公路橋梁方案與路基方案的分析與比選

王晉斌

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

某路基寬度為26 m的雙向四車道高速公路，在K21+100—K23+668段地處山區(qū)，地貌單元內(nèi)地形起伏變化較大，溝壑縱橫，初步設(shè)計(jì)階段該路段內(nèi)設(shè)置3座橋梁跨越深溝，分別為K21+455一號(hào)中橋：3-25 m連續(xù)箱梁橋，橋位處最大填土高度22.9 m，橋位處設(shè)計(jì)流量為12 m3/s，橋梁設(shè)置由地形控制；K22+350一號(hào)大橋：6-25 m連續(xù)箱梁橋，橋位處最大填土高度30.2 m，橋位處設(shè)計(jì)流量為9.8 m3/s，橋梁設(shè)置由地形控制；K22+613二號(hào)大橋：6-25 m連續(xù)箱梁橋，橋位處最大填土高度29.6 m，橋位處設(shè)計(jì)流量為8.7 m3/s，橋梁設(shè)置由地形控制。

施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，此合同段內(nèi)箱梁考慮集中預(yù)制，預(yù)制梁場(chǎng)設(shè)在K18+615處路基左側(cè)，上述3座橋梁，箱梁運(yùn)距較長(zhǎng)，同時(shí)原設(shè)計(jì)運(yùn)輸便道內(nèi)新建一座超限檢測(cè)站，通過(guò)難度較大，且此3座橋梁橋下施工作業(yè)面狹窄，吊裝無(wú)法展開(kāi)。若利用架橋機(jī)架設(shè)，必須等路基土石方工程完成后才能進(jìn)行，工期延長(zhǎng)，業(yè)主方對(duì)工期又提出了嚴(yán)格要求。

為方便施工，縮短工期，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并進(jìn)行地質(zhì)鉆探后，通過(guò)調(diào)整K21+100—K23+677段路基縱坡，降低橋位處的填土高度，優(yōu)化取消該路段3座橋梁，設(shè)置涵洞后改為路基形式通過(guò)，并經(jīng)過(guò)驗(yàn)算保證去橋后路基穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2 橋梁改路基后穩(wěn)定性計(jì)算

通過(guò)調(diào)整局部路段縱坡，K21+455一號(hào)中橋最大填方中心高由原22.9 m降至22.4 m（K21+445處），最大邊坡處填高29.34 m（K21+460處），去橋后在K21+445處設(shè)置1-4×3.5 m鋼波紋板通道兼排水。

K22+350一號(hào)大橋降坡后最大填方中心高由原設(shè)計(jì)30.2 m降至22.89 m（K22+330處），最大邊坡填高26.4 m（K22+350處），去橋后在K22+310處設(shè)置1-4×4 m鋼筋混凝土蓋板通道兼排水。

K22+613二號(hào)大橋降坡后最大填方中心高由29.6 m降至21.35 m（K22+603處），最大邊坡填高25.26 m（K22+613處），去橋后在K22+620處設(shè)置1-4×4 m鋼筋混凝土拱通道兼排水。

現(xiàn)選取K22+350一號(hào)大橋做穩(wěn)定性分析計(jì)算。

2.1 調(diào)坡后工程概況

一號(hào)大橋原設(shè)計(jì)大橋范圍為K22+275—K22+425段，此路段位于半山腰和溝中，屬縱、橫向陡坡路段，降坡后最大填方中心高由30.2 m降至22.89 m（K22+330），最大邊坡填高26.4 m（K22+350），地表0～10 m厚為Q2黃土，下為強(qiáng)風(fēng)化泥巖與砂巖互層，K22+538處巖層產(chǎn)狀290°∠5°，視傾角2.0°。

2.2 高路堤穩(wěn)定性計(jì)算

選用最不利橫斷K22+357處橫斷面作為路堤堤身穩(wěn)定性的典型計(jì)算斷面；選用K22+350處橫斷面作為路堤沿斜坡地基穩(wěn)定性的典型計(jì)算斷面。利用理正巖土計(jì)算軟件，采用簡(jiǎn)化Bishop法和不平衡推力法進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.6.11高路堤與陡坡路堤穩(wěn)定安全系數(shù)表中規(guī)定[1]，路堤堤身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性采用簡(jiǎn)化Bishop法，正常工況下安全系數(shù)取1.35，非正常工況I取1.25；路堤沿斜坡地基的穩(wěn)定性采用不平衡推力法，正常工況下安全系數(shù)取1.30，非正常工況I取1.20。

2.2.1 路堤堤身穩(wěn)定性驗(yàn)算

路基段設(shè)計(jì)方案：填方邊坡0～8 m，坡率采用1∶1.5；8～20 m，坡率采用1∶1.75；大于20 m時(shí)每10 m設(shè)一級(jí)2 m寬平臺(tái)，坡率采用1∶2.0。

根據(jù)一號(hào)大橋地質(zhì)鉆孔的試驗(yàn)資料及類似填料的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，采用簡(jiǎn)化Bishop法搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，計(jì)算安全系數(shù)。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 堤身穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1 路堤堤身穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總表

2.2.2 路堤沿斜坡地基穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)類似填料的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，采用不平衡推力法，分別計(jì)算不同工況下的剩余下滑力，若剩余下滑力小于0，則邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.30（1.20）。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 路堤沿斜坡3穩(wěn)定性驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

表2 路堤沿斜坡地基穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總表

驗(yàn)算結(jié)果表明，二號(hào)大橋橋改路堤后，如果填料的快剪力學(xué)性質(zhì)可以滿足計(jì)算所取用的參數(shù)，穩(wěn)定性可以滿足規(guī)范要求。

2.3 工程措施

a）通過(guò)選取典型斷面和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)橋改路后的路堤進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，填料正常工況：γ=18.6 kN/m3、C=35 kPa、φ=23°；非正常工況I：γ=19.8 kN/m3、C=30 kPa、φ=21°?；瑒?dòng)面正常工況：γ=18.6 kN/m3、C=12 kPa、φ=20°；非正常工況I：γ=19.8 kN/m3、C=10 kPa、φ=19°。路堤的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

b）路基位于溝谷縱橫向陡坡路段，由于該段高填路基局部地表覆蓋1.0 m厚Q2dl土層,為了保證路基的穩(wěn)定性，需將該覆蓋層清除后碾壓密實(shí)，然后再開(kāi)挖臺(tái)階填筑路基。

c）地面橫坡陡為1∶5時(shí)，原地面開(kāi)挖2～4 m寬的臺(tái)階，臺(tái)階底應(yīng)有4%向內(nèi)傾斜的坡度，其中K22+350—K22+390段陡坡開(kāi)挖4 m寬臺(tái)階，其他段落開(kāi)挖2 m臺(tái)階。

d）對(duì)地表為黃土的路堤清表后進(jìn)行強(qiáng)夯，為保證路基壓實(shí)度及減少工后沉降，對(duì)于填土高度大于20 m的路基范圍，每填筑6 m強(qiáng)夯一次[2]，同時(shí)要求高填土范圍內(nèi)的壓實(shí)度在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上增加1%。

e）在K22+350—K22+390段右側(cè)坡腳設(shè)3 m高M(jìn)7.5水泥砂漿砌MU30片石護(hù)腳；路堤坡面采用拱形骨架+植草防護(hù)；路塹坡面采用2 m護(hù)面墻+植草防護(hù)。

f）需增加平臺(tái)排水溝、填方路基邊坡急流槽、邊溝急流槽、攔水帶、邊溝、盲溝及過(guò)水槽等相應(yīng)的排水設(shè)計(jì)。

3 路基與橋梁費(fèi)用對(duì)比分析

改路基后造價(jià)對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可以看出，采用路基方案比采用橋梁方案的建安費(fèi)節(jié)省約1 578萬(wàn)元，路基方案需增加永久占地約23畝以及拆遷一些附屬的建筑物，但可以大大加快施工進(jìn)度，減短施工周期。綜合比選，采用路基方案優(yōu)于橋梁方案。

表3 橋梁與路基費(fèi)用對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中的以路基替代橋梁為例，對(duì)采用路基方案后的最不利斷面進(jìn)行了計(jì)算與分析，并通過(guò)一定的工程措施保證了高填路基的穩(wěn)定性。綜合考慮多種因素，采用路基方案更為合理。通過(guò)本文的對(duì)比可知，在地基相對(duì)穩(wěn)定及不占用基本農(nóng)田的情況下，公路建設(shè)過(guò)程中采用路基方案會(huì)更具優(yōu)勢(shì)并節(jié)約造價(jià)。