一種改進(jìn)的土工格柵處治橋頭過渡段路基的設(shè)計(jì)方法*

董華均 黃婷婷 羅 蓉 王麗靜 馮光樂

(湖北長江路橋股份有限公司1) 武漢 430212) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)(湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3) 武漢 430010)

一種改進(jìn)的土工格柵處治橋頭過渡段路基的設(shè)計(jì)方法*

董華均1)黃婷婷2)羅 蓉2)王麗靜2)馮光樂3)

(湖北長江路橋股份有限公司1)武漢 430212) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2)武漢 430063)(湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3)武漢 430010)

現(xiàn)行《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中在加筋處治橋頭過渡段路基不均勻沉降病害時(shí)，建議土工格柵與混凝土橋臺采用錨固進(jìn)行連接，但這一處理措施會造成以下3點(diǎn)不足：(1)錨固受限于橋臺類型，對施工造成不便，如有些輕型橋臺無足夠錨固位置；(2)對橋臺受力體系造成干擾；(3)妨礙地基沉降的及時(shí)釋放.為了解決上述不足，提出改進(jìn)的臺背加筋方案：靠近路基表面2，3層的土工格柵采用錨固的處理方式，其余位置的土工格柵采用反包的處理方式，并且必要的時(shí)候可以選擇設(shè)置較短的橋頭搭板以加強(qiáng)處治效果.工程實(shí)踐表明，改進(jìn)的加筋方案能夠有效解決土工格柵全部錨固造成的不足，并能夠有效治理不均勻沉降病害.

道路工程；橋頭過渡段路基；土工格柵；錨固；反包；鋪筑間隔

0 引 言

在公路橋梁工程中，由于橋涵構(gòu)造物臺背回填工程中的回填材料選擇不當(dāng)、施工壓實(shí)不足、地基處治不到位等原因，導(dǎo)致橋臺與臺后填土之間產(chǎn)生差異性沉降，進(jìn)而導(dǎo)致橋頭跳車這一病害，橋頭跳車病害是影響公路正常使用的嚴(yán)重問題.路橋之間的這種不均勻沉降量的范圍在幾cm到1 m之間[1-2]，不僅會加大行駛車輛及結(jié)構(gòu)物的磨耗，嚴(yán)重惡化結(jié)構(gòu)的使用壽命，還會造成駕駛的不舒適性、增大行車危險(xiǎn).

目前針對橋頭過渡段路基不均勻沉降的處治方式主要包括以下幾方面[3-4]：(1)減少路基壓縮變形，如提高路基填土壓實(shí)度、選擇滿足要求的回填料等；(2)采用沉降過渡的方法，如設(shè)置橋頭搭板、漸變樁等；(3)減少地基沉降，如對地基進(jìn)行加強(qiáng)處治、采用輕質(zhì)材料回填等；(4)對路面進(jìn)行處治，如預(yù)設(shè)反向坡度、設(shè)置過渡段路面等.

目前國內(nèi)外道路行業(yè)中，較為常用的1種處治方式是采用土工格柵來降低過渡段回填料的沉降進(jìn)而緩解不均勻沉降的產(chǎn)生.土工格柵與填料的相互作用，能夠顯著改善填料的物理力學(xué)性質(zhì)，筋材能夠?qū)ν廉a(chǎn)生約束作用，提高土體的剛度和強(qiáng)度，能夠減少回填料自身的壓縮變形[5-6].

1 現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中土工格柵處治橋頭過渡段路基設(shè)計(jì)的不足

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中對橋臺構(gòu)造物與路基之間的不均勻沉降治理的規(guī)定：對于混凝土橋臺，可采用經(jīng)防銹處理的膨脹螺釘與鋼壓條，將土工合成材料錨固在結(jié)構(gòu)物臺背面的壁面上，見圖1.但是存在相當(dāng)一部分橋臺(如樁柱式橋臺)并沒有足夠的區(qū)域供土工格柵的錨固，僅僅臺帽部分可以錨固土工格柵；除了施工操作上的不便，土工格柵錨固在橋臺上后，還會對橋臺結(jié)構(gòu)物施加額外的作用力，對橋臺受力體系造成干擾；同時(shí)錨固的土工格柵不利于地基沉降的釋放.

圖1 土工合成材料與混凝土橋臺連接示意圖

土工格柵提高了加筋土的整體強(qiáng)度和剛度，降低加筋路基自身壓縮變形，但是對地基沉降并無明顯作用.在加筋施工結(jié)束初期，由于土工格柵對土體的“托舉力”，路堤自重未立即全部施加在地基頂面，但是隨著時(shí)間的推移，大部分的應(yīng)力最終會施加在地基上，造成地基的進(jìn)一步固結(jié)沉降.在不均勻沉降出現(xiàn)的路橋交界處，由于施工空間限制，大型壓路機(jī)難以碾壓，交界處路基壓實(shí)度低于其余部分路基壓實(shí)度，見圖2中壓實(shí)薄弱區(qū)，路基碾壓不密及不均勻會加劇加筋土橋臺在交界處的不均勻沉降[8-9].故在橋頭過渡段交界處，土工格柵對土體的“掛起”作用，圖2中托舉力ps=p-ph，p和ph分別是土工格柵凹面上下壓力，以及施工不利導(dǎo)致的壓實(shí)度不足，共同造成了施工結(jié)束后地基的進(jìn)一步固結(jié)沉降，并且地基沉降的時(shí)間將會被延后，導(dǎo)致地基沉降無法在施工期間全部完成，地基沉降在施工完成后進(jìn)一步出現(xiàn)，導(dǎo)致新的不均勻沉降的產(chǎn)生，不利于路橋不均勻沉降病害的治理.

圖2 土工格柵沉降變形受力示意圖

因此，現(xiàn)行規(guī)范建議的對混凝土橋臺的土工格柵錨固處理方式是不恰當(dāng)?shù)?，對橋頭過渡段路基不均勻病害的長期治理不力，文中將以此為出發(fā)點(diǎn)，提出改進(jìn)的土工格柵處治橋頭過渡段路基的設(shè)計(jì)方法：土工格柵采用錨固與反包結(jié)合的處理方式，必要時(shí)設(shè)置短橋頭搭板.文中以湖北省潛江至石首高速公路(后文簡稱“潛石高速”)的一座中橋?yàn)槔?，進(jìn)行臺背加筋設(shè)計(jì).

2 改進(jìn)臺背回填加筋設(shè)計(jì)方法

考慮到土工格柵采用錨固處理的不足，文中提出采用錨固與反包結(jié)合的方式對加筋的土工格柵進(jìn)行處理.在土工格柵進(jìn)行加筋計(jì)算過程中，對臺背路基工后沉降的準(zhǔn)確預(yù)測尤為關(guān)鍵，是計(jì)算土工格柵鋪設(shè)間隔的基礎(chǔ).

2.1 土工格柵鋪設(shè)間隔ΔH計(jì)算

土工格柵在土體中的受力模型以彈性薄膜理論為理論基礎(chǔ)，見圖3，根據(jù)彈性薄膜的受力平衡方程、幾何方程、物理方程，以及相容方程，計(jì)算得到簡化土工格柵受力計(jì)算求解方程為[10]

(1)

式中：T為土工格柵所受拉力；τ為土工格柵所受水平外力；q為土工格柵受到的豎向荷載；μ為填料的泊松比；Et為土工格柵的彈性模量；w為土工格柵的豎向沉降量.

圖3 彈性薄膜受力示意圖

當(dāng)土工格柵采用錨固的方式處理時(shí)，上述方程組(1)的邊界條件為

x=0，w=0，T=Ts

(2)

x=∞,w=wmax,T=0

(3)

結(jié)合邊界條件(2)、(3)計(jì)算獲得鋪筑間隔計(jì)算公式為

(4)

式中：Ts為土工格柵抗拉強(qiáng)度；γ為臺背填料壓實(shí)后濕容重；wmax為遠(yuǎn)離橋臺端工后沉降的最大值；其余字母含義如上.

當(dāng)土工格柵采用反包的方式處理時(shí)，方程組(1)的邊界條件為

x=0，w=hi，T=Ts

(5)

x=∞，w=hi，T=0

(6)

結(jié)合邊界條件(5)、(6)，計(jì)算獲得鋪筑間隔計(jì)算公式為

(7)

式中：i為計(jì)算土層；hi和hi-1分別為近橋臺處的第i層和第i-1層土層的預(yù)測計(jì)算沉降量；其余字母含義如上.

在進(jìn)行臺背加筋設(shè)計(jì)時(shí)，在地基處治情況、臺背回填料情況良好的時(shí)候，可以只進(jìn)行加筋而不設(shè)置橋頭搭板，否則可以設(shè)置較短的橋頭搭板，在短距離里加強(qiáng)土工格柵的處治效果.

2.2 土工格柵沉降預(yù)估

觀察式(4)、(7)，計(jì)算鋪筑間隔時(shí)需要土工格柵實(shí)際的沉降預(yù)估，wmax可以采用路基工后沉降計(jì)算方法進(jìn)行.路基工后沉降是指道路達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后的路基沉降與路面鋪筑前的沉降之差，主要分成2個部分：(1)路橋過渡段路基填料的沉降問題；(2)路橋過渡段地基的沉降問題[11].路基的工后沉降可由下式進(jìn)行預(yù)估：

ΔS=Sc t1-Sc t0+αSc ∞

(8)

式中：Sc t1，Sc t0，Sc ∞分別為時(shí)間t1，t0及t→∞時(shí)地基的固結(jié)沉降；α為考慮地基次固結(jié)變形影響的系數(shù)，一般α<0.08，若路基穩(wěn)定性較差，α取值可以大一些[12-13].

則任一層的最大沉降量可以按照下式進(jìn)行計(jì)算.

wmax=Sd+St+ΔS

(9)

式中：Sd為地基施工期間沉降;St為路基在施工期間的沉降;ΔS為路基工后沉降.

在進(jìn)行反包段土工格柵間隔計(jì)算時(shí)，采用了近橋端的沉降量hi，計(jì)算公式為[14]

w(x)=he-kx

(10)

式中：h為與橋臺相接處最大沉降，可以通過分層總和計(jì)算沉降法進(jìn)行計(jì)算；k為待定參數(shù)，可以通過沉降區(qū)域邊緣沉降值計(jì)算得到.

2.3 改進(jìn)的臺背回填加筋設(shè)計(jì)方法

土工格柵采用全部錨固方式進(jìn)行時(shí)，存在3個問題，即錨固位置受到橋臺類型的限制、對橋臺受力體系造成影響、妨礙不可避免的工后沉降及時(shí)釋放.可以考慮采用土工格柵反包的方式來避免上述問題，但是土工格柵在臺背加筋時(shí)起到的一個非常重要的作用即將路橋銜接處產(chǎn)生的錯臺變化成有一定傾斜的坡，為了減少錨固對處治效果的影響，同時(shí)又為了避免路基表面可能會出現(xiàn)的臺階，提出在靠近路表便于錨固的2～3層的土工格柵采用錨固的方式進(jìn)行處理，其余的土工格柵采用反包處理，并且按照彈性薄膜理論推導(dǎo)錨固和反包情況下的土工格柵間距進(jìn)行鋪筑，必要時(shí)，在橋頭設(shè)置較短的橋頭搭板(約3 m長度)，見圖4.

圖4 土工格柵加筋方案示意圖

綜合考慮，在采用土工格柵對臺背回填進(jìn)行加筋時(shí)，文中推薦土工格柵采用錨固與反包結(jié)合的方式進(jìn)行處理，并且在需要的時(shí)候設(shè)置較短的搭板(3 m左右)，針對此種方法的土工格柵加筋設(shè)計(jì)方案如下.

1) 進(jìn)行工后沉降預(yù)估.工后沉降的準(zhǔn)確預(yù)測是進(jìn)行土工格柵加筋計(jì)算的基礎(chǔ)，推薦可以采用分層求沉降的方法進(jìn)行計(jì)算預(yù)測.

2) 初步選擇土工格柵類型與強(qiáng)度.根據(jù)計(jì)算獲得的預(yù)測沉降值，結(jié)合臺背填高、回填料質(zhì)量，選擇整體性和耐久性良好、強(qiáng)度滿足要求的土工格柵進(jìn)行加筋.

3) 計(jì)算土工格柵加筋中的最大位移.計(jì)算路基的工后沉降ΔS，并分別計(jì)算近橋臺處的沉降hi與遠(yuǎn)橋臺處沉降w.

4) 計(jì)算土工格柵鋪筑間隔.根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，按照式(4)和(7)，計(jì)算相鄰2層土工格柵的間距ΔH.

5) 計(jì)算土工格柵鋪筑長度.土工格柵的鋪筑長度應(yīng)結(jié)合路面縱坡變化率進(jìn)行考慮，路基頂面土工格柵的鋪筑長度計(jì)算公式為

(11)

式中：L0為土工格柵鋪筑長度，m；ΔS為路基工后沉降，m；Δi為縱坡坡差，%.

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中要求，規(guī)定土工格柵以倒梯形斷面1∶1倒坡遞減，在本設(shè)計(jì)方法中可以參照1∶1的倒梯形設(shè)計(jì).

6)根據(jù)實(shí)際地基和臺背回填料處治情況，選擇橋頭短搭板進(jìn)行組合布置，若實(shí)際計(jì)算得到工后沉降值大于10 cm，可以設(shè)置短搭板，根據(jù)橋梁縱坡及引道縱坡要求(即橋上縱坡不宜大于4%，橋頭引道縱坡不宜大于5%，橋頭引道的線型應(yīng)與橋梁的線型相匹配)，短搭板的長度設(shè)計(jì)按照下式計(jì)算

x=ΔS′·Δi

(12)

式中：ΔS′為路基沉降穩(wěn)定部位沉降與橋臺沉降之差，m.

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 工程簡況

以湖北省潛江市至石首高速公路(簡稱“潛石高速”)的張家灣中橋?yàn)槔?jì)算該中橋0#橋臺的土工格柵加筋方案，提出改進(jìn)的臺背加筋設(shè)計(jì)方法.

潛石高速張家灣中橋跨越15 m水渠，橋跨布置4 m×13 m，橋梁全長57 m，橋面寬度2 m×12.75 m，該中橋所處位置全線軟基，平均軟土厚度4.9 m，該中橋的橋頭地基處理情況見表1.

表1 張家灣中橋橋頭地基處理情況 m

3.2 計(jì)算過程

張家灣中橋0#橋臺的地基采用水泥攪拌樁處理，根據(jù)前文的路基工后沉降計(jì)算，得到：

樁土復(fù)合地基的等沉面參數(shù)l0=2.91 m；樁土復(fù)合地基排水固結(jié)沉降為202.968 mm；考慮地基次固結(jié)沉降為其排水固結(jié)沉降的8%，施工期間完成大部分的排水固結(jié)沉降，據(jù)此計(jì)算路基的工后沉降量為32.881 mm.

經(jīng)計(jì)算選擇抗拉強(qiáng)度至少為57 kN/m，拉伸模量為975 kN/m雙向土工格柵作為加筋材料，根據(jù)工程實(shí)際的橋臺類型(樁柱式輕型橋臺)、尺寸，路基頂面向下兩層進(jìn)行土工格柵錨固，其余采用反包進(jìn)行處理.計(jì)算結(jié)果見表2.

以距離地基高度1.5 m處土工格柵鋪設(shè)間隔設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行反包段錨固計(jì)算.

hi和hi-1初步計(jì)算為0.074 m和0.061 m，已知Ts=57 kN/m，Et=975 kN/m，μ=0.30，γ=18.4 kN/m3，計(jì)算得ΔH=0.95 m，實(shí)際設(shè)置間隔時(shí)，考慮工程的安全性，除以安全系數(shù)1.3，同時(shí)為了方便施工，取松鋪厚度0.3 m的倍數(shù)，取0.6 m，其余間隔計(jì)算同上.

路基頂面最小鋪筑長度L0計(jì)算：容許坡差為0.4%，路基頂面工后沉降為32.881 mm，則最小鋪筑長度為8.22 m(一般頂層土工合成材料長度不應(yīng)小于10 m，故如計(jì)算得到長度小于10 m，可取10 m)，按照文獻(xiàn)[7]中給出的公式確定最下面一層土工格柵鋪筑長度，根據(jù)底層土工格柵計(jì)算長度，按照規(guī)范要求，以倒梯形斷面1∶1倒坡遞減，頂面土工格柵以長者為準(zhǔn).經(jīng)計(jì)算及相應(yīng)調(diào)整，試驗(yàn)橋臺(張家灣0#橋臺)底層土工格柵鋪筑長度為5 m，頂層鋪筑長度為15 m.

表2 張家灣中橋0#橋臺臺背加筋 cm

采用改進(jìn)后的加筋方案對潛石高速公路張家灣中橋進(jìn)行處治后，施工完畢至今近兩年，未發(fā)現(xiàn)明顯的橋頭不均勻沉降，處治效果顯著.

改進(jìn)的加筋方案在解決橋頭跳車病害的同時(shí)，土工格柵反包的處理方式較于傳統(tǒng)的錨固的處理，簡化了施工工序；從橋臺整體受力考慮，大部分的土工格柵與橋臺的分離提高了橋臺的安全性；并且也降低了土工格柵對其下地基沉降的影響.

4 結(jié) 論

1) 處治路橋過渡段不均勻沉降的過程中，土工格柵與橋臺的錨固連接會造成以下3個問題：(1)錨固位置受到橋臺類型的限制；(2)錨固后的土工格柵受到拉力作用，對橋臺受力體系造成干擾；(3)阻礙地基沉降的及時(shí)釋放，造成道路運(yùn)營后出現(xiàn)路橋的不均勻沉降病害.

2) 基于土工格柵錨固造成的問題，提出采用反包和錨固相結(jié)合的改進(jìn)的土工格柵加筋方案，并且在必要的時(shí)候(如橋臺處地基處理情況或填料質(zhì)量不是特別好)與短搭板(3 m左右)結(jié)合共同處治路橋不均勻沉降.

3) 根據(jù)試驗(yàn)橋臺的處治情況，在施工后兩年內(nèi)未出現(xiàn)明顯路橋過渡段不均勻沉降，改進(jìn)的加筋設(shè)計(jì)方案能夠有效解決土工格全部柵錨固造成的問題，并且能夠很好地治理路橋過渡段不均勻沉降，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的長期處治性能，需進(jìn)行長期的沉降觀測.

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A Modified Design Method of Geogrid Reinforcement of Bridge Approaching Roadbed

DONG Huajun1)HUANG Tingting2)LUO Rong2)WANG Lijing2)FENG Guangle3)

(ChangJiangRoadandBridgeCo.,Ltd.,Wuhan430212,China)1)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)(ConstructionQualitysupervisionBureauofMinistryofTransportationofHubeiProvince,Wuhan430010,China)3)

When treating the differential settlement between bridge abutment and approaching road using geogrid reinforcement soil which is suggested in the Technical Specification for Application of Geosynthetics in Highway, the anchorage is used to connect all the geogrids to the bridge abutment. However, such connection has 3 deficiencies: (1) it is limited by the types of abutments and would cause inconvenience in construction process. For example, there is no enough room for anchorage when applying in some light-weight abutments; (2) it disturbs the stress system of the abutment; (3) it impedes the release of foundation settlement. A modified geogrid reinforcement soil scheme is proposed in order to solve the above deficiencies: 2 or 3 layers of the geogrids paving on the top of the roadbed are anchored while other geogrids are wrapped, and short approach slab could be used when it is necessary to strengthen the effect of the treatment. The support construction shows that the modified scheme could effectively solve the deficiencies caused by previous all-anchored geogrids treatment and could effectively treat the differential settlement.

road engineering; bridge approaching roadbed; geogrid; anchoring; wrapping; paving interval

2016-09-17

*湖北省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目資助(201472126)

U416.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.015

董華均(1973—)：男，高級工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闉r青路面材料、巖土力學(xué)、工程管理