某高速公路橋頭路基沉降處治設計

李艷明

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著中西部戰略的逐步推廣深入，山西省高速公路建設持續快速增長，根據高速公路網總體規劃，高速公路建設已經走向山區，橋梁等構造物在高速公路中所占比例越來越高。在施工過程中，由于工期緊張而導致路基填方施工過快，自然沉降時間太短、壓實度不夠等因素的存在，橋頭路基出現較大沉降，致使公路通車運營后發生橋頭跳車的幾率大大增加。橋頭跳車是公路運營階段最常見的病害之一，輕者造成車輛顛簸突跳，重者造成追尾翻車等交通事故，嚴重影響汽車運行的舒適性和安全性。橋頭路基的不均勻沉降是形成橋頭跳車最主要的原因，因此，有效控制橋頭與路基銜接處的路基沉降對提高行車安全和舒適性具有較大的現實意義。

1 工程概況

某高速公路橋頭段路基為填方路基，路基平均寬度為36.5 m，填方平均高度為8 m，路基自重及路面荷載傳至路基底面的均布荷載為175 kPa。根據地勘鉆孔資料，地基土0～13 m為軟土層，其中0～6 m軟土層平均壓縮模量Es=6.0 MPa，其天然承載力約150 kPa，6～13 m軟土層平均壓縮模量Es=7.4 MPa；以下為較厚的密實砂卵石層，其壓縮模量Es=85 MPa。

為防止該段橋頭路基出現較大沉降，是否在設計階段對軟土地基進行處治提供數據支撐，通過計算確定該段路基在運營期沉降變形量是否滿足規范要求。最終變形量按《公路橋涵地基與基礎設計規范》[1]計算，計算公式如下：

式中：S為地基最終變形量，mm；S0為按分層總和法計算出的地基變形量；φs為沉降經驗系數，可根據沉降計算范圍內壓縮模量的當量值和基地附加壓應力值確定，其中n為地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數；P0為對應于荷載長期效應組合的基礎底面處的附加壓力，kPa；Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量，MPa；Zi、Zi-1為基礎底面至第i層土、第 i-1層土底面的距離，m；ai、ai-1為基礎底面計算點至第 i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數，按《公路橋涵地基與基礎設計規范》[1]附錄M取用。

在進行沉降計算時，考慮在軟土層下為較厚的密實砂卵石層，且其壓縮模量為Es=85 MPa，根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》[1]，沉降變形計算深度可取至密實砂卵石層表面，本文按Zn=13 m計算。根據上述公式計算，路基沉降變形量計算見表1。

表1 路基沉降變形量計算

依據以上計算結果，可知該處橋頭路基沉降變形量不滿足規范要求，需在設計階段對該處軟土地基提出處治方案。

2 沉降處治設計

在高速公路建設中根據項目所在地不同地質條件，通常可采用換填法、強夯法、振沖法、擠密樁法和水泥攪拌樁法等進行地基加固處理。本項目地勘資料顯示，該處橋頭路基軟土地基天然含水量35%，pH值=6。根據《建筑地基處理技術規范》[3]的規定，被加固軟土的天然含水量30%～70%、pH值＞4時，適宜采用干法（粉體）噴攪樁加固，故本工程可采用水泥攪拌樁法進行橋頭路基軟土地基沉降處治。該處橋頭路基軟土地基軟土層厚13 m，軟土層下為較厚的密實砂卵石層，根據以往工程經驗，設計水泥攪拌樁擬采用樁徑d=0.5 m，呈正三角型布置，樁長l=13 m，穿透整個軟土層，將樁端設于（嵌入）密實砂卵石層上，樁間距s=1.2 m。固化劑選用強度等級為32.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥攪拌樁水泥土試塊室內試驗抗壓強度fcu=2 000 kPa，攪拌樁壓縮模量Ep=120fcu。

2.1 復合壓縮模量計算

2.2 沉降變形量計算

根據《公路路基設計規范》[2]，加固土樁復合地基的沉降量應按復合地基加固區的沉降量S1和S2加固區下臥層的沉降量兩部分來計算。加固區的沉降量S1采用復合壓縮模量法計算，下臥層的沉降量S2采用壓縮模量法計算。鑒于在本工程設計時按樁體全部穿透軟土層考慮，而加固區下臥層為較厚的密實砂卵石層其壓縮模量為85 MPa，復合地基的沉降量計算可不考慮S2，只計算S1，即S1數值即為總沉降量。

由以上計算結果可知，采用干法（粉體）噴攪樁加固該處橋頭路基軟土地基后，可滿足高速公路橋頭與路基相鄰處容許工后沉降變形量控制要求，該設計方案可行。

2.3 復合地基承載力計算

為保證經過處理后的軟土地基復合地基承載力滿足路基基底附加壓力的要求，根據《建筑地基處理技術規范》[3]，對處理后的復合地基承載力進行計算復核。水泥土攪拌樁復合地基承載力按照下面公式進行計算。

公式中Ra為單樁豎向承載力特征值，kN，λ為樁身強度折減系數，本工程取0.25；fcu為水泥攪拌樁水泥土試塊室內試驗抗壓強度，kPa；Ap為樁的截面積，m2；m為面積置換率；β為樁間土承載力折減系數，本工程取0.8；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，在無相關經驗時，可采用天然地基承載力特征值。

根據《建筑地基處理技術規范》[3]，復合地基承載力應不小于175 kPa，由以上計算結果可知，采用干法（粉體）噴攪樁處理該處橋頭路基軟土地基后，其復合地基承載力滿足規范要求。該設計方案可行。

2.4 施工注意事項

a）粉噴施工前應仔細檢查攪拌機械、供粉泵、送氣（粉）管路、接頭和閥門的密封性、可靠性。送氣（粉）管路的長度不宜大于60 m。

b）攪拌頭每旋轉一周，其提升高度不得超過16 mm。

c）當攪拌頭達到設計樁底以上1.5 m時，應立即開啟粉噴機提前進行粉噴作業。當攪拌頭提升至地面以下500 mm時，粉噴機應停止粉噴。

d）施工過程中應保持攪拌樁機地盤的水平和導向架的豎直，攪拌樁的垂直偏差不得超過1%；樁位的偏差不得大于50 mm；成樁直徑和樁長不得小于設計值。

3 結束語

根據橋頭軟土地基成樁后沉降變形量和復合地基承載力計算結果可知，采用干法（粉體）噴攪樁處理后的橋頭路基能夠滿足高速公路相關規范要求，有效降低了高速公路通車運營后發生橋頭跳車的可能，提高了行車的安全性和舒適性，該設計處治方案合理可行。干法（粉體）噴攪樁由于施工簡單、取材方便，可以有效減少沉降、降低地基壓縮性、提高地基的承載力等，現已廣泛用于各類工程中，實際處理效果良好。