交椅湾软土地区市政道路路基沉降研究分析

李学松，张贵保，周书东，黄锦盛，张 益

（1、东莞滨海湾新区工程建设中心 广东 东莞 523808；2、东莞市建筑科学研究院有限公司 广东 东莞 523809）

0 引言

目前随着城市市政道路的大量兴建，有些道路的软土段没有解决好地基变形问题，软土层厚的部分沉降量大，软土层薄或非软土段则沉降量较小，造成道路沉降不均匀，路面平整性受到影响，车辆无法正常行驶。鉴于软土路基的工程特性及存在的技术问题，大量学者对软土的处治进行了较为深入的研究，先后提出了不同的软土路基处治技术。怀集至阳江高速公路海陵岛大桥项目所在区域的软土层厚度达到5.0～19.5 m，该段采用了水泥搅拌桩、预应力管桩的路基处理方案［1］。深圳市前海地区某市政道路位于滨海潮间带，该路段采用插板排水固结堆载预压法、水泥搅拌桩、CFG 桩等处理方案［2］。牛田洋快速道路工程采用了就地固化技术对滩涂土进行处理［3］。广州市南沙区万环东路工程某段采用“塑料排水板、砂垫层结合堆载预压”施工技术［4］。佛山市金石大道西延线工程某段采用泡沫轻质土施工技术［5］。滨海软土由于特殊的物理及工程特性，在进行道路建设时若不加以处理，通常会产生路基沉降变形大、超静孔压难消散、路基稳定性差等问题［6］。江苏连云港灌云县某沿海高速公路［7］，对发生病害的不同路段分别采用了小导管注浆法、侧向辐射注浆法以及高压旋喷桩法进行处治。广东西部开平-阳江高速某路段［8］，对该路段采取连系梁微型桩技术进行处治。广东西部沿海高速某公路［9］部分路段附近为鱼塘密集区，处于深厚软土段，在路面范围内设置了预应力管桩，同时在路基边坡进行钢管注浆加固，阻止地下水变化对路基范围内软土的影响，限制路基的浅层滑移。

1 工程概况

交椅湾板块原地貌基本为鱼塘、河涌和海域，存在部分垃圾堆放场地，后续进行堆填土处理，逐步建设市政道路，形成了交椅湾板块的交通路网，如图1所示。2019 年11 月交椅湾板块的地貌已经陆续完成堆填土处理，各市政道路基本完成填筑处理，但部分还有滩涂、鱼塘、河涌和海域等。

图1 滨海湾新区交椅湾板块交通道路网Fig.1 Traffic Road Network of Jiaojiaowan Section in Marina Bay New Area

东莞滨海湾新区交椅湾板块规划面积约20.36 km2，地处穗深港交通走廊节点，具有优越的地理位置。交椅湾板块内建成通车的“五纵一横”道路（振海路、兴海路、中海路、华海路、东海路、滨海湾大道），“五纵”道路向海延伸，与“一横”滨海湾大道相连，形成交椅湾板块“内联外通”的交通网络框架的基本格局。交椅湾板块道路建设用地广泛分布着滨海相软土，在地质上属于第四系海陆交互沉积层Q4mc，为正常固结或欠固结的饱和软土，具有孔隙比大、渗透性差、含水量高、天然强度低、压缩性高等特点。由于其承载力过低，在软土地基上修建道路需要先进行地基处理加固。软土地基上修建的道路会出现因各种大变形引起的道路病害，例如过量的路基沉降而使路面出现裂痕、错台，以及因软土地基的不均匀性而导致的路基不均匀沉降［10］。

2 软土分布情况及软土特征

研究分析广东广州、深圳、珠海、东莞、汕头、湛江等地的滨海城市软土分布情况［11］，着重研究分析东莞滨海湾新区软土特征、交椅湾“五纵一横”市政道路的软土地层分布及软土特征、交椅湾各路段的软土情况，如表1所示。通过对比分析，东莞滨海湾新区软土地层具有分布变化大、软土性质差等特点，主要体现在软土含水率高、孔隙比高、抗剪强度低、压缩性高、有机质含量高等几个方面。鉴于软土的特性，道路在建成通车后容易产生不均匀沉降现象。

表1 东莞滨海湾新区软土物理力学性质指标统计Tab.1 Statistics of Physical and Mechanical Properties of Soft Soil in Dongguan Binhai Bay New Area

3 路面沉降规律及原因

收集滨海湾大道、东海路、华海路、中海路、兴海路、振海路的原始地貌资料，对各道路的沉降现状进行踏勘及实测，将各路段地质地层情况、软土路基处理方法、各路段的施工验收检测数据和各路段的沉降情况进行比对和总结，并通过研究分析得到道路路面沉降的相关规律及原因：

⑴软土地基路段的沉降不可避免，地基沉降的最终稳定需要较长时间，同时在周边环境稳定后，其道路沉降才会趋于稳定。软土地区路基的主固结的沉降变形一般在2～4 年后逐渐稳定，长则十几年后沉降才逐渐稳定。

⑵软土层较厚的路段，其沉降量较大，而软土层较薄的路段，其沉降量较小。不同路基处理方式的交界处，容易产生不均匀沉降和局部裂缝。

⑶深部的淤泥由于其排水距离长、排水条件差，在相同的时间内，其固结的速率及固结度较表层的软土低。因此在表层软土固结基本完成以后，深部的软土还处于固结过程中，从而产生缓慢的沉降变形。

4 计算分析

以滨海湾大道K4+110～K4+350段为例，选取钻孔ZK71 的断面作为计算分析断面。断面的地基处理方式为CFG 桩法，桩径为0.4 m，桩长为24.8 m，桩间距为2.4 m。路面材料厚度0.74 m，路堤高度为1.9 m，垫层厚度0.65 m。垫层以下的土层分别为①-2杂填土、②-2 淤泥、②-4 粉质黏土、②-7 淤泥、③砂质黏性土。路面、路基材料的设计参数如表2所示。

表2 路面、路基材料的设计参数取值Tab.2 Design Parameter Values of Pavement and Subgrade Materials

利用分层总和法、理正岩土软件和Abaqus数值模拟对经过CFG 桩处理后路基进行沉降计算，并得到以下计算结果：

4.1 分层总和法

采用压缩模量计算法，采用下式计算：

式中：Δpi为地基中各分层中点的附加应力增量；Esi为地基中各分层压缩模量。

分层总和法计算沉降只考虑压缩变形，而在土体发生变形过程中不仅存在竖向压缩变形，还存在剪切变形。在一般工程条件下，土体因其所处位置的不同而经受不同的应力路径，且在加载过程中应力路径也是变化的，所以应力路径的变化应在地基模型中加以考虑。

通过计算可知，道路中心点的沉降量为0.223 m。

4.2 理正计算（见图2）

图2 理正计算模型及原始条件Fig.2 Correct the Computational Model and Original Conditions

⑴地基总沉降计算方法采用经验系数法，主固结沉降计算方法采用压缩模量法，沉降计算考虑超载30 kPa，超载产生的地基附加应力采用直接法，沉降修正系数为1.164，基底压力计算方法采用按多层土实际容重计算，加固区主固结沉降计算方法采用复合地基桩身压缩量法，工后基准期起算时间为最后一级加载结束时。

⑵路面竣工时及以后的沉降计算

基准期开始时刻：最后一级加载结束时刻，考虑沉降影响后，路堤的实际计算高度为2.850 m，路面竣工时地基沉降为0.211 m，路面竣工后基准期内的残余沉降为0.001 m，基准期结束时地基沉降为0.212 m。

4.3 数值模拟计算

模型底面宽度取30 m，模型表面为15 m，模型总厚度为35.69 m，路面和路堤按1∶1.5 放坡，基准期结束后的沉降计算结果为20.3 cm（见图3）。

图3 Abaqus数值模拟道路沉降计算云图Fig.3 Abaqus Numerical Simulation of Road Settlement Calculation Cloud Image

三种方法计算所得到的沉降值较为接近，且沉降量小于《公路软土地基路堤设计与施工技术细则：JTG/T D31-02—2013》所规定的软土地区一级公路路基容许工后沉降0.3 m、作为干线公路的二级公路允许工后沉降0.5 m［12］。各路段软土路基的沉降表现出相似的规律：道路中心的沉降量最大，且沉降量由路基中心处向路肩处逐步减小。各路段在竣工后第2年与第15年的沉降值的差异较小，说明路基的沉降在竣工后的2年左右已基本保持稳定。

5 沉降道路的处治措施

5.1 一般路段的处治措施

⑴针对当前道路出现的轻微和中等的裂缝，可采用沥青进行填缝修补。

⑵严重裂缝需对路基基层处理（采用钢筋混凝土翻修）后，再铺设沥青。若修复后重新出现沉降病害，可考虑采取路基加固措施进行处理。

5.2 特殊路段的处治措施

⑴针对邻近海域和河流的道路段，可考虑对近水侧设置防渗层。

⑵ 针对华海路靠近积水沟路段产生的沉降病害，建议对该路段一侧的积水进行抽排。针对东海路靠近东宝公园路段池塘水位变化导致的沉降病害，建议对该路段路堤采取相应处理及止水措施。

6 结论与展望

6.1 结论

⑴对收集到的勘察、设计、施工、检测数据等技术资料进行研究分析，结合现场调研分析，得到各路段的沉降原因，主要包括自然地质、勘察设计施工、周边环境等客观原因。交椅湾板块路基的沉降量小于30 cm，在工后沉降容许值的范围内，按目前这种不均匀沉降趋势，预计在工后2～4年左右沉降基本趋于稳定。

⑵不同路段的地质情况不同，行业标准规范对软土地区的勘察、设计要求较低，软土地区的市政道路勘察、设计需做好精细化工作，如勘探间距建议控制在30～40 m 内，同时勘探孔的深度应适当加深，并考虑钻探与原位测试相结合的勘察方法；做好对回填方法、回填料的选取，路基处理方法的选择及布置应综合考虑软土地层和周边环境的变化。

⑶软土地区道路的施工质量控制难度较大，因此必须科学地做好施工组织设计，严格按照有关操作规程实施，认真做好工程质量检查和验收工作。建议施工单位会同设计单位进行相关固化试验和试桩，确定水泥掺量、注浆压力、提升速度等施工参数，在施工过程中加强对地基处理质量的现场管控，避免出现断桩、缩颈等问题。

6.2 展望

⑴建议对软土地区的工程项目集中进行整体性的软基处理。选取部分路段作为试验工程，对软土地基处理方案、施工工艺、施工参数进行验证。根据地质条件、周边环境、施工经验、工期和成本综合考虑分析，选择最优的软土路基处理方案。

⑵对道路的工后沉降进行监测，通过监测数据对比分析，得到道路沉降的趋势和变形规律，对已建道路做好进一步的变形监测。

⑶建议在软土地层变化较大的路段设置“软基路段标志牌”和“限载标志牌”。

⑷由于建设时序不一，周边地块开发晚于道路建设，相关单位在开发建设时，应加强对已建市政道路的保护和监控措施。