江六高速公路橋頭過渡段縱向預(yù)拋高方案研究

白蘭蘭

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

江六高速公路是江蘇省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的“橫四”——南京經(jīng)南通至啟東高速公路的重要組成部分，東起江都市仙女鎮(zhèn)正誼互通，西至雍六高速六合東互通，與江都至廣陵高速公路順接，全長約76.1 km。其中，跨寧啟鐵路和靈巖河橋頭填土高度5~7 m，原地面以下1.9~19.5 m分布淤泥質(zhì)軟土，孔隙比大、壓縮性高。設(shè)計(jì)時(shí)，已采用PC樁對原地基進(jìn)行了處理，但由于項(xiàng)目工期緊，路基填筑結(jié)束后基本無預(yù)壓時(shí)間，路面施工時(shí)無法預(yù)壓至滿足規(guī)范要求的連續(xù)2個(gè)月不超過5 mm/月的沉降速率標(biāo)準(zhǔn)。按常規(guī)方案填筑，橋頭路基段會存在較大的工后沉降，而橋臺部位由于采用樁基，近似零沉降，橋臺與橋頭路段之間將存在較大的差異沉降，易引起路面的“橫向裂縫”和“跳車”。因此，有必要針對這一情況尋求合理的路面填筑及預(yù)拋高方案，以解決沉降未穩(wěn)定路段的橋臺與橋頭路基之間的不均勻沉降問題。

2 沉降分析

寧啟鐵路橋頭、靈巖河橋頭路面施工前，沉降速率均未達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)（小于或接近5 mm/月），但已有收斂趨勢。此時(shí)，可以通過適當(dāng)?shù)念A(yù)拋高來抵消臺后路基的部分后期沉降，減少橋臺與橋頭路基之間的不均勻沉降。

在確定預(yù)拋高設(shè)計(jì)方案過程中，有必要弄清橋頭路段縱向沉降規(guī)律、工后沉降分布規(guī)律和縱坡相對差控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)橋頭路段縱向沉降特征及臺后路基的工后沉降規(guī)律，確定預(yù)拋高范圍和高度，根據(jù)縱坡相對差控制標(biāo)準(zhǔn)，確定預(yù)拋高過渡方式。

2.1 橋頭路段縱向沉降規(guī)律

對橋頭路基縱向每10 m一個(gè)斷面進(jìn)行高程測量，測量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，伸縮縫處沉降基本為0，橋頭搭板尾到橋頭一定范圍內(nèi)沉降較大，在離橋臺一定距離處出現(xiàn)沉降谷底，之后沉降又慢慢減少，在離橋臺一定距離處趨于穩(wěn)定，具有明顯的“馬鞍”型沉降曲線特征（圖1）。

圖1 橋頭路段實(shí)測縱向沉降曲線圖

因此，預(yù)拋高方案設(shè)計(jì)應(yīng)超過橋頭路段沉降較大區(qū)域影響范圍，即要跨過沉降低谷區(qū)域。根據(jù)橋頭路段實(shí)測縱向沉降曲線，寧啟鐵路橋頭和靈巖河橋頭沉降影響范圍分別為60 m和40 m。同時(shí)，從沉降變化速率看，橋臺到搭板方向沉降增大速率明顯大于趨于穩(wěn)定時(shí)的沉降減小速率，即預(yù)拋高兩側(cè)拋高調(diào)坡過渡段應(yīng)采用不同的調(diào)坡坡率。

2.2 工后沉降預(yù)測

工后沉降預(yù)測是確定預(yù)拋高高度的主要依據(jù)，目前工程界并沒有統(tǒng)一的預(yù)測方法。

地基沉降預(yù)測與分析模型就是通過大量的實(shí)測結(jié)果，利用統(tǒng)計(jì)方法，通過沉降與沉降原因之間的相關(guān)性，建立荷載或環(huán)境量與沉降之間的數(shù)學(xué)模型，并依此進(jìn)行沉降預(yù)測與分析，或者依據(jù)沉降自身隨時(shí)間、空間的變化建立統(tǒng)計(jì)模型。前者以多元回歸分析模型、逐步回歸分析模型和嶺回歸分析模型等為主，后者有趨勢分析法、時(shí)間序列分析法、灰色GM模型法、模糊聚類分析模型、動態(tài)響應(yīng)分析等方法。陳遠(yuǎn)洪［1］依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測典型沉降-時(shí)間關(guān)系特性，基于Taylor展開原理提出軟土路堤工后沉降預(yù)測分析的冪多項(xiàng)式模型。朱志鐸［2］建立軟土路基全過程沉降預(yù)測的Logistic模型，確定了模型中各參數(shù)含義。呂秀杰［3］提出了一種反映沉降速率與沉降半立方非線性關(guān)系的雙曲型曲線預(yù)測模型。趙明華［4］基于線性或近似線性加載情況下路基沉降過程和Usher曲線，將廣泛用于經(jīng)濟(jì)和資源預(yù)測的Usher模型應(yīng)用于路基沉降預(yù)測。何習(xí)平［5］研究了加權(quán)多點(diǎn)灰色模型在高邊坡變形預(yù)測中的應(yīng)用。王麗琴［6］對黃土路基工后沉降預(yù)測模型進(jìn)行了對比研究。

在上述眾多預(yù)測模型中，雙曲線法是唯一被納入公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范的，因此本項(xiàng)目采用較為成熟的雙曲線法模型進(jìn)行工后沉降預(yù)測，即（t-t0）/（St-S0）=α+β（t-t0），其中，St為t時(shí)的沉降量；S0為初期沉降量（t = 0）。

根據(jù)江六高速施工期的實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，用雙曲線法模型對過渡段的工后沉降進(jìn)行預(yù)測。擬合后靈巖河的α和β分別為0.673 2和0.002 1，寧啟鐵路的α和β分別為1.872和0.001。按此推得的工后沉降分別為14.2 cm和13.0 cm（見圖2、圖3），超過路基規(guī)范要求臺后路基不大于10 cm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，考慮一定的安全系數(shù)，建議預(yù)拋高高度分別為5 cm和3.5 cm。

圖2 靈巖河橋頭路段雙曲線模型工后沉降預(yù)測

圖3 寧啟鐵路橋頭路段雙曲線模型工后沉降預(yù)測

2.3 縱坡相對差控制標(biāo)準(zhǔn)

在縱坡相對差控制標(biāo)準(zhǔn)方面，許多學(xué)者對其進(jìn)行過研究，并得出了有益結(jié)論。

文獻(xiàn)［7］參照汽車平順性評價(jià)方法，建立車輛－人體－座椅的振動模型，計(jì)算橋頭過渡段路面不平整的功率譜密度，根據(jù)人體對振動的反應(yīng)即乘坐者的舒適度，利用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631-1∶1997（E）《人體承受全身振動評價(jià)第1部分：一般要求》，結(jié)合其它相關(guān)文獻(xiàn)資料的結(jié)果［8-11］，提出橋臺與臺后土體之間工后沉降產(chǎn)生的搭板縱坡差Δi在0.4%~0.6%時(shí)不會影響行車舒適性，坡差越小，行車舒適性越好。文獻(xiàn)［8］對縱坡突變引起的車輛豎向加速度進(jìn)行分析，提出了高速公路的縱坡相對差宜控制在0.5%。綜上所述，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中采用調(diào)坡坡率不超過0.5%作為縱坡相對差的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 縱向預(yù)拋高設(shè)計(jì)方案

3.1 拋高形式

預(yù)拋高應(yīng)關(guān)注路面填筑后運(yùn)營期的橋頭路段縱向沉降分布規(guī)律，為此對附近區(qū)域相同地質(zhì)條件、相同路基處理方案且已通車運(yùn)營2年的橋頭路段，進(jìn)行實(shí)測沉降數(shù)據(jù)分析，沉降數(shù)據(jù)詳見表1，路基沉降曲面見圖4。

表1 現(xiàn)場實(shí)測沉降數(shù)據(jù)

圖4 路基沉降曲面

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，在橋頭路段距中心線0~126 m范圍內(nèi)，縱向沉降曲線可以分為雙曲線型分布和馬鞍型分布。沉降最大點(diǎn)發(fā)生在搭板尾部，搭板尾部沉降增大速率明顯高于沉降影響區(qū)域尾部沉降減小速率。

（1）雙曲線模型

式中：y為沉降高差；x為測點(diǎn)與橋頭距離；a、b為擬合系數(shù)。

模型適用以下路段：距中心線南側(cè)9.75 m和16.5 m，距橋頭0~126 m的范圍；其他橋頭路段，距橋頭26~136 m范圍內(nèi)。擬合參數(shù)見表2，擬合曲線見圖5、圖6。

表2 雙曲線模型擬合參數(shù)

圖5 距橋頭0~136 m，南側(cè)（距中心線9.75 m、16.5 m）擬合曲線

圖6 距橋頭26~136 m，北側(cè)（距中心線1.5 m、9.75 m、16.5 m）、南側(cè)（距中心線1.5 m）擬合曲線

（2）“馬鞍”型曲線模型y = aExp（bx+cx0.5）式中：y為沉降高差；x為測點(diǎn)與橋頭距離；a、b、c為擬合系數(shù)。

模型適用以下路段：距中心線南側(cè)1.5 m和北側(cè)1.5 m、9.75 m、16.5 m，距橋頭0~26 m范圍內(nèi)。擬合參數(shù)見表3，擬合曲線見圖7?？梢姡v坡相對差最大處在“馬鞍”型曲線內(nèi)（圖8），擬合參數(shù)a = 0.415 7，b =-0.321 9，c = 2.756 1。

從目前的現(xiàn)場沉降數(shù)據(jù)（圖1）和運(yùn)營后的沉降數(shù)據(jù)（圖8）可以看出，橋頭縱向沉降均表現(xiàn)出典型的“馬鞍型”分布，因此，建議采用“反馬鞍”型曲線拋高方式，即從伸縮縫開始向路基方向逐漸加高，加高至預(yù)拋高高度后，再一直延伸至沉降較大影響區(qū)域范圍邊緣，并逐漸向下至原設(shè)計(jì)標(biāo)高。

表3 “馬鞍”型曲線模型擬合參數(shù)

圖7 南側(cè)（距中心線1.5 m）擬合曲線

圖8 “馬鞍”型預(yù)沉降曲線

“反馬鞍”型預(yù)拋高曲線見圖9，設(shè)計(jì)方案示意圖見圖10。

圖9 “反馬鞍”型預(yù)拋高曲線

3.2 拋高高度及范圍的確定

根據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及工后沉降預(yù)測結(jié)果，確定寧啟鐵路和靈巖河橋頭預(yù)拋高高度分別為5 cm和3.5 cm。根據(jù)縱向“馬鞍”型沉降特征，確定兩橋頭的預(yù)拋終點(diǎn)為60 m和40 m。

圖10 “反馬鞍”型預(yù)拋高設(shè)計(jì)方案示意圖

3.3 拋高方案的實(shí)施

兩橋頭搭板長度均為8 m，結(jié)合預(yù)拋高高度以及調(diào)坡坡率確定起拋段斜率為0.4%，過渡段2長度取20 m左右，故拋高過渡段2斜率為0.2%；然后定高至沉降較大影響區(qū)域外及距離橋臺60 m和40 m處；再以較小縱坡0.2%過渡至原設(shè)計(jì)標(biāo)高。兩橋頭預(yù)拋高設(shè)計(jì)高差與原設(shè)計(jì)高差詳見表4和表5。

表4 寧啟鐵路橋頭預(yù)拋高設(shè)計(jì)標(biāo)高一覽表

表5 靈巖河橋頭預(yù)拋高設(shè)計(jì)標(biāo)高一覽表

本次預(yù)拋高最大高度為5cm，考慮到本項(xiàng)目下面層 Sup-25最適宜碾壓厚度為8~12 cm，因此，此次預(yù)拋高路面施工均采用直接施工8~13 cm Sup-25+6 cm Sup-20 +4 cm SMA-13，這樣既能保證預(yù)拋高造價(jià)最低，又保證了上中面層的等厚施工，可達(dá)到較高的平整度，滿足交工驗(yàn)收后的各項(xiàng)路用性能。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場縱向沉降曲線確定沉降影響范圍，作為預(yù)拋高的范圍，通過計(jì)算工后沉降，以工后沉降與規(guī)范規(guī)定值的差值作為預(yù)拋高高度，以小于0.5%縱坡相對差進(jìn)行預(yù)拋高路段的前后銜接設(shè)計(jì)。通過預(yù)拋高處理，可以有效地抵消部分預(yù)期不均勻沉降，延緩橋頭跳車現(xiàn)象的出現(xiàn)。預(yù)拋高設(shè)計(jì)時(shí)兼顧了工后沉降量、行車舒適性、 路面適宜厚度三方面要求，目前江六高速已經(jīng)通車運(yùn)營2年，預(yù)拋高路段無顛簸或不舒適感，本文方法可為類似工程提供參考。

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