橋頭軟土地基加固對路橋過渡段變形特性的影響

秦浪朝

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041 2.四川省公路院工程監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041)

路橋過渡段常常出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象，主要是路基和橋臺剛度差異導致的[1-3]。再加上，橋臺和路基的沉降特性不盡相同，路橋差異沉降使得橋臺跳車問題隨時間的推移越發(fā)嚴重。學者們對這一工程問題一直十分關(guān)注。吳福泉等[4]通過調(diào)查某市40座既有橋梁橋頭損傷的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)17.5%的公路橋頭存在中等程度以上的跳車現(xiàn)象，橋臺和臺背填土的分離造成橋臺路面彎曲破壞、開裂及沉陷。閆茜和楊廣慶[5]利用ADINA非線性有限元分析軟件，分析了土工格室高度、地基土性質(zhì)、路堤填料性質(zhì)及底層土工格室等因素對路橋差異沉降的影響，對土工格室露橋頭體系的設計優(yōu)化提出建議。姚麗芳[6]通過對橋臺軟基的連續(xù)跟蹤監(jiān)測，分析軟土排水固結(jié)前后的物理力學性質(zhì)變化情況，探討引起橋臺跳車的原因。徐巍[7]認為可通過完善設計及嚴格控制施工質(zhì)量改善或消除橋頭跳車現(xiàn)象。例如，修建足夠強度及長度的橋頭搭板，充分壓實填筑材料，選用適當?shù)奶钪牧?，進行全面的施工監(jiān)理等。馬加存等[8]以京臺高速公路改擴建項目為依托建立車輛振動模型，分析車輛經(jīng)過路橋過渡段時的振動特性，提出道路拼寬段路橋過渡段差異沉降控制方法設計時確定合理的搭板長度十分重要。 鄭少午和劉萌成[9]為研究橋臺后路面結(jié)構(gòu)對過渡段差異沉降的耐受能力，借助ABAQUS分析得到了過渡路段路面結(jié)構(gòu)應力與差異沉降的時空變化規(guī)律。楊愛珍等[10]通過在寧波地區(qū)一些典型的路橋過渡段現(xiàn)場調(diào)查，得出在橋頭限速80 km/h可作為預防該處發(fā)生橋頭跳車的控制標準。袁前勝和伍迪[11]對影響交通荷載作用下的路橋過渡段沉降進行了研究，得出過渡段的形式只對沉降速度有影響，對最終沉降量沒有明顯影響。

在軟土地區(qū)，橋頭跳車現(xiàn)象越發(fā)顯著，在實際工程中，往往需要對軟土地基進行加固處治。因而軟土加固程度對路橋差異沉降的影響還鮮有報道?；诖?，本文開展離心模型試驗，探究不同CFG樁間距對樁基橋臺和臺后路基沉降及二者差異沉降的影響規(guī)律，以期對軟土地區(qū)路橋過渡段設計提供參考和借鑒。

1 路橋過渡段離心模型試驗

1.1 試驗設備

本次離心模型試驗是在西南交通大學離心機上進行的，型號為TLJ-2型，主要技術(shù)指標：最大加速度200 g，有效半徑為2.7 m，有效荷載容量為100 g·t，模型箱尺寸800 mm×600 mm×600 mm。

1.2 模型設計

本次試驗共4組，試驗模型率采用80 g，試驗變量為CFG樁間距，分別為6 d、5 d、4 d和3 d，以表征軟土的加固程度，其余試驗參數(shù)保持一致，試驗模型剖面圖見圖1。模型地基上部土層為飽和粉質(zhì)黏土，下層為硬塑狀老黏土，其物性參數(shù)見表1。路基土采用縮尺后的級配碎石。

表1 地基土模型的物性參數(shù)

由于模型CFG樁經(jīng)模型率換算后，尺寸較小，難以采用原材料(混凝土)進行制作，因此采用鋁合金材料代替，其幾何尺寸的確定按照質(zhì)量、摩擦特性等效原則控制。橋臺樁采用水泥砂漿，配合比為水泥∶水∶石英砂=1∶0.35∶1.2，水泥采用普通32.5R硅酸鹽水泥，標準條件養(yǎng)護28 d。橋臺樁基和CFG樁的幾何尺寸見表2。

測試項目主要是樁基橋臺沉降和臺后路基路基面(距離臺背1 m、5 m和10 m)沉降值，見圖1。沉降采用LVDT進行采集，LVDT元件通過工字鋼夾具固定在模型箱上方，其測試探頭與路基面接觸處安置一塊鋁片，防止插入路基土，以免影響測試精度。

表2 樁體的幾何尺寸 單位：m

1.3 模型制作過程

1)將取自現(xiàn)場的土進行翻曬、碾壓、破碎，過2 mm篩，按照設計的含水率制備濕潤土，然后分層填筑地基模型，并在自重下(80 g)完成地基固結(jié)沉降。

2)采用千斤頂在設計位置安裝樁基橋臺，在設定離心力下使樁基橋臺固結(jié)穩(wěn)定完成。

3)對橋頭地基進行不同樁間距的CFG處治，然后填筑路基土，在80 g下使路基施工期間的地基固結(jié)沉降完成。

圖1 模型試驗布置剖面圖

4)對LVDT數(shù)據(jù)清零，在80 g離心加速度下運行，同時開始記錄數(shù)據(jù)，正式記錄路基填筑完成后不同時間點橋臺和路基的沉降。

圖2 模型制作過程

2 試驗結(jié)果分析

2.1 臺后路基沉降隨時間的變化規(guī)律

在設定離心加速度下，路橋過渡段模型不同軟土地基加固程度的臺后路基不同位置的沉降隨時間變化曲線關(guān)系見圖3，加固程度以CFG樁間距來表征，為了節(jié)約篇幅，僅給出CFG樁間距為6 d和4 d的情況。從圖3中可以看出，臺后路基不同位置的沉降隨時間的變化趨勢大致相同，均呈先迅速增大后逐漸趨于穩(wěn)定，且隨距臺背距離不斷增大，臺后路基沉降發(fā)展趨于穩(wěn)定，所需時間也逐漸增加。具體分析，在軟土CFG樁間距6 d下，路基填筑完成經(jīng)歷42個月后，樁橋臺礎(chǔ)的固結(jié)沉降為17.2 cm，而距臺背1，5，10 m處路基面沉降分別為19.3，22.6，32.3 cm，從而得出橋臺沉降比臺后路基(緊鄰的測點)小于2.1 cm；對于5 d，經(jīng)歷42個月后，樁基橋臺的沉降為16.7 cm，而距臺背1，5，10 m處的路基面沉降分別為17.3，19.5，28.7 cm，橋臺沉降比臺后路基小于0.6 cm；在4 d下，經(jīng)歷42個月后，樁基橋臺的固結(jié)沉降為14 cm，而距臺背1，5，10 m處路基面沉降分別為13.6，19.3，26.5 cm，橋臺沉降大于臺后路基0.4 cm；在3 d下，42個月后，樁基橋臺的固結(jié)沉降為13.7 cm，距臺背1 m，5 m，10 m處路基面沉降分別為10.1，11.5，14.4 cm，橋臺沉降大于臺后路基3.6 cm。可見隨著CFG樁間距的減小，即軟土加固程度的增大，樁基橋臺和臺后路基的沉降均在減小，但前者減小速率小于后者，可以得出這樣的結(jié)論，存在某一CFG樁間距使得地基和地基土固結(jié)沉降完成后，樁基橋臺和臺后路基的沉降相等。

圖3 臺后路基填筑完成后路橋沉降隨時間發(fā)展曲線分布

在實際工程中，工程師希望通過實測的前期數(shù)據(jù)，采用可靠的預測模型，計算工后沉降及總沉降，這對指導設計和施工是大有裨益的[12]。普通路基大量現(xiàn)場實測資料顯示，當路基填筑完成后，其前期(1～2a)沉降增幅速率大，而后期沉降增速逐漸放緩，最終沉降曲線趨于收斂穩(wěn)定，曲線形態(tài)大致呈S形。為驗證臺后路基沉降-時間曲線也遵循類似的分布特點，結(jié)合離心機試驗數(shù)據(jù)，得出臺后路基沉降發(fā)展曲線仍然符合Weibull模型，且預測效果較好，這里僅列出臺后路基1 m處的沉降擬合情況，如圖4所示。從圖中可以看出，采用Weibull模型預測臺后路基沉降，擬合度很高，相關(guān)系數(shù)R2=0.99。另外，樁基橋臺的沉降-時間曲線也適用Weibull模型。因此，路橋過渡段的沉降采用Weibull模型擬合這一技術(shù)路線是可行的。

圖4 臺后路基沉降曲線的Weibull模型擬合

2.2 臺后路基沉降隨臺背距離的變化規(guī)律

為了直觀反映樁基橋臺和臺后路基沉降的不平順性，將臺后路基沉降相對于橋臺的沉降差隨臺背的距離繪制成曲線。這里，設定樁基橋臺的沉降為基準0點，當臺后路基沉降大于橋臺設為正，反之為負，路橋沉降曲線如圖5所示，為了節(jié)省篇幅，這里僅列舉CFG樁間距為6 d和4 d。從圖中可以看出，隨著軟土加固程度(CFG樁間距)的變化，路橋沉降與臺背距離變化曲線形態(tài)出現(xiàn)較大的差異。具體來看，當軟土處理程度較低(如CFG樁間距為5 d和6 d時，見圖5(a))，沉降曲線形態(tài)為下凹形，即沉降隨臺背距離的增大而逐漸降低，且隨時間這一變化趨勢越發(fā)顯著；而當軟土處理程度較高時(如CFG樁間距為3 d和4 d時，見圖5(b))，路橋沉降曲線演變?yōu)椴粚ΨQ的凸形，即沉降隨臺背距離的增大呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，從而出現(xiàn)在臺后路基某個位置與橋臺沉降相等的情況，這意味著近橋臺處路基沉降小于橋臺沉降，而遠橋臺處則大于橋臺沉降，可將其稱為“二次過渡現(xiàn)象”。同時還可以看出，隨著軟土地基加固程度的提高，CFG樁間距的不斷減小，臺后路基沉降小于橋臺的長度范圍也在不斷擴大。

2.3 臺后路基沉降隨軟土加固程度的變化規(guī)律

圖6為路基填筑完成42個月后，臺后不同位置沉降隨軟土CFG不同樁間距(反映軟土加固程度)的變化曲線。從整體來看，隨著CFG樁間距的增大，軟基處理程度越低，樁基橋臺和臺后路基沉降均不斷增大，但各個位置對軟土加固程度的敏感性不盡相同。在近橋臺位置，軟土加固程度的變化對臺后路基沉降影響較小。具體分析，對樁基橋臺，臺后路基填筑完成42個月后，CFG樁間距從5 d到3 d，橋臺沉降減小幅度為24%，而距臺背10 m處的路基沉降則減小54%。這意味著，對過渡段地基處理，采用統(tǒng)一的處治方案是不合理的，也是不經(jīng)濟的，而應該結(jié)合土層具體情況采用變樁距或變樁長的處治方案，重點強化近橋臺處地基的處理程度。同時，從圖中還可以看出，橋頭軟土地基采用CFG樁進行加固時，存在一個最優(yōu)樁間距，使得臺后路基與樁基橋臺的差異沉降為零，其實現(xiàn)路橋沉降曲線形態(tài)的平順性，對本次離心模型情況，最優(yōu)CFG樁間距在4～5 d。

圖5 臺后路基填筑完成后路橋沉降隨臺背距離的曲線分布

圖6 臺后路基填筑后路橋沉降隨CFG樁間距變化關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)臺后路基不同位置的沉降隨時間的變化均呈現(xiàn)先迅速增大后逐漸趨于穩(wěn)定，且隨距臺背距離不斷增大，臺后路基沉降發(fā)展趨于穩(wěn)定所需時間也逐漸增加。

2)臺后路基沉降發(fā)展曲線符合Weibull模型，預測效果較好，路橋過渡段的沉降采用Weibull模型擬合這一技術(shù)路線是可行的。

3)當軟土處理程度較低，沉降曲線隨臺背距離變化形態(tài)為下凹形，而當軟土處理程度較高時，曲線演變?yōu)椴粚ΨQ的凸形。

4)隨著CFG樁間距的增大，樁基橋臺和臺后路基沉降均不斷增大，且存在一個最優(yōu)樁間距，使得臺后路基與樁基橋臺的差異沉降為零。