浅谈高速公路软土路基（桩板结构在深厚软基高速公路过渡段处理中的应用）

浅谈高速公路软土路基（桩板结构在深厚软基高速公路过渡段处理中的应用）深厚软基区间设置有多处结构物。典型结构如图 1所示，从涵洞处沿大里程方向下部软土厚度突增，其前后一段距离分别采用悬浮搅拌桩(桩长20 m、桩距1.4 m、桩径0.5 m)、桩板结构(桩长渐变21～45 m、桩径0.4 m、桩距2.6 m、板厚0.5 m、板长31.2 m)进行地基处理，从而形成路-涵及桩板-桩两类过渡段。某高速公路地处浙江省北部，线路经行区域水网发达且遍布深厚软土，部分区间跨越古运河、河床，海积淤泥、湖积淤泥质土最大深度超过40 m。为解决高速公路深厚软基上的过渡段处置，工程界先后应用了新型桩、搭板、泡沫混凝土/EPS轻质材料、联合法(桩-加筋砂垫层-台背回填-搭板)等地基处理方法。但受差异沉降控制机理不成熟及工程经济性的影响，上述方案并没有较好地解决此问题。对比之下，由于较高的设计标准要求，铁路行业在各类复杂地质条件下均有对应较为成熟的地基处理方法。针对深厚软弱地基区域地

赵涵秀 冯多 徐林荣浙江省交通投资集团有限公司 中南大学土木工程学院 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室

摘 要：针对高速公路深厚软基过渡段处置的困难与不足，结合公路工程特点，引入铁路领域桩板结构地基处理方法。结合具体工程案例，基于非饱和渗流-固体力学耦合数值分析理论，对比分析一般悬浮桩与桩板结构在过渡段的处理效果并进行关键结构的参数分析。结果表明：对比过渡段工后差异沉降、总沉降、水平位移等评价指标后，桩板结构相比一般方案对过渡段的处置效果更优越；差异沉降受桩体间距影响较敏感，实际设计中需多次试算以保证工程设计经济性；混凝土板厚度是控制差异沉降的关键参数，较大的混凝土板厚度可有效改善深厚软基上各结构间的过渡效果。

关键词：公路工程;过渡段;深厚软基;桩板结构;非饱和渗流;有限元分析;

基金：浙江省交通运输厅科研计划项目，项目编号2019001;国家自然科学基金面上项目，项目编号51778634;

软土在我国分布范围较广，特别在江河下游地区，因坡度平缓，软土逐年累积，从而在滨海地区形成古河床上的深厚软基区。软土易变形且渗透特性较差，作为一种工程建设中的特殊土，上部修建的交通土建工程易受其工后差异沉降的影响，在不同结构物间易出现诸如桥头跳车、沉降超限等工程病害。

为解决高速公路深厚软基上的过渡段处置，工程界先后应用了新型桩、搭板、泡沫混凝土/EPS轻质材料、联合法(桩-加筋砂垫层-台背回填-搭板)等地基处理方法。但受差异沉降控制机理不成熟及工程经济性的影响，上述方案并没有较好地解决此问题。

对比之下，由于较高的设计标准要求，铁路行业在各类复杂地质条件下均有对应较为成熟的地基处理方法。针对深厚软弱地基区域地基处理，《铁路工程地基处理技术规程》(TB 10106-2010)规定选用钢筋混凝土桩板结构实现基础变形的严苛控制。现场工程实践表明，该方案可以适应深厚软基过渡段的差异沉降控制。

为此本文尝试借鉴铁路领域成熟经验，结合公路工程特点及桩板结构基本理论，基于数值分析理论给出适用于高速公路深厚软基过渡段的桩板结构处置方案，并分析结构各关键参数对差异沉降控制的影响规律，为此类问题解决提供一定的思路及建议。

1 工程背景1.1工程概况

某高速公路地处浙江省北部，线路经行区域水网发达且遍布深厚软土，部分区间跨越古运河、河床，海积淤泥、湖积淤泥质土最大深度超过40 m。

深厚软基区间设置有多处结构物。典型结构如图 1所示，从涵洞处沿大里程方向下部软土厚度突增，其前后一段距离分别采用悬浮搅拌桩(桩长20 m、桩距1.4 m、桩径0.5 m)、桩板结构(桩长渐变21～45 m、桩径0.4 m、桩距2.6 m、板厚0.5 m、板长31.2 m)进行地基处理，从而形成路-涵及桩板-桩两类过渡段。

此类线路过渡形式较为复杂，讨论其处理效果及与原有整体悬浮桩方案对比显得较为重要。

1.2设计要求

本深厚软基复杂过渡段的设计标准主要参照《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)中的双向六车道高速公路标准。设计营运周期为15年，累计交通量(换算大型客车及货车)当量轴载作用次数为12.7×106次，设计速度为100 km/h 路面顶面宽度为33.5 m。

图1 新建深厚软基高速公路过渡段结构设计与地层分布

对软基过渡段而言，路基顶面工后沉降是评价地基处理效果的关键指标。《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)对路涵过渡段及一般路段容许工后沉降的规定为：管涵、箱涵、通道处不大于0.2 m; 一般路段不大于0.3 m。

1.3水文与工程地质条件

前期工程勘察表明沿线地下水以松散岩类孔隙水为主。地下水位受季节性及时段性影响明显，地质勘探孔中的稳定水位一般在地下1～1.5 m处。

沿线多为地形平坦、低洼的水塘、鱼塘区，由于长期处于静水环境，地表软土的流动性、触变性等强不良工程特性明显，对路基工程影响较大。根据不同深度处所得钻探参数的相似性，沿线典型软土分布特征为：浅表层分布湖沼积粉质黏土硬壳层，厚1～4 m不等；其下亚层分布两层海相淤泥、淤泥质灰黏土，局部夹粉土，平均深度为21 m; 中部分布冲湖积粉质黏土、冲海积粉土、海积粉质黏土等；基岩埋深大，勘探最大深度达43.7 m。典型土层的地质参数如表 1所示。

表1 土层地质参数

层号	土层	密度ρg/cm3密度ρg/cm3	弹性模量 Es/MPa	黏聚力 c/kPa	内摩擦角 φ/(°)
②3	淤泥质土	1.71	2.76	7	5
③3	淤泥质土	1.74	2.92	9	6
⑩43	强风化粉砂岩	2.0	/	350	80

工程勘察表明，线路中段场地深厚软基物理力学性质较差，需进行地质处理。受原始交通线路影响，需设置路涵过渡段。为满足不均匀沉降控制的严格要求，特选用桩板结构(如图 2所示)提升软基承载力及稳定性。

图2 桩板结构处理段横断面

1.4软基处理方案

项目原始设计方案实际为全段设置20 m桩长、1.4 m桩距悬浮搅拌桩过渡。受施工及环境因素影响，此方案的远期处理效果有待提高。变更方案所选桩板结构在尝试解决上述问题的同时，也为行业同类型工程提供借鉴。

表 2为初始及变更方案的基本设计参数。桩板方案相比悬浮桩方案，在过渡段设计上使桩长增加而桩间距减小。

表2 悬浮桩方案、桩板方案设计参数

区间	原始方案/(桩长/桩径)	变更方案/(桩长/桩径)
一般段A(悬浮)	20 m/1.5 m	20 m/1.5 m
过渡段(悬浮)	20 m/1.3 m	20 m/1.3 m
过渡段(悬浮/桩板)	20 m/1.4 m	21～45/2.6 m
一般段B(悬浮)	20 m/1.4 m	42 m/2.7 m

2 有限元分析

一般路基结构及配套地基处理设计多选取横断面计算，当纵断面结构形式较为简单时，也可获得静力响应结果。但对于过渡段等常受桩长渐变、地基处理形式变化、岩土-结构相互作用等复杂因素影响的线路区间，往往需借助数值方法分析各研究对象的时程变化及最终响应结果。

对滨海软土区而言，较低的地下水位使浅层地基及底层路基填土易受到毛细水作用，影响固结度(工后沉降)的计算精度，本文拟利用COMSOL Multiphysics软件模拟堆载、营运过程中非饱和渗流影响下路基-地基结构沉降变形，对比两类方案处理效果。

2.1两类模型建立

此典型过渡段的分析难点主要在于地层几何条件及其造成的结构参数复杂。过渡段下部两层软土出现厚度渐变，由此导致下部粉质黏土持力层变化幅度较大。桩板结构的参数设计结果为部分预应力管桩需穿过土层交界处，由此造成了模型建立及网格剖分的复杂性。

土层复杂边界一般多将土层剖面图中的插值曲线以斜直线代替，以便于结构化网格的划分。因过渡段主要对结构物间的差异沉降有较多要求，故模型建立尚不考虑箱涵处对过渡段沉降变形的影响，而只对一侧横断面做滑动支撑约束。

桩-板-软基间相互作用较为重要，因复合地基变形控制及承载稳定主要通过桩体摩擦实现。桩体与周围岩土介质的相对滑动距离较大，尚不能通过不同域赋予不同材料属性的方法实现，而应采用不同结构单独建立构件，设置接触对的方式实现。两类软基处置方案模型如图3所示。

图3 两类软基处置方案模型建立

悬浮桩方案的接触条件较为简单，桩体底部始终悬浮，对底部设置z方向上的弹性薄层做接触对，单位面积的弹性系数k定义如下。

k=2−10cfk0(1−cf)         (1)k=2-10cfk0(1-cf)         (1)

式中：cf为地基系数调节常数，常取值0～1 本文取为0.75;k0为地基系数峰值，本文取为0.25×104kN/m3。

桩侧摩阻力使用罚函数条件定义接触对，零间隙的接触应力取为：T01=12 kPa(②3淤泥质土);T02=15 kPa(③3淤泥质土)。两类接触界面间物理参数设置不同，在其间定义一个新的弹性薄层，其单位面积弹性系数按下式线性插值函数定义。

k=T01 (T02−T01Δ)δ         (2)k=Τ01 (Τ02-Τ01Δ)δ         (2)

式中：Δ、δ为便于接触收敛而定义的全局参数。

接触对的网格划分要求目标边界比原边界更加精细以适应变形要求，但本文深厚淤泥质土作为目标边界，其弹性模量相比较桩体相差太多，深入持力层桩体的非线性接触会使计算时间陡增。结合上述分析，对桩板结构设置“刚体约束 弹性薄层 罚函数”3类接触对，满足受力过程中的结构-岩土体间相互作用过程。两类软基处理方案模型对应网格划分如图4所示。

图4 两类软基处置方案模型对应网格划分

两类模型均涉及7类基本材料，其中填土、深厚软土、持力层黏土均以连续体模拟；土壤屈服采用匹配摩尔-库伦准则的德鲁克-普拉格准则模拟；混凝土板、桩体采用线弹性连续体模拟；土工格栅采用基尔霍夫薄板模拟，板厚0.05 m。固体力学模块计算所用参数如表 3所示。

表3 模型材料基本计算参数

材料模型	密度ρg/cm3密度ρg/cm3	弹性模量 E/kPa	泊松比μ	黏聚力 c/kPa	内摩擦角 φ/(°)
路基填土	2.0	25 000	0.25	25	35
淤泥质土①	1.70	2 700	0.40	7	5
淤泥质土②	1.75	2 900	0.35	9	6
粉质黏土	1.80	20 000	0.38	15	20
混凝土板	2.5	75 000	0.30	/	/
预应力管桩	2.5	1 200 000	0.30	/	/
搅拌桩	1.8	80 000	0.35
土工格栅	1.2	12.1×106	0.33	/	/

模型孔隙渗流及固结过程受堆载预压及降雨入渗的影响，需结合模拟地表非饱和渗流的理查兹曼方程和饱和渗流的达西定律实现孔隙水排出的流固耦合作用全过程。地下水位线(1 m)以下属于饱和渗流区域，对应达西定律的参数选择较为简单，仅定义多孔材料的孔隙率及水力传导率即可。地下水位线(1 m)以上属于非饱和渗流区域，对应理查兹曼方程的参数较为复杂，需在达西定律的基础上定义多孔材料体积分数、Von Genuchten持水模型参数、可压缩流体系数等模型变量。各介质的渗流模型参数如表4所示。

表4 饱和及非饱和渗流模型计算模型参数

材料模型	岩土饱和参数		岩土非饱和参数
	Ks/(m/s)	e	χf/Pa-1	χp/Pa-1	θs	θr	α/m-1	n	l
路基填土	9.0×10-6	0.3	4.4×10-10	1×10-8	0.40	0.05	15	2.5	0.4
淤泥质土①	3.2×10-8	0.6	4.4×10-10	1×10-7	0.55	0.02	13.6	0.8	1.2
淤泥质土②	6.5×10-8	0.55	/	/	/	/	/	/	/
粉质黏土	5.4×10-7	0.52	/	/	/	/	/	/	/

模型排水条件为地基面以下1 m处水头为零，上部各几何边界均为出口，两侧及底面设定为不流动状态，整体单面排水。约束底部x、y、z等3个方向位移，纵方向界面设定为滚动支撑(辊支座)模拟对称条件，横向两侧界面约束其水平、竖直向位移，见图5。

图5 模型固体力学及排水边界条件设置

2.2荷载工况

两类模型的多步荷载工况条件较为类似，但在所选物理场的具体分析方法上还有一定差别。具体按表 5所示荷载工况设置分析步骤，地应力平衡结果作为初始外部应力条件输入到后续分析步中。

板体浇筑及填土填筑在岩土地应力平衡后完成，需在先前步骤中对相关分析区域先不赋予材料参数，使得有限元分析过程中不生成此区域的刚度矩阵(COMSOL Multiphysics属性) 从而在接下来通过引入材料参数引入上部区域的分析。如图 6所示，模拟填筑过程分3层填土实现，第2、第3层填土间的堆载预压作用由直接施加外部荷载实现。

表5 模型分析荷载工况及多物理场分析方法

分析步骤	荷载工况	物理场及分析方法
步骤一	管桩/搅拌桩施做后 地应力平衡	多孔弹性、固体 (固体力学 达西定律)
步骤二	混凝土板施做	地下水渗流 (达西定律)
步骤三	第一层填土	流固耦合 (固体力学-达西定律- 理查兹曼方程)
步骤四	格栅施做
步骤五	第二层填土
步骤六	第三层填土
步骤七	堆载预压
步骤八	固结排水

管桩施工结束后的下部岩土体及管桩整体地应力平衡的结果如图7、图8所示。竖向位移分布云图显示：模型整部及桩体周围的沉降变形较大，岩土体本身沉降呈现随深度而梯度增加的特征。竖向应力分布云图显示：模型桩体及板体两侧呈现了相反的初始应力状态，此与刚性连接下二者的共同弯曲变形特征有关；相比较而言岩土体的初始应力较小，整体呈受压状态。

图6 填筑及堆载预压实际、模拟填土高度

图7 管桩施做后场地地应力平衡结果(位移)

图8 管桩施做后场地地应力平衡结果(应力)

2.3过渡段处置效果对比

如前所述，过渡段处置主要通过差异沉降绝对值来衡量。在路基模型顶面中心及路肩处沿纵向每12.5 m取一位移监测点，提取其最终沉降量、15年内的工后沉降量、路肩水平变形及横断面差异变形计算结果，对比分析进而综合评价两种地基处理方案对深厚软基过渡段的差异沉降控制效果。

图9为两种过渡方案下沿里程方向的最终沉降量计算绝对值。由图中结果易见，桩板结构对过渡段及一般段的整体沉降控制效果较好，最终沉降量水平在0.15 m以内，沉降随里程、软土厚度增加逐渐增加，最终与一般段的沉降水平一致。

图9 两种方案对应总沉降计算结果

搅拌桩过渡方案沿里程方向的总沉降量起伏变化较明显，整体也随里程增加而逐渐扩大。对比可见，悬浮搅拌桩的处置方案对软基厚度变化的协调效果控制较差，过渡段相比一般段出现了较大的差异变形量。

因软基渗流特性较差且上部排水条件受混凝土板影响，达到上述最终沉降量所需时间较长，因此分析不同方案对应工后沉降值显得较为重要。图 10为两种方案在工后15年后的沉降计算结果。

图10 两种方案对应15年工后沉降计算结果

观察图10中曲线规律，对比图 9易见，不同里程的工后沉降过渡效果(可用曲线半径衡量)优于总沉降量。桩板结构整体绝对及差异沉降量在0.05 m以下，150 m里程处开始出现由桩长渐变所导致较大的差异变形；悬浮桩方案差异沉降在0.15 m以下，且全里程绝对沉降在60 m、125 m里程处出现两次突变，形成“两台阶”沉降特征，对深厚软基区的差异过渡效果弱于桩板结构。

横断面路肩与右侧行车道中心处的差异沉降也间接反映了过渡段的处置效果。图 11反映了沿里程方向两种过渡方案的横断面最终差异沉降变化规律，结果易见搅拌桩方案在过渡段出现了较大的差异沉降突变，下层深厚软基的横向变形对上层横向差异变形影响较大。反观桩板结构处置效果，差异沉降整体过渡较为自然，只有在过渡段及一般段的固有最终沉降差异引起了一定的差异值，整体差异沉降控制良好，出现了接近自然沉降盆水平的沉降量。

图11 两种方案对应横断面差异沉降变形计算结果

除竖向变形沉降量外，沿线横向变形特征也对过渡段处置效果评价较为重要，图 12反映了两种过渡处置方案对应沿线路肩水平位移变化规律。观察图中结果可见，横向变形量与差异沉降结果规律较为类似，桩板结构的水平变形量整体较小，只在软基厚度变化处出现了一定程度的上下变化。而搅拌桩过渡方案的处治效果较差，过渡段中部横向变形量出现较大差异，一般段的变形控制效果较好，但过渡效果较差。

3 桩板结构处理效果参数分析

上述深厚软基过渡段的桩板结构处理实际上采用了桩长渐变的参数设计。一方面，桩长渐变适应了底部深厚软基下界面厚度的变化特征，保证了桩板结构始终受稳定持力层的影响。但另一方面，由于长桩、短桩均与上部承台板刚性连接，虽然承台板使上部填土荷载均匀分布，但下部持力层的变化及桩体自重易造成长桩部分产生较大的负摩阻力，从而使得差异沉降控制效果有待提高。

图12 两种方案对应路肩总水平变形计算结果

桩板结构设计可调节参数较多，如桩体长度、桩体间距、桩体半径、板体厚度等。其中端承桩桩长一般由持力层深度决定，当持力层深度确定后，沉降控制仅能从增加桩侧摩阻力角度实现，因此研究其余因素对差异沉降控制影响显得较为重要。

3.1桩体间距的影响

为研究管桩桩体间距对过渡段差异沉降控制的影响，在过渡段、一般段软基厚度改变区域设置5种桩距的对比研究工况。具体各工况的设计参数如表6所示，工况三为原始参考方案。

表6 桩距改变参数研究工况

对照研究工况	管桩间距/桩径/板厚
工况一	1.6 m/0.4 m/0.5 m
工况二	2.1 m/0.4 m/0.5 m
工况三(原始方案)	2.6 m/0.4 m/0.5 m
工况四	3.1 m/0.4 m/0.5 m
工况五	3.6 m/0.4 m/0.5 m

图13对比了不同桩距工况下沿线15年工后差异沉降结果。观察易见，桩距变化对工后差异沉降影响规律不一致。当桩距增加1 m后，工后差异沉降量相比原始参考方案增加一倍。但桩距减小基本不引起工后差异沉降量出现较大的变化，桩距减小0.5 m、1.0 m对应工后差异沉降量变化较小。本次桩板结构所选2.6 m桩距对应差异沉降量居于中等水平，可将桩距减小至2.1 m以进一步提升过渡段处置效果。

图13 不同桩距工况对应过渡段差异沉降

3.2桩体半径的影响

与上节参数研究思路类似，为研究桩径改变对深厚软基过渡段差异沉降控制的影响，按表 7设置5种对照工况进行相应计算研究。

表7 桩径改变参数研究工况

对照研究工况	管桩间距/桩径/板厚
工况一	2.6 m/0.2 m/0.5 m
工况二	2.6 m/0.3 m/0.5 m
工况三(原始方案)	2.6 m/0.4 m/0.5 m
工况四	2.6 m/0.6 m/0.5 m
工况五	2.6 m/0.8 m/0.5 m

图 14对比了管桩不同桩径工况下沿线15年工后差异沉降结果。对比观察易见，相比较桩距，深厚软基过渡段工后差异沉降受桩径的影响较小。桩径从0.2 m至0.6 m改变时，沿线过渡段工后差异沉降量变化较小。一般段因为悬浮摩擦桩方法的原因，桩径改变影响了沿线整体工后差异沉降变化。

图14 不同管桩桩径工况对应过渡段差异沉降

3.3混凝土板厚度的影响

为研究混凝土板厚度对深厚软基过渡段差异沉降控制的影响，按表8设置5种对照工况进行相应计算研究。

表8 板厚改变参数研究工况

对照研究工况	管桩间距/桩径/板厚
工况一	2.6 m/0.4 m/0.3 m
工况二	2.6 m/0.4 m/0.4 m
工况三(原始方案)	2.6 m/0.4 m/0.5 m
工况四	2.6 m/0.4 m/0.6 m
工况五	2.6 m/0.4 m/0.7 m

图15对比了不同板厚工况下沿线15年工后差异沉降结果。对比各工况计算结果易见，混凝土板厚度对过渡段差异沉降影响较大，当板厚从原始工况0.5 m减小到0.3 m时，差异沉降量增加了约3倍。当混凝土板厚度从0.5 m增至0.7 m时，差异沉降量明显降低。混凝土板厚度增加使下部结构整体刚度增大，且板体底面处的竖向应力值明显减小，从而减小了差异变形量。一般段使用悬浮管桩过渡，差异沉降量不受混凝土板厚度的影响，从而加剧较薄板体的不良差异沉降过渡。

图15 不同混凝土板板厚工况对应过渡段差异沉降

4 结语

深厚软基过渡段差异变形控制是公路工程建设的困难点，受地基处理方案设计影响，现阶段其差异沉降控制尚未获得满意的效果。铁路地基处理中的桩板结构方案通过混凝土板协调横、纵向差异变形，在深厚软基地区应用效果较好。本文尝试将铁路领域成熟技术引入公路行业，在数值仿真的基础上对比桩板结构、悬浮桩方案对深厚软基过渡段的处置效果，进而研究设计参数变化对差异沉降的控制影响，最终给出桩板结构处理高速公路深厚软基过渡段的合理建议。

(1)选取一实际高速公路路基工程区段，根据工程地质及设计参数计算，对比原始悬浮桩方案与变更桩板结构方案在工后差异沉降、总沉降、水平位移等评价指标上的变化规律。结果显示，桩板结构相比一般悬浮桩方案在各项指标上均远小于规定值，对深厚软基过渡段差异变形的协调效果较好。

(2)对桩板结构处理深厚软基的各项设计参数分析表明，桩体间距对工后差异沉降影响规律不一致，间距增加将导致差异沉降量大幅提高，间距减小基本不引起差异沉降变化；桩体半径对差异沉降整体影响较小，原始方案典型桩径值可以较好地协调过渡段变形；混凝土板厚度对过渡段差异沉降控制作用明显，板厚约减少1倍时，差异沉降量增加约3倍。

(3)实际应用桩板结构进行高速公路深厚软基一般段及过渡段处理时，需注意合理选择桩体间距，并适当通过增加部分区段的桩体半径，以摩擦悬浮桩适应因勘探所致底部持力层区域模糊的困难。此外，适当增加混凝土板厚度则是协调差异变形的有效手段，最终实现处置效果优越且造价经济的目的。

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