管樁技術在控制路基沉降變形中的應用及計算方法

姚一宏

（中鐵上海設計院集團有限公司南京設計院，江蘇 南京 210009）

0 引言

根據廣泛的工程實踐顯示，路基變形或不均勻沉降是引起路面結構破壞的重要因素之一。隨著人民群眾對于行車舒適性和安全性要求的提高，規范對于路基變形的控制有了更進一步的明確，對不同工程位置、不同道路等級均提出了不同的設計要求。

常見的控制路基沉降變形方法有置換法、加固土樁法、排水固結法以及粒料樁法等。隨著我國基礎建設的大力實施，許多新理論、新技術、新材料、新工藝通過實踐完善更為可靠成熟，如剛性樁、現澆泡沫輕質土路堤、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用及計算方法進行闡述。

1 設計要求

《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）對路基工后沉降的設計要求如表1 所示。

表1 容許工后沉降 單位：m

《城市道路路基設計規范》（CJJ 194—2013）對路基容許工后變形的設計要求如表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域。

由于剛性樁造價較高，主要應用于復雜地基橋頭路段，當出現上述路段情況常規的路基處理方案無法滿足規范要求時，需就剛性樁方案與橋梁方案進行造價和施工工藝比選，從而確定合理、經濟的方案。與其他路基處理方案相比，預制樁體質量有保證，施工速度快，處理后總沉降量小。

3 設計內容

管樁設計主要包含樁基、樁帽、樁頂墊層以及監測等內容。在設計時，應根據地勘資料進行路基沉降和穩定性計算，明確樁基長度、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。

樁基施工前需對原地面進行清表處理，對施工區域內腐殖土、草皮進行挖除并整平壓實，同時鋪筑石灰土作為施工底板。當樁基施工完成后，結合設計樁帽尺寸，開挖整修形成樁帽土模，綁扎好鋼筋后，樁帽采用混凝土現澆。除上述設計內容外，還應包含路基穩定與變形監測設計。針對不同路段、不同內容需采用不同監測方式，同一斷面不同位置的監測點所監測的內容也不盡相同，設計圖紙中均需一一明確同時計入相應工程數量表中。

一般而言，橋頭路段或高填方路段均需加密設置。其中，路基頂部主要設置沉降觀測管，用于工后沉降的監控，通過沉降趨勢判定路基沉降是否已經趨于穩定（雙標準控制——推算的工后沉降量以及實測連續2 個月沉降量小于等于5mm），繼而明確路面鋪筑時間；邊坡外邊緣設置測斜管，用于監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 沭陽縣淮河大道南延工程

淮河大道主線按照城市快速路標準進行建設，設計速度80km/h；輔路按城市次干路標準進行建設，設計速度40km/h。淮河大道整體按照主輔路結合的全封閉快速路標準建設，全線設置一處跨線橋、一處下穿隧道，其余均以地面快速路通過。受造價、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，路基標準寬度55m，設置二級邊坡，采用1∶1.5 放坡，路基底部平均寬81.5m。同時，由于防洪和連接兩側公園要求，此高填方路段尚設置有2 道8×4.5m 通道。

根據詳勘報告顯示，不良地質主要為弱膨脹土，此外第2 層黏土厚度不均，呈軟塑至可塑狀態，平均含水率32.8%，壓縮性中等偏高。根據軟件計算，當不進行地基處理時，橋頭段路基工后沉降59.7～72.1cm，遠遠超過規范規定的橋頭10cm、通道20cm的要求；當采用加固土樁或粒料樁處理均不能滿足設計要求，同時由于方案無法由高填方轉成橋梁方案，因此采用管樁處理。

其中，橋頭段按照間距3m 正方形布置，平均樁長分別按照16m 和19m 設計，處理后工后沉降量7.6～9.7cm，滿足橋頭段沉降要求，同時總沉降量由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。從計算結果顯示，管樁處理高填方路基與傳統的水泥攪拌樁、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，該路段已進入施工招標階段。雖然該項目通過管樁解決了前期遺留的設計問題，滿足了規范要求，但由于目前高路堤自身壓縮變形的相關理論分析并不完善，主要采用經驗預估方法進行分析考慮，因此施工期間尚需密切注意觀測高填方路基工后變形數據，以保證施工的順利進行。

4.2 312 國道蘇州東段改擴建工程

312 國道蘇州東段改擴建項目包括上跨滬寧高鐵、京滬鐵路橋梁路基段及改移道路段。全線按照一級公路標準設計，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，設計范圍：K69 + 634.706～K69 + 722.463，全長87.757m。上跨滬寧高鐵橋梁橋臺后設置擋墻，橋后最大填土高度為4.6m。

根據《江蘇省干線公路勘察設計指南》中要求：對工后沉降要求嚴格的地段宜設置兩級過渡，即處理段、過渡段、一般過渡段。處理段長度為填土高度H的5～7 倍，過渡段長度與處理段長度相同，一般過渡段長度為20～30m。因此，此次設計分段為兩側橋頭段各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。樁長均為10m。

根據地勘資料顯示，該區域不良地質除表層素填土、雜填土外，主要為淤泥以及淤泥質粉質黏土，壓縮性中～高，工程特性差。根據軟件計算結果見圖1，處理后工后沉降為0，基準期總沉降量為3.2cm，處理效果明顯。

圖1 路面竣工時及以后的沉降計算數據

目前，該路段管樁已施工完成。該項目通過管樁設計雖然處理了橋頭沉降的問題，但依舊存在優化部分，主要在于橋頭填土僅為4.6m，且根據地質鉆孔顯示橋頭段無不良地質層，而采用水泥攪拌樁同樣能滿足設計要求。此次軟基設計過于保守，未能體現設計過程中經濟性的原則。由于國內基礎建設的大力實施，各項軟基處理技術已得到廣泛實踐驗證，各種設計通用圖、圖集已較為完善，因此設計人員在選用處理方式時，需更為全面地考慮問題，各方驗證方案的可行性，既要考慮方案的合理性，也要從經濟性方面考慮方案的實施。

5 計算方法

目前常用的路基計算軟件為理正巖土計算軟件，計算內容包含穩定性和工后沉降兩大部分。穩定性計算方法有固結有效應力法、改進總強度法、簡化畢肖普法以及簡布普遍條分法。路基施工時要求分層填筑，每層填筑需按照一定速率進行，而穩定性計算方法中僅有固結有效應力法考慮到了實際施工情況，因此目前常用該方法進行路基穩定性計算，如圖2所示。

圖2 穩定性計算參數界面

對于工后沉降量計算，常見的主固結沉降計算方法包含e-p 曲線法、壓縮模量法、壓縮系數法和e-lg（p）曲線法。經過多年的實踐經驗，e-p 曲線法和壓縮模量法積累了更多的工程實踐，相應的沉降系數值得到進一步檢驗和優化，因此更為推薦應用e-p 曲線法或壓縮模量法進行工后沉降量的計算，如圖3所示。

圖3 工后沉降計算參數界面

6 經驗總結

隨著我國基礎建設的大力實施，原有新工藝經過多次實踐調整已成為目前設計的常規方法，進而推動更多的新理論、新技術的出現。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，樁頂通過設置鋼塑格柵減小路基不均勻沉降，滿足設計要求的同時降低了整體工程造價。

圖4 PC 管樁+水泥攪拌樁平面示意圖

7 結語

綜上所述，在高等級道路設計中，路基管樁設計計算以及施工方案是一項非常重要的內容。在建設過程中需要結合勘察報告完善設計計算，保證道路路基可持續發展。下階段應進一步加強不同路基處理方案的組合，既而提高建設工程的經濟性、安全性以及可持續性。