路橋過渡段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工控制技術(shù)研究

彭周，張暉

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430050）

1 引言

高速公路的設(shè)計(jì)時速高，行車安全性高，滿足了我國日益增長的交通運(yùn)輸需求。為滿足高速公路對線路整體平順度的要求，常通過修建橋梁的方式優(yōu)化道路線形，因此，在高速公路修建過程中常有路橋過渡段的出現(xiàn)。

在路橋過渡段，由于路基和橋梁的剛度相差很大，會造成路橋過渡段的差異沉降，從而在很大程度上降低了車輛行駛的安全性和舒適性。因此，研究路橋過渡段差異沉降產(chǎn)生的原因及其控制措施，合理控制路橋過渡段差異沉降是高速公路建設(shè)中的一個重要問題[1，2]。

2 路橋過渡段沉降成因

在車輛輪載的作用下，路橋過渡段的橋頭處經(jīng)常會出現(xiàn)顛簸，即“橋頭跳車”現(xiàn)象，其根本原因是剛性橋臺結(jié)構(gòu)與柔性路基的剛度差異較大。造成這一現(xiàn)象的主要原因如下。

2.1 路基處理措施不當(dāng)

高速公路路橋過渡段常處于河谷地帶，由于雨水沖刷等自然因素的影響，其地基條件較差。在軟弱地基上修建的高速公路在施工完成后道路與橋梁的沉降是不同的。由于路橋過渡段特殊結(jié)構(gòu)的影響，與橋臺銜接處的路基高度較大，在自重作用下產(chǎn)生的土層壓縮量較大，進(jìn)而導(dǎo)致路橋過渡段產(chǎn)生較大的沉降。另外，不同的地基土的力學(xué)性質(zhì)大不相同，采用不同填料填筑的路基產(chǎn)生的沉降量以及沉降達(dá)到穩(wěn)定所需的時間也不同。對于粉土地基等低壓縮模量的地基，幾年的時間就能完成沉降，對于高壓縮模量的地基，其完成固結(jié)的時間會很長。因此，路基的工后沉降是路橋過渡段差異沉降產(chǎn)生的重要因素[3]。

2.2 路橋結(jié)構(gòu)差異

橋梁結(jié)構(gòu)的剛度較大，而高速公路路基大多為柔性結(jié)構(gòu)。由于路橋過渡段的剛度差異，必定會導(dǎo)致沉降的差異性。路橋過渡段也是車輛輪載作用下的應(yīng)力集中區(qū)域。另外，由于橋臺前后荷載情況不同，橋臺后填土的土壓力使橋臺支護(hù)受到較大的水平推力，在設(shè)計(jì)和施工過程中如果沒有采取相應(yīng)的措施，往往會造成橋臺位移等事故。

2.3 臺背填料填筑

受到路橋過渡段特殊結(jié)構(gòu)的影響，其工作面往往較小，臺背填料填筑施工的質(zhì)量不易控制，其壓實(shí)度不能滿足設(shè)計(jì)要求。即使施工時壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在高速公路后期使用中會受到填料自重和車輛輪載的影響，路基進(jìn)一步壓縮變形，造成橋路過渡段的沉降差異。在橋臺填料土壓力的作用下，橋臺前方的防護(hù)會產(chǎn)生水平方向的位移，這種水平位移會引起路橋過渡段的路基沉降。另外，路橋過渡段由于沉降產(chǎn)生的裂縫會使得地表水滲入路基，導(dǎo)致路基填土出現(xiàn)病害，進(jìn)一步加劇沉降[4]。

2.4 設(shè)計(jì)施工原因

在路橋過渡段的設(shè)計(jì)與施工過程中，臺背填筑的施工工藝、填料的質(zhì)量以及橋臺后排水設(shè)計(jì)都會影響橋臺的施工質(zhì)量。在施工過程中，如果路橋過渡段臺背填料未按設(shè)計(jì)要求填充或使用劣質(zhì)填料，或密實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，都會造成質(zhì)量缺陷。另外，在施工過程中選用的壓實(shí)設(shè)備的壓實(shí)功率達(dá)不到要求，也會導(dǎo)致該處出現(xiàn)沉降過大的問題[5]。

3 路橋過渡段差異沉降控制技術(shù)研究

為控制過渡段路基的差異沉降，必須對基礎(chǔ)進(jìn)行處理。在路基工程中，常見的地基處理方法如圖1所示。

圖1 常見的地基處理方法

在常用的地基處理手段中，選用自然地基是一種比較經(jīng)濟(jì)的地基處理方案。因此，在進(jìn)行地基處理之前，應(yīng)優(yōu)先選擇一種能充分利用天然地基的地基處理方案，以降低施工成本。在實(shí)際工程中，一般采用置換法，先挖除天然地基上部一定范圍內(nèi)的軟弱土，然后置換成為砂、礫石、礦渣等強(qiáng)度較大、壓縮性較小的材料[6，7]。

在路橋過渡段施工中，除了加強(qiáng)地基沉降控制外，還應(yīng)加強(qiáng)路基的沉降控制。在施工過程中，應(yīng)當(dāng)慎重選擇路基填充物，也可以采取各種加固措施，例如，采用鋪設(shè)土工布來提高路基的抗變形能力。

4 工程實(shí)例研究

4.1 項(xiàng)目概況

西南地區(qū)某高速公路工程，線路涉及地區(qū)的地形以山地為主，線路橋隧比占比較高，為保證線路行車的整體平順性，應(yīng)當(dāng)對路橋過渡段差異沉降進(jìn)行控制。

4.2 路橋過渡段差異沉降控制方法

針對實(shí)際工程中遇到的路橋過渡段差異沉降問題，借鑒以往地基處理相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，提出了一種新型路橋過渡段差異沉降控制方法。該過渡段路基材料由壓實(shí)混凝土和改良級配碎石組成，其中，改良級配碎石由碎石、水泥、粉煤灰混合而成。改良級配碎石是指將水泥和粉煤灰與碎石混合，通過混凝土振動器對混合物進(jìn)行振動產(chǎn)生的額類似混凝土的材料，壓實(shí)混凝土與改良級配碎石具有相同的材料組成。

4.3 改良材料配比設(shè)計(jì)

采用以上方法進(jìn)行差異沉降控制的關(guān)鍵在于壓實(shí)混凝土和改良級配碎石的材料配比。本文通過大量試驗(yàn)，對采用不同配比制備的壓實(shí)混凝土路基回彈模量、CBR值（加州承載比）、孔隙率、路基軟化系數(shù)的數(shù)值進(jìn)行測定。其中，路基軟化系數(shù)K定義為經(jīng)過不同天數(shù)浸水軟化后試件回彈模量與未經(jīng)軟化試件回彈模量的比值。

由圖2可知，隨著粉煤灰摻量的增加，壓實(shí)混凝土材料的回彈模量隨時間顯著增加的趨勢較?。粔簩?shí)混凝土施工4 h內(nèi)回彈模量隨粉煤灰摻量的增加而增加；隨著粉煤灰摻量的增加，壓實(shí)混凝土施工后12 h和24 h回彈模量值有所降低；粉煤灰摻量為60%時，材料抵抗變形的能力最強(qiáng)。

圖2 回彈模量隨粉煤灰摻量變化值

由圖3可知，隨著粉煤灰摻量的增加，路基CBR的值逐漸增加，當(dāng)粉煤灰摻量超過60%時，路基CBR值達(dá)到最大。

圖3 C B R隨粉煤灰摻量變化值

由圖4可以知，材料孔隙率隨粉煤灰摻量的變化不明顯。

圖4 孔隙率隨粉煤灰摻量變化值

由圖5所示，隨著粉煤灰摻量的增加材料軟化系數(shù)逐漸增長，說明粉煤灰的加入有利于提高路基水穩(wěn)定性，但隨著浸水時間增加其加固效果有所降低。

圖5 軟化系數(shù)隨粉煤灰摻量變化值

綜合以上結(jié)果，隨著粉煤灰摻量的增加，材料回彈模量不隨時間增長而顯著增加，這種特性對于消除路橋過渡段差異性沉降是非常重要的。其原因在于粉煤灰的混凝過程一般較快，強(qiáng)度上升較快。對于上述改良材料，施工后路基初期的強(qiáng)度由粉煤灰以及碎石提供，隨著水泥逐漸凝固，其強(qiáng)度逐漸上升，在施工后的12 h、24 h，路基強(qiáng)度由水泥、粉煤灰、碎石共同提供，于普通路基填筑材料相比，減小了施工初期的沉降，增大了路基整體剛度，對控制路橋過渡段差異沉降的控制具有積極意義。粉煤灰還會在一定程度上提高路基的承載能力以及抵抗水損害的能力。根據(jù)以上結(jié)果，選取60%粉煤灰+40%水泥的混合物進(jìn)行路橋過渡段的施工。

4.4 路橋過渡段沉降控制效果

4.4.1 數(shù)值模擬

為了探究采用以上新型路基填筑材料對路橋過渡段差異沉降的控制效果，針對路基填筑材料的相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測定。依托實(shí)際工程，采用Midas Civil 2020建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元計(jì)算模型

通過有限元計(jì)算得出，采用新型路橋過渡段填筑材料前后路基沉降分布曲線如圖7所示。

圖7 路基沉降分布

在過渡段，采用新型填筑材料的路基最大沉降量小于未采用新型填筑材料的最大沉降量；尤其是在路橋過渡段靠近橋臺的一側(cè)，采用新型填筑材料后沉降比原設(shè)計(jì)要小得多；在路基一側(cè)，兩種設(shè)計(jì)的最大沉降量基本一致。路橋過渡段差異沉降的減小，主要有以下幾個原因：

首先，采用壓實(shí)混凝土對橋臺處路基進(jìn)行填筑，由于壓實(shí)混凝土的承載能力及其回彈模量較高，橋臺處填料在自重以及施工荷載下引起的壓縮量較低，橋臺處擋土墻的水平位移較小，降低了橋臺附近路橋過渡段的沉降。同時，隨著填料強(qiáng)度的增加，很大程度上降低了路基路面產(chǎn)生裂縫的可能，減少了由于地表水下滲引起的路基內(nèi)部病害。

4.4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證新型路橋過渡段填料的沉降控制效果，本文依托西南地區(qū)某高速公路標(biāo)段路橋過渡段的施工，將降觀測儀器埋設(shè)于墊層表面層頂部，距橋臺約25 m，以便定期觀測。詳細(xì)的觀測結(jié)果如圖8所示。

圖8 觀測點(diǎn)累計(jì)沉降觀測結(jié)果

由圖8可知，施工后20 d，現(xiàn)場實(shí)測沉降量為3.2 mm，與數(shù)值分析結(jié)果一致。40 d后，沉降量基本穩(wěn)定，施工后最大沉降量小于5 mm，滿足規(guī)范要求。因此，路橋過渡段新型填料在實(shí)際工程中的應(yīng)用是可行的。

5 結(jié)論

本文對路橋過渡段差異沉降形成的原因及其控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了一種新型路橋過渡段填料。依托實(shí)際工程，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對其沉降控制效果進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

1）新型路基填筑填料中，由于粉煤灰的存在，使得填料的強(qiáng)度上升較快，填補(bǔ)了傳統(tǒng)路基填料前期強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，對于路橋過渡段差異沉降的控制具有積極意義。新型路基材料的承載能力高，也會進(jìn)一步降低路基施工后的沉降。另外，新型路基填料抗水損害的能力較強(qiáng)，對于容易受到降水影響的橋臺等部位具有很好的沉降控制效果。

2）采用新型路基填筑材料后，由于其前期強(qiáng)度上升較塊，大大減小了橋臺處路基的沉降。由于臺背處填料強(qiáng)度較高，在自重以及車輛荷載作用下的壓縮量較低，橋臺處擋土墻的水平位移較小，從而減少了橋臺附近的沉降。