基于行車舒適性的軟土路堤差異沉降控制標準

摘 要：針對目前規范對軟土路堤差異沉降標準不明確的情況，分析了現行路堤差異沉降標準特性，表明最大縱坡差可有效反映路堤差異沉降標準，但該標準未考慮行車舒適性要求。從人、車及道路相互關系出發，考慮行車舒適性因素，針對不同軟土厚度、路堤填筑高度和工后沉降穩定時間，獲得了考慮行車舒適性的差異沉降標準。結果表明，考慮行車舒適性差異沉降標準，可以有效反應路堤加載過程中沉降變化，更接近于工程實際。最后，通過一系列的工況驗證了該方法的可行性。

關鍵詞：差異沉降；路堤；控制標準；軟土

1 研究背景

城市道路是由路基、橋梁和隧道組成的結合體。由于橋梁和路基的剛度差異，道路通車后在過渡段會產生差異沉降。由于差異沉降的存在，使得道路在過渡段平整度較差，縱向表現為現狀高度偏離原縱斷面設計高程，影響了行車的舒適性和安全性。目前，我國規范針對軟基處理主要控制因素為工后沉降，對過渡段尚無明確差異沉降控制標準，使得缺乏有效的質量評價標準用于實際工程。

目前，各國針對軟基處理標準要求不盡相同。我國相關的規范包括《城市道路路基設計規范》（JTG D30-2015）及《城市道路軟土地基路堤設計與施工技術細則》（JTG/T D31-02-2013）[2][3]中明確規定，在一般路段的工后沉降在規定設計年限內不應超過30cm，涵洞不超過20cm，橋臺與路基過渡段不超過10cm[4]。在日本，工后參與沉降的控制范圍為10cm～30cm[1]；而美國相應較為寬松，橋頭引道的工后最大沉降要求為15cm～30cm；在寧通一級城市道路揚江段施工過程中，葉見曙等[6]對路線其中的四座大中橋梁進行了原位測試，認為橋面板和道路0.4%的縱坡差可以滿足相關要求。

目前，針對軟土路基過渡段軟基處理效果多用工后沉降進行評定。該值未考慮行人行車舒適性的要求，因此需要建立考慮行駛舒適性的差異沉降指標。

2 橋頭差異沉降分析

目前防止橋頭跳車現象一種比較常見的處治方法是采用橋頭搭板。橋頭搭板多采用鋼筋混凝土結構，一端與橋臺連接，另一端與路基連接。由于路基段和橋梁段的剛度變化，土體沉降不均，產生了差異沉降，使得橋臺搭板繞橋臺進行轉動。以x表示搭板長度；距離橋臺x處的工后沉降和橋臺基礎沉降用S■■和S■■分別表示；竣工時和引道土體沉降趨于穩定時的搭板縱坡用i和i′分別表示，橋頭搭板的計算圖如圖1所示。

由圖1所示， 可以得到橋臺位置與任意位置x處的差異沉降為：

（1）

式中， △i即為容許縱坡差；由圖1可以明顯看出 △i= i'- i。

用距離橋臺x處的容許工后沉降[Srx]和[△i] 帶入上式，分別取代S和△i，有：

（2）

上式即是以搭板遠離臺端下土體容許工后沉降量[Srx]為指標來控制差異沉降的表達式。式中的Srb被稱為橋臺基礎的預期工后沉降量。由此可見，引道土體容許工后沉降量并不是一個常數（例如常用的10cm），而是與Srb、[△i] 及x均有關系，其中[△i]對在設置搭板情況下能否消除橋頭跳車現象起著重要作用。

3 行駛舒適性評價方法及指標

目前有多種確定行駛舒適性的評價標準。ISO2631[8]是以人體加權加速度均方根值作為人體舒適性評價指標，并給出了加權加速度度均方根值與行駛舒適性的關系，如表1所示。

考慮到人體對車輛垂直振動響應最敏感的時間頻率為4～8Hz。高速公路最大設計速度為120km/h，則波長為4.1～8.3m范圍內人體對車輛振動的承受能力最小。將人體振動簡化為一簡諧振動，取中值波長為6.0m。計算波長為6.0m時，對應不同波幅人體加權加速度均方根值，見表2所示。

對[Δi]及？琢？棕進行擬合，可以得到下列公式：

根據ISO2631，加權加速度度均方根值？琢？棕為0.8時，人體為不舒適狀態。將0.8帶入上式，算得此時△i=0.382。故可近似可以容許0.4%的縱坡差。考慮到地基的復雜性，取0.4%的不均勻沉降縱坡差作為路面功能性要求，即在不影響路面功能影響的條件下，可以容許0.4%的縱坡差。

因此，未發生錯臺現象的連續型過渡段差異沉降有兩個主要的控制指標，即容許工后沉降[△S]和路面的容許縱坡差[△i]。[△S]因為涉及過渡段的長度、路堤填高、地基的土性等很多因素，標準不統一；而容許縱坡差[△i]可以較好的反應軟基處理結果。

4 過渡段工后差異沉降控制標準

根據劉松玉等[9～12]人研究，給定路基填高 D，軟土厚度H，過渡段兩側模量比n 及計算時間t，可按下式計算出過渡段的最大縱坡差max（△i）：

t=2年， （4）

t=4年， （5）

給定過渡段路堤的平均模量，可按式下式計算出過渡段的工后差異沉降量ΔS：

式中Δi為縱坡差，%，E為路堤的彈性模量，MPa，D為路堤高度，m，ΔS為工后差異沉降，/cm。

當容許縱坡差[Δi]=0.4%時，工后差異沉降量Δs，即為過渡段容許差異沉降[Δs]。通常路堤的平均模量為20MPa，則不同路堤高度情況下，軟土地基路段的工后差異沉降標準如表3所示。

表3的結果表明過渡段容許工后差異沉降與路堤填筑高度（路堤的剛度）密切相關，路堤高度1m時，容許工后差異沉降量為5.46cm，路堤高度為8m時，容許工后差異沉降量為8.31cm。規范中橋頭段差異沉降的控制標準10cm與高路堤過渡段的差異沉降控制標準較接近，上表給出了路基填筑高度較低時的過渡段控制標準。

5 結束語

（1）文章總結了軟土地基路段差異沉降控制標準的現有研究成果，主要考慮了行車舒適性、路面功能性要求、設置橋頭搭板、結構性要求等因素，縱坡容許變化值[△i]=0.4%是合理的。

（2）對軟土地基過渡段的破壞可以采用工后差異沉降控制標準進行判斷，結果表明考慮容許縱坡差的控制標準是可以作為軟土地基過渡段的控制標準。

參考文獻

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[2]交通運輸部.JTG D30-2015.城市道路路基設計規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3]交通運輸部.JTG/T D31-02-2013.城市道路軟土地基路堤設計與施工技術細則[S].北京：人民交通出版社，2013.

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作者簡介：張帥（1985-），男，碩士，工程師，主要從事道路工程等方面的設計工作。