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1、 路基沉降控制设计中的几个问题【摘 要】 阐述了高速公路、高速铁路的路基沉降设计方法、影响因素，对计算中的几个实际问题进行了探讨。1 前 言 当前，我国正处于大规模交通建设，高速公路和高速铁路将成为陆地城际间的主要交通干线。路基设计的内容很多，其中最为引起工程师关注的问题是路基稳定和路基沉降控制。尤其对于软土地区，路基的沉降控制设计将成为路基的核心技术设计，并且成为路基处理造价的控制性设计。 本文根据作者近一段时间在路基工程上的咨询和思考，对路基沉降控制设计中几个工程师经常关心的问题，进行剖析，并提出一些见解，不妥之处请专家指正。2 路基沉降的影响因素 根据路基的构造和建设运营特点，路基的沉降
2、影响因素除地基条件外，似乎应包括以下几个方面： （1）附加荷载 附加荷载是指路面、路床、路堤的重量。属于永久荷载。标准断面见图1。附加荷载引的沉降按沉降机理可以分为瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降。图1 填方路基标准断面 （2）地下水位变化 地下水位上升时，地基土的含水率上升，强度降低，从而引起沉降。地下水位下降时，土中的有效应力增加，同样引起沉降。 （3）边沟水的入渗 路的两侧一般都设计有排水沟，其功能主要是降水期间提供路面排水去处。平原地区的排水沟，集水主要通过蒸发和入渗消耗。水的入渗会引起路基局部沉降。3 沉降计算理论 当前，根据行业标准公路路基设计规范、铁路路基设计规范的规定，将沉降计
3、算可以分为两种思路：一种分段详细计算法，另一种是主固结沉降修正法。3.1 分段详细计算法 1：中国兵器工业北方勘察设计研究院 分段详细计算法是先分别计算瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降，然后再三者累加求得总沉降量。 （1）瞬时沉降 对均质地基，瞬时沉降按下式计算： （1）式中 ： Sd瞬时沉降 泊松比 b基础宽度（圆形基础表示直径） p0对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力 Eu不排水变形模量 IP基础形状和刚度影响系数，见表1。 表1 基础形状和刚度影响系数I基础形状圆形方形矩形l/b1.52.03.05.010.020.050.0100.0刚性基础0.790.881.071.2
4、11.421.702.102.463.003.43柔性基础中心点1.001.121.361.531.782.102.542.993.574.01角点0.640.560.680.770.891.051.271.491.802.00 （2）主固结沉降 主固结沉降的计算方法一般有两种：固结试验法、应力历史法。固结试验法的计算原理是：根据附加应力分布和固结试验得到的每层土相应压力段的压缩模量，分层总和计算主固结沉降。 计算地基变形时，地基内的应力分布,按各向同性均质线性变形体理论。其变形量按下式计算： （2）式中 s- 地基主固结沉降量； s-地基主固结沉降理论计算值； S-经验系数； n-地基变形计
5、算深度范围内所划分的土层数； p0-对应于荷载效应准永久组合时的原地面处的附加压力（kPa）； Esi-基础底面下第i层土的压缩模量（MPa），应取土的自重应力至土的自重应力与附加应力之和的压力段计算； zi、zi-1-基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）； i、i-1-基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。 应力历史法的计算原理是：根据附加应力分布和高压固结试验求出的土的压缩指数和回弹指数，考虑土的固结历史，分层总和计算主固结沉降。 对正常固结土，按下式计算： （3） 对超固结土，分两种情况： 第一种情况，当pzi+p0ipci时，用回弹指数Ce计算，
6、若地基压缩层深度内有m层土属此类情况，则可按下式计算： （4） 第二种情况，当pzi+p0ipci时，分两段考虑，pc值之前用回弹指数Ce计算，pc值之后用压缩指数Cc计算。若地基压缩层深度内有n层土属此类情况，则可按下式计算： （5）地基压缩层范围内有上述两种情况的土层，则其总沉降量为上述两部分之和。即 （6） 对欠固结土，按下式计算： （7） 式中 s-总的主固结沉降量； sm-m层范围沉降量； sn-n层范围沉降量； hi-第i层土的厚度； e0i-第i层土的初始孔隙比； Cei、Cci-分别为第i层土的回弹指数和压缩指数； pzi、pci、p0i-分别为第i层土的自重应力平均值、前期固
7、结压力和附加压力平均值。 （3）次固结沉降 主固结完成后的次固结沉降，按下式计算： （8）式中 ： ss 次固结沉降； h压缩层厚度； t2表示计算次固结的时刻； t1主固结（固结度达到100%）完成的时刻； C次固结系数。3.2 主固结沉降修正法 主固结沉降修正法的原理是只计算主固结沉降，然后对主固结沉降量直接进行修正，得到总沉降量。4 荷载组合4.1 永久荷载 永久荷载包括路面自重、路床自重和原地面以上的路堤自重。4.2 可变荷载 可变荷载主要指车辆荷载、人群荷载、雪荷载、地下水升降引起的有效应力变化等。4.3 偶然荷载 主要指地震荷载、其他不可预见荷载。4.4荷载组合 当前计算路基沉降时
8、，一般只考虑永久荷载。作者认为，计算沉降时应考虑永久荷载和可变荷载的组合。对不同荷载组合下的沉降量分别进行估计。图2 石家庄浅层粉质黏土自重应力压缩模量关系试验结果 注： 表示自重应力； 表示附加应力5 计算参数和经验修正系数 采用主固结沉降修正法计算时，涉及到的计算参数除了各层土的标高、重力密度外，还涉及到一个非常重要的参数，即压缩模量。根据固结试验典型结果，压缩模量的大小与自重应力、附加应力有关。自重应力和压缩模量关系的试验结果（石家庄浅层粉质黏土）见图2。从图2可以看出，自重应力对压缩模量的影响最大，附加压力次之。因此，沉降计算时，压缩模量的应根据实际土的压力段选取。根据主固结沉降计算总
9、沉降量时，往往需要根据实际情况乘一个修正系数。这个系数就是经验修正系数。行业标准公路软土地基路堤设计与施工技术规范（JTJ017-96）1给出的经验修正系数为1.11.7，京沪高速铁路设计暂行规定（铁建设200313号）2给出的经验修正系数为1.11.4。最近，新版行业标准公路路基设计规范（JTG D30-2004）3根据京津塘高速公路试验研究结果，给出了一个经验公式： （9）式中： ms经验修正系数； 填料重力密度（kN/m3）； 地基处理类型系数，粉体搅拌桩处理取0.85，一般预压固结取0.90，塑料排水板 处理取0.951.10； H路基中心高度（m）； V填土速率修正系数，填土速率在0
10、.020.07m/d之间时，取0.025； Y地质因素修正系数，满足软土层不排水抗剪强度小于25kPa、软土层的厚度大于 5m、硬壳层厚度小于2.5m三个条件时，取0，其他情况取-0.1。 为便于直观，取 =19， =0.85, V=0.025，Y =-0.1，代入式（9）得到 ms 和H的关系见图3。从图3可以看出，经验修正系数和路堤填方高度有关，填方高度越大，经验修正系数越大。经验修正系数范围值为0.81.7。图3 路堤高度和经验修正系数的关系（根据式9） 作者认为，应积极开展已建路基沉降的调查，逐渐建立地区性经验公式。对于没有经验的地区，可以暂且按式（9）计算，并参考同类地区经验综合确定
11、。6 压缩层厚度 路基沉降量的大小，与沉降计算时采用的压缩层厚度很有关系。图4是河北保沧高速公路一个断面的计算结果。从图中可以看出，沉降计算采用的压缩层厚度越大，计算的最终沉降量越大。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范JTJ017-96规定，沉降计算采用的压缩层，其底面应在附加应力与有效自重应力之比不大于0.15处。当前，我国正处于大规模公路、铁路的建设时期，积极开展观测，尽早找出压缩层经验和规律也是很重要的一项技术工作。7 工后沉降 由于路的建成需要一定时间（一般一年），所以设计阶段工程师关心的是工后沉降。公路路基设计规范JTGD30-2004给出的容许工后沉降见表2。京沪高速铁路设计暂行
12、规定（铁建设200313号）要求路基工后沉降量一般地段不应大于10cm，沉降速率应小于3cm/年图4 沉降量计算值和沉降深度的关系（河北保沧高速公路）注：表示最终沉降量；表示压缩层厚度。桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于5cm。 表2 公路容许工后沉降桥台与路堤相邻处涵洞、通道处一般路段高速公路、一级公路0.10m0.20m0.30m二级公路0.20m0.30m0.50m 对饱和土地基，工后沉降一般根据室内固结试验测定的固结系数，采用太沙基固结理论来计算。对非饱和土地基或上部是非饱和土下部是饱和土的地基，工后沉降目前还没有可靠的理论来计算，一般根据经验确定。 根据文献4报道，广东佛开高速公路
13、全长80km，位于珠江三角洲河网地区，沿线软土地基范围广，软土深厚，采用水泥土搅拌桩处理。实测沉降结果见表3。从表中可以看出，工后沉降占总的最终沉降量比例为6%42%。 作者认为，对于搅拌桩等半刚性、刚性桩复合地基，桩土复合段的沉降一般在施工期基本稳定。工后沉降主要源于桩土复合段以下的下卧地层。关于下卧层的工后沉降，对砂土等排水固结条件好的地基,可认为工后沉降接近于零；对粉土等排水固结条件一般的地基，可认为工后沉降为30%50%;对粘性土等排水固结条件差的地基,可认为工后沉降为50%80%。 表3 佛开高速公路路基实测沉降序号填土高度（m）搅拌桩桩长（m）施工期沉降（mm）一年工后沉降（mm）
14、工后沉降/最终沉降量15.410154270.14924.610.561140.18736.282321720.42644.61063320.33750.77.566160.19561.78231150.06174.710276400.1278510187120.06092.910.510180.073100.81475180.194115.910377470.111121.318237660.218134.810195190.0898 结束语 路基沉降的特点明显和房屋建筑不同。路基荷载为柔性荷载，形状为梯形，路基两侧往往还设置了排水沟，这些特点使得路基沉降理论计算值往往小于实际值，这和房屋建
15、筑的沉降正好相反，这一点应该引起工程师的重视。本文系统总结了路基沉降的设计方法，并对其中的一些实际问题进行探讨，旨在引起同行工程师的重视。不妥之处，请专家指正。参 考 文 献1.中华人民共和国行业标准.公路软土地基路堤设计与施工技术规范.JTJ017-96.北京：人民 交 通 出版社，19972. 中华人民共和国行业标准.京沪高速铁路设计暂行规定（铁建设200313号）. 北京：中国 铁道 出版社，20033. 中华人民共和国行业标准.公路路基设计规范.JTG D30-2004. 北京：人民交通出版社，20044. 江苏宁沪高速公路股份有限公司，河海大学.交通土建软土地基工程手册.北京：人民交通 出版社，2001
