高速公路橋頭過渡路段優(yōu)化設計

曾　偉，苑紅凱，段曉沛，郎瑞卿，賀小青

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051；2.天津大學建筑工程學院，天津市 300072）

高速公路橋頭過渡路段優(yōu)化設計

曾偉1，苑紅凱1，段曉沛1，郎瑞卿2，賀小青2

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051；2.天津大學建筑工程學院，天津市 300072）

橋頭跳車問題是高速公路建設中的難題。為減小橋頭路段與橋頭的差異沉降，對橋頭路段的設計方法進行了研究，提出了改變PTC管樁樁間距的橋頭路段優(yōu)化設計思路，并提出了橋頭過渡路段長度的確定方法。結(jié)合天津軟土地區(qū)某實際工程，對該思路進行了驗證和完善，該示范工程具有借鑒意義。

橋頭過渡路段；PTC管樁；差異沉降

0　引言

橋頭跳車指橋臺和臺后（或臺前）路基之間產(chǎn)生較大差異沉降引起車輛行駛劇烈顛簸的一種現(xiàn)象。為了解決這一世界性難題，工程師們經(jīng)過不斷的理論優(yōu)化和實踐檢驗，提出了一系列方法，比如采用剛性樁復合地基處理橋頭路段，能改善橋頭處的工后沉降，不再發(fā)生明顯的跳車現(xiàn)象，但是發(fā)現(xiàn)在距離橋頭不遠處路段的沉降差異較大，造成“二次跳車”現(xiàn)象。因此，對橋頭路段的優(yōu)化設計是亟需解決的一大難題。

目前，國內(nèi)外學者針對橋頭跳車現(xiàn)場進行了大量研究，主要結(jié)論如下：魯緒文［1］等利用變樁長與變樁距的預制管樁復合地基技術(shù)，在橋頭軟基上設置過渡段，但由于樁長變化對管樁的承載特性影響較大，造成設計較為復雜；陳敏等［2］提出通過塑料排水板將過渡路段拋高的處理方法；Sam等［3］提出采用柔性橋臺結(jié)構(gòu)來降低橋臺的剛度，縮小橋臺和路堤的剛度差；林同立［4］針對不同的分項工程，提出了與其相適應的交通組織方案及技術(shù)方案，以減小道路施工對交通流的干擾，為擴建工程順利完成提供條件；鄧天棋［5］在分析各種傳統(tǒng)沉降監(jiān)測儀器優(yōu)缺點的基礎上，選擇適合于彭湖高速公路路橋過渡段沉降監(jiān)測方案和方法；張學偉等［6］給出了確定橋頭地基處理長度范圍的方法。

本文針對高速公路橋頭過渡段處理方法現(xiàn)存問題，提出改變高速公路橋頭路段PTC管樁復合地基置換率的方法，將橋頭平緩地引向新建路段，并運用大型有限元軟件ABAQUS建立了沉降隨置換率的變化規(guī)律，確定了各過渡段的合理樁間距，避免了復雜的設計施工，有效解決了橋頭跳車現(xiàn)象。

1　橋頭過渡路段優(yōu)化思路

1.1理論依據(jù)

由于在較短距離內(nèi)，土層分布較為接近，PTC管樁的承載特性較為接近，且該承載特性與樁周土的性質(zhì)有較大關(guān)系，通過改變樁長來解決橋頭跳車問題較為復雜。故本思路為改變樁間距，即改變高速公路橋頭路段PTC管樁復合地基置換率。其主要思路為，在接近橋頭的路段，增大置換率，減小路面與橋頭的差異沉降，隨著與橋頭距離的增加，逐漸減小置換率，沉降逐漸增大，直至達到新建路段的沉降值。

該思路的理論依據(jù)為：隨著置換率的增加，地基沉降有所減小。為了確定地基沉降隨置換率的變化情況，開展數(shù)值模擬試驗，確定了相關(guān)沉降隨置換率的變化情況。

設計中，過渡段設計示意如圖1所示。

圖1　過渡段設計原理

由于橋梁基礎多為大直徑的鉆孔灌注樁，且樁長較長，故橋梁路面的沉降較小。在設計高速公路橋頭路段時，接近橋頭的區(qū)域I沉降需控制到盡量小的范圍內(nèi)，可根據(jù)沉降控制需求查圖1中對應的置換率；區(qū)域II和區(qū)域III可按一定比例增大沉降，按對應的沉降在圖1中獲得對應的置換率；區(qū)域IV為常規(guī)高速公路路段。

在橋頭和常規(guī)路段之間可設置多個過渡路段，使得橋頭路面按一定角度β平緩地引向正常路段。由于常規(guī)路段和橋頭路面的沉降差確定，則過渡段的長度L可按下式確定：

式中：Δh為常規(guī)路段和橋頭路面的差沉降差。

1.2數(shù)值試驗

為了系統(tǒng)確定地基沉降隨置換率的變化規(guī)律，本文采用單一變量法設計了研究方案，在不改變其他因素的情況下，改變樁間距，樁間距的變化量為1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m，對應的置換率分別為 0.19、0.12、0.08、0.06、0.04、0.03。

通過數(shù)值模擬方法完成該研究方案。復合地基由4根樁組成，樁頂布置碎石墊層，具體模型如圖2所示。

圖2　數(shù)值模型圖

為消除邊界效應，土體長寬分別為30 m，深度為54 m。樁帽和管樁均為線彈性理想本構(gòu)模型，樁帽為鋼材材質(zhì)，管樁為混凝土材質(zhì)，物理力學參數(shù)見表1。

表1　數(shù)值模擬模型材料參數(shù)

土體采用Mohr-Coulomb模型，屬于理想彈塑性模型，應力應變關(guān)系如圖3所示。

圖3　彈性-理想塑性模型

模型建立后，在頂面施加均布壓強荷載。

1.3試驗結(jié)果

計算完成后，分別提取各模型在相同荷載下的沉降，并繪制沉降隨置換率變化圖，如圖4所示。

圖4　沉降隨置換率變化

由圖4可知，隨著置換率的增大，地基的沉降減小，但并非線性關(guān)系。當置換率較小時（小于0.06），隨著置換率的增加，沉降有明顯減小趨勢；當置換率較大時（大于0.06），隨著置換率的增加，沉降減小幅度變小。

沉降為10 cm時置換率為0.06，故橋頭處理段的置換率最小值為0.06。結(jié)合1.1小節(jié)中設計思路，對天津某橋頭過渡段進行了設計，并對該過渡段進行了沉降監(jiān)測。

2　工程實例

2.1工程概況

天津西外環(huán)高速北起津漢高速公路，南至規(guī)劃的津港高速公路二期互通立交，并設置連接線與海景大道相接，主線全長37.629 km，需要處理多個橋頭過渡路段。本文以二丈河橋橋頭設計為例，采用改變高速公路橋頭路段PTC管樁復合地基置換率的方法優(yōu)化設計。

二丈河南橋頭工程不良地質(zhì)主要為軟土層，基本為淤泥質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)亞黏土，具體參數(shù)見表2。

表2　土質(zhì)參數(shù)表

2.2二丈河橋頭地基深層處理設計

二丈河北側(cè)、南側(cè)橋頭段采用PTC管樁復合樁基進行加固。北側(cè)橋頭過渡段分為I區(qū)和II區(qū)，各區(qū)長度均為50 m，填土總高度為6.55 m，分兩級填土，每級填土高度3.275 m。南側(cè)橋頭過渡段分為I區(qū)和II區(qū)，各區(qū)長度均為50 m，填土總高度為6.45 m，分兩級填土，每級填土高度3.225 m。

填土完成后，對埋置于路基左側(cè)、右側(cè)和中間的沉降樁進行沉降監(jiān)測，監(jiān)測初期，每3 d監(jiān)測一次，12 d后，每14 d監(jiān)測一次，具體設計參數(shù)及工后沉降見表3。

表3　具體設計及工后沉降值表

2.3實測沉降分析

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015），路面設計使用年限內(nèi)工后沉降標準為：橋頭、通道橋兩側(cè)不超過10 cm。二丈河北橋頭I區(qū)工后沉降為8.0 cm，II區(qū)工后沉降為12.7 cm，式（1）中β為0.07°；南橋頭I區(qū)工后沉降為9.0 cm，II區(qū)工后沉降為16.0 cm，式（1）中β為0.09°。實測結(jié)果與1.3小結(jié)中試驗結(jié)論較為接近。

3　結(jié)　語

通過改變PTC管樁置換率將橋頭逐漸引向新建路段的思路，可確保路基工后沉降量，實現(xiàn)由橋頭到一般路段的均勻過渡。橋頭地基深層處理原則上分為兩個區(qū)段（個別段落根據(jù)現(xiàn)場實際情況可采用三個區(qū)段）：第一段為橋頭密集段；第二段為過渡段（預應力管樁布置較橋頭處理段樁長不變、樁距加大）。在實際應用中能夠有效地減小橋頭過渡段的工后沉降差異，緩解橋頭跳車現(xiàn)象。

［1］魯緒文，婁炎，何寧，等.變樁長與變樁距技術(shù)在處理橋頭軟基中的應用［J］.施工技術(shù)，2007，36（1）：73-75.

［2］陳敏，趙桂娥.解決公路過渡段沉降問題技術(shù)措施研究［J］.中國水運，2010，10（5）:178-179.

［3］Sam M B Helwany，Jonathan T H Wu，Burkhard Froessl.GRS bridge abutments—an effective means to alleviate bridge approach settlement［J］.Geotextiles and Geomembranes，2003（21）：177-196.

［4］林同立.桂柳南高速公路改擴建工程方案設計 ［J］.中外公路，2015，35（5）:10-12.

［5］鄧天棋.彭湖高速路橋過渡段不均勻沉降分［D］.南昌：華東交通大學，2010.

［6］張學偉，陳捷.軟土地區(qū)橋頭地基處理長度范圍的確定 ［J］.浙江公路，2013（4）：64-65.

U412

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1009-7716（2016）07-0076-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.022

2016-02-29

曾偉（1978-），男，天津人，高級工程師，從事高速公路設計工作。