EPS聯(lián)合輕型U槽在城市道路中的應(yīng)用

白蘭蘭

（江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇 南京210000）

0 引言

由于橋頭（橋臺(tái)與路基交界處）位置的特殊性，路基填筑施工質(zhì)量難以控制，并且由于橋臺(tái)與路堤結(jié)構(gòu)的差異使得橋頭處容易產(chǎn)生不均勻沉降，這對(duì)道路的使用壽命、行車舒適性和安全性影響極大。目前，減少或控制橋頭與路基銜接處的差異沉降是軟基上修建道路或橋梁的難題[1]。通常可以采取地基處理和輕質(zhì)路堤填料兩種方法來減少差異沉降，其中采用EPS（Expanded Polysty?rene）輕質(zhì)填料填筑橋臺(tái)臺(tái)背屬于后一種類型。EPS 用于橋臺(tái)與路基交界處的填料，密度僅為20～30kg/m3，是一般土石混合料的1/60～1/90，可以有效地減少臺(tái)背沉降，進(jìn)而減少差異沉降，避免橋頭跳車的發(fā)生。

EPS材料是一種輕型高分子聚合物。它是將聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑，同時(shí)加熱進(jìn)行軟化，產(chǎn)生氣體，形成一種硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫塑料。路用EPS 密度常為20～30kg/m3，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到100～180kPa，具有超輕性、耐壓縮性、自立性、耐水性和施工簡(jiǎn)單、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)。EPS作為路基輕質(zhì)填料，對(duì)于消除在軟弱地基上修筑路堤和橋頭路堤時(shí)產(chǎn)生的路基沉降或差異沉降等有顯著效果[2]。

1 工程概況

南京市某工程為實(shí)現(xiàn)江東路與緯七路的快速交通的銜接，有效分流緯七路沿線的交通壓力，需在原江東路接近應(yīng)天高架位置設(shè)置高架橋。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該高架橋橋頭區(qū)域下覆21.5～25.5m 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（其力學(xué)參數(shù)詳見表1），且下有正在運(yùn)行的南京地鐵2 號(hào)線，地鐵結(jié)構(gòu)頂埋深距離地面9.01～11.24m。根據(jù)《南京市軌道交通管理?xiàng)l例》：隧道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)5m 范圍為控制保護(hù)區(qū)，本項(xiàng)目進(jìn)入地鐵二號(hào)線左線控制保護(hù)區(qū)樁號(hào)范圍為K4+935～K5+021，共86m，其中進(jìn)入寬度范圍為6.47～6.62m。該段填土高度為0.6～3.2m，為保證地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，要求保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)荷載不大于20kPa，為保證道路的行車舒適性，橋頭工后沉降要求不超過10cm。

表1 地基土物理力學(xué)參數(shù)表

2 項(xiàng)目特點(diǎn)

預(yù)處理路基位于橋頭位置，工后沉降要求高，工后沉降不得超過10cm。

預(yù)處理路基位于地鐵保護(hù)區(qū)范圍，下覆地鐵，為保證地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，附加荷載不允許超過20kPa，按照一般土方填筑，填土高度為3.2m，附加應(yīng)力為60.6kPa，荷載遠(yuǎn)超過地鐵安全運(yùn)營(yíng)要求的20kPa。

項(xiàng)目區(qū)域，軟土較厚，按照常規(guī)采用一般填料方案進(jìn)行路基填筑，工后沉降19.6cm，遠(yuǎn)超過規(guī)范容許工后沉降要求的10cm。

3 路基處理方案選擇

常規(guī)的軟土區(qū)域路基填筑，多選用復(fù)合地基處理方案，本項(xiàng)目下覆軟土深度達(dá)25.5m。按照常規(guī)需要采用復(fù)合地基處理，但是在原地面以下9m 位置處，開始有地鐵分布，不能進(jìn)行復(fù)合地基處理，且地鐵安全運(yùn)營(yíng)荷載要求較高，一般路基填筑土均不能滿足荷載要求。項(xiàng)目與地鐵的平面關(guān)系和縱面關(guān)系分別如圖1、圖2 所示。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域施工經(jīng)驗(yàn)，考慮到本項(xiàng)目工期較緊，最終項(xiàng)目推薦采用EPS 輕質(zhì)路堤填筑方案。

圖1 項(xiàng)目于地鐵平面關(guān)系

圖2 項(xiàng)目于地鐵縱斷面關(guān)系（單位：m）

4 EPS輕質(zhì)路堤橫斷面設(shè)計(jì)

4.1 常見EPS路堤橫斷面形式

采用EPS路基填筑方案時(shí)，為了使EPS塊體的受力均勻，在EPS頂面與路面結(jié)構(gòu)層之間現(xiàn)澆一層10～20cm 的鋼筋混凝土板，以改善EPS 的受力特性，防止由于應(yīng)力集中而造成EPS的破壞。再加上EPS屬高分子材料，應(yīng)采取必要措施，防止有害物質(zhì)和明火侵入，遮斷日光紫外線的直接照射，防止嚙齒動(dòng)物對(duì)EPS塊體的損害。為此，需對(duì)EPS塊體外設(shè)置防護(hù)，目前有三種方式，即黏土包邊（見圖3）、懸臂式擋土墻（見圖4）和柱板式擋墻[3]（見圖5）。本項(xiàng)目位于主輔分離橋頭，且位于城區(qū)，只能采用懸臂式擋墻和柱板式擋墻形式。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用懸臂式擋墻時(shí)，擋墻基底附加應(yīng)力將達(dá)到34.5kPa，當(dāng)采用柱板式擋墻形式時(shí)，柱板下基底壓力為25.8 kPa，均不能滿足地鐵要求的20kPa（見表2），因此本項(xiàng)目EPS路基填筑斷面需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

圖3 黏土包邊橫斷面圖

圖4 懸臂式擋墻橫斷面圖

圖5 柱板結(jié)構(gòu)橫斷面

表2 常規(guī)EPS路基斷面基礎(chǔ)底部壓力一覽表

4.2 本項(xiàng)目路堤橫斷面形式

考慮到目前的橫斷面形式，均只在基底處產(chǎn)生的附加應(yīng)力較大，其他處荷載均能滿足要求，由于EPS 本身荷載較小，路面結(jié)構(gòu)方案基本一致，因此上部荷載基本恒定。為減少基底處荷載較大，對(duì)荷載進(jìn)行均布處理，即將混凝土基礎(chǔ)延伸至整個(gè)路堤底部，即U 槽方案。本項(xiàng)目?jī)?nèi)側(cè)填充EPS且設(shè)置空隙，外側(cè)無土體，即U槽基本不承受側(cè)向壓力，跟傳統(tǒng)的U槽側(cè)面受較大的土壓力不一樣，因此U槽側(cè)墻可做的相對(duì)輕盈，稱為輕型U槽方案（見圖6）。

圖6 輕型U槽斷面圖

為盡量減少附加應(yīng)力，可用EPS置換部分地下填土，本項(xiàng)目地鐵要求附件應(yīng)力不超過20kPa，結(jié)合老路路面厚度為60cm，考慮到老路路面進(jìn)行挖除，暫定置換土厚度為60cm。考慮到盡量減少上部荷載對(duì)U槽側(cè)壁的豎向壓力，采用連續(xù)配筋路面結(jié)構(gòu)，將路面厚度減少至36cm，即“4cm SBS瀝青瑪蹄脂碎石混合料+6cm SBS 改性瀝青碎石混合料AC—20C+26cm連續(xù)配筋混凝土基層”。

為盡量減少EPS 塊體對(duì)U 槽側(cè)壁的側(cè)向壓力，在EPS 塊體之間和U 槽側(cè)壁預(yù)留一定的間隙，從EPS 的物理力學(xué)特性可知，其泊松比近似可取0.1。當(dāng)抗壓強(qiáng)度取應(yīng)變?yōu)?%的壓應(yīng)力為容許抗壓強(qiáng)度時(shí)，3m 路堤的垂直變形可達(dá)3cm，再考慮到汽車荷載等因素，取5cm[3]。同時(shí)為了防止雨水對(duì)EPS塊體的作用，在U槽和EPS塊體之間鋪設(shè)一層砂墊層和防滲土工布，并在U 槽底部設(shè)置PVC 排水管及時(shí)排除下滲積水。為減少混凝土的溫縮裂縫，輕型U 槽每10m 設(shè)置一沉降縫，沉降縫縫寬2cm，采用三油兩氈。

4.3 U槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）U槽主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

U 槽混凝土強(qiáng)度采用C40，為盡量減少U 槽本身的荷載，U 槽側(cè)壁滿足最小現(xiàn)澆施工厚度即可，取20cm，由于U 槽兩側(cè)不承受壓力，僅進(jìn)行構(gòu)造配筋，設(shè)置二層Φ10mm（間距15cm）鋼筋網(wǎng)，并在兩層鋼筋網(wǎng)片之間設(shè)置Φ10mm 鉤筋，鉤筋間距30cm，呈梅花形布置。U 槽底部厚25cm，主要承擔(dān)傳遞荷載作用，經(jīng)計(jì)算基底應(yīng)力僅為15.29kPa，因此U槽底部也僅進(jìn)行構(gòu)造配筋，即縱向設(shè)置二層Φ12mm鋼筋，間距15cm，橫向設(shè)置二層Φ12cm鋼筋，間距為15cm。經(jīng)驗(yàn)算，承載力和裂縫寬度均滿足要求。

（2）U槽抗浮驗(yàn)算

由于EPS屬超輕質(zhì)材料，若浸在水中，將受浮力的影響，EPS 的上部結(jié)構(gòu)受到垂直向上的荷載，將使路基處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在進(jìn)行EPS輕質(zhì)路基設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行浮力驗(yàn)算，要求浮力的安全系數(shù)FS＞1.2。本項(xiàng)目使用階段按最不利荷載組合計(jì)算，垂直荷載僅考慮結(jié)構(gòu)自重，考慮到快速路的重要性，結(jié)合地方防洪水位要求，抗浮水位取原地面以上0.5m。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)為1.39，滿足要求。

（3）U槽穩(wěn)定性驗(yàn)算

本項(xiàng)目U 形槽存在2.2m 的懸臂，應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)于U槽底板，按照彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算，汽車荷載按照換算90cm 土柱考慮，經(jīng)計(jì)算整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.75，滿足要求。

4.4 連續(xù)配筋混凝土配筋設(shè)計(jì)

連續(xù)配筋混凝土板厚度為0.26m，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40，根據(jù)允許裂縫間距（1.0～2.5m）、縫隙寬度（＜1mm）和鋼筋屈服強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果，此次縱向配筋率取0.7%，縱向鋼筋采用直徑為18mm的螺紋鋼筋，間距14cm，橫向鋼筋采用直徑為12mm的螺紋鋼筋，設(shè)在縱向鋼筋下方，布置間距為0.50m，參見圖7和圖8。

圖7 U槽側(cè)壁配筋圖（單位：cm）

圖8 U槽配筋立面圖（單位：cm）

4.5 EPS施工注意事項(xiàng)

EPS由于具有輕質(zhì)、易溶于有機(jī)溶劑且由于發(fā)泡過程中采用戊烷（戊烷一旦散發(fā)不干凈，則遇明火易燃）等特點(diǎn)，施工過程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）當(dāng)堆放地遇有大風(fēng)時(shí)，應(yīng)采取措施確保EPS塊體不被大風(fēng)吹走；

（2）EPS塊體堆放場(chǎng)地和施工現(xiàn)場(chǎng)均應(yīng)注意防火，禁止吸煙或各種明火靠近；

（3）EPS臨時(shí)堆置場(chǎng)地應(yīng)防止雨水滯留，禁止接觸有機(jī)溶劑或石油之類的油劑；

（4）EPS 受強(qiáng)紫外線的長(zhǎng)期照射會(huì)劣化、變色，因此若臨時(shí)堆放時(shí)間預(yù)計(jì)在1 星期以上，則必須采取有效的覆蓋措施，避免強(qiáng)日光的直接照射；

（5）EPS頂部連續(xù)配筋鋼筋必須場(chǎng)外焊接或者綁扎施工，禁止直接在EPS頂部進(jìn)行焊接。

5 結(jié)論

根據(jù)此設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)算輕型U槽基礎(chǔ)底部壓力為15.29kPa，可滿足地鐵安全運(yùn)營(yíng)要求，同時(shí)，工后沉降為5cm，滿足路基工后沉降要求。目前項(xiàng)目已通車運(yùn)營(yíng)半年，無地鐵安全事故發(fā)生，也無橋頭跳車現(xiàn)象。

從以上分析可以看出，對(duì)于城市道路橋頭路段，采用EPS輕質(zhì)路堤能有效降低地基壓力，從而減少差異沉降，且輕型U槽方案可進(jìn)一步降低地基壓力。實(shí)踐證明，在地鐵上部進(jìn)行城市高架橋建設(shè)時(shí)，輕型U槽結(jié)合EPS路基填筑方案可作為路基處理的首先方案。

[1] 楊紹華，徐立新.EPS輕質(zhì)路堤研究及其工程應(yīng)用[J].公路，2004（8）：157-162.

[2] 張繼堯，金光煦，汪銀華.EPS 輕質(zhì)路堤研究與應(yīng)用：杭甬高速公路軟土地基出路[M]. 杭州：杭州出版社，2002.

[3] 魯水濤.高速公路拼接段EPS輕質(zhì)路堤斷面設(shè)計(jì)方法研究[J].交通科技，2009（5）：44-46.

[4] 杜騁，楊軍.聚苯乙烯泡沫（EPS）的特性及應(yīng)用分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，31（3）：138-142.

[5] 張敏方，張波，丁建明.EPS材料特性及其在公路拼接中的應(yīng)用[J].公路工程與運(yùn)輸，2005（1）：58-60.

[6] 董宇，何良德，王斌，等.聚苯乙烯泡沫_EPS_在道路工程中的應(yīng)用[J].公路工程與運(yùn)輸，2006（2/3）：117-121.

[7] 王斌，陳嘉福，許永明.徐澤中高速公路拼接段EPS輕質(zhì)路堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2008（1）：27-32.