管桩技术在控制路基沉降变形中的应用及计算方法

姚一宏

（中铁上海设计院集团有限公司南京设计院，江苏 南京 210009）

0 引言

根据广泛的工程实践显示，路基变形或不均匀沉降是引起路面结构破坏的重要因素之一。随着人民群众对于行车舒适性和安全性要求的提高，规范对于路基变形的控制有了更进一步的明确，对不同工程位置、不同道路等级均提出了不同的设计要求。

常见的控制路基沉降变形方法有置换法、加固土桩法、排水固结法以及粒料桩法等。随着我国基础建设的大力实施，许多新理论、新技术、新材料、新工艺通过实践完善更为可靠成熟，如刚性桩、现浇泡沫轻质土路堤、爆炸挤淤、路堤地基隔离墙以及吹填砂路堤等。本文主要就刚性桩在控制路基沉降变形中的应用及计算方法进行阐述。

1 设计要求

《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）对路基工后沉降的设计要求如表1 所示。

表1 容许工后沉降 单位：m

《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013）对路基容许工后变形的设计要求如表2 所示。

表2 路基容许工后变形 单位：m

2 适用范围

刚性桩适用于深厚软土地基上荷载较大、变形要求较严格的高填方路堤段、桥头引道或通道与路堤的衔接部位、新老路堤拼接的拓宽区域。

由于刚性桩造价较高，主要应用于复杂地基桥头路段，当出现上述路段情况常规的路基处理方案无法满足规范要求时，需就刚性桩方案与桥梁方案进行造价和施工工艺比选，从而确定合理、经济的方案。与其他路基处理方案相比，预制桩体质量有保证，施工速度快，处理后总沉降量小。

3 设计内容

管桩设计主要包含桩基、桩帽、桩顶垫层以及监测等内容。在设计时，应根据地勘资料进行路基沉降和稳定性计算，明确桩基长度、桩径大小、桩壁厚、桩间距以及桩帽尺寸等。管桩平面布置可采用梅花形或正方形布置，但桩间距要求不宜大于5 倍桩径。

桩基施工前需对原地面进行清表处理，对施工区域内腐殖土、草皮进行挖除并整平压实，同时铺筑石灰土作为施工底板。当桩基施工完成后，结合设计桩帽尺寸，开挖整修形成桩帽土模，绑扎好钢筋后，桩帽采用混凝土现浇。除上述设计内容外，还应包含路基稳定与变形监测设计。针对不同路段、不同内容需采用不同监测方式，同一断面不同位置的监测点所监测的内容也不尽相同，设计图纸中均需一一明确同时计入相应工程数量表中。

一般而言，桥头路段或高填方路段均需加密设置。其中，路基顶部主要设置沉降观测管，用于工后沉降的监控，通过沉降趋势判定路基沉降是否已经趋于稳定（双标准控制——推算的工后沉降量以及实测连续2 个月沉降量小于等于5mm），继而明确路面铺筑时间；边坡外边缘设置测斜管，用于监控地下土体分层水平位移量，以推定土体剪切破坏位置等。

4 案例分析

4.1 沭阳县淮河大道南延工程

淮河大道主线按照城市快速路标准进行建设，设计速度80km/h；辅路按城市次干路标准进行建设，设计速度40km/h。淮河大道整体按照主辅路结合的全封闭快速路标准建设，全线设置一处跨线桥、一处下穿隧道，其余均以地面快速路通过。受造价、勘察资料不足以及忽视高填方路基自重荷载引起的路基沉降变形等因素影响，在柴沂干渠大桥与柴米河大桥之间采用高填方路基通过，平均填高7.5m，路基标准宽度55m，设置二级边坡，采用1∶1.5 放坡，路基底部平均宽81.5m。同时，由于防洪和连接两侧公园要求，此高填方路段尚设置有2 道8×4.5m 通道。

根据详勘报告显示，不良地质主要为弱膨胀土，此外第2 层黏土厚度不均，呈软塑至可塑状态，平均含水率32.8%，压缩性中等偏高。根据软件计算，当不进行地基处理时，桥头段路基工后沉降59.7～72.1cm，远远超过规范规定的桥头10cm、通道20cm的要求；当采用加固土桩或粒料桩处理均不能满足设计要求，同时由于方案无法由高填方转成桥梁方案，因此采用管桩处理。

其中，桥头段按照间距3m 正方形布置，平均桩长分别按照16m 和19m 设计，处理后工后沉降量7.6～9.7cm，满足桥头段沉降要求，同时总沉降量由76.9cm 下降到30.9cm，处理效果明显。通道处以及过渡段按照间距3.5m 正方形布置，平均桩长12m，处理后工后沉降量最大为19.7cm，总沉降量由80.9cm下降到33.6cm。从计算结果显示，管桩处理高填方路基与传统的水泥搅拌桩、粒料桩相比，工后沉降量以及总沉降量均有明显减少，处理效果更为显著。

目前，该路段已进入施工招标阶段。虽然该项目通过管桩解决了前期遗留的设计问题，满足了规范要求，但由于目前高路堤自身压缩变形的相关理论分析并不完善，主要采用经验预估方法进行分析考虑，因此施工期间尚需密切注意观测高填方路基工后变形数据，以保证施工的顺利进行。

4.2 312 国道苏州东段改扩建工程

312 国道苏州东段改扩建项目包括上跨沪宁高铁、京沪铁路桥梁路基段及改移道路段。全线按照一级公路标准设计，其中路基段包括上跨沪宁高铁桥梁桥头段，桥头过渡段以及下穿京沪铁路桥梁桥头段，设计范围：K69 + 634.706～K69 + 722.463，全长87.757m。上跨沪宁高铁桥梁桥台后设置挡墙，桥后最大填土高度为4.6m。

根据《江苏省干线公路勘察设计指南》中要求：对工后沉降要求严格的地段宜设置两级过渡，即处理段、过渡段、一般过渡段。处理段长度为填土高度H的5～7 倍，过渡段长度与处理段长度相同，一般过渡段长度为20～30m。因此，此次设计分段为两侧桥头段各30m，过渡段27.757m。桥头间距按照2.8m 正方形布置，过渡段间距按照3.0m 正方形布置。桩长均为10m。

根据地勘资料显示，该区域不良地质除表层素填土、杂填土外，主要为淤泥以及淤泥质粉质黏土，压缩性中～高，工程特性差。根据软件计算结果见图1，处理后工后沉降为0，基准期总沉降量为3.2cm，处理效果明显。

图1 路面竣工时及以后的沉降计算数据

目前，该路段管桩已施工完成。该项目通过管桩设计虽然处理了桥头沉降的问题，但依旧存在优化部分，主要在于桥头填土仅为4.6m，且根据地质钻孔显示桥头段无不良地质层，而采用水泥搅拌桩同样能满足设计要求。此次软基设计过于保守，未能体现设计过程中经济性的原则。由于国内基础建设的大力实施，各项软基处理技术已得到广泛实践验证，各种设计通用图、图集已较为完善，因此设计人员在选用处理方式时，需更为全面地考虑问题，各方验证方案的可行性，既要考虑方案的合理性，也要从经济性方面考虑方案的实施。

5 计算方法

目前常用的路基计算软件为理正岩土计算软件，计算内容包含稳定性和工后沉降两大部分。稳定性计算方法有固结有效应力法、改进总强度法、简化毕肖普法以及简布普遍条分法。路基施工时要求分层填筑，每层填筑需按照一定速率进行，而稳定性计算方法中仅有固结有效应力法考虑到了实际施工情况，因此目前常用该方法进行路基稳定性计算，如图2所示。

图2 稳定性计算参数界面

对于工后沉降量计算，常见的主固结沉降计算方法包含e-p 曲线法、压缩模量法、压缩系数法和e-lg（p）曲线法。经过多年的实践经验，e-p 曲线法和压缩模量法积累了更多的工程实践，相应的沉降系数值得到进一步检验和优化，因此更为推荐应用e-p 曲线法或压缩模量法进行工后沉降量的计算，如图3所示。

图3 工后沉降计算参数界面

6 经验总结

随着我国基础建设的大力实施，原有新工艺经过多次实践调整已成为目前设计的常规方法，进而推动更多的新理论、新技术的出现。比如采用PC 管桩和水泥搅拌桩梅花形布置（见图4），先施工水泥搅拌桩，再施工PC 管桩，桩顶通过设置钢塑格栅减小路基不均匀沉降，满足设计要求的同时降低了整体工程造价。

图4 PC 管桩+水泥搅拌桩平面示意图

7 结语

综上所述，在高等级道路设计中，路基管桩设计计算以及施工方案是一项非常重要的内容。在建设过程中需要结合勘察报告完善设计计算，保证道路路基可持续发展。下阶段应进一步加强不同路基处理方案的组合，既而提高建设工程的经济性、安全性以及可持续性。