EPS联合轻型U槽在城市道路中的应用

2014-12-25白兰兰

交通运输研究 2014年20期

白兰兰

（江苏省交通科学研究院股份有限公司，江苏南京210000）

0 引言

由于桥头（桥台与路基交界处）位置的特殊性，路基填筑施工质量难以控制，并且由于桥台与路堤结构的差异使得桥头处容易产生不均匀沉降，这对道路的使用寿命、行车舒适性和安全性影响极大。目前，减少或控制桥头与路基衔接处的差异沉降是软基上修建道路或桥梁的难题[1]。通常可以采取地基处理和轻质路堤填料两种方法来减少差异沉降，其中采用EPS（Expanded Polysty⁃rene）轻质填料填筑桥台台背属于后一种类型。EPS 用于桥台与路基交界处的填料，密度仅为20～30kg/m3，是一般土石混合料的1/60～1/90，可以有效地减少台背沉降，进而减少差异沉降，避免桥头跳车的发生。

EPS材料是一种轻型高分子聚合物。它是将聚苯乙烯树脂加入发泡剂，同时加热进行软化，产生气体，形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。路用EPS 密度常为20～30kg/m3，抗压强度可达到100～180kPa，具有超轻性、耐压缩性、自立性、耐水性和施工简单、方便、快捷等优点。EPS作为路基轻质填料，对于消除在软弱地基上修筑路堤和桥头路堤时产生的路基沉降或差异沉降等有显著效果[2]。

1 工程概况

南京市某工程为实现江东路与纬七路的快速交通的衔接，有效分流纬七路沿线的交通压力，需在原江东路接近应天高架位置设置高架桥。根据地质勘察报告，该高架桥桥头区域下覆21.5～25.5m 淤泥质粉质黏土（其力学参数详见表1），且下有正在运行的南京地铁2 号线，地铁结构顶埋深距离地面9.01～11.24m。根据《南京市轨道交通管理条例》：隧道结构外边线外侧5m 范围为控制保护区，本项目进入地铁二号线左线控制保护区桩号范围为K4+935～K5+021，共86m，其中进入宽度范围为6.47～6.62m。该段填土高度为0.6～3.2m，为保证地铁的安全运营，要求保护区范围内荷载不大于20kPa，为保证道路的行车舒适性，桥头工后沉降要求不超过10cm。

表1 地基土物理力学参数表

2 项目特点

预处理路基位于桥头位置，工后沉降要求高，工后沉降不得超过10cm。

预处理路基位于地铁保护区范围，下覆地铁，为保证地铁的安全运营，附加荷载不允许超过20kPa，按照一般土方填筑，填土高度为3.2m，附加应力为60.6kPa，荷载远超过地铁安全运营要求的20kPa。

项目区域，软土较厚，按照常规采用一般填料方案进行路基填筑，工后沉降19.6cm，远超过规范容许工后沉降要求的10cm。

3 路基处理方案选择

常规的软土区域路基填筑，多选用复合地基处理方案，本项目下覆软土深度达25.5m。按照常规需要采用复合地基处理，但是在原地面以下9m 位置处，开始有地铁分布，不能进行复合地基处理，且地铁安全运营荷载要求较高，一般路基填筑土均不能满足荷载要求。项目与地铁的平面关系和纵面关系分别如图1、图2 所示。根据项目区域施工经验，考虑到本项目工期较紧，最终项目推荐采用EPS 轻质路堤填筑方案。

图1 项目于地铁平面关系

图2 项目于地铁纵断面关系（单位：m）

4 EPS轻质路堤横断面设计

4.1 常见EPS路堤横断面形式

采用EPS路基填筑方案时，为了使EPS块体的受力均匀，在EPS顶面与路面结构层之间现浇一层10～20cm 的钢筋混凝土板，以改善EPS 的受力特性，防止由于应力集中而造成EPS的破坏。再加上EPS属高分子材料，应采取必要措施，防止有害物质和明火侵入，遮断日光紫外线的直接照射，防止啮齿动物对EPS块体的损害。为此，需对EPS块体外设置防护，目前有三种方式，即黏土包边（见图3）、悬臂式挡土墙（见图4）和柱板式挡墙[3]（见图5）。本项目位于主辅分离桥头，且位于城区，只能采用悬臂式挡墙和柱板式挡墙形式。通过分析发现，当采用悬臂式挡墙时，挡墙基底附加应力将达到34.5kPa，当采用柱板式挡墙形式时，柱板下基底压力为25.8 kPa，均不能满足地铁要求的20kPa（见表2），因此本项目EPS路基填筑断面需进行特殊设计。

图3 黏土包边横断面图

图4 悬臂式挡墙横断面图

图5 柱板结构横断面

表2 常规EPS路基断面基础底部压力一览表

4.2 本项目路堤横断面形式

考虑到目前的横断面形式，均只在基底处产生的附加应力较大，其他处荷载均能满足要求，由于EPS 本身荷载较小，路面结构方案基本一致，因此上部荷载基本恒定。为减少基底处荷载较大，对荷载进行均布处理，即将混凝土基础延伸至整个路堤底部，即U 槽方案。本项目内侧填充EPS且设置空隙，外侧无土体，即U槽基本不承受侧向压力，跟传统的U槽侧面受较大的土压力不一样，因此U槽侧墙可做的相对轻盈，称为轻型U槽方案（见图6）。

图6 轻型U槽断面图

为尽量减少附加应力，可用EPS置换部分地下填土，本项目地铁要求附件应力不超过20kPa，结合老路路面厚度为60cm，考虑到老路路面进行挖除，暂定置换土厚度为60cm。考虑到尽量减少上部荷载对U槽侧壁的竖向压力，采用连续配筋路面结构，将路面厚度减少至36cm，即“4cm SBS沥青玛蹄脂碎石混合料+6cm SBS 改性沥青碎石混合料AC—20C+26cm连续配筋混凝土基层”。

为尽量减少EPS 块体对U 槽侧壁的侧向压力，在EPS 块体之间和U 槽侧壁预留一定的间隙，从EPS 的物理力学特性可知，其泊松比近似可取0.1。当抗压强度取应变为1%的压应力为容许抗压强度时，3m 路堤的垂直变形可达3cm，再考虑到汽车荷载等因素，取5cm[3]。同时为了防止雨水对EPS块体的作用，在U槽和EPS块体之间铺设一层砂垫层和防渗土工布，并在U 槽底部设置PVC 排水管及时排除下渗积水。为减少混凝土的温缩裂缝，轻型U 槽每10m 设置一沉降缝，沉降缝缝宽2cm，采用三油两毡。

4.3 U槽结构设计

（1）U槽主体结构设计

U 槽混凝土强度采用C40，为尽量减少U 槽本身的荷载，U 槽侧壁满足最小现浇施工厚度即可，取20cm，由于U 槽两侧不承受压力，仅进行构造配筋，设置二层Φ10mm（间距15cm）钢筋网，并在两层钢筋网片之间设置Φ10mm 钩筋，钩筋间距30cm，呈梅花形布置。U 槽底部厚25cm，主要承担传递荷载作用，经计算基底应力仅为15.29kPa，因此U槽底部也仅进行构造配筋，即纵向设置二层Φ12mm钢筋，间距15cm，横向设置二层Φ12cm钢筋，间距为15cm。经验算，承载力和裂缝宽度均满足要求。

（2）U槽抗浮验算

由于EPS属超轻质材料，若浸在水中，将受浮力的影响，EPS 的上部结构受到垂直向上的荷载，将使路基处于不稳定状态。在进行EPS轻质路基设计时必须进行浮力验算，要求浮力的安全系数FS＞1.2。本项目使用阶段按最不利荷载组合计算，垂直荷载仅考虑结构自重，考虑到快速路的重要性，结合地方防洪水位要求，抗浮水位取原地面以上0.5m。经计算结构抗浮安全系数为1.39，满足要求。

（3）U槽稳定性验算

本项目U 形槽存在2.2m 的悬臂，应进行整体稳定性验算，对于U槽底板，按照弹性地基梁进行计算，汽车荷载按照换算90cm 土柱考虑，经计算整体稳定安全系数为1.75，满足要求。

4.4 连续配筋混凝土配筋设计

连续配筋混凝土板厚度为0.26m，混凝土的强度等级为C40，根据允许裂缝间距（1.0～2.5m）、缝隙宽度（＜1mm）和钢筋屈服强度验算结果，此次纵向配筋率取0.7%，纵向钢筋采用直径为18mm的螺纹钢筋，间距14cm，横向钢筋采用直径为12mm的螺纹钢筋，设在纵向钢筋下方，布置间距为0.50m，参见图7和图8。