管樁技術(shù)在控制路基沉降變形中的應(yīng)用及計(jì)算方法

姚一宏

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南京設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210009）

0 引言

根據(jù)廣泛的工程實(shí)踐顯示，路基變形或不均勻沉降是引起路面結(jié)構(gòu)破壞的重要因素之一。隨著人民群眾對(duì)于行車舒適性和安全性要求的提高，規(guī)范對(duì)于路基變形的控制有了更進(jìn)一步的明確，對(duì)不同工程位置、不同道路等級(jí)均提出了不同的設(shè)計(jì)要求。

常見的控制路基沉降變形方法有置換法、加固土樁法、排水固結(jié)法以及粒料樁法等。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的大力實(shí)施，許多新理論、新技術(shù)、新材料、新工藝通過實(shí)踐完善更為可靠成熟，如剛性樁、現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路堤、爆炸擠淤、路堤地基隔離墻以及吹填砂路堤等。本文主要就剛性樁在控制路基沉降變形中的應(yīng)用及計(jì)算方法進(jìn)行闡述。

1 設(shè)計(jì)要求

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）對(duì)路基工后沉降的設(shè)計(jì)要求如表1 所示。

表1 容許工后沉降 單位：m

《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194—2013）對(duì)路基容許工后變形的設(shè)計(jì)要求如表2 所示。

表2 路基容許工后變形 單位：m

2 適用范圍

剛性樁適用于深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴(yán)格的高填方路堤段、橋頭引道或通道與路堤的銜接部位、新老路堤拼接的拓寬區(qū)域。

由于剛性樁造價(jià)較高，主要應(yīng)用于復(fù)雜地基橋頭路段，當(dāng)出現(xiàn)上述路段情況常規(guī)的路基處理方案無(wú)法滿足規(guī)范要求時(shí)，需就剛性樁方案與橋梁方案進(jìn)行造價(jià)和施工工藝比選，從而確定合理、經(jīng)濟(jì)的方案。與其他路基處理方案相比，預(yù)制樁體質(zhì)量有保證，施工速度快，處理后總沉降量小。

3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

管樁設(shè)計(jì)主要包含樁基、樁帽、樁頂墊層以及監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)地勘資料進(jìn)行路基沉降和穩(wěn)定性計(jì)算，明確樁基長(zhǎng)度、樁徑大小、樁壁厚、樁間距以及樁帽尺寸等。管樁平面布置可采用梅花形或正方形布置，但樁間距要求不宜大于5 倍樁徑。

樁基施工前需對(duì)原地面進(jìn)行清表處理，對(duì)施工區(qū)域內(nèi)腐殖土、草皮進(jìn)行挖除并整平壓實(shí)，同時(shí)鋪筑石灰土作為施工底板。當(dāng)樁基施工完成后，結(jié)合設(shè)計(jì)樁帽尺寸，開挖整修形成樁帽土模，綁扎好鋼筋后，樁帽采用混凝土現(xiàn)澆。除上述設(shè)計(jì)內(nèi)容外，還應(yīng)包含路基穩(wěn)定與變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。針對(duì)不同路段、不同內(nèi)容需采用不同監(jiān)測(cè)方式，同一斷面不同位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的內(nèi)容也不盡相同，設(shè)計(jì)圖紙中均需一一明確同時(shí)計(jì)入相應(yīng)工程數(shù)量表中。

一般而言，橋頭路段或高填方路段均需加密設(shè)置。其中，路基頂部主要設(shè)置沉降觀測(cè)管，用于工后沉降的監(jiān)控，通過沉降趨勢(shì)判定路基沉降是否已經(jīng)趨于穩(wěn)定（雙標(biāo)準(zhǔn)控制——推算的工后沉降量以及實(shí)測(cè)連續(xù)2 個(gè)月沉降量小于等于5mm），繼而明確路面鋪筑時(shí)間；邊坡外邊緣設(shè)置測(cè)斜管，用于監(jiān)控地下土體分層水平位移量，以推定土體剪切破壞位置等。

4 案例分析

4.1 沭陽(yáng)縣淮河大道南延工程

淮河大道主線按照城市快速路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80km/h；輔路按城市次干路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計(jì)速度40km/h。淮河大道整體按照主輔路結(jié)合的全封閉快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全線設(shè)置一處跨線橋、一處下穿隧道，其余均以地面快速路通過。受造價(jià)、勘察資料不足以及忽視高填方路基自重荷載引起的路基沉降變形等因素影響，在柴沂干渠大橋與柴米河大橋之間采用高填方路基通過，平均填高7.5m，路基標(biāo)準(zhǔn)寬度55m，設(shè)置二級(jí)邊坡，采用1∶1.5 放坡，路基底部平均寬81.5m。同時(shí)，由于防洪和連接兩側(cè)公園要求，此高填方路段尚設(shè)置有2 道8×4.5m 通道。

根據(jù)詳勘報(bào)告顯示，不良地質(zhì)主要為弱膨脹土，此外第2 層黏土厚度不均，呈軟塑至可塑狀態(tài)，平均含水率32.8%，壓縮性中等偏高。根據(jù)軟件計(jì)算，當(dāng)不進(jìn)行地基處理時(shí)，橋頭段路基工后沉降59.7～72.1cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定的橋頭10cm、通道20cm的要求；當(dāng)采用加固土樁或粒料樁處理均不能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)由于方案無(wú)法由高填方轉(zhuǎn)成橋梁方案，因此采用管樁處理。

其中，橋頭段按照間距3m 正方形布置，平均樁長(zhǎng)分別按照16m 和19m 設(shè)計(jì)，處理后工后沉降量7.6～9.7cm，滿足橋頭段沉降要求，同時(shí)總沉降量由76.9cm 下降到30.9cm，處理效果明顯。通道處以及過渡段按照間距3.5m 正方形布置，平均樁長(zhǎng)12m，處理后工后沉降量最大為19.7cm，總沉降量由80.9cm下降到33.6cm。從計(jì)算結(jié)果顯示，管樁處理高填方路基與傳統(tǒng)的水泥攪拌樁、粒料樁相比，工后沉降量以及總沉降量均有明顯減少，處理效果更為顯著。

目前，該路段已進(jìn)入施工招標(biāo)階段。雖然該項(xiàng)目通過管樁解決了前期遺留的設(shè)計(jì)問題，滿足了規(guī)范要求，但由于目前高路堤自身壓縮變形的相關(guān)理論分析并不完善，主要采用經(jīng)驗(yàn)預(yù)估方法進(jìn)行分析考慮，因此施工期間尚需密切注意觀測(cè)高填方路基工后變形數(shù)據(jù)，以保證施工的順利進(jìn)行。

4.2 312 國(guó)道蘇州東段改擴(kuò)建工程

312 國(guó)道蘇州東段改擴(kuò)建項(xiàng)目包括上跨滬寧高鐵、京滬鐵路橋梁路基段及改移道路段。全線按照一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其中路基段包括上跨滬寧高鐵橋梁橋頭段，橋頭過渡段以及下穿京滬鐵路橋梁橋頭段，設(shè)計(jì)范圍：K69 + 634.706～K69 + 722.463，全長(zhǎng)87.757m。上跨滬寧高鐵橋梁橋臺(tái)后設(shè)置擋墻，橋后最大填土高度為4.6m。

根據(jù)《江蘇省干線公路勘察設(shè)計(jì)指南》中要求：對(duì)工后沉降要求嚴(yán)格的地段宜設(shè)置兩級(jí)過渡，即處理段、過渡段、一般過渡段。處理段長(zhǎng)度為填土高度H的5～7 倍，過渡段長(zhǎng)度與處理段長(zhǎng)度相同，一般過渡段長(zhǎng)度為20～30m。因此，此次設(shè)計(jì)分段為兩側(cè)橋頭段各30m，過渡段27.757m。橋頭間距按照2.8m 正方形布置，過渡段間距按照3.0m 正方形布置。樁長(zhǎng)均為10m。

根據(jù)地勘資料顯示，該區(qū)域不良地質(zhì)除表層素填土、雜填土外，主要為淤泥以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，壓縮性中～高，工程特性差。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果見圖1，處理后工后沉降為0，基準(zhǔn)期總沉降量為3.2cm，處理效果明顯。

圖1 路面竣工時(shí)及以后的沉降計(jì)算數(shù)據(jù)

目前，該路段管樁已施工完成。該項(xiàng)目通過管樁設(shè)計(jì)雖然處理了橋頭沉降的問題，但依舊存在優(yōu)化部分，主要在于橋頭填土僅為4.6m，且根據(jù)地質(zhì)鉆孔顯示橋頭段無(wú)不良地質(zhì)層，而采用水泥攪拌樁同樣能滿足設(shè)計(jì)要求。此次軟基設(shè)計(jì)過于保守，未能體現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中經(jīng)濟(jì)性的原則。由于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的大力實(shí)施，各項(xiàng)軟基處理技術(shù)已得到廣泛實(shí)踐驗(yàn)證，各種設(shè)計(jì)通用圖、圖集已較為完善，因此設(shè)計(jì)人員在選用處理方式時(shí)，需更為全面地考慮問題，各方驗(yàn)證方案的可行性，既要考慮方案的合理性，也要從經(jīng)濟(jì)性方面考慮方案的實(shí)施。

5 計(jì)算方法

目前常用的路基計(jì)算軟件為理正巖土計(jì)算軟件，計(jì)算內(nèi)容包含穩(wěn)定性和工后沉降兩大部分。穩(wěn)定性計(jì)算方法有固結(jié)有效應(yīng)力法、改進(jìn)總強(qiáng)度法、簡(jiǎn)化畢肖普法以及簡(jiǎn)布普遍條分法。路基施工時(shí)要求分層填筑，每層填筑需按照一定速率進(jìn)行，而穩(wěn)定性計(jì)算方法中僅有固結(jié)有效應(yīng)力法考慮到了實(shí)際施工情況，因此目前常用該方法進(jìn)行路基穩(wěn)定性計(jì)算，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)界面

對(duì)于工后沉降量計(jì)算，常見的主固結(jié)沉降計(jì)算方法包含e-p 曲線法、壓縮模量法、壓縮系數(shù)法和e-lg（p）曲線法。經(jīng)過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，e-p 曲線法和壓縮模量法積累了更多的工程實(shí)踐，相應(yīng)的沉降系數(shù)值得到進(jìn)一步檢驗(yàn)和優(yōu)化，因此更為推薦應(yīng)用e-p 曲線法或壓縮模量法進(jìn)行工后沉降量的計(jì)算，如圖3所示。

圖3 工后沉降計(jì)算參數(shù)界面

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的大力實(shí)施，原有新工藝經(jīng)過多次實(shí)踐調(diào)整已成為目前設(shè)計(jì)的常規(guī)方法，進(jìn)而推動(dòng)更多的新理論、新技術(shù)的出現(xiàn)。比如采用PC 管樁和水泥攪拌樁梅花形布置（見圖4），先施工水泥攪拌樁，再施工PC 管樁，樁頂通過設(shè)置鋼塑格柵減小路基不均勻沉降，滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)降低了整體工程造價(jià)。

圖4 PC 管樁+水泥攪拌樁平面示意圖

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高等級(jí)道路設(shè)計(jì)中，路基管樁設(shè)計(jì)計(jì)算以及施工方案是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。在建設(shè)過程中需要結(jié)合勘察報(bào)告完善設(shè)計(jì)計(jì)算，保證道路路基可持續(xù)發(fā)展。下階段應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)不同路基處理方案的組合，既而提高建設(shè)工程的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及可持續(xù)性。