某高速公路桥头路基沉降处治设计

李艳明

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着中西部战略的逐步推广深入，山西省高速公路建设持续快速增长，根据高速公路网总体规划，高速公路建设已经走向山区，桥梁等构造物在高速公路中所占比例越来越高。在施工过程中，由于工期紧张而导致路基填方施工过快，自然沉降时间太短、压实度不够等因素的存在，桥头路基出现较大沉降，致使公路通车运营后发生桥头跳车的几率大大增加。桥头跳车是公路运营阶段最常见的病害之一，轻者造成车辆颠簸突跳，重者造成追尾翻车等交通事故，严重影响汽车运行的舒适性和安全性。桥头路基的不均匀沉降是形成桥头跳车最主要的原因，因此，有效控制桥头与路基衔接处的路基沉降对提高行车安全和舒适性具有较大的现实意义。

1 工程概况

某高速公路桥头段路基为填方路基，路基平均宽度为36.5 m，填方平均高度为8 m，路基自重及路面荷载传至路基底面的均布荷载为175 kPa。根据地勘钻孔资料，地基土0～13 m为软土层，其中0～6 m软土层平均压缩模量Es=6.0 MPa，其天然承载力约150 kPa，6～13 m软土层平均压缩模量Es=7.4 MPa；以下为较厚的密实砂卵石层，其压缩模量Es=85 MPa。

为防止该段桥头路基出现较大沉降，是否在设计阶段对软土地基进行处治提供数据支撑，通过计算确定该段路基在运营期沉降变形量是否满足规范要求。最终变形量按《公路桥涵地基与基础设计规范》[1]计算，计算公式如下：

式中：S为地基最终变形量，mm；S0为按分层总和法计算出的地基变形量；φs为沉降经验系数，可根据沉降计算范围内压缩模量的当量值和基地附加压应力值确定，其中n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；P0为对应于荷载长期效应组合的基础底面处的附加压力，kPa；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，MPa；Zi、Zi-1为基础底面至第i层土、第 i-1层土底面的距离，m；ai、ai-1为基础底面计算点至第 i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，按《公路桥涵地基与基础设计规范》[1]附录M取用。

在进行沉降计算时，考虑在软土层下为较厚的密实砂卵石层，且其压缩模量为Es=85 MPa，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》[1]，沉降变形计算深度可取至密实砂卵石层表面，本文按Zn=13 m计算。根据上述公式计算，路基沉降变形量计算见表1。

表1 路基沉降变形量计算

依据以上计算结果，可知该处桥头路基沉降变形量不满足规范要求，需在设计阶段对该处软土地基提出处治方案。

2 沉降处治设计

在高速公路建设中根据项目所在地不同地质条件，通常可采用换填法、强夯法、振冲法、挤密桩法和水泥搅拌桩法等进行地基加固处理。本项目地勘资料显示，该处桥头路基软土地基天然含水量35%，pH值=6。根据《建筑地基处理技术规范》[3]的规定，被加固软土的天然含水量30%～70%、pH值＞4时，适宜采用干法（粉体）喷搅桩加固，故本工程可采用水泥搅拌桩法进行桥头路基软土地基沉降处治。该处桥头路基软土地基软土层厚13 m，软土层下为较厚的密实砂卵石层，根据以往工程经验，设计水泥搅拌桩拟采用桩径d=0.5 m，呈正三角型布置，桩长l=13 m，穿透整个软土层，将桩端设于（嵌入）密实砂卵石层上，桩间距s=1.2 m。固化剂选用强度等级为32.5级的普通硅酸盐水泥，水泥搅拌桩水泥土试块室内试验抗压强度fcu=2 000 kPa，搅拌桩压缩模量Ep=120fcu。

2.1 复合压缩模量计算

2.2 沉降变形量计算

根据《公路路基设计规范》[2]，加固土桩复合地基的沉降量应按复合地基加固区的沉降量S1和S2加固区下卧层的沉降量两部分来计算。加固区的沉降量S1采用复合压缩模量法计算，下卧层的沉降量S2采用压缩模量法计算。鉴于在本工程设计时按桩体全部穿透软土层考虑，而加固区下卧层为较厚的密实砂卵石层其压缩模量为85 MPa，复合地基的沉降量计算可不考虑S2，只计算S1，即S1数值即为总沉降量。

由以上计算结果可知，采用干法（粉体）喷搅桩加固该处桥头路基软土地基后，可满足高速公路桥头与路基相邻处容许工后沉降变形量控制要求，该设计方案可行。

2.3 复合地基承载力计算

为保证经过处理后的软土地基复合地基承载力满足路基基底附加压力的要求，根据《建筑地基处理技术规范》[3]，对处理后的复合地基承载力进行计算复核。水泥土搅拌桩复合地基承载力按照下面公式进行计算。

公式中Ra为单桩竖向承载力特征值，kN，λ为桩身强度折减系数，本工程取0.25；fcu为水泥搅拌桩水泥土试块室内试验抗压强度，kPa；Ap为桩的截面积，m2；m为面积置换率；β为桩间土承载力折减系数，本工程取0.8；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，在无相关经验时，可采用天然地基承载力特征值。

根据《建筑地基处理技术规范》[3]，复合地基承载力应不小于175 kPa，由以上计算结果可知，采用干法（粉体）喷搅桩处理该处桥头路基软土地基后，其复合地基承载力满足规范要求。该设计方案可行。

2.4 施工注意事项

a）粉喷施工前应仔细检查搅拌机械、供粉泵、送气（粉）管路、接头和阀门的密封性、可靠性。送气（粉）管路的长度不宜大于60 m。

b）搅拌头每旋转一周，其提升高度不得超过16 mm。

c）当搅拌头达到设计桩底以上1.5 m时，应立即开启粉喷机提前进行粉喷作业。当搅拌头提升至地面以下500 mm时，粉喷机应停止粉喷。

d）施工过程中应保持搅拌桩机地盘的水平和导向架的竖直，搅拌桩的垂直偏差不得超过1%；桩位的偏差不得大于50 mm；成桩直径和桩长不得小于设计值。

3 结束语

根据桥头软土地基成桩后沉降变形量和复合地基承载力计算结果可知，采用干法（粉体）喷搅桩处理后的桥头路基能够满足高速公路相关规范要求，有效降低了高速公路通车运营后发生桥头跳车的可能，提高了行车的安全性和舒适性，该设计处治方案合理可行。干法（粉体）喷搅桩由于施工简单、取材方便，可以有效减少沉降、降低地基压缩性、提高地基的承载力等，现已广泛用于各类工程中，实际处理效果良好。