深厚軟土區(qū)路橋過渡段差異沉降控制

何長明 彭功勛

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東廣州 510060）

0 引言

路橋過渡段的“橋頭跳車”嚴重影響行車安全性和舒適性，也直接影響了道路的服務水平。國內(nèi)外學者對此問題開展了廣泛研究和深入探討[1?3]，美國和加拿大等國家從20世紀60年代開始對橋頭引道沉降問題開展了調(diào)查；日本針對修建在軟土地基上的高速公路，提出了路橋過渡段處理措施；德國也根據(jù)橋頭路基調(diào)查狀況，提出了臺背填料的預壓要求。

我國自20世紀90年代初開始成規(guī)模建設高速公路，受到當時設計、施工等條件限制，前期建設的高速公路通車不久就受到橋頭路基沉降影響，引起橋頭跳車現(xiàn)象，我國自此開始了“橋頭跳車”的相關研究。1996年發(fā)布的《公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范》首次以規(guī)范形式明確了路橋過渡段的容許工后沉降值。此后針對軟土路段采取復合地基[4?5]、加筋路堤[6]、氣泡混合輕質(zhì)土[7]、剛?cè)徇^渡[8]等不同方案減少路橋過渡段的差異沉降。21世紀初我國高速鐵路建造技術取得突破性進展，高速鐵路對路橋過渡段提出了更高的要求[9]，促進了路橋過渡段地基處理技術的發(fā)展。

對于軟土埋深大于20～25 m的深厚軟土區(qū)，水泥攪拌樁、CFG樁、素混凝土樁等常規(guī)復合地基樁體難以穿透軟土層。為確保深厚軟土區(qū)路橋過渡段的工后沉降滿足規(guī)范[10]要求，有必要采取針對性的措施協(xié)調(diào)路橋過渡段的差異沉降。

本文將深厚軟土區(qū)路橋過渡段差異沉降控制過渡方案分為剛性、柔性和剛–柔結(jié)合三種，結(jié)合工程實踐開展了相關研究。

1 深厚軟基區(qū)路橋過渡段沉降控制

深厚軟土路段橋涵基礎一般采用樁基礎，多數(shù)為嵌巖樁，以中、微風化巖層為樁端持力層；部分摩擦樁以全、強風化巖層為樁端持力層，基底沉降小，且混凝土樁身的壓縮變形小，因此橋涵的工后沉降很小，一般都控制在1 cm以內(nèi)。而對于路基若采用如此高的變形控制標準則成本過于高昂，因此，現(xiàn)行《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30?2015）[10]允許的路基工后沉降為10～20 cm。這一差異的存在就需要通過兩者的銜接段進行過渡消化，以避免產(chǎn)生橋頭跳車現(xiàn)象，影響行車的安全性和舒適性。由此，處理好路橋過渡段的差異沉降成為深厚軟土區(qū)軟基處理的重點和難點。

目前常用的水泥攪拌樁、CFG樁、素混凝土樁等復合地基，具有施工工藝簡單、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，但其有效處理深度一般不超過20～25 m[5]。因此，對于超過這一深度的深厚軟土路基，如采用上述幾類處理方式，樁尖難以進入有效持力層，在路堤自重荷載、汽車荷載作用下，樁尖可發(fā)生刺入破壞，樁體難以提供預期的承載力，橋頭路基的整體工后沉降偏大，橋頭跳車現(xiàn)象不能有效消除。

通過大量的工程實踐，目前已形成了若干軟基處理過渡方案，以達到深厚軟基區(qū)路橋過渡段差異沉降的有效控制。本文將這些過渡方案歸納為三類，即：剛性過渡方案、柔性過渡方案、剛–柔結(jié)合過渡方案。并對三類過渡方案進行工程實踐和效果驗證。

2 剛性過渡方案

剛性過渡方案是指路橋過渡段主要采用豎向剛度大的剛性樁作為豎向增強體的軟基處理方案。剛性樁主要包括鉆孔灌注樁、預應力管樁、筒樁等。其中，鉆孔灌注樁和筒樁樁徑較大、造價高，常用于橋梁樁基；復合地基處理則一般采用小樁徑、高強度的預應力管樁。

2.1 適用范圍

剛性樁具有強度大、處理深度大、造價高的特點。一般適用于處理深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴格的高路堤段、橋頭或通道與路堤銜接段。

2.2 工程概況

中山市翠亨新區(qū)某城市主干路，長約3.0 km，道路紅線寬 42 m，橋頭路段路堤高 4.0 m（包括路面結(jié)構(gòu)的等效厚度），路堤坡率為 1∶1.5，路基底面寬54 m。路堤土重度20 kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角30°。地基巖土層參數(shù)見表1。

表1 地層情況

2.3 方案概述

本項目軟土深厚（31.5 m），橋梁采用鉆孔灌注樁基礎，一般路段采用預應力管樁復合地基處理，路橋過渡段也采用預應力管樁復合地基，采用正方形布置，管樁間距2.5 m。

管樁選用直徑D＝400 mm、壁厚t＝95 mm，A型樁，混凝土強度等級為 C80，彈性模量為38000 MPa。為充分發(fā)揮預應力管樁的單樁承載力，避免樁頂刺入式破壞，樁頂設置1.2 m×1.2 m×0.35 m的C30混凝土托板，上部鋪60 cm厚碎石墊層，并在托板頂設置一層雙向土工格柵（見圖1）。

圖1 預應力管樁復合地基處理示意圖

路橋過渡段預應力管樁樁長采用漸變樁長，即：臨近橋臺及搭板下的預應力管樁進入持力層深度大，承載力高，沉降變形??；臨近一般路基處管樁進入持力層深度較小，沉降變形較大；兩者之間樁長逐漸變化（見圖2）。

圖2 預應力管樁復合地基路橋過渡段示意圖

2.4 沉降計算

剛性樁復合地基總沉降s包括樁帽刺入量s1、樁底刺入量s2和下臥層沉降s3，其中樁帽刺入量s1和樁底刺入量s2按照《廣東省公路軟土地基設計與施工技術規(guī)定》計算，下臥層沉降s3采用分層總和法計算，沉降計算詳見表2。

表2 預應力管樁復合地基沉降計算表

據(jù)表2可見，隨著剛性樁（預應力管樁）樁長的增加，下臥層沉降逐漸降低，特別是樁長進入強風化巖石（H＞39.8 m）后，樁底刺入量和下臥層沉降同步下降，均已小于樁帽刺入量。同時，隨著路橋過渡段樁長H從橋頭處的40 m漸變至一般路基處的32 m，工后沉降由23.03 mm漸變增加為85.43 mm。

2.5 實施效果

預應力管樁施工完成后進行單樁承載力和復合地基承載力檢測。并進行了地表沉降監(jiān)測，觀測資料顯示：路基填筑施工完成時，地基發(fā)生的最大沉降50 mm，累計沉降58 mm，工后預壓6個月（預壓土厚度1.0 m），產(chǎn)生18 mm的沉降量，其后沉降趨于穩(wěn)定，總沉降量和計算沉降量相當。道路運營已逾一年，路橋過渡段行車舒適性良好。

3 柔性過渡方案

柔性過渡方案是指路橋過渡段采用剛度較小的水泥攪拌樁、高壓旋噴樁等柔性樁作為豎向增強體或預壓處理地基，或兩者組合的軟基處理方案。

3.1 適用范圍

柔性過渡方案一般結(jié)合輕質(zhì)填筑材料一起使用。因減小了附加荷載，當在地表以下形成一定厚度的硬殼層時，即可不進行深層軟基處理。適用于路基填土不厚、附加荷載較小，或需要較大幅度減輕路堤質(zhì)量的橋頭、拓寬、墻背路段。當橋頭軟土硬殼層較薄、承載力較低時，一般先對表層軟土進行加固處治或?qū)σ欢ㄉ疃鹊能浕M行處理，再填筑氣泡混合輕質(zhì)土。

3.2 工程概況

江門市某道路路基頂寬30 m，一般路基段填土厚度1～2 m，橋頭段路堤高3.0 m，地基巖土層情況見表3。

表3 各地層的有關物理力學性質(zhì)參數(shù)表

3.3 方案概述

由于軟土深厚（36 m），路堤填土厚度小，采用剛性樁復合地基容易造成“蘑菇形”凸起。一般軟土路段采用真空聯(lián)合堆載預壓法處理，橋頭路段在真空預壓后填筑氣泡混合輕質(zhì)土。該方案利用了真空預壓加固效果明顯、處理費用低的優(yōu)點，也充分利用氣泡混合輕質(zhì)土重度小、附加應力小的特點（見圖3、圖4）。

圖3 真空預壓+氣泡混合輕質(zhì)土處理示意圖

圖4 真空預壓+氣泡混合輕質(zhì)土路橋過渡段示意圖

氣泡混合輕質(zhì)土在底層設置10 cm厚的透水砂墊層，在砂墊層上部設置一層防滲土工布，然后立模澆筑氣泡混合輕質(zhì)土?；旌贤林囟?～10 kN/m3，抗壓強度0.8～1.0 MPa。

3.4 實施效果

真空預壓期間對軟基的地表沉降、膜下真空度、孔隙水壓力、深層水平位移進行監(jiān)測，處理完成后重新取樣對原狀土進行檢測。

施工期間監(jiān)測結(jié)果如下：膜下真空度一直保持在80 kPa以上，地表沉降在6～8個月后趨于穩(wěn)定，道路中樁最大沉降近2.0 m。

通車1年后橋頭處沉降小于10 mm。

4 剛–柔結(jié)合過渡方案

剛–柔結(jié)合過渡方案介于剛性過渡方案和柔性過渡方案之間，一般采用長短樁組合樁形式，長樁為剛性樁，需穿透軟土層進入持力層，以減少路橋過渡段整體工后沉降；短樁為柔性樁，不需穿透軟土層，僅加固上層軟土，提高樁間土的承載力。該方案既利用了剛性樁承載能力強、處理深度大的優(yōu)點，又結(jié)合了柔性樁造價低、施工方便的特點。

4.1 適用范圍

剛–柔結(jié)合過渡方案一般適用于處理深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴格的高路堤段、橋頭或通道與路堤銜接段。

4.2 工程概況

珠海橫琴某次干路，道路紅線寬36 m，一般路段填土厚度約2 m，橋頭路段路堤高3.5 m，地基巖土層情況見表4。

表4 各地層的有關物理力學性質(zhì)參數(shù)表

4.3 方案概述

本項目一般路段采用雙向水泥攪拌樁處理，樁長15～20 m，未穿透軟土層。橋梁基礎采用鉆孔灌注樁，樁端進入中等風化花崗巖。為協(xié)調(diào)路橋間的沉降差異，路橋過渡段采用長短樁復合地基方案。其中長樁采用預應力管樁，混凝土強度等級C80，管樁直徑0.4 m，采用正方形布樁，樁間距3.0 m，頂部設置1.2 m×1.2 m托板，長樁進入持力層不小于2.0 m；短樁采用雙向水泥攪拌樁，樁徑0.5 m，按正方形布設，樁間距1.5 m，樁長10～15 m（見圖5、圖6）。路橋過渡段采用漸變樁長，臨近橋臺處預應力管樁樁長進入持力層深度大，臨近一般路基處采用變樁長水泥攪拌樁銜接，通過樁型、樁長漸變實現(xiàn)過渡段沉降的平順過渡。

圖5 長短樁復合地基處理示意圖

圖6 長短樁復合地基路橋過渡段處理示意圖

4.4 主要參數(shù)的計算

剛–柔結(jié)合過渡方案的沉降主要由剛性樁控制，沉降計算詳見表5（計算方法同2.4節(jié)）。

據(jù)表5可知，隨著剛性樁（預應力管樁）樁長的增加，下臥層沉降明顯降低。路橋過渡段采用變樁長布置時，樁長H由40 m漸變至32 m時，工后沉降由39.93 mm漸變?yōu)?9.81 mm。

表5 長短樁復合地基沉降計算表

4.5 實施效果

長短樁復合地基施工期間，進行了地表沉降監(jiān)測，觀測資料顯示：路基填筑施工完成時，地基發(fā)生的最大沉降60 mm，累計沉降65 mm，工后預壓6個月（預壓土1.0 m），產(chǎn)生15 mm的沉降量，其后沉降趨于穩(wěn)定，總沉降量與計算值接近。通車1年后橋頭處沉降小于10 mm，行車舒適。

5 技術經(jīng)濟比選

由于前文案例地質(zhì)情況有所差異，為提高可比性，以一個深厚軟土區(qū)的路橋過渡段工點為基礎，基于上述經(jīng)驗證的計算方法，對不同方案的實施效果和工程經(jīng)濟性進行比較。所選工點基本參數(shù)為：道路路基頂寬30 m，底寬39 m，路基填土厚度3.0 m，過渡段長度20 m，軟基處理深度30 m。

采用上述3種過渡方案軟基處理方式對路橋過渡段進行處理，從施工周期、施工效果等方面進行比選（見表6）。

表6 一個橋頭軟基處理技術指標表

據(jù)表6可知，剛性過渡、剛–柔結(jié)合過渡方案施工周期短，施工期沉降量小，處理后復合地基承載力高；柔性過渡方案施工周期長，施工期沉降量大，處理效果明顯，但處理后地基承載力不高。

上述三種過渡方案的造價對比分析見表7。

由表7可見，剛性過渡方案造價最高，剛–柔結(jié)合過渡其次，柔性過渡方案造價最低。而隨著處理深度的增加，柔性過渡在造價上優(yōu)勢更為明顯。

表7 一個橋頭軟基處理造價分析表萬元

6 結(jié)論

為合理控制深厚軟土區(qū)路橋過渡段的差異沉降，需結(jié)合橋梁具體情況和一般路段的軟基處理方式，合理選擇路橋過渡段的軟基處理過渡方案。

當橋梁采用樁基礎時，可按如下原則確定過渡方案：

（1）一般路段采用剛性樁復合地基時，路橋過渡段宜采用剛性過渡方案，可采用剛–柔結(jié)合過渡方案；通過剛性樁樁長的漸變來達到沉降的平順過渡。

（2）一般路段采用柔性樁復合地基時，路橋過渡段宜采用剛–柔結(jié)合過渡方案，通過樁型、樁長漸變實現(xiàn)過渡段沉降的平順過渡。

（3）一般路段采用排水固結(jié)法處理，且橋頭路基填土薄時，宜采用柔性過渡方案，橋頭路段可在真空預壓后填筑氣泡混合輕質(zhì)土以減小附加荷載；填土厚時可采用剛–柔結(jié)合過渡方案，通過樁型、樁長漸變實現(xiàn)過渡段沉降的平順過渡。