深厚軟土區(qū)路橋過(guò)渡段差異沉降控制

何長(zhǎng)明 彭功勛

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東廣州 510060）

0 引言

路橋過(guò)渡段的“橋頭跳車(chē)”嚴(yán)重影響行車(chē)安全性和舒適性，也直接影響了道路的服務(wù)水平。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了廣泛研究和深入探討[1?3]，美國(guó)和加拿大等國(guó)家從20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)橋頭引道沉降問(wèn)題開(kāi)展了調(diào)查；日本針對(duì)修建在軟土地基上的高速公路，提出了路橋過(guò)渡段處理措施；德國(guó)也根據(jù)橋頭路基調(diào)查狀況，提出了臺(tái)背填料的預(yù)壓要求。

我國(guó)自20世紀(jì)90年代初開(kāi)始成規(guī)模建設(shè)高速公路，受到當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工等條件限制，前期建設(shè)的高速公路通車(chē)不久就受到橋頭路基沉降影響，引起橋頭跳車(chē)現(xiàn)象，我國(guó)自此開(kāi)始了“橋頭跳車(chē)”的相關(guān)研究。1996年發(fā)布的《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》首次以規(guī)范形式明確了路橋過(guò)渡段的容許工后沉降值。此后針對(duì)軟土路段采取復(fù)合地基[4?5]、加筋路堤[6]、氣泡混合輕質(zhì)土[7]、剛?cè)徇^(guò)渡[8]等不同方案減少路橋過(guò)渡段的差異沉降。21世紀(jì)初我國(guó)高速鐵路建造技術(shù)取得突破性進(jìn)展，高速鐵路對(duì)路橋過(guò)渡段提出了更高的要求[9]，促進(jìn)了路橋過(guò)渡段地基處理技術(shù)的發(fā)展。

對(duì)于軟土埋深大于20～25 m的深厚軟土區(qū)，水泥攪拌樁、CFG樁、素混凝土樁等常規(guī)復(fù)合地基樁體難以穿透軟土層。為確保深厚軟土區(qū)路橋過(guò)渡段的工后沉降滿(mǎn)足規(guī)范[10]要求，有必要采取針對(duì)性的措施協(xié)調(diào)路橋過(guò)渡段的差異沉降。

本文將深厚軟土區(qū)路橋過(guò)渡段差異沉降控制過(guò)渡方案分為剛性、柔性和剛–柔結(jié)合三種，結(jié)合工程實(shí)踐開(kāi)展了相關(guān)研究。

1 深厚軟基區(qū)路橋過(guò)渡段沉降控制

深厚軟土路段橋涵基礎(chǔ)一般采用樁基礎(chǔ)，多數(shù)為嵌巖樁，以中、微風(fēng)化巖層為樁端持力層；部分摩擦樁以全、強(qiáng)風(fēng)化巖層為樁端持力層，基底沉降小，且混凝土樁身的壓縮變形小，因此橋涵的工后沉降很小，一般都控制在1 cm以?xún)?nèi)。而對(duì)于路基若采用如此高的變形控制標(biāo)準(zhǔn)則成本過(guò)于高昂，因此，現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30?2015）[10]允許的路基工后沉降為10～20 cm。這一差異的存在就需要通過(guò)兩者的銜接段進(jìn)行過(guò)渡消化，以避免產(chǎn)生橋頭跳車(chē)現(xiàn)象，影響行車(chē)的安全性和舒適性。由此，處理好路橋過(guò)渡段的差異沉降成為深厚軟土區(qū)軟基處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前常用的水泥攪拌樁、CFG樁、素混凝土樁等復(fù)合地基，具有施工工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，但其有效處理深度一般不超過(guò)20～25 m[5]。因此，對(duì)于超過(guò)這一深度的深厚軟土路基，如采用上述幾類(lèi)處理方式，樁尖難以進(jìn)入有效持力層，在路堤自重荷載、汽車(chē)荷載作用下，樁尖可發(fā)生刺入破壞，樁體難以提供預(yù)期的承載力，橋頭路基的整體工后沉降偏大，橋頭跳車(chē)現(xiàn)象不能有效消除。

通過(guò)大量的工程實(shí)踐，目前已形成了若干軟基處理過(guò)渡方案，以達(dá)到深厚軟基區(qū)路橋過(guò)渡段差異沉降的有效控制。本文將這些過(guò)渡方案歸納為三類(lèi)，即：剛性過(guò)渡方案、柔性過(guò)渡方案、剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案。并對(duì)三類(lèi)過(guò)渡方案進(jìn)行工程實(shí)踐和效果驗(yàn)證。

2 剛性過(guò)渡方案

剛性過(guò)渡方案是指路橋過(guò)渡段主要采用豎向剛度大的剛性樁作為豎向增強(qiáng)體的軟基處理方案。剛性樁主要包括鉆孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力管樁、筒樁等。其中，鉆孔灌注樁和筒樁樁徑較大、造價(jià)高，常用于橋梁樁基；復(fù)合地基處理則一般采用小樁徑、高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力管樁。

2.1 適用范圍

剛性樁具有強(qiáng)度大、處理深度大、造價(jià)高的特點(diǎn)。一般適用于處理深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴(yán)格的高路堤段、橋頭或通道與路堤銜接段。

2.2 工程概況

中山市翠亨新區(qū)某城市主干路，長(zhǎng)約3.0 km，道路紅線(xiàn)寬 42 m，橋頭路段路堤高 4.0 m（包括路面結(jié)構(gòu)的等效厚度），路堤坡率為 1∶1.5，路基底面寬54 m。路堤土重度20 kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角30°。地基巖土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層情況

2.3 方案概述

本項(xiàng)目軟土深厚（31.5 m），橋梁采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，一般路段采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基處理，路橋過(guò)渡段也采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基，采用正方形布置，管樁間距2.5 m。

管樁選用直徑D＝400 mm、壁厚t＝95 mm，A型樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C80，彈性模量為38000 MPa。為充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力管樁的單樁承載力，避免樁頂刺入式破壞，樁頂設(shè)置1.2 m×1.2 m×0.35 m的C30混凝土托板，上部鋪60 cm厚碎石墊層，并在托板頂設(shè)置一層雙向土工格柵（見(jiàn)圖1）。

圖1 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基處理示意圖

路橋過(guò)渡段預(yù)應(yīng)力管樁樁長(zhǎng)采用漸變樁長(zhǎng)，即：臨近橋臺(tái)及搭板下的預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)入持力層深度大，承載力高，沉降變形小；臨近一般路基處管樁進(jìn)入持力層深度較小，沉降變形較大；兩者之間樁長(zhǎng)逐漸變化（見(jiàn)圖2）。

圖2 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基路橋過(guò)渡段示意圖

2.4 沉降計(jì)算

剛性樁復(fù)合地基總沉降s包括樁帽刺入量s1、樁底刺入量s2和下臥層沉降s3，其中樁帽刺入量s1和樁底刺入量s2按照《廣東省公路軟土地基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)定》計(jì)算，下臥層沉降s3采用分層總和法計(jì)算，沉降計(jì)算詳見(jiàn)表2。

表2 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基沉降計(jì)算表

據(jù)表2可見(jiàn)，隨著剛性樁（預(yù)應(yīng)力管樁）樁長(zhǎng)的增加，下臥層沉降逐漸降低，特別是樁長(zhǎng)進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖石（H＞39.8 m）后，樁底刺入量和下臥層沉降同步下降，均已小于樁帽刺入量。同時(shí)，隨著路橋過(guò)渡段樁長(zhǎng)H從橋頭處的40 m漸變至一般路基處的32 m，工后沉降由23.03 mm漸變?cè)黾訛?5.43 mm。

2.5 實(shí)施效果

預(yù)應(yīng)力管樁施工完成后進(jìn)行單樁承載力和復(fù)合地基承載力檢測(cè)。并進(jìn)行了地表沉降監(jiān)測(cè)，觀測(cè)資料顯示：路基填筑施工完成時(shí)，地基發(fā)生的最大沉降50 mm，累計(jì)沉降58 mm，工后預(yù)壓6個(gè)月（預(yù)壓土厚度1.0 m），產(chǎn)生18 mm的沉降量，其后沉降趨于穩(wěn)定，總沉降量和計(jì)算沉降量相當(dāng)。道路運(yùn)營(yíng)已逾一年，路橋過(guò)渡段行車(chē)舒適性良好。

3 柔性過(guò)渡方案

柔性過(guò)渡方案是指路橋過(guò)渡段采用剛度較小的水泥攪拌樁、高壓旋噴樁等柔性樁作為豎向增強(qiáng)體或預(yù)壓處理地基，或兩者組合的軟基處理方案。

3.1 適用范圍

柔性過(guò)渡方案一般結(jié)合輕質(zhì)填筑材料一起使用。因減小了附加荷載，當(dāng)在地表以下形成一定厚度的硬殼層時(shí)，即可不進(jìn)行深層軟基處理。適用于路基填土不厚、附加荷載較小，或需要較大幅度減輕路堤質(zhì)量的橋頭、拓寬、墻背路段。當(dāng)橋頭軟土硬殼層較薄、承載力較低時(shí)，一般先對(duì)表層軟土進(jìn)行加固處治或?qū)σ欢ㄉ疃鹊能浕M(jìn)行處理，再填筑氣泡混合輕質(zhì)土。

3.2 工程概況

江門(mén)市某道路路基頂寬30 m，一般路基段填土厚度1～2 m，橋頭段路堤高3.0 m，地基巖土層情況見(jiàn)表3。

表3 各地層的有關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

3.3 方案概述

由于軟土深厚（36 m），路堤填土厚度小，采用剛性樁復(fù)合地基容易造成“蘑菇形”凸起。一般軟土路段采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理，橋頭路段在真空預(yù)壓后填筑氣泡混合輕質(zhì)土。該方案利用了真空預(yù)壓加固效果明顯、處理費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，也充分利用氣泡混合輕質(zhì)土重度小、附加應(yīng)力小的特點(diǎn)（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3 真空預(yù)壓+氣泡混合輕質(zhì)土處理示意圖

圖4 真空預(yù)壓+氣泡混合輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段示意圖

氣泡混合輕質(zhì)土在底層設(shè)置10 cm厚的透水砂墊層，在砂墊層上部設(shè)置一層防滲土工布，然后立模澆筑氣泡混合輕質(zhì)土。混合土重度6～10 kN/m3，抗壓強(qiáng)度0.8～1.0 MPa。

3.4 實(shí)施效果

真空預(yù)壓期間對(duì)軟基的地表沉降、膜下真空度、孔隙水壓力、深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，處理完成后重新取樣對(duì)原狀土進(jìn)行檢測(cè)。

施工期間監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：膜下真空度一直保持在80 kPa以上，地表沉降在6～8個(gè)月后趨于穩(wěn)定，道路中樁最大沉降近2.0 m。

通車(chē)1年后橋頭處沉降小于10 mm。

4 剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案

剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案介于剛性過(guò)渡方案和柔性過(guò)渡方案之間，一般采用長(zhǎng)短樁組合樁形式，長(zhǎng)樁為剛性樁，需穿透軟土層進(jìn)入持力層，以減少路橋過(guò)渡段整體工后沉降；短樁為柔性樁，不需穿透軟土層，僅加固上層軟土，提高樁間土的承載力。該方案既利用了剛性樁承載能力強(qiáng)、處理深度大的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了柔性樁造價(jià)低、施工方便的特點(diǎn)。

4.1 適用范圍

剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案一般適用于處理深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴(yán)格的高路堤段、橋頭或通道與路堤銜接段。

4.2 工程概況

珠海橫琴某次干路，道路紅線(xiàn)寬36 m，一般路段填土厚度約2 m，橋頭路段路堤高3.5 m，地基巖土層情況見(jiàn)表4。

表4 各地層的有關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

4.3 方案概述

本項(xiàng)目一般路段采用雙向水泥攪拌樁處理，樁長(zhǎng)15～20 m，未穿透軟土層。橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁端進(jìn)入中等風(fēng)化花崗巖。為協(xié)調(diào)路橋間的沉降差異，路橋過(guò)渡段采用長(zhǎng)短樁復(fù)合地基方案。其中長(zhǎng)樁采用預(yù)應(yīng)力管樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，管樁直徑0.4 m，采用正方形布樁，樁間距3.0 m，頂部設(shè)置1.2 m×1.2 m托板，長(zhǎng)樁進(jìn)入持力層不小于2.0 m；短樁采用雙向水泥攪拌樁，樁徑0.5 m，按正方形布設(shè)，樁間距1.5 m，樁長(zhǎng)10～15 m（見(jiàn)圖5、圖6）。路橋過(guò)渡段采用漸變樁長(zhǎng)，臨近橋臺(tái)處預(yù)應(yīng)力管樁樁長(zhǎng)進(jìn)入持力層深度大，臨近一般路基處采用變樁長(zhǎng)水泥攪拌樁銜接，通過(guò)樁型、樁長(zhǎng)漸變實(shí)現(xiàn)過(guò)渡段沉降的平順過(guò)渡。

圖5 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基處理示意圖

圖6 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基路橋過(guò)渡段處理示意圖

4.4 主要參數(shù)的計(jì)算

剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案的沉降主要由剛性樁控制，沉降計(jì)算詳見(jiàn)表5（計(jì)算方法同2.4節(jié)）。

據(jù)表5可知，隨著剛性樁（預(yù)應(yīng)力管樁）樁長(zhǎng)的增加，下臥層沉降明顯降低。路橋過(guò)渡段采用變樁長(zhǎng)布置時(shí)，樁長(zhǎng)H由40 m漸變至32 m時(shí)，工后沉降由39.93 mm漸變?yōu)?9.81 mm。

表5 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降計(jì)算表

4.5 實(shí)施效果

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基施工期間，進(jìn)行了地表沉降監(jiān)測(cè)，觀測(cè)資料顯示：路基填筑施工完成時(shí)，地基發(fā)生的最大沉降60 mm，累計(jì)沉降65 mm，工后預(yù)壓6個(gè)月（預(yù)壓土1.0 m），產(chǎn)生15 mm的沉降量，其后沉降趨于穩(wěn)定，總沉降量與計(jì)算值接近。通車(chē)1年后橋頭處沉降小于10 mm，行車(chē)舒適。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

由于前文案例地質(zhì)情況有所差異，為提高可比性，以一個(gè)深厚軟土區(qū)的路橋過(guò)渡段工點(diǎn)為基礎(chǔ)，基于上述經(jīng)驗(yàn)證的計(jì)算方法，對(duì)不同方案的實(shí)施效果和工程經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。所選工點(diǎn)基本參數(shù)為：道路路基頂寬30 m，底寬39 m，路基填土厚度3.0 m，過(guò)渡段長(zhǎng)度20 m，軟基處理深度30 m。

采用上述3種過(guò)渡方案軟基處理方式對(duì)路橋過(guò)渡段進(jìn)行處理，從施工周期、施工效果等方面進(jìn)行比選（見(jiàn)表6）。

表6 一個(gè)橋頭軟基處理技術(shù)指標(biāo)表

據(jù)表6可知，剛性過(guò)渡、剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案施工周期短，施工期沉降量小，處理后復(fù)合地基承載力高；柔性過(guò)渡方案施工周期長(zhǎng)，施工期沉降量大，處理效果明顯，但處理后地基承載力不高。

上述三種過(guò)渡方案的造價(jià)對(duì)比分析見(jiàn)表7。

由表7可見(jiàn)，剛性過(guò)渡方案造價(jià)最高，剛–柔結(jié)合過(guò)渡其次，柔性過(guò)渡方案造價(jià)最低。而隨著處理深度的增加，柔性過(guò)渡在造價(jià)上優(yōu)勢(shì)更為明顯。

表7 一個(gè)橋頭軟基處理造價(jià)分析表萬(wàn)元

6 結(jié)論

為合理控制深厚軟土區(qū)路橋過(guò)渡段的差異沉降，需結(jié)合橋梁具體情況和一般路段的軟基處理方式，合理選擇路橋過(guò)渡段的軟基處理過(guò)渡方案。

當(dāng)橋梁采用樁基礎(chǔ)時(shí)，可按如下原則確定過(guò)渡方案：

（1）一般路段采用剛性樁復(fù)合地基時(shí)，路橋過(guò)渡段宜采用剛性過(guò)渡方案，可采用剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案；通過(guò)剛性樁樁長(zhǎng)的漸變來(lái)達(dá)到沉降的平順過(guò)渡。

（2）一般路段采用柔性樁復(fù)合地基時(shí)，路橋過(guò)渡段宜采用剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案，通過(guò)樁型、樁長(zhǎng)漸變實(shí)現(xiàn)過(guò)渡段沉降的平順過(guò)渡。

（3）一般路段采用排水固結(jié)法處理，且橋頭路基填土薄時(shí)，宜采用柔性過(guò)渡方案，橋頭路段可在真空預(yù)壓后填筑氣泡混合輕質(zhì)土以減小附加荷載；填土厚時(shí)可采用剛–柔結(jié)合過(guò)渡方案，通過(guò)樁型、樁長(zhǎng)漸變實(shí)現(xiàn)過(guò)渡段沉降的平順過(guò)渡。