城区软土地基路堤沉降控制设计

张利华，吴会平，刘亚洲，李朝晖

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023；

2.武汉市市政工程质量监督站（武汉市轨道交通工程质量监督站），湖北 武汉430015）

城区软土地基路堤沉降控制设计

张利华1，吴会平2，刘亚洲1，李朝晖1

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023；

2.武汉市市政工程质量监督站（武汉市轨道交通工程质量监督站），湖北 武汉430015）

简要介绍软土地基上路堤沉降影响因素、路基沉降控制标准，结合城区建设需求，提出沉降控制设计的流程、城区路堤沉降计算方法及软土压缩模量取值，为解决软土地基上桥头跳车问题给出针对性的过渡段概念设计。

软土地基；路堤；沉降控制；沉降计算；过渡段设计

0 引言

长江一级阶地及局部高阶地上的湖泊堆积区往往沉积着范围较广、厚度较大的软土，具有典型的“三高一低”（高含水量、高孔隙比、高压缩性、低承载力）特征。软土地基路堤沉降是一个长期而缓慢的过程，最长可以持续二三十年。软土地基的路堤沉降是决定设计方案、施工工期及工程造价的重要因素。路堤沉降（包括差异沉降）在桥梁引道过渡到桥台段特别明显。武汉市城区路堤沉降特别严重处，桥头路堤相对于桥台沉降差最大达20 cm，软土地基上的桥梁桥头跳车现象较为普遍且严重。

城区路堤多为立交桥引道或主线道路，其沉降情况与市民日常生活密切相关，更为引人关注。为保证道路行车安全及舒适性，控制路堤沉降非常有必要。本文对城区软土地基路堤沉降控制进行探讨和分析。

1 软土地基路堤沉降影响因素

软土地基上的路堤沉降贯穿工程建设全过程。软土地基上的路堤沉降包括路基沉降和路堤本身沉降。城区路堤高度一般不大，故正常施工情况下路堤本身沉降较小；反之路基沉降是软土地基路堤沉降的主要组成部分。

影响软土地基路堤沉降的主要因素包括：路堤高度、地基强度、填土施工质量、行车荷载、维护保养等。

路堤荷载是永久荷载（恒荷载），路堤越高，荷载越大，地基上的附加应力也高，相应的路堤沉降也大。路堤荷载是影响地基沉降的主要外因。

地基强度是影响地基沉降的内因，显然地基越软、沉降越大。

填土施工质量对路堤本身沉降有较大影响。在填料选择、填土密实度不符合设计及规范要求时，会引起路堤本身下沉。

行车荷载影响在软土地基上表现明显。张兴强等认为，交通荷载对路基填土的影响范围主要在路面下2 m范围内，并建议在实际工程中采取一定工程措施，重点处理这一范围内填土，有效降低由于交通荷载反复作用而产生的路基土累积残余变形[1]。《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）条文说明中也认为，路堤高度小于或等于2.5 m时不考虑行车动载对沉降影响。

维护保养措施不到位，致使雨水沿路面裂缝下渗及路基填土的软化，进一步加剧了路堤沉降，也是后期路堤沉降的一个部分。

需特别强调的是，随着近年来城市大面积开发建设，区域性沉降及周边工程建设影响越来越大，应引起足够重视。

2 路基沉降控制标准

《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ 017-96）5.1.2条文详细地载明了国内外路基的容许工后变形规定。美国：对桥头引道规定1.27～2.54 cm的容许差异沉降；法国：桥头引道部分的容许工后沉降为3～5 cm的容许差异。

我国《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013）第6.2.8条规定，路基容许工后变形应符合表1（规范表6.2.8）的规定。《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013）借鉴了公路部门的相关规定。

表1 城市路基容许工后变形（规范表6.2.8） m

《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）规定软土地区路基工后沉降应符合表2（规范表7.7.1-2）的要求。

表2 公路容许工后沉降（规范表7.7.1-2） m

《铁路路基设计规范》（TB 10001-2005）第7.6.2条规定,软土及其他类型松软土地基上的路基的工后沉降量应满足以下要求：I级铁路不应大于20 cm，路桥过渡段不应大于10 cm，沉降速率均不应大于5 cm/a；II级铁路不应大于30 cm。

对比来看，国内桥头路基控制沉降值比美国、欧洲大出许多。国内公路（特别是高速公路）、铁路日常维护管理比较规范，相反大多数情形下城市道路维护往往是非及时性。考虑到城市居民对环境、安全及舒适度等方面的要求，笔者认为《城市道路路基设计规范》对路基工后沉降的要求可适当提高标准。

3 路堤沉降控制流程

国内研究多从设计、施工、材料等方面分析引发桥头跳车的原因，提出应用土工格栅和新型轻质回填材料，提高材料力学性能，改善施工方法来减少工后沉降。

本文结合城区建设特点，提出路堤沉降控制流程（见图1）。

图1 路基沉降控制流程

流程图说明：

（1）降低路堤高度是减少路堤沉降最有效的方法，应优先考虑。

根据笔者研究，软土地基上路堤沉降及桥头跳车严重现象多集中在路堤高度2.5 m以上路堤[2]，故规划设计时尽可能将路堤高度控制在2.5 m以内。对高架桥引道，可以延长落地桥梁1～2跨，有效减少路堤高度。较多数据说明，在深厚软土区，当路堤高度超过3 m时路基沉降很大，常规地基处理效果也无法满足要求，此时建议改为桥梁通过。

采用轻质土以减轻路堤荷载也是近年来广泛使用的一个新方法。轻质混凝土部分指标：密度3～12 kN/m3，抗压强度0.5～22.2 MPa。根据沉降控制需要进行轻质土强度、密度、高度等设计。

（2）进行地基处理以提高地基强度。

较常用的地基处理方法有换填（垫层）、抛石挤淤、水泥土搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、真空-堆载联合预压法等。此处仅对几种地基处理方法选择时注意的问题简要说明。

表层淤泥软土由于含水量很高，一般常规地基处理难以达到满意效果，如果厚度小于5 m且分布范围有限，笔者建议全部换填处理为首要考虑的地基处理方法，可以有效减少后期沉降。

抛石挤淤需谨慎使用。一方面处理深度有限；另一方面，由于当前受环境保护影响，土石方材料费用高、施工费用也高，设计不当往往比水泥土搅拌桩地基处理费用还高。故如采用抛石挤淤方法，需要足够的技术经济分析。

水泥土搅拌桩适用于10 m左右深度的软土加固。若表层淤泥含水量很高则加固效果较差，水泥土难以满足强度要求。对于深厚软土特别是深部软土，也存在搅拌不均匀、水泥土强度不足的问题，效果较差，设计时应特别注意。武汉地区较多经验表明，淤泥软土的室内水泥土强度范围在0.3～1.0 MPa，且多集中在0.5 MPa以下，在掺加30%的粉煤灰以后强度最高可以达到1.8 MPa,但施工工艺复杂。

（3）充分利用硬壳层的积极影响。

大量数据说明了表层硬壳层对应力平面上扩散及向下的衰减作用是非常明显的，所以设计时应充分重视，特别是路堤高度不是很大的情况下。笔者遇到一个软土地基处理项目设计方案，将部分硬壳层也进行了换填处理（下部换填片石），还需要预压3个月才能满足要求，与水泥土搅拌桩地基处理方法相比，费用高、工期更长。

一定厚度的硬壳层可有效减少路基沉降。本次观测到欢乐谷大道的2对4条匝道均位于一级阶地，均分布有厚度较大的硬壳层（如图2中ZK130处有6 m厚），对表层换填处理后观测到的工后沉降不明显，该处路堤高度超过3 m。

图2 武汉欢乐谷大道引道地质剖面

（4）其他

鉴于各种地基加固方法并不能完全消除路堤沉降，而且往往后期沉降较大，条件许可时可以通过柔性过渡路面，加强后期维护管理加以解决。

4 路基沉降计算方法及压缩模量取值

《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02-2013）及《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）推荐公式与《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）推荐公式基本一致，都是在分层总和法基础上进行修正，差异在沉降系数的取值。以下是公路规范采用的沉降系数估算公

式，主固结沉降计算与地基基础设计规范同。最终沉降（规范式4.3.5-1）：

式中：ms为沉降系数，宜根据现场沉降观测资料确定，也可采用经验公式（2）（规范式4.3.5-2）估算。

式中：H为路堤中心高度，m；γ为路堤填料的重度，kN/m3；θ为地基处理类型系数，用塑料排水板处理时取0.95～1.1，用水泥搅拌桩处理时取0.85，预压时取0.90；V为加载速率修正系数，加载速率在20～70 m/d之间时，取0.025；采用分期加载，速率小于20 mm/d时取0.005；采用快速加载，速率大于70 mm/d时取0.05；Y为地质因素修正系数，当同时满足软土层不排水搞剪强度小于25 kPa、软土层的厚度大于5 m、硬壳层厚度小于2.5 m三个条件时，Y=0，其他情况下可取Y=-0.1。

结合武汉软土情况估算沉降系数见表3。

表3 沉降系数估算（JTG/T D31-02-2013）

从表3中可以看出，沉降系数与路堤高度密切相关，路堤越高，沉降系数越大，相应地沉降越大。《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）指出，沉降系数与地基条件、荷载强度、加荷速率等因素有关，其范围值为1.1～1.7。

采用上述方法估算汉口两处桥头路堤沉降，计算值见表4。香港路立交实测值与计算值基本一致，但武胜路高架桥的实测值仍大于计算值，原因可能与邻近武胜路泰和广场基坑施工期间曾地下水突涌、砂土渗漏造成桥梁及地面沉降有关。采用公路规范推荐方法计算较准确。

表4 规范法估算路堤沉降（JTG/T D31-02-2013）

由于沉降系数考虑因素较大，积累经验较多，故可以推荐使用。

特别需要注意的是，沉降计算时压缩模量Es应采用淤泥、淤泥质土土层e-p压缩曲线相应压力段值，而不是简单采用报告中100～200 kPa压力下的Es1-2。图3为香港路淤泥质黏土e-p压缩曲线。

图3 淤泥质黏土e-p压缩曲线

该淤泥质土在50～100 kPa压力下的压缩模量为1.83 MPa,100～200 kPa压力下的压缩模量为2.30 MPa,差值约30%，错误选用压缩模量值对计算结果影响很大，特别是软土地基。

5 软土地基桥台后过渡段设计

桥台后过渡段往往为路堤形式，且桥头跳车较为普遍。为减少桥头跳车影响，刘代全等提出采用过渡段设计的半刚性桩处理台背布置设计方案[3]。国内铁路、公路规范均建议进行过渡段设计。《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）第3.3.7条规定，二级及二级以上公路路堤与桥台、横向构筑物（涵洞、通道）连接处应设置过渡段。过渡段路基压实度不应小于96%，并应做好填料、地基处理、台背防排水系统等综合设计。过渡段长度宜按式（3）（规范式3.3.7）确定：

式中：L为过渡段长度，m；H为路基填土高度，m。

《铁路路基设计规范》（TB 10001-2005）第7.5.1条规定，路堤与桥台连接处应设置路桥过渡段，并应按图4进行设计。后台基坑应以混凝土回填或以碎石分层填筑压实。

以上可以看出，公路、铁路规范要求的过渡段设计均是从解决路堤填土的压实度问题入手，对软土地基则用处不大，采用混凝土填筑更增加了路堤荷载，势必引起更大沉降，因此公路、铁路规范要求的过渡段设计前提是路基土工程性质好或软土地基得到加固。

图4 桥台后过渡段设计（规范图7.5.1）

城市道路软土地基过渡段设计也很有必要。借鉴过渡段设计理念，软土地基上路堤过渡段设计可从以下两个方面进一步优化：（1）桥背路堤填土考虑采用轻质土有效减少路堤荷载；（2）过渡段长度与高度通过沉降验算控制，而非这个引道采用轻质土，以保证经济性目标。目前轻质土造价约300元/m3，相比常规填料要贵很多，在沉降满足要求的前提下尽可能采用常规填料。图5为软土地基路桥过渡段概念设计。

图5 软土路基路桥过渡段概念设计

6 结论与建议

（1）软土地基上路堤沉降明显存在，城区道路设计需在充分掌握地质条件基础上进行沉降控制设计。

（2）通过降低路堤高度、使用轻质土减少路堤荷载是软土地基路堤设计优先考虑的解决方法。地基处理方法应结合地质条件合理选用，充分利用硬壳层对应力的扩散与衰减来减少沉降。

（3）软土地基上城区路堤沉降主要影响因素是路基沉降，可采用公路规范推荐方法计算，注意软土压缩模量应选取相应应力段的模量值。

（4）城区软土地基桥台后路堤应进行过渡段设计，并在考虑轻质土路堤填料的基础上进行沉降控制。

[1]张兴强，闫澍旺，赵成刚.台背填土受交通荷载反复作用和桥台影响分析[J].公路，2002（5）：31-35.

[2]张利华,刘亚洲.武汉市主城区桥头跳车调查分析与建议[J].城市道桥与防洪，2017(1)：26-29.

[3]刘代全,刘晓明,龙正聪.桥头跳车力学分析及台背刚柔过渡设计参数[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

武汉市城建委科技计划项目（201503武城建[2015]191号）

张利华（1972-），女，湖北武汉人，高级工程师，从事市政道桥交通工程设计与研究工作。