泡沫輕質(zhì)混合土在橋頭跳車問題處治中的應(yīng)用

姚 勛

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350000）

0 前言

近年來，公路建設(shè)方興未艾，公路修建完成后常常會(huì)碰到橋頭跳車問題，其產(chǎn)生的主要原因是橋臺(tái)構(gòu)筑物與臺(tái)后填土銜接處存在差異沉降，該問題若不得到有效解決將會(huì)引起行車舒適性降低、車速跟不上、道路通行能力降低、縮短橋梁和路面使用壽命、嚴(yán)重增加交通安全隱患等問題。

該文總結(jié)了橋頭跳車問題常見的處治方法，并針對(duì)平潭島江樓中橋的工程案例，提出泡沫輕質(zhì)混合土的處治方案。

1 橋頭跳車問題常見處治方法

橋頭跳車常見的處治方法包括夯（壓）實(shí)法、換填法、填筑碎石土、注漿法、施加擠密樁等[1]。近年來，隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的發(fā)展，越來越多新方法被用于橋頭跳車的處治中。其中，高文號(hào)等[2]結(jié)合浙江高填路基橋頭跳車治理經(jīng)驗(yàn)，提出采用鋼花管注漿技術(shù)。郝明瑞[3]結(jié)合某高速公路工程具體案例，分析了橫向加筋注漿技術(shù)在橋頭跳車防治中的應(yīng)用。吳齊正等[4]介紹了塑料排水板和水泥攪拌樁兩種方法在南方平原水網(wǎng)地區(qū)某高速公路橋頭跳車中的處治應(yīng)用，并提出兩種方法的適用性。李熙等[5]分析了地聚合物（一種由AlO4和SiO4四面體結(jié)構(gòu)單元組成的三維立體狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)聚合物）注漿加固工藝在浙江省某座橋梁橋接坡養(yǎng)護(hù)維修工程橋頭跳車病害治理中的效果。

可見，不同的處治方法有其自身的適用性，應(yīng)結(jié)合其優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件和工程特點(diǎn)合理應(yīng)用。

2 泡沫輕質(zhì)混合土的工作原理、生產(chǎn)工藝及性能特點(diǎn)

泡沫輕質(zhì)混合土是在普通原料土的基礎(chǔ)上添加輕質(zhì)材料（如聚苯乙烯泡沫、氣泡等）、固化劑（水泥、石膏等）等材料，經(jīng)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的輕質(zhì)多孔混凝土，其內(nèi)部含有大量細(xì)小、封閉、均勻的氣孔，其生產(chǎn)過程如下：泡沫制備、料漿制備、漿泡混合、泵送、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)、檢驗(yàn)，如圖1 所示。

泡沫混合土因加入了輕質(zhì)材料，相比于普通混凝土，具有自重輕、可壓縮性低、流動(dòng)性高、施工便利等特點(diǎn)[6]。

3 泡沫輕質(zhì)混合土在工程實(shí)例中的應(yīng)用

3.1 工程概況

江樓中橋位于平潭島中部的中山大道K11+214，同時(shí)屬于平潭互通K80+241.9，是銜接國家高速公路網(wǎng)京臺(tái)線長樂松下至平潭段公路與壇西大道主道的重要通道。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，區(qū)域內(nèi)地層從上至下依次為上覆淤泥層、含泥中砂層、粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)土層等，工程地質(zhì)條件較差。為此，原設(shè)計(jì)采用如下兩種措施：1）采用水泥土攪拌樁對(duì)淤泥層及含泥中砂層進(jìn)行了地基處治。其中，兩側(cè)橋頭70m 范圍內(nèi)水泥土攪拌樁樁長6m，樁徑0.5m，間距1.5m，呈梅花形布置，且進(jìn)入粉質(zhì)黏土層不小于1m。2）采用砂礫+碎石砂（壓實(shí)度要求≥96%）對(duì)臺(tái)背9m 范圍路基進(jìn)行回填，同時(shí)設(shè)置橋頭搭板，橋頭搭板長6m，為34cm 厚鋼筋水泥板，過渡段長3m。

該橋于2013 年建成通車運(yùn)營，但自2014 年起，橋梁兩端路基出現(xiàn)不同程度的沉降，產(chǎn)生明顯的橋頭跳車問題，對(duì)道路行車安全構(gòu)成較大威脅。

3.2 病害情況及原因分析

3.2.1 病害情況分析

為掌握橋頭跳車病害情況及程度，為后續(xù)橋頭跳車處治方案提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，首先對(duì)江樓中橋兩側(cè)路基沉降情況進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)量。共設(shè)置40 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其中左、右幅各設(shè)置20 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

橋頭兩端30m 路基段設(shè)計(jì)高程為5.671m～5.638m。對(duì)布設(shè)在橋頭兩端路基30m 范圍內(nèi)40 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)比原設(shè)計(jì)高程，得到竹嶼口臺(tái)方向K11+184～K11+154左幅實(shí)測(cè)高程為5.631m～5.162m，路基沉降量為4.0cm～47.6cm，右幅實(shí)測(cè)高程為5.653m～5.297m，路基沉降量為1.8cm～34.1cm；平原鎮(zhèn)臺(tái)方向K11+274～K11+244 左幅實(shí)測(cè)高程為5.517m～5.660m，路基沉降量為1.0cm～12.1cm，右幅實(shí)測(cè)高程為5.537m～5.667m，路基沉降量為0.4cm～10.1cm。顯然，竹嶼口臺(tái)方向K11+184～K11+154 左幅路基沉降程度較大。

3.2.2 病害原因分析

基于現(xiàn)場調(diào)查和路基沉降測(cè)量，結(jié)合地勘資料與原設(shè)計(jì)文件，分析江樓中橋橋頭跳車病害產(chǎn)生原因主要有以下兩點(diǎn)：1）路基填土高度較高，填土本身存在一定的沉降。路基填筑高度約為4.7m，采用的填料為砂礫和碎石砂，填料顆粒之間存在一定的間隙，在自身重力及上覆面層及車輛碾壓作用下，填土產(chǎn)生了一定的沉降。2）軟基處治的工后沉降較大，原有軟基處治的水泥土攪拌樁穿透上層含泥中砂，未對(duì)下層淤泥質(zhì)土做處理。

3.3 處治方案

竹嶼口方向臺(tái)接橋路基沉降量較大，最大沉降量為47.6cm，此處橋頭跳車嚴(yán)重，應(yīng)重點(diǎn)處治。因此，針對(duì)該處橋臺(tái)30m 范圍（K11+184～K11+154）內(nèi)的路基處治問題，提出了泡沫輕質(zhì)混合土處治方案，該方案處治流程如下：（1）拆除30m 路基范圍內(nèi)路面（搭板及過渡段）；（2）挖除路基土至路床頂面以下2.3m；（3）鋪設(shè)0.3m 厚碎石墊層；（4）澆筑2.0m 厚氣泡輕質(zhì)混合土；（5）調(diào)坡鋪筑路面（8m 搭板+3m 過渡段）。

3.4 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算

為驗(yàn)算路基填筑后橋臺(tái)與路基差異沉降是否滿足工程實(shí)際需求，同時(shí)為泡沫輕質(zhì)混合土材料的選取提供計(jì)算依據(jù)，因此需要對(duì)路基填筑后的沉降進(jìn)行計(jì)算。

3.4.1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

按照規(guī)范[7]，高速公路橋臺(tái)與路堤相鄰處容許工后沉降≤0.1m，同時(shí)由差異沉降引起的縱坡變化應(yīng)控制在0.4%以內(nèi)（該泡沫輕質(zhì)混合土處理范圍為30m，即30×0.4%=0.12m），取兩者較低值。因此，路基沉降設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按≤0.1m控制。

3.4.2 沉降計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[7]，采取壓縮模量Es計(jì)算時(shí)，沉降可按式（1）計(jì)算。

式中：Esi為路基各分層壓縮模量（kPa）；Δpi為路基各分層中點(diǎn)的附加應(yīng)力（kPa）；Δhi為各分層厚度（m）。

計(jì)算過程用理正巖土軟件輔以計(jì)算，路基土層的物理力學(xué)參數(shù)按照地勘資料，如表1 所示，填筑材料分別考慮常見填土和泡沫輕質(zhì)混合土。其中，泡沫輕質(zhì)混合土的重度參考[8-9]等相關(guān)規(guī)范規(guī)定的可取范圍，選擇重度為10kN/m3、6kN/m3的兩種泡沫輕質(zhì)混合土進(jìn)行計(jì)算；常見填土的重度按18.5 kN/m3進(jìn)行計(jì)算。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)表

最終得到各填料的時(shí)間-沉降曲線圖，如圖2～ 圖4 所示。同時(shí)，可得到路基填料為18.5 kN/m3常見填土?xí)r的工后基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.132m；路基填料為10 kN/m3泡沫輕質(zhì)混合土?xí)r的工后基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.107m；路基填料為6 kN/m3泡沫輕質(zhì)混合土?xí)r的工后基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.095m。從計(jì)算結(jié)果可知：（1）填料越輕（即重度越小），路基填筑后沉降越?。唬?）相對(duì)于常見填土，在減小路基差異沉降的問題上，泡沫輕質(zhì)土具有顯著效果；（3）針對(duì)選取的兩種不同重度的泡沫輕質(zhì)混合土，重度為6 kN/m3的泡沫輕質(zhì)混合土計(jì)算得到的沉降為0.095m，小于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)（≤0.1m），能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 常見填土（重度=18.5kN/m3）時(shí)間-沉降曲線

圖3 泡沫輕質(zhì)混合土（重度=10 kN/m3）時(shí)間-沉降曲線

圖4 泡沫輕質(zhì)混合土（重度=6 kN/m3）時(shí)間-沉降曲線

基于上述分析，現(xiàn)場施工采用6 kN/m3的泡沫輕質(zhì)混合土，并按照設(shè)計(jì)處治方案進(jìn)行施工。

3.5 處治效果

處治施工完成后，橋臺(tái)總體平整、無明顯沉降，車輛行至此處時(shí)無跳車現(xiàn)象，行車舒適度得到明顯改善。

為更加直觀地分析和評(píng)價(jià)泡沫輕質(zhì)混合土在江樓中橋橋頭跳車問題處治工程中的應(yīng)用效果，在竹嶼口臺(tái)路基30m范圍（K11+184～K11+154）布設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖5 所示。

圖5 沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：1#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間1 個(gè)月的沉降量為-1.4mm，3 個(gè)月的沉降量為-2.3mm；2#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間1 個(gè)月的沉降量為-1.2mm，3 個(gè)月的沉降量為-2.0mm；3#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間1 個(gè)月的沉降量為-1.3mm，3 個(gè)月的沉降量為-2.3mm；4#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間1 個(gè)月的沉降量為-1.6mm，3 個(gè)月的沉降量為-2.4mm；5#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間1 個(gè)月的沉降量為-1.0mm，3 個(gè)月的沉降量為-2.2mm；6#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間1 個(gè)月的沉降量為-1.8mm，3 個(gè)月的沉降量為-2.1mm（負(fù)號(hào)代表下沉）。

從上述監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出采用泡沫輕質(zhì)混合土處治橋頭路基后，各測(cè)點(diǎn)沉降量較小，監(jiān)測(cè)時(shí)間3 個(gè)月的沉降量均小于3mm，具有良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

橋頭跳車問題的處治方法有很多，例如夯（壓）實(shí)法、換填法、填筑碎石土、注漿法、施加擠密樁等。不同的處治方法應(yīng)結(jié)合其優(yōu)缺點(diǎn)、適用性和工程特點(diǎn)合理應(yīng)用。泡沫輕質(zhì)混合土具有自重輕、可壓縮性低、流動(dòng)性高、施工便利等特點(diǎn)，能有效解決橋頭差異沉降，對(duì)處治橋頭跳車問題有良好的應(yīng)用效果。與計(jì)算得到的路基沉降量相比，實(shí)際監(jiān)測(cè)的沉降量更小，進(jìn)一步說明泡沫輕質(zhì)混合土在處治橋臺(tái)跳車的問題上具有顯著效果。該文結(jié)合平潭島江樓中橋的工程實(shí)際案例，提出了泡沫輕質(zhì)混合土的處治方案，取得了良好的處治效果，對(duì)其他類似工程具有一定的參考意義。