城區軟土地基路堤沉降控制設計

張利華，吳會平，劉亞洲，李朝暉

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023；

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

城區軟土地基路堤沉降控制設計

張利華1，吳會平2，劉亞洲1，李朝暉1

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023；

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

簡要介紹軟土地基上路堤沉降影響因素、路基沉降控制標準，結合城區建設需求，提出沉降控制設計的流程、城區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計。

軟土地基；路堤；沉降控制；沉降計算；過渡段設計

0 引言

長江一級階地及局部高階地上的湖泊堆積區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，最長可以持續二三十年。軟土地基的路堤沉降是決定設計方案、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象較為普遍且嚴重。

城區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，更為引人關注。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、填土施工質量、行車荷載、維護保養等。

路堤荷載是永久荷載（恒荷載），路堤越高，荷載越大，地基上的附加應力也高，相應的路堤沉降也大。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因，顯然地基越軟、沉降越大。

填土施工質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計及規范要求時，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，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填土，有效降低由于交通荷載反復作用而產生的路基土累積殘余變形[1]。《公路路基設計規范》（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。

需特別強調的是，隨著近年來城市大面積開發建設，區域性沉降及周邊工程建設影響越來越大，應引起足夠重視。

2 路基沉降控制標準

《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（JTJ 017-96）5.1.2條文詳細地載明了國內外路基的容許工后變形規定。美國：對橋頭引道規定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《城市道路路基設計規范》（CJJ 194-2013）第6.2.8條規定，路基容許工后變形應符合表1（規范表6.2.8）的規定。《城市道路路基設計規范》（CJJ 194-2013）借鑒了公路部門的相關規定。

表1 城市路基容許工后變形（規范表6.2.8） m

《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）規定軟土地區路基工后沉降應符合表2（規范表7.7.1-2）的要求。

表2 公路容許工后沉降（規范表7.7.1-2） m

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

對比來看，國內橋頭路基控制沉降值比美國、歐洲大出許多。國內公路（特別是高速公路）、鐵路日常維護管理比較規范，相反大多數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境、安全及舒適度等方面的要求，筆者認為《城市道路路基設計規范》對路基工后沉降的要求可適當提高標準。

3 路堤沉降控制流程

國內研究多從設計、施工、材料等方面分析引發橋頭跳車的原因，提出應用土工格柵和新型輕質回填材料，提高材料力學性能，改善施工方法來減少工后沉降。

本文結合城區建設特點，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，應優先考慮。

根據筆者研究，軟土地基上路堤沉降及橋頭跳車嚴重現象多集中在路堤高度2.5 m以上路堤[2]，故規劃設計時盡可能將路堤高度控制在2.5 m以內。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。較多數據說明，在深厚軟土區，當路堤高度超過3 m時路基沉降很大，常規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。輕質混凝土部分指標：密度3～12 kN/m3，抗壓強度0.5～22.2 MPa。根據沉降控制需要進行輕質土強度、密度、高度等設計。

（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-堆載聯合預壓法等。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，由于當前受環境保護影響，土石方材料費用高、施工費用也高，設計不當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，需要足夠的技術經濟分析。

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，設計時應特別注意。武漢地區較多經驗表明，淤泥軟土的室內水泥土強度范圍在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,但施工工藝復雜。

（3）充分利用硬殼層的積極影響。

大量數據說明了表層硬殼層對應力平面上擴散及向下的衰減作用是非常明顯的，所以設計時應充分重視，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計與施工技術細則》（JTG/T D31-02-2013）及《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）推薦公式與《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）推薦公式基本一致，都是在分層總和法基礎上進行修正，差異在沉降系數的取值。以下是公路規范采用的沉降系數估算公

式，主固結沉降計算與地基基礎設計規范同。最終沉降（規范式4.3.5-1）：

式中：ms為沉降系數，宜根據現場沉降觀測資料確定，也可采用經驗公式（2）（規范式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，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，預壓時取0.90；V為加載速率修正系數，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為地質因素修正系數，當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。

結合武漢軟土情況估算沉降系數見表3。

表3 沉降系數估算（JTG/T D31-02-2013）

從表3中可以看出，沉降系數與路堤高度密切相關，路堤越高，沉降系數越大，相應地沉降越大。《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）指出，沉降系數與地基條件、荷載強度、加荷速率等因素有關，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。采用公路規范推薦方法計算較準確。

表4 規范法估算路堤沉降（JTG/T D31-02-2013）

由于沉降系數考慮因素較大，積累經驗較多，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應采用淤泥、淤泥質土土層e-p壓縮曲線相應壓力段值，而不是簡單采用報告中100～200 kPa壓力下的Es1-2。圖3為香港路淤泥質黏土e-p壓縮曲線。

圖3 淤泥質黏土e-p壓縮曲線

該淤泥質土在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果影響很大，特別是軟土地基。

5 軟土地基橋臺后過渡段設計

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計的半剛性樁處理臺背布置設計方案[3]。國內鐵路、公路規范均建議進行過渡段設計。《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）第3.3.7條規定，二級及二級以上公路路堤與橋臺、橫向構筑物（涵洞、通道）連接處應設置過渡段。過渡段路基壓實度不應小于96%，并應做好填料、地基處理、臺背防排水系統等綜合設計。過渡段長度宜按式（3）（規范式3.3.7）確定：

式中：L為過渡段長度，m；H為路基填土高度，m。

《鐵路路基設計規范》（TB 10001-2005）第7.5.1條規定，路堤與橋臺連接處應設置路橋過渡段，并應按圖4進行設計。后臺基坑應以混凝土回填或以碎石分層填筑壓實。

以上可以看出，公路、鐵路規范要求的過渡段設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、鐵路規范要求的過渡段設計前提是路基土工程性質好或軟土地基得到加固。

圖4 橋臺后過渡段設計（規范圖7.5.1）

城市道路軟土地基過渡段設計也很有必要。借鑒過渡段設計理念，軟土地基上路堤過渡段設計可從以下兩個方面進一步優化：（1）橋背路堤填土考慮采用輕質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土，以保證經濟性目標。目前輕質土造價約300元/m3，相比常規填料要貴很多，在沉降滿足要求的前提下盡可能采用常規填料。圖5為軟土地基路橋過渡段概念設計。

圖5 軟土路基路橋過渡段概念設計

6 結論與建議

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

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

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

（4）城區軟土地基橋臺后路堤應進行過渡段設計，并在考慮輕質土路堤填料的基礎上進行沉降控制。

[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.武漢市主城區橋頭跳車調查分析與建議[J].城市道橋與防洪，2017(1)：26-29.

[3]劉代全,劉曉明,龍正聰.橋頭跳車力學分析及臺背剛柔過渡設計參數[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計與研究工作。