的动态监测与智能预警。未来，随着传感器技术、大数据与人工智能技术的发展，该系统将不断优化完善，进一步提高监测精度与预警准确性，为保障高填方路基安全稳定运行提供更可靠的技术保障。

参考文献：

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[2] 贾亮，贺世开，朱彦鹏，等 . 高填方路堤工后沉降监测试验研究．公路交通科技，2017，34(03)