橋頭軟基沉降分析及處理研究

李鵬程

[新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000]

0 引言

橋梁臺背、公路銜接段或橋臺搭板間極易出現(xiàn)不均勻沉降，造成銜接段路面坑洼和開裂等病害，行進車輛經(jīng)過該區(qū)域時會產(chǎn)生跳躍、顛簸。橋頭跳車不僅弱化了行車速度，而且會對行車安全性造成影響，車輛額外沖擊荷載也會促使路面、橋臺銜接構(gòu)筑物過度損傷。橋頭跳車問題隨著通道、橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)占據(jù)比例的擴大及車輛速度的提升而不斷出現(xiàn)。科學(xué)合理的公路橋梁銜接段差異性沉降控制措施能夠確保公路的安全質(zhì)量，也可以有效降低公路交通維修養(yǎng)護費用。

1 工程概況

新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)某高速公路沿河道兩岸建設(shè)，設(shè)計速度為80km/h，路面設(shè)計寬度為40m，雙向四車道，路基設(shè)計平均高度為5～8m，公路沿線存在較多的軟土地基，約45 處，其中路段K20+510 橋頭處路基具有典型代表性，針對該路段開展路基處理方案能夠為其余各處路基處理提供參照，根據(jù)路線設(shè)計標高、地面標高確定該路段路基主要為填筑段，且填筑高度為6.5m。K20+510 處路基地層經(jīng)過現(xiàn)場勘查，分布如下：1 層為沖洪積淤泥，軟塑、飽和、呈黑灰色，厚度達到了9～11m；2 層為細砂，飽和、白灰色、松散狀，厚度為11～16m，在地震發(fā)生時極容易液化；3 層為礫石層，稍密、飽和。該路段存在沼澤、魚塘，且表層軟土具備明顯鹽漬化，魚塘中淤泥層厚度達到了0.5～1.5m，呈軟塑-流塑狀，孔隙潛水為地下水主要類型，表現(xiàn)為中等腐蝕性，整體施工條件較差，路基現(xiàn)場如圖1所示[1]。

圖1 K20+510 路基施工現(xiàn)場

2 構(gòu)造物過渡段路基處理

2.1 一般性要求

2.1.1 地基處理

橋頭過渡段軟土地基的加固處理能夠有效控制橋頭跳車病害，加固處理效果主要以沉降量控制為準。當(dāng)前常見的橋頭軟土地基處理措施主要為堆載預(yù)壓法、加固土樁法、拋石擠淤法、振沖碎石樁法等。

K20+510 路段地基處理主要采取CFG 樁進行加固，CFG 樁主要由砂、石骨料、粉煤灰、水泥等制作而成，施工后樁間土體及樁體能夠形成整體性強、穩(wěn)定性高的樁復(fù)合地基，通過整體置換作用控制地基沉降、提升地基承載強度。

2.1.2 路基處理

路基填筑施工中主要采取輕質(zhì)材料，輕質(zhì)材料（粉煤灰）的鋪設(shè)能夠有效降低地基土層的附加應(yīng)力及填土覆重，繼而減小路基、橋臺之間的不均勻沉降，提升路基的安全穩(wěn)定性；橋臺后回填措施需要嚴格控制，臺后填料多采取便于壓實且滲透系數(shù)較大、摩擦較大的填料，如宕渣、砂礫等，路基上部0.5m 處需要構(gòu)建水泥穩(wěn)定粒料層，優(yōu)化路基的整體剛度。路基回填及壓實中，技術(shù)人員需要對分層填筑的路基質(zhì)量進行現(xiàn)場檢測，壓實度需要控制在96%以上，減小路基填料之間的空隙，便于控制工后沉降。

2.1.3 路面處理

橋頭路面處理可以分為以下三種方式：搭設(shè)橋臺搭板、布置變厚度埋板、構(gòu)建過渡性路面。橋臺搭板設(shè)置能夠?qū)蝾^路面較大的路基沉降過渡至主梁路面上，繼而優(yōu)化行車跳車病害，橋臺搭板長度的確定需要依據(jù)路基設(shè)計工后沉降允許值進行計算，且搭板類型、長度需要隨著橋臺引道路面形式變化進行適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)橋臺引道為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)時，則需要保持搭板坡度和引道坡度的一致，整體形成平置式；當(dāng)橋臺引道為瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)時，則需要將搭板遠離臺背處設(shè)置在路基土層、路面面層之間，整體形成斜置式。搭板設(shè)置完成后則需要在搭板上部施工瀝青混凝土面層，避免其出現(xiàn)下沉，如果后續(xù)出現(xiàn)搭板下沉現(xiàn)象，則需要及時修補面層結(jié)構(gòu)[1]。

變厚度埋板的設(shè)置能夠有效避免二次跳車，且變厚度埋板主要布置在搭板遠離橋臺側(cè)，其長度一般為3～6m。引道為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)時，則可以將搭板附近路面直接構(gòu)建為變厚度埋板，變厚度埋板主要采取彈性模量較大、強度高的材料，這有助于提升該位置的車輛抗沖擊能力及路基承載強度。通過變厚度埋板的布設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)豎向、水平向的剛?cè)徇^渡，規(guī)避二次跳車及不均勻沉降。

過渡性路面的構(gòu)建能夠優(yōu)化橋臺后路基、橋臺之間的通行平順，橋臺過渡段長度需要根據(jù)容許工后差異沉降率、工后路基最大沉降差異值兩者之間的比值來確定。過渡性路面施工可以先選取條石、瀝青碎石、預(yù)制混凝土砌塊進行布設(shè)，當(dāng)?shù)鼗翆?、路基填土達到完全固結(jié)穩(wěn)定之后，則可以施工永久路面。

2.2 處理方案實施

2.2.1 方案設(shè)計

K20+510 路段地基表面具備9.5m 厚度的淤泥黏土，承載強度較小，后續(xù)的6.5m 路基填筑施工具備較大的附加應(yīng)力，在復(fù)雜自然環(huán)境中極易造成較大的路基沉降變形，為此，技術(shù)人員需要在現(xiàn)場進行地基加固處理。路段整個淤泥土層的換填處理土方量偏大，且施工投入費用昂貴；現(xiàn)場采取超載預(yù)壓結(jié)合塑料排水板處理方式則需要具備較長的施工工期，且地基土層固結(jié)效果不明顯；采取粉噴樁進行地基加固具備良好的沉降控制效果，但是投入成本較大?；诖?，現(xiàn)場項目部經(jīng)過方案比選，綜合多項技術(shù)指標、實施效果、資金投入、施工環(huán)境及工期等，擬采取CFG 樁+搭板結(jié)合加筋砂墊層方式進行軟土地基處理。

CFG 樁復(fù)合地基處理技術(shù)需要在現(xiàn)場采取沉管法進行CFG 樁體的打設(shè)，路段橋臺過渡段設(shè)置長度為46m，項目技術(shù)人員對過渡段進行橋頭引道起終點的劃分，分為A、B、C 三個地基加固處理區(qū)域。其中，A加固區(qū)的長度為16m，B、C 加固區(qū)長度為15m，CFG樁整體呈等邊三角形布置，現(xiàn)場可以通過控制CFG 樁間距、樁長來降低一般填筑路堤段和橋臺段之間的不均勻差異性沉降。項目設(shè)計A 加固區(qū)樁長為17m，樁間距控制為1.2m；B 加固區(qū)樁長為15m，樁間距為1.4m；C 加固區(qū)樁長為13m，樁間距為1.6m。路基褥墊層的填筑施工需要等到CFG 樁樁身強度達到設(shè)計要求的75%時進行，褥墊層頂部需要構(gòu)建雙向土工隔柵，單層，最終進行臺背回填處理。項目方案在地基段進行不同長度、間距的水泥粉煤灰碎石樁分區(qū)加固，能夠優(yōu)化橋頭銜接處地基剛度緩和過渡，減小原先的地基剛度差異性，避免出現(xiàn)未加固前臺階錯層形式的沉降跳躍情況[2]。

2.2.2 CFG 樁施工控制要點

路段K20+510CFG 樁體施工中，需要依據(jù)試樁情況來科學(xué)選取CFG 樁體打設(shè)順序，盡量減少樁體損壞情況；CFG 打樁過程中，現(xiàn)場需要對樁頂?shù)奈灰七M行動態(tài)監(jiān)測；樁體混合料則需要事先均勻拌和，鉆孔中投料充分；沉管灌注過程中，拔管速度需要保持勻速，其速度一般控制為1.2～1.6m/min；在進行清土和截樁過程中，不能夠造成樁頂控制標高以下樁身的破壞，樁間土的擾動也要避免；CFG 樁施工垂直度控制在1%以內(nèi)；在嚴寒季節(jié)施工時，樁體混合料入孔溫度需要大于5oC，并且對樁間土和樁頭要進行保溫處理；CFG 樁施工質(zhì)量需要符合表1所列要求。橋頭過渡段地基處理如圖2所示。

表1 CFG 樁施工控制要求

圖2 橋頭過渡段地基處理截面示意圖

2.2.3 過渡段沉降觀測

過渡段沉降觀測需要依據(jù)現(xiàn)場平面布設(shè)圖進行測孔布置，項目選取型號DGK-1900DU 磁性分層儀進行沉降觀測，觀測設(shè)備布置在橋臺46m 引道上，路基橫向分為4 排，其中第一排布置在搭板下方，且距離橋臺背3m 位置處；第二排布置在距離橋臺背11m 左右，位于搭板末端；第三排位于距離橋臺背16m 處；第四排距離橋臺背32m。軟土路基填筑過程中需要動態(tài)觀測地基變形狀態(tài)，沉降儀需要在地基經(jīng)過加固處理之后進行埋設(shè)，并且在獲取穩(wěn)定的觀測值后才能夠進行后續(xù)的路基填筑。路基填筑中需要嚴格依據(jù)觀測計劃開展沉降穩(wěn)定跟蹤，路基每填筑一層則要獲取一層沉降數(shù)據(jù)；路基填筑中，前后兩次的間隔時間較長，則需要適當(dāng)增加觀測頻率，一般為3d/次。堆載預(yù)壓期沉降觀測則需要在路基填筑完成且地基固結(jié)穩(wěn)定之后開展，一般控制其觀測頻率為1m/次，觀測直至預(yù)壓期結(jié)束才停止[3]。

3 路基沉降分析

該路段地基加固處理及路基填筑，經(jīng)過布設(shè)的沉降觀測儀獲取沉降數(shù)據(jù)，圖3為該路段過渡區(qū)路基表面沉降和路基填筑高度之間的關(guān)系。由圖3可知，填土荷載總共分為十四級加載，且隨著加載逐漸增大，路基表面沉降也不斷擴大；路基橫向沉降量在不同加載情況下隨著距離路基中心越遠，則越?。磺笆壖虞d過程中，同一觀測點的沉降值在前后加載過程中差異性較大，且加載初期，路基表面沉降變化速率較快；在第十級加載以后，加載導(dǎo)致的路基表面沉降變化幅度較小，沉降變化較為平緩。

圖3 路基表面沉降和路基填筑高度變化關(guān)系

相較于其余觀測點位，路基中心點沉降量值最大，路基外邊緣沉降值最小，一般為0。路基填筑加載過程中土層內(nèi)部的孔隙水難以及時排出，此時孔隙水壓力較大，且樁間土和樁之間的彈性模量也存在差異性，這就造成路基表面沉降量在橫向不同距離具有較大的波動性；靠近路基等加固區(qū)外邊緣處，路基表面土層沉降隨著填筑高度的增大而變化幅度較??；填筑施工完成之后，路基最大沉降值控制在10～11mm 之間，CFG 樁對于路基的整體加固性較為明顯[4]。

土體、樁體豎向沉降隨不同深度變化如圖4所示，結(jié)果表明，豎向最大沉降量發(fā)生在樁頂位置及地基表面，且地基表面豎向沉降要大于樁體頂部沉降，樁體、地基土體的沉降值隨著深度的增大而減小，且兩者的變化趨于相同，在深度4～20m 范圍內(nèi)，樁體、土體豎向沉降有極大的重疊性；深度0～4m 范圍內(nèi)，土體沉降均勻性較為明顯，而樁體由于加固區(qū)樁土摩擦強度的破壞，在初始深度范圍內(nèi)波動較大。

圖4 樁體、土體沉降隨深度變化關(guān)系

4 結(jié)語

本文通過設(shè)計合理的路基加固方案，采取CFG樁+搭板結(jié)合加筋砂墊層進行軟基處理后，路基填筑工后沉降能夠得到有效控制，樁復(fù)合地基的加固效果較好，該結(jié)果能夠為相關(guān)類似公路橋頭軟土路基處理項目提供參照，繼而控制工程投資，避免橋頭跳車病害的產(chǎn)生，且該處理技術(shù)較為成熟，具有極大的應(yīng)用推廣優(yōu)勢。