城區(qū)軟土地基路堤沉降控制設(shè)計

張利華，吳會平，劉亞洲，李朝暉

（1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023；

2.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站（武漢市軌道交通工程質(zhì)量監(jiān)督站），湖北 武漢430015）

城區(qū)軟土地基路堤沉降控制設(shè)計

張利華1，吳會平2，劉亞洲1，李朝暉1

（1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023；

2.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站（武漢市軌道交通工程質(zhì)量監(jiān)督站），湖北 武漢430015）

簡要介紹軟土地基上路堤沉降影響因素、路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合城區(qū)建設(shè)需求，提出沉降控制設(shè)計的流程、城區(qū)路堤沉降計算方法及軟土壓縮模量取值，為解決軟土地基上橋頭跳車問題給出針對性的過渡段概念設(shè)計。

軟土地基；路堤；沉降控制；沉降計算；過渡段設(shè)計

0 引言

長江一級階地及局部高階地上的湖泊堆積區(qū)往往沉積著范圍較廣、厚度較大的軟土，具有典型的“三高一低”（高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低承載力）特征。軟土地基路堤沉降是一個長期而緩慢的過程，最長可以持續(xù)二三十年。軟土地基的路堤沉降是決定設(shè)計方案、施工工期及工程造價的重要因素。路堤沉降（包括差異沉降）在橋梁引道過渡到橋臺段特別明顯。武漢市城區(qū)路堤沉降特別嚴重處，橋頭路堤相對于橋臺沉降差最大達20 cm，軟土地基上的橋梁橋頭跳車現(xiàn)象較為普遍且嚴重。

城區(qū)路堤多為立交橋引道或主線道路，其沉降情況與市民日常生活密切相關(guān)，更為引人關(guān)注。為保證道路行車安全及舒適性，控制路堤沉降非常有必要。本文對城區(qū)軟土地基路堤沉降控制進行探討和分析。

1 軟土地基路堤沉降影響因素

軟土地基上的路堤沉降貫穿工程建設(shè)全過程。軟土地基上的路堤沉降包括路基沉降和路堤本身沉降。城區(qū)路堤高度一般不大，故正常施工情況下路堤本身沉降較小；反之路基沉降是軟土地基路堤沉降的主要組成部分。

影響軟土地基路堤沉降的主要因素包括：路堤高度、地基強度、填土施工質(zhì)量、行車荷載、維護保養(yǎng)等。

路堤荷載是永久荷載（恒荷載），路堤越高，荷載越大，地基上的附加應(yīng)力也高，相應(yīng)的路堤沉降也大。路堤荷載是影響地基沉降的主要外因。

地基強度是影響地基沉降的內(nèi)因，顯然地基越軟、沉降越大。

填土施工質(zhì)量對路堤本身沉降有較大影響。在填料選擇、填土密實度不符合設(shè)計及規(guī)范要求時，會引起路堤本身下沉。

行車荷載影響在軟土地基上表現(xiàn)明顯。張興強等認為，交通荷載對路基填土的影響范圍主要在路面下2 m范圍內(nèi)，并建議在實際工程中采取一定工程措施，重點處理這一范圍內(nèi)填土，有效降低由于交通荷載反復(fù)作用而產(chǎn)生的路基土累積殘余變形[1]。《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）條文說明中也認為，路堤高度小于或等于2.5 m時不考慮行車動載對沉降影響。

維護保養(yǎng)措施不到位，致使雨水沿路面裂縫下滲及路基填土的軟化，進一步加劇了路堤沉降，也是后期路堤沉降的一個部分。

需特別強調(diào)的是，隨著近年來城市大面積開發(fā)建設(shè)，區(qū)域性沉降及周邊工程建設(shè)影響越來越大，應(yīng)引起足夠重視。

2 路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 017-96）5.1.2條文詳細地載明了國內(nèi)外路基的容許工后變形規(guī)定。美國：對橋頭引道規(guī)定1.27～2.54 cm的容許差異沉降；法國：橋頭引道部分的容許工后沉降為3～5 cm的容許差異。

我國《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ 194-2013）第6.2.8條規(guī)定，路基容許工后變形應(yīng)符合表1（規(guī)范表6.2.8）的規(guī)定。《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ 194-2013）借鑒了公路部門的相關(guān)規(guī)定。

表1 城市路基容許工后變形（規(guī)范表6.2.8） m

《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）規(guī)定軟土地區(qū)路基工后沉降應(yīng)符合表2（規(guī)范表7.7.1-2）的要求。

表2 公路容許工后沉降（規(guī)范表7.7.1-2） m

《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》（TB 10001-2005）第7.6.2條規(guī)定,軟土及其他類型松軟土地基上的路基的工后沉降量應(yīng)滿足以下要求：I級鐵路不應(yīng)大于20 cm，路橋過渡段不應(yīng)大于10 cm，沉降速率均不應(yīng)大于5 cm/a；II級鐵路不應(yīng)大于30 cm。

對比來看，國內(nèi)橋頭路基控制沉降值比美國、歐洲大出許多。國內(nèi)公路（特別是高速公路）、鐵路日常維護管理比較規(guī)范，相反大多數(shù)情形下城市道路維護往往是非及時性。考慮到城市居民對環(huán)境、安全及舒適度等方面的要求，筆者認為《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》對路基工后沉降的要求可適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)。

3 路堤沉降控制流程

國內(nèi)研究多從設(shè)計、施工、材料等方面分析引發(fā)橋頭跳車的原因，提出應(yīng)用土工格柵和新型輕質(zhì)回填材料，提高材料力學(xué)性能，改善施工方法來減少工后沉降。

本文結(jié)合城區(qū)建設(shè)特點，提出路堤沉降控制流程（見圖1）。

圖1 路基沉降控制流程

流程圖說明：

（1）降低路堤高度是減少路堤沉降最有效的方法，應(yīng)優(yōu)先考慮。

根據(jù)筆者研究，軟土地基上路堤沉降及橋頭跳車嚴重現(xiàn)象多集中在路堤高度2.5 m以上路堤[2]，故規(guī)劃設(shè)計時盡可能將路堤高度控制在2.5 m以內(nèi)。對高架橋引道，可以延長落地橋梁1～2跨，有效減少路堤高度。較多數(shù)據(jù)說明，在深厚軟土區(qū)，當(dāng)路堤高度超過3 m時路基沉降很大，常規(guī)地基處理效果也無法滿足要求，此時建議改為橋梁通過。

采用輕質(zhì)土以減輕路堤荷載也是近年來廣泛使用的一個新方法。輕質(zhì)混凝土部分指標(biāo)：密度3～12 kN/m3，抗壓強度0.5～22.2 MPa。根據(jù)沉降控制需要進行輕質(zhì)土強度、密度、高度等設(shè)計。

（2）進行地基處理以提高地基強度。

較常用的地基處理方法有換填（墊層）、拋石擠淤、水泥土攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法等。此處僅對幾種地基處理方法選擇時注意的問題簡要說明。

表層淤泥軟土由于含水量很高，一般常規(guī)地基處理難以達到滿意效果，如果厚度小于5 m且分布范圍有限，筆者建議全部換填處理為首要考慮的地基處理方法，可以有效減少后期沉降。

拋石擠淤需謹慎使用。一方面處理深度有限；另一方面，由于當(dāng)前受環(huán)境保護影響，土石方材料費用高、施工費用也高，設(shè)計不當(dāng)往往比水泥土攪拌樁地基處理費用還高。故如采用拋石擠淤方法，需要足夠的技術(shù)經(jīng)濟分析。

水泥土攪拌樁適用于10 m左右深度的軟土加固。若表層淤泥含水量很高則加固效果較差，水泥土難以滿足強度要求。對于深厚軟土特別是深部軟土，也存在攪拌不均勻、水泥土強度不足的問題，效果較差，設(shè)計時應(yīng)特別注意。武漢地區(qū)較多經(jīng)驗表明，淤泥軟土的室內(nèi)水泥土強度范圍在0.3～1.0 MPa，且多集中在0.5 MPa以下，在摻加30%的粉煤灰以后強度最高可以達到1.8 MPa,但施工工藝復(fù)雜。

（3）充分利用硬殼層的積極影響。

大量數(shù)據(jù)說明了表層硬殼層對應(yīng)力平面上擴散及向下的衰減作用是非常明顯的，所以設(shè)計時應(yīng)充分重視，特別是路堤高度不是很大的情況下。筆者遇到一個軟土地基處理項目設(shè)計方案，將部分硬殼層也進行了換填處理（下部換填片石），還需要預(yù)壓3個月才能滿足要求，與水泥土攪拌樁地基處理方法相比，費用高、工期更長。

一定厚度的硬殼層可有效減少路基沉降。本次觀測到歡樂谷大道的2對4條匝道均位于一級階地，均分布有厚度較大的硬殼層（如圖2中ZK130處有6 m厚），對表層換填處理后觀測到的工后沉降不明顯，該處路堤高度超過3 m。

圖2 武漢歡樂谷大道引道地質(zhì)剖面

（4）其他

鑒于各種地基加固方法并不能完全消除路堤沉降，而且往往后期沉降較大，條件許可時可以通過柔性過渡路面，加強后期維護管理加以解決。

4 路基沉降計算方法及壓縮模量取值

《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》（JTG/T D31-02-2013）及《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）推薦公式與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）推薦公式基本一致，都是在分層總和法基礎(chǔ)上進行修正，差異在沉降系數(shù)的取值。以下是公路規(guī)范采用的沉降系數(shù)估算公

式，主固結(jié)沉降計算與地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范同。最終沉降（規(guī)范式4.3.5-1）：

式中：ms為沉降系數(shù)，宜根據(jù)現(xiàn)場沉降觀測資料確定，也可采用經(jīng)驗公式（2）（規(guī)范式4.3.5-2）估算。

式中：H為路堤中心高度，m；γ為路堤填料的重度，kN/m3；θ為地基處理類型系數(shù)，用塑料排水板處理時取0.95～1.1，用水泥攪拌樁處理時取0.85，預(yù)壓時取0.90；V為加載速率修正系數(shù)，加載速率在20～70 m/d之間時，取0.025；采用分期加載，速率小于20 mm/d時取0.005；采用快速加載，速率大于70 mm/d時取0.05；Y為地質(zhì)因素修正系數(shù)，當(dāng)同時滿足軟土層不排水搞剪強度小于25 kPa、軟土層的厚度大于5 m、硬殼層厚度小于2.5 m三個條件時，Y=0，其他情況下可取Y=-0.1。

結(jié)合武漢軟土情況估算沉降系數(shù)見表3。

表3 沉降系數(shù)估算（JTG/T D31-02-2013）

從表3中可以看出，沉降系數(shù)與路堤高度密切相關(guān)，路堤越高，沉降系數(shù)越大，相應(yīng)地沉降越大。《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）指出，沉降系數(shù)與地基條件、荷載強度、加荷速率等因素有關(guān)，其范圍值為1.1～1.7。

采用上述方法估算漢口兩處橋頭路堤沉降，計算值見表4。香港路立交實測值與計算值基本一致，但武勝路高架橋的實測值仍大于計算值，原因可能與鄰近武勝路泰和廣場基坑施工期間曾地下水突涌、砂土滲漏造成橋梁及地面沉降有關(guān)。采用公路規(guī)范推薦方法計算較準(zhǔn)確。

表4 規(guī)范法估算路堤沉降（JTG/T D31-02-2013）

由于沉降系數(shù)考慮因素較大，積累經(jīng)驗較多，故可以推薦使用。

特別需要注意的是，沉降計算時壓縮模量Es應(yīng)采用淤泥、淤泥質(zhì)土土層e-p壓縮曲線相應(yīng)壓力段值，而不是簡單采用報告中100～200 kPa壓力下的Es1-2。圖3為香港路淤泥質(zhì)黏土e-p壓縮曲線。

圖3 淤泥質(zhì)黏土e-p壓縮曲線

該淤泥質(zhì)土在50～100 kPa壓力下的壓縮模量為1.83 MPa,100～200 kPa壓力下的壓縮模量為2.30 MPa,差值約30%，錯誤選用壓縮模量值對計算結(jié)果影響很大，特別是軟土地基。

5 軟土地基橋臺后過渡段設(shè)計

橋臺后過渡段往往為路堤形式，且橋頭跳車較為普遍。為減少橋頭跳車影響，劉代全等提出采用過渡段設(shè)計的半剛性樁處理臺背布置設(shè)計方案[3]。國內(nèi)鐵路、公路規(guī)范均建議進行過渡段設(shè)計。《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）第3.3.7條規(guī)定，二級及二級以上公路路堤與橋臺、橫向構(gòu)筑物（涵洞、通道）連接處應(yīng)設(shè)置過渡段。過渡段路基壓實度不應(yīng)小于96%，并應(yīng)做好填料、地基處理、臺背防排水系統(tǒng)等綜合設(shè)計。過渡段長度宜按式（3）（規(guī)范式3.3.7）確定：

式中：L為過渡段長度，m；H為路基填土高度，m。

《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》（TB 10001-2005）第7.5.1條規(guī)定，路堤與橋臺連接處應(yīng)設(shè)置路橋過渡段，并應(yīng)按圖4進行設(shè)計。后臺基坑應(yīng)以混凝土回填或以碎石分層填筑壓實。

以上可以看出，公路、鐵路規(guī)范要求的過渡段設(shè)計均是從解決路堤填土的壓實度問題入手，對軟土地基則用處不大，采用混凝土填筑更增加了路堤荷載，勢必引起更大沉降，因此公路、鐵路規(guī)范要求的過渡段設(shè)計前提是路基土工程性質(zhì)好或軟土地基得到加固。

圖4 橋臺后過渡段設(shè)計（規(guī)范圖7.5.1）

城市道路軟土地基過渡段設(shè)計也很有必要。借鑒過渡段設(shè)計理念，軟土地基上路堤過渡段設(shè)計可從以下兩個方面進一步優(yōu)化：（1）橋背路堤填土考慮采用輕質(zhì)土有效減少路堤荷載；（2）過渡段長度與高度通過沉降驗算控制，而非這個引道采用輕質(zhì)土，以保證經(jīng)濟性目標(biāo)。目前輕質(zhì)土造價約300元/m3，相比常規(guī)填料要貴很多，在沉降滿足要求的前提下盡可能采用常規(guī)填料。圖5為軟土地基路橋過渡段概念設(shè)計。

圖5 軟土路基路橋過渡段概念設(shè)計

6 結(jié)論與建議

（1）軟土地基上路堤沉降明顯存在，城區(qū)道路設(shè)計需在充分掌握地質(zhì)條件基礎(chǔ)上進行沉降控制設(shè)計。

（2）通過降低路堤高度、使用輕質(zhì)土減少路堤荷載是軟土地基路堤設(shè)計優(yōu)先考慮的解決方法。地基處理方法應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件合理選用，充分利用硬殼層對應(yīng)力的擴散與衰減來減少沉降。

（3）軟土地基上城區(qū)路堤沉降主要影響因素是路基沉降，可采用公路規(guī)范推薦方法計算，注意軟土壓縮模量應(yīng)選取相應(yīng)應(yīng)力段的模量值。

（4）城區(qū)軟土地基橋臺后路堤應(yīng)進行過渡段設(shè)計，并在考慮輕質(zhì)土路堤填料的基礎(chǔ)上進行沉降控制。

[1]張興強，閆澍旺，趙成剛.臺背填土受交通荷載反復(fù)作用和橋臺影響分析[J].公路，2002（5）：31-35.

[2]張利華,劉亞洲.武漢市主城區(qū)橋頭跳車調(diào)查分析與建議[J].城市道橋與防洪，2017(1)：26-29.

[3]劉代全,劉曉明,龍正聰.橋頭跳車力學(xué)分析及臺背剛?cè)徇^渡設(shè)計參數(shù)[J].公路,2002(6):81-84.

U416.1

B

1009-7716（2017）08-0051-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.016

2017-03-31

武漢市城建委科技計劃項目（201503武城建[2015]191號）

張利華（1972-），女，湖北武漢人，高級工程師，從事市政道橋交通工程設(shè)計與研究工作。