復(fù)雜山區(qū)路橋過渡段路基沉降控制加固設(shè)計(jì)研究

熊 寬

（中咨盛裕交通設(shè)計(jì)研究有限公司，北京 100048）

0 引言

路橋工程是當(dāng)前交通設(shè)施的重要組成部分[1]，路橋工程施工復(fù)雜程度較高，工程的設(shè)計(jì)也具有較大難度，尤其是路橋過渡段的設(shè)計(jì)，往往成為路橋設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。路橋過渡段是山區(qū)公路的脆弱路段，其建設(shè)質(zhì)量直接影響路橋的使用壽命[2]，因此，路橋過渡段的設(shè)計(jì)也是道路工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一[3]。在復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境下，路橋過渡段最容易出現(xiàn)路基的沉降問題[4]，橋頭部位出現(xiàn)結(jié)構(gòu)落差，影響路面的平整性，最終會(huì)影響行車安全[5]。路橋過渡段路基發(fā)生沉降后，后期處理難度大，維護(hù)成本極高[6]。為此，對(duì)于復(fù)雜山區(qū)環(huán)境中的路橋過渡段路基設(shè)計(jì)，要考慮路基發(fā)生沉降變形的情況[7]，設(shè)計(jì)時(shí)做到預(yù)處理，以保證橋頭引道與橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定連接，延長(zhǎng)道路的使用壽命。基于此，本文開展了復(fù)雜山區(qū)環(huán)境下路橋過渡段路基沉降控制設(shè)計(jì)研究。

1 路橋過渡段路基沉降控制加固設(shè)計(jì)

為避免路橋過渡段路基出現(xiàn)過度沉降問題，保證路橋過渡段路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)相應(yīng)過渡段的路基設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的沉降控制加固設(shè)計(jì)。

1.1 控制路基沉降變形范圍

路基是維持公路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，路基的可靠性會(huì)直接影響公路的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于路基的承載力性能給予重點(diǎn)關(guān)注。在復(fù)雜山區(qū)的道路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮臺(tái)背地基的軟土地基段情況，進(jìn)行路基沉降變形協(xié)調(diào)的控制設(shè)計(jì)，確定差異沉降的控制指標(biāo)。

為保證復(fù)雜山區(qū)路面平整度，首先計(jì)算相應(yīng)的路面容許變坡率參數(shù)，以當(dāng)前的高級(jí)公路平整度指標(biāo)為例，假設(shè)路橋過渡段發(fā)生沉降情況，且路基中心處的變化量為q，路肩處的變化量為w，可以得出變坡率e的計(jì)算公式，具體如下：

上式中，d表示路基的寬度參數(shù)?；诖?，考慮山區(qū)公路路面的材料疲勞性以及極限抗拉性等，確定了復(fù)雜山區(qū)環(huán)境路橋過渡段路基沉降的限制范圍，即路基沉降不得超過0.45%。計(jì)算出路基沉降變形的限制范圍，能夠保證橋臺(tái)沉降與路基沉降的平穩(wěn)過渡，還能夠滿足控制路堤中央變形和坡腳路肩處協(xié)調(diào)變形的要求，將其變形量穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。

1.2 軟土路基淺層換填加固

為保證路橋過渡段路基沉降范圍在上述計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，需要針對(duì)山區(qū)軟土路基進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，主要使用淺層換填法，提高路基的承載能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土路基的加固。為了保證路基的穩(wěn)定性，同時(shí)考慮到建設(shè)成本，確定了路基鋪設(shè)的材料。路基加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 路基加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

從圖1可知，在路橋銜接處加入了控制沉降的過渡結(jié)構(gòu)，使用輕質(zhì)材料進(jìn)行填充。加入輕質(zhì)EPS材料后的銜接處路基結(jié)構(gòu)，以保證路基輕質(zhì)，避免過分沉降，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證過渡段銜接處的路面具有較強(qiáng)的耐壓性與耐水性，避免橋臺(tái)與路基結(jié)合處沉降不均勻?qū)е碌牟町惓两祮栴}。

采用的填料是否能夠達(dá)到壓縮、固結(jié)、凝塊的要求，是決定路基結(jié)構(gòu)能夠承受多少荷載的關(guān)鍵，依據(jù)路基材料承受力，改進(jìn)路基的填層，路基填層如圖2所示。從圖2可知，設(shè)計(jì)的路基填層分為三級(jí)，一級(jí)為基層，使用密度為2340kg/m3的CTB泥石結(jié)構(gòu)填鋪。下一層級(jí)為底基層，使用粉砂填鋪。最后一個(gè)層級(jí)為填土層，使用壓實(shí)的黏土填鋪，保證結(jié)構(gòu)基底的可靠性。同時(shí)，為了穩(wěn)定路橋銜接處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在銜接處下設(shè)CFG樁，如圖1所示，搭建相應(yīng)的樁土復(fù)合地基結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的材料參數(shù)如表1所示。

圖2 路基填層示意圖

表1 樁土復(fù)合地基相關(guān)材料參數(shù)表

通過搭建樁土復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，能夠使得土層與樁體緊密貼合，提高土層的密度，并且由于鋪設(shè)間距較小，能夠保證路基在路橋銜接處的剛?cè)岬玫竭^渡，提高過渡段路基整體的荷載能力，具有良好的抗變形性能。

1.3 土工格柵補(bǔ)強(qiáng)路堤

土工格柵具有很強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，能夠保證對(duì)路基約束性能的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)好過渡段路基填層結(jié)構(gòu)后，使用土工格柵對(duì)路橋過渡段的路堤進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以提高路基的側(cè)向約束力，避免臺(tái)背填料沉降。

在過渡段填土過程中，需要沿路線方向，采用縱橫交替的方法分層平鋪土工格柵。鋪設(shè)方案設(shè)計(jì)如下：

（1）上部層鋪設(shè)土工格柵，間距為0.75m，下部層鋪設(shè)深層水泥土攪拌樁，間距為1m；

（2）底層鋪設(shè)砂墊層，厚度控制在0.3m左右，當(dāng)格柵充分張拉后，鋪設(shè)在砂墊層之上；

（3）為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在土工格柵層上填鋪不大于0.25m的頂配碎石，以保證臺(tái)背具有良好的排水性能。

土工格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。需要注意的是，如果橋臺(tái)與公路銜接處為斜交情況，那么應(yīng)該把土工格柵接近橋臺(tái)的一端進(jìn)行裁切，使得端頭角度與過渡段銜接處的斜交角相同，避免出現(xiàn)格柵鋪向與路橋走向不同的情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定因素。

圖3 土工格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1.4 添設(shè)路基排水層

對(duì)于山區(qū)高速公路來說，路面地面水以及地下水是影響路基質(zhì)量和使用壽命的重要因素。傳統(tǒng)的溝渠排水方法在山區(qū)公路中，并不能滿足路基排水的需求。為此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)排水結(jié)構(gòu)的同時(shí)，為路基添設(shè)排水層，以減少地下水對(duì)路基的侵蝕損害。排水層布設(shè)情況如圖4所示。

圖4 排水層設(shè)計(jì)示意圖

如圖4所示，在路基排水結(jié)構(gòu)的底基層與路基中間加設(shè)三層結(jié)構(gòu)的排水層，同時(shí)輔以盲溝，雙重保障提高路基的排水能力。排水層能夠?qū)崿F(xiàn)將地下水以及路面滲漏的地表水排出，設(shè)計(jì)厚度在0.2m內(nèi)，考慮填料的經(jīng)濟(jì)適用性，以級(jí)配碎石材料為宜，且保持一定的傾斜度，便于積水流出。反濾層上接排水層，下連地基黏土層，三者緊密貼合，設(shè)置反濾層就是為了能夠進(jìn)一步阻擋水體下滲，保證路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

考慮到隔水性能的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)反滲層采用土工織物填鋪；考慮經(jīng)濟(jì)適用性，設(shè)計(jì)該層為油氈層；為了保護(hù)油氈的材料強(qiáng)度與使用壽命，在油氈與排水層之間增設(shè)3cm厚的中砂結(jié)構(gòu)，以隔絕上層材料對(duì)油氈材料的損傷，延長(zhǎng)反濾層的工作時(shí)間，降低后期更換成本。

為了保證盲溝的反滲透能力，盲溝結(jié)構(gòu)也由三層排水層組成，且與各結(jié)構(gòu)層相連，以更好地將路基內(nèi)流出的積水排出。同時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，排水盲溝間距可以適當(dāng)增大。對(duì)于路橋過渡段的路面來說，由于路與橋的銜接部位的銜接結(jié)構(gòu)仍會(huì)存在不可避免的縫隙，為避免雨水滲漏影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要針對(duì)路面的地面排水進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此，在路橋過渡段處布設(shè)梯形邊溝，以排除路面的積水。

1.5 銜接處鋪設(shè)橋頭搭板

為保證路橋過渡段銜接處的路面穩(wěn)定，避免路基不均勻沉降造成的路面錯(cuò)位，在銜接處鋪設(shè)橋頭搭板。橋頭搭板能夠連接橋臺(tái)與臺(tái)背路堤，將縱向的沉降差控制在合理的范圍內(nèi)，保證行車的安全性。在設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮橋頭搭板可能出現(xiàn)的脫空問題，針對(duì)性地進(jìn)行搭板過渡段結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)。

橋頭搭板長(zhǎng)度對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定也具有重要影響，因此要慎重確定搭板長(zhǎng)度規(guī)格范圍，避免搭板出現(xiàn)繞轉(zhuǎn)情況。假設(shè)路基填料后，其容許沉降參數(shù)為α，容許縱坡變化率參數(shù)為β，那么搭板長(zhǎng)度L的計(jì)算公式可以表示為：

根據(jù)實(shí)際規(guī)范，上式中α應(yīng)滿足≤10cm，且β應(yīng)滿足4‰≤β≤6‰；同時(shí)，還應(yīng)保證橋頭搭板的長(zhǎng)度L滿足下述條件：

上式中k表示填土土體的破壞長(zhǎng)度參數(shù)，其計(jì)算公式可以表示為：

式中：z——路基填料高度參數(shù)；

φ——橋臺(tái)背墻的傾角參數(shù)；

?——橋臺(tái)的滑動(dòng)面傾角參數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算公式，且考慮施工難度與經(jīng)濟(jì)適用性，橋頭搭板的長(zhǎng)度應(yīng)控制在12m之內(nèi)，且為了保證銜接一體性，橋頭搭板的厚度控制在30cm左右最佳。

2 加固設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)填土設(shè)計(jì)路基沉降對(duì)比分析

為驗(yàn)證該路橋過渡段路基設(shè)計(jì)是否能夠滿足復(fù)雜山區(qū)路橋過渡段路基的沉降要求，并與傳統(tǒng)填土路基沉降進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，具體的計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果如下。

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算地質(zhì)參數(shù)

由于實(shí)際的工程耗時(shí)長(zhǎng)，且實(shí)驗(yàn)成本極高，采用有限元分析的方法進(jìn)行路基沉降的模擬計(jì)算。以某一山區(qū)公路路橋過渡段工程為例，根據(jù)該工程的地質(zhì)勘探資料，建立路橋過渡段路基結(jié)構(gòu)的有限元模型。相應(yīng)的路基設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 路基沉降有限元模型計(jì)算參數(shù)表

為分析該過渡段路基沉降控制設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，分別計(jì)算傳統(tǒng)填土路基以及加固設(shè)計(jì)采用的過渡段路基的沉降情況，使用ANSYS軟件進(jìn)行沉降模擬，記錄模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到的兩種路基設(shè)計(jì)方法在不同的填筑高度時(shí)相應(yīng)的沉降值數(shù)據(jù)，制成了沉降值對(duì)比圖，具體結(jié)果如圖5所示。分析圖5可知，在路橋過渡段模型中，相較于傳統(tǒng)的填土路基，加固設(shè)計(jì)的過渡段路基在沉降值方面有明顯的減小。隨著路基填筑高度的增加，兩種方法處理的路基沉降都是隨之增加的，但是兩者的沉降效果差別非常明顯。傳統(tǒng)填土路基的沉降值高達(dá)9cm，加固設(shè)計(jì)的過渡段路基沉降在很小的范圍內(nèi)，且沉降幅度較為穩(wěn)定，比傳統(tǒng)填土路基施工方法縮小了很多。由此可知，加固設(shè)計(jì)的過渡段路基具有很高的穩(wěn)定性，能保證沉降幅度在極小范圍內(nèi)。

圖5 兩種路基的沉降結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)束語

綜上所述，為避免復(fù)雜山區(qū)條件下路橋過渡段路基出現(xiàn)較大沉降的情況，進(jìn)行了相應(yīng)的路基沉降控制加固設(shè)計(jì)。在明確了路基沉降變形的范圍限制并確定了差異沉降的控制指標(biāo)后，采用路基淺層換填設(shè)計(jì)對(duì)軟土路基進(jìn)行加固，采用增設(shè)土工格柵的方法提高路基的側(cè)向約束力，增設(shè)排水層結(jié)構(gòu)以滿足路基內(nèi)部的排水需求，鋪設(shè)路橋銜接處橋頭搭板保證過渡結(jié)構(gòu)的一體化。對(duì)加固設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明：在復(fù)雜山區(qū)環(huán)境下，加固設(shè)計(jì)的路橋過渡段路基產(chǎn)生的沉降較傳統(tǒng)的填土路基小，能夠保證路橋過渡段路基的整體穩(wěn)定。