路橋過渡段路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

李 凱

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

當(dāng)前，由于交通運(yùn)輸量需求的擴(kuò)增，各地區(qū)路橋工程的建設(shè)正如火如荼。而路橋工程中，過渡段路基路面因其受力情況較為復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)不合理，則在后期施工時(shí)容易出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。為盡量規(guī)避這些問題，確保路橋過渡段能夠長(zhǎng)期保持安全平穩(wěn)狀態(tài)，必須對(duì)過渡段路基路面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某橋梁工程長(zhǎng)495m，寬14.3m，右幅跨徑組合為[5×18+（40.8+60.1+40.5）+5×18](m)，左幅跨徑組合為[2×18+（46.1+60.1+46.1）+2×18](m)。對(duì)于該工程來說，工作量非常龐大，且在橋梁兩側(cè)與公路連接區(qū)域存在一定長(zhǎng)度的過渡段，過渡段長(zhǎng)度約為13.50m。該區(qū)域內(nèi)地基屬于軟土地基，地層中存在較多的粉質(zhì)黏土，這類土質(zhì)的力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低，極限側(cè)阻力僅為40～50kPa，若不對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性處理，很可能導(dǎo)致過渡段出現(xiàn)沉降、開裂等問題，降低整個(gè)工程質(zhì)量。所以，為了保證工程順利建設(shè)，著重對(duì)路橋過渡段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)研究決定，該路橋過渡段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“墊層+搭板”結(jié)構(gòu)。

2 路橋過渡段路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 準(zhǔn)備階段工作

在設(shè)計(jì)工作開始前，明確本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工中需要應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)、施工節(jié)點(diǎn)以及注意事項(xiàng)等內(nèi)容，做好施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)勘察[1]。

2.2 地基和路基的預(yù)處理與加固設(shè)計(jì)

該施工區(qū)域地基的表層強(qiáng)度尚不能完全符合要求，因此，首先對(duì)地基的加固設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析，基于如下公式對(duì)地基的承載力進(jìn)行計(jì)算：

式中：p——地基的承載力，kPa；

γ——基底上部土層的平均密度，為t/m3；

q——基礎(chǔ)兩側(cè)土壓力（存在q=γd的數(shù)量關(guān)系，d為基礎(chǔ)埋深，m），kPa；

c——土層的粘聚力，kPa；

b——基礎(chǔ)寬度，m；

Nr、Nq和Nc——無量綱承載力系數(shù)，這三個(gè)系數(shù)的確定根據(jù)內(nèi)摩擦角，通過查表獲得，本次三個(gè)系數(shù)的取值分別為4.0、7.42和17.6。

通過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，該施工區(qū)域的軟土地基承載力相對(duì)較低，最高節(jié)點(diǎn)的承載力也僅為50kPa，其力學(xué)性能嚴(yán)重不足，需要進(jìn)行預(yù)處理與加固。

經(jīng)過技術(shù)專家組討論后，最終決定采取以下準(zhǔn)備工作：組織施工人員對(duì)施工區(qū)域內(nèi)殘存的雜物進(jìn)行全面挖除，而后進(jìn)行強(qiáng)夯作業(yè)，夯擊點(diǎn)確定在夯錘直徑2.5倍的位置，次數(shù)為5次，夯擊能量定為8000kN·m，此后再進(jìn)行能量為4000kN·m的兩次“滿夯”作業(yè)；在強(qiáng)夯作業(yè)結(jié)束后，旋挖鉆機(jī)入場(chǎng)作業(yè)，并為其配置護(hù)筒，該護(hù)筒為10mm厚鋼板卷制而成，內(nèi)徑2.0m，每節(jié)高2.0m，埋設(shè)時(shí)護(hù)筒高出原地面30cm，傾角偏差則控制在1%以下。

在預(yù)處理環(huán)節(jié)完成后，開始采用C30的混凝土材料進(jìn)行地基加固。在灌注工作開始前，使用吸附性較好的物質(zhì)除去孔底的積水和沉渣等雜物，而后再開始進(jìn)行灌注作業(yè)。在灌注作業(yè)過程中，首先利用鉆機(jī)設(shè)備，在地基位置進(jìn)行打孔，而后將注漿管插入到規(guī)定的地基位置，再調(diào)整壓力，利用高壓將混凝土材料注入到地基土層之中。同時(shí)，技術(shù)人員對(duì)此環(huán)節(jié)的注漿壓力進(jìn)行了控制，確保其壓力值始終＞2MPa，確保混凝土材料能夠注入到預(yù)定的位置[2-3]。

2.3 路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在地基處理完成后，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在本次設(shè)計(jì)中，路基設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高。為避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因路基剛度不一致而造成路面不均勻沉降，在路基設(shè)計(jì)的過程中，從整體角度進(jìn)行了分析。為最大程度上消除不同節(jié)點(diǎn)路基剛度不一致的問題，在路堤和橋臺(tái)之間設(shè)計(jì)了一道漸變帶，并在漸變帶中填充碎石料進(jìn)行加固，提升漸變帶的力學(xué)強(qiáng)度[4]。

2.4 路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為確保路面設(shè)計(jì)符合要求，進(jìn)一步提升路面的設(shè)計(jì)質(zhì)量，工程人員優(yōu)先考慮路面結(jié)構(gòu)的一致性。經(jīng)過分析后，設(shè)計(jì)采用粒度為4cm的AC-20F細(xì)粒式瀝青混合料作為工程路面的材料；路面基層則設(shè)計(jì)選用4.5%水泥穩(wěn)定碎石，碎石厚度設(shè)計(jì)為35cm；封層則選擇乳化瀝青，并加強(qiáng)對(duì)級(jí)配的控制[5-6]。本次路面設(shè)計(jì)中計(jì)劃采用的材料參數(shù)如表1所示。

表1 路面材料的設(shè)計(jì)參數(shù)

為確保碾壓環(huán)節(jié)的質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用全驅(qū)動(dòng)式壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，初壓溫度控制為140℃左右，復(fù)壓溫度控制在100℃左右，碾壓最后階段溫度不低于80℃。路面壓實(shí)的順序則從道路兩側(cè)邊緣開始，逐步碾壓移向道路中心，并控制先后2次的碾壓輪跡具有300mm左右的重疊寬度。壓路機(jī)從外側(cè)向中心、由低向高碾壓，相鄰碾壓輪跡重疊1/3～1/2輪寬，直至整幅路寬碾壓完成為止。

2.5 搭板的設(shè)計(jì)

由于路橋過渡段的特殊性，其容易出現(xiàn)“橋頭跳車”的問題。為避免這類問題的產(chǎn)生，在路橋過渡段路基路面的設(shè)計(jì)中對(duì)橋頭搭板進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保所有交通工具能夠平穩(wěn)通過此區(qū)間。其主要方法如下：

（1）搭板坡度設(shè)計(jì)。通過測(cè)繪確保搭板和橋臺(tái)連接處在高度上能夠?qū)R，并控制此高程略低于路面，確保二者之間形成一個(gè)類似于“反向坡”的狀態(tài)，在這種情況下，路橋過渡段的坡度值將維持在較低的水平，確保過渡段質(zhì)量的有效提升，采用這種設(shè)計(jì)方法后，“橋頭跳車”的概率也將降至最低。

（2）對(duì)搭板的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。①路橋搭板坡度的變化情況必須在規(guī)程規(guī)定的范圍之內(nèi)；②搭板長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)足以覆蓋臺(tái)后的損壞棱體；③搭板的長(zhǎng)度應(yīng)跨越路堤預(yù)留缺口的上口寬度；④搭板中的有效受力段的長(zhǎng)度應(yīng)足夠長(zhǎng)。考慮到搭板受到的合力與搭板長(zhǎng)度成正比，在實(shí)際工程中，搭板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6.0m。除此之外，考慮到搭板厚度與位移之間的負(fù)相關(guān)性較為突出，因此通過分析位移量的允許值，計(jì)算本次設(shè)計(jì)中搭板的合理厚度，確定搭板厚度設(shè)計(jì)為35cm。而在搭板寬度的設(shè)計(jì)上，則根據(jù)搭板寬度與位移量成正比的關(guān)系，并結(jié)合橋面寬度進(jìn)行考慮，確保橋面與搭板的寬度盡可能相等。

2.6 排水的設(shè)計(jì)

過渡段排水設(shè)計(jì)是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一，設(shè)計(jì)不當(dāng)容易引發(fā)沉降問題。在路橋過渡段的排水設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員基于“海綿”理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)步驟為：

（1）使用地理信息系統(tǒng)（GIS）和水文信息系統(tǒng)（SCS），對(duì)工程建設(shè)區(qū)域的土地覆蓋、地勢(shì)地形、土壤浸潤(rùn)條件等多項(xiàng)因素進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行整體規(guī)劃。

（2）根據(jù)分析結(jié)果確定管材參數(shù)和排水量，并根據(jù)公式計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量Q：

式中：Q——雨水設(shè)計(jì)流量；

F——匯水面積；

q——降雨強(qiáng)度；

W——徑流系數(shù)。

（3）根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，在該道路工程西側(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)一條新的排水管線，與既有給排水管道相交，考慮到遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)，將管道設(shè)置于應(yīng)急車道下方，確保給水管道設(shè)計(jì)合理可行。

（4）對(duì)匯水面積進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，雨水排放管道坡度與道路縱坡坡度保持統(tǒng)一，增大了有效匯水面積，提高雨水排放流量。

（5）采用放射狀的方式布置污水排放管線，并在污水入口附近設(shè)置雨污分流裝置。

（6）針對(duì)路面和路肩的給排水，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為干性水泥砂漿、透水水泥混凝土（強(qiáng)度為C15）、碎石和土基，以提升排水能力，并使用路緣石為輔助排水設(shè)施。

通過這種設(shè)計(jì)方式，在強(qiáng)降雨天氣下，雨水能夠快速排出，有效提高了排水能力，避免了雨水堆積可能給路橋過渡段結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。

2.7 過渡段加固的設(shè)計(jì)

在過渡段加固設(shè)計(jì)中，選用抗剪強(qiáng)度較高的土工格柵，并確保土工格柵能與周圍土壤環(huán)境有效融合。對(duì)其進(jìn)行模擬分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入土工格柵后，土壤環(huán)境的力學(xué)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，路基的抗變形沖擊能力提升了20%左右。在此基礎(chǔ)上，對(duì)土工格柵做進(jìn)一步設(shè)計(jì)，土工格柵采用橫向布局模式，并將過渡段的長(zhǎng)度保持在13cm左右，為確保落差不至過于突兀，引入連續(xù)坡面沉降法做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

另一方面，由于各個(gè)點(diǎn)位的填土高度和沉降速率數(shù)值均存在差異，設(shè)計(jì)人員對(duì)路基進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)。根據(jù)各個(gè)點(diǎn)位填土高度和沉降速率的不同，設(shè)計(jì)采用不同長(zhǎng)度的加固樁，并合理控制加固樁之間的間距。

3 路橋過渡段路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

3.1 控制路橋過渡段的變形

為有效控制路橋過渡段變形問題，在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)路面局部縱坡坡度這項(xiàng)指標(biāo)較為重視，設(shè)計(jì)要求施工過程中加強(qiáng)對(duì)路面局部縱坡坡度的監(jiān)測(cè)，確保其坡度始終處于0.5%以下。對(duì)于施工過程中出現(xiàn)的局部縱坡坡度接近0.5%的情況，則需要對(duì)搭板傾斜角的角度進(jìn)行調(diào)整，以避免局部縱坡坡度過高問題的出現(xiàn)。

3.2 過渡段材料的設(shè)計(jì)

由于路面和橋面施工所選擇的材料，以及材料的受力環(huán)境差異較大，因此路橋過渡段的受力變化情況通常較為復(fù)雜，這也導(dǎo)致路橋過渡段成為整個(gè)路橋工程中結(jié)構(gòu)最為脆弱的環(huán)節(jié)。為避免材料問題導(dǎo)致過渡段不穩(wěn)定的情況，設(shè)計(jì)人員通過計(jì)算路面和橋面過渡部位的剛度、荷載力等變量及其差值，根據(jù)差值的大小，對(duì)材料提出質(zhì)量要求，合理選用材料、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和科學(xué)布局等，確保過渡段的穩(wěn)定性與安全性。

3.3 對(duì)沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制

在本次路橋工程中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)其所屬工程等級(jí)，確定其沉降量的合格標(biāo)準(zhǔn)為≤6.0mm，根據(jù)這一范圍，在橋梁工程施工完成后，對(duì)其進(jìn)行沉降觀察與分析。

4 結(jié)束語

路橋過渡段受力情況較為復(fù)雜，因此，在路橋工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注路橋過渡段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文所總結(jié)的案例工程中，路橋過渡段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用“墊層+搭板”結(jié)構(gòu)，具體涉及的重要環(huán)節(jié)包括現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)勘察、預(yù)處理與加固的設(shè)計(jì)、路基路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、搭板的設(shè)計(jì)、排水和過渡段加固的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，對(duì)路橋過渡段的變形提出了控制要求，對(duì)材料的選擇提出了質(zhì)量要求，還對(duì)路基路面沉降提出了監(jiān)控要求。總之，路橋工程施工質(zhì)量取決于設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等諸多方面，需要結(jié)合工程實(shí)際情況，做到具體問題具體分析，才能針對(duì)性地解決問題，實(shí)現(xiàn)路橋工程施工質(zhì)量水平的提升。