深厚软土区路桥过渡段差异沉降控制

2021-10-20何长明彭功勋

岩土工程技术 2021年5期

何长明彭功勋

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510060）

0 引言

路桥过渡段的“桥头跳车”严重影响行车安全性和舒适性，也直接影响了道路的服务水平。国内外学者对此问题开展了广泛研究和深入探讨[1−3]，美国和加拿大等国家从20世纪60年代开始对桥头引道沉降问题开展了调查；日本针对修建在软土地基上的高速公路，提出了路桥过渡段处理措施；德国也根据桥头路基调查状况，提出了台背填料的预压要求。

我国自20世纪90年代初开始成规模建设高速公路，受到当时设计、施工等条件限制，前期建设的高速公路通车不久就受到桥头路基沉降影响，引起桥头跳车现象，我国自此开始了“桥头跳车”的相关研究。1996年发布的《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》首次以规范形式明确了路桥过渡段的容许工后沉降值。此后针对软土路段采取复合地基[4−5]、加筋路堤[6]、气泡混合轻质土[7]、刚柔过渡[8]等不同方案减少路桥过渡段的差异沉降。21世纪初我国高速铁路建造技术取得突破性进展，高速铁路对路桥过渡段提出了更高的要求[9]，促进了路桥过渡段地基处理技术的发展。

对于软土埋深大于20～25 m的深厚软土区，水泥搅拌桩、CFG桩、素混凝土桩等常规复合地基桩体难以穿透软土层。为确保深厚软土区路桥过渡段的工后沉降满足规范[10]要求，有必要采取针对性的措施协调路桥过渡段的差异沉降。

本文将深厚软土区路桥过渡段差异沉降控制过渡方案分为刚性、柔性和刚–柔结合三种，结合工程实践开展了相关研究。

1 深厚软基区路桥过渡段沉降控制

深厚软土路段桥涵基础一般采用桩基础，多数为嵌岩桩，以中、微风化岩层为桩端持力层；部分摩擦桩以全、强风化岩层为桩端持力层，基底沉降小，且混凝土桩身的压缩变形小，因此桥涵的工后沉降很小，一般都控制在1 cm以内。而对于路基若采用如此高的变形控制标准则成本过于高昂，因此，现行《公路路基设计规范》（JTG D30−2015）[10]允许的路基工后沉降为10～20 cm。这一差异的存在就需要通过两者的衔接段进行过渡消化，以避免产生桥头跳车现象，影响行车的安全性和舒适性。由此，处理好路桥过渡段的差异沉降成为深厚软土区软基处理的重点和难点。

目前常用的水泥搅拌桩、CFG桩、素混凝土桩等复合地基，具有施工工艺简单、质量可靠、经济性好的优点，但其有效处理深度一般不超过20～25 m[5]。因此，对于超过这一深度的深厚软土路基，如采用上述几类处理方式，桩尖难以进入有效持力层，在路堤自重荷载、汽车荷载作用下，桩尖可发生刺入破坏，桩体难以提供预期的承载力，桥头路基的整体工后沉降偏大，桥头跳车现象不能有效消除。

通过大量的工程实践，目前已形成了若干软基处理过渡方案，以达到深厚软基区路桥过渡段差异沉降的有效控制。本文将这些过渡方案归纳为三类，即：刚性过渡方案、柔性过渡方案、刚–柔结合过渡方案。并对三类过渡方案进行工程实践和效果验证。

2 刚性过渡方案

刚性过渡方案是指路桥过渡段主要采用竖向刚度大的刚性桩作为竖向增强体的软基处理方案。刚性桩主要包括钻孔灌注桩、预应力管桩、筒桩等。其中，钻孔灌注桩和筒桩桩径较大、造价高，常用于桥梁桩基；复合地基处理则一般采用小桩径、高强度的预应力管桩。

2.1 适用范围

刚性桩具有强度大、处理深度大、造价高的特点。一般适用于处理深厚软土地基上荷载较大、变形要求较严格的高路堤段、桥头或通道与路堤衔接段。

2.2 工程概况

中山市翠亨新区某城市主干路，长约3.0 km，道路红线宽 42 m，桥头路段路堤高 4.0 m（包括路面结构的等效厚度），路堤坡率为 1∶1.5，路基底面宽54 m。路堤土重度20 kN/m3，综合内摩擦角30°。地基岩土层参数见表1。

表1 地层情况

2.3 方案概述

本项目软土深厚（31.5 m），桥梁采用钻孔灌注桩基础，一般路段采用预应力管桩复合地基处理，路桥过渡段也采用预应力管桩复合地基，采用正方形布置，管桩间距2.5 m。

管桩选用直径D＝400 mm、壁厚t＝95 mm，A型桩，混凝土强度等级为 C80，弹性模量为38000 MPa。为充分发挥预应力管桩的单桩承载力，避免桩顶刺入式破坏，桩顶设置1.2 m×1.2 m×0.35 m的C30混凝土托板，上部铺60 cm厚碎石垫层，并在托板顶设置一层双向土工格栅（见图1）。

图1 预应力管桩复合地基处理示意图

路桥过渡段预应力管桩桩长采用渐变桩长，即：临近桥台及搭板下的预应力管桩进入持力层深度大，承载力高，沉降变形小；临近一般路基处管桩进入持力层深度较小，沉降变形较大；两者之间桩长逐渐变化（见图2）。

图2 预应力管桩复合地基路桥过渡段示意图

2.4 沉降计算

刚性桩复合地基总沉降s包括桩帽刺入量s1、桩底刺入量s2和下卧层沉降s3，其中桩帽刺入量s1和桩底刺入量s2按照《广东省公路软土地基设计与施工技术规定》计算，下卧层沉降s3采用分层总和法计算，沉降计算详见表2。

表2 预应力管桩复合地基沉降计算表

据表2可见，随着刚性桩（预应力管桩）桩长的增加，下卧层沉降逐渐降低，特别是桩长进入强风化岩石（H＞39.8 m）后，桩底刺入量和下卧层沉降同步下降，均已小于桩帽刺入量。同时，随着路桥过渡段桩长H从桥头处的40 m渐变至一般路基处的32 m，工后沉降由23.03 mm渐变增加为85.43 mm。

2.5 实施效果

预应力管桩施工完成后进行单桩承载力和复合地基承载力检测。并进行了地表沉降监测，观测资料显示：路基填筑施工完成时，地基发生的最大沉降50 mm，累计沉降58 mm，工后预压6个月（预压土厚度1.0 m），产生18 mm的沉降量，其后沉降趋于稳定，总沉降量和计算沉降量相当。道路运营已逾一年，路桥过渡段行车舒适性良好。

3 柔性过渡方案

柔性过渡方案是指路桥过渡段采用刚度较小的水泥搅拌桩、高压旋喷桩等柔性桩作为竖向增强体或预压处理地基，或两者组合的软基处理方案。

3.1 适用范围

柔性过渡方案一般结合轻质填筑材料一起使用。因减小了附加荷载，当在地表以下形成一定厚度的硬壳层时，即可不进行深层软基处理。适用于路基填土不厚、附加荷载较小，或需要较大幅度减轻路堤质量的桥头、拓宽、墙背路段。当桥头软土硬壳层较薄、承载力较低时，一般先对表层软土进行加固处治或对一定深度的软基进行处理，再填筑气泡混合轻质土。

3.2 工程概况

江门市某道路路基顶宽30 m，一般路基段填土厚度1～2 m，桥头段路堤高3.0 m，地基岩土层情况见表3。

表3 各地层的有关物理力学性质参数表

3.3 方案概述

由于软土深厚（36 m），路堤填土厚度小，采用刚性桩复合地基容易造成“蘑菇形”凸起。一般软土路段采用真空联合堆载预压法处理，桥头路段在真空预压后填筑气泡混合轻质土。该方案利用了真空预压加固效果明显、处理费用低的优点，也充分利用气泡混合轻质土重度小、附加应力小的特点（见图3、图4）。

图3 真空预压+气泡混合轻质土处理示意图

图4 真空预压+气泡混合轻质土路桥过渡段示意图

气泡混合轻质土在底层设置10 cm厚的透水砂垫层，在砂垫层上部设置一层防渗土工布，然后立模浇筑气泡混合轻质土。混合土重度6～10 kN/m3，抗压强度0.8～1.0 MPa。

3.4 实施效果

真空预压期间对软基的地表沉降、膜下真空度、孔隙水压力、深层水平位移进行监测，处理完成后重新取样对原状土进行检测。

施工期间监测结果如下：膜下真空度一直保持在80 kPa以上，地表沉降在6～8个月后趋于稳定，道路中桩最大沉降近2.0 m。

通车1年后桥头处沉降小于10 mm。

4 刚–柔结合过渡方案

刚–柔结合过渡方案介于刚性过渡方案和柔性过渡方案之间，一般采用长短桩组合桩形式，长桩为刚性桩，需穿透软土层进入持力层，以减少路桥过渡段整体工后沉降；短桩为柔性桩，不需穿透软土层，仅加固上层软土，提高桩间土的承载力。该方案既利用了刚性桩承载能力强、处理深度大的优点，又结合了柔性桩造价低、施工方便的特点。

4.1 适用范围

刚–柔结合过渡方案一般适用于处理深厚软土地基上荷载较大、变形要求较严格的高路堤段、桥头或通道与路堤衔接段。

4.2 工程概况

珠海横琴某次干路，道路红线宽36 m，一般路段填土厚度约2 m，桥头路段路堤高3.5 m，地基岩土层情况见表4。

表4 各地层的有关物理力学性质参数表

4.3 方案概述

本项目一般路段采用双向水泥搅拌桩处理，桩长15～20 m，未穿透软土层。桥梁基础采用钻孔灌注桩，桩端进入中等风化花岗岩。为协调路桥间的沉降差异，路桥过渡段采用长短桩复合地基方案。其中长桩采用预应力管桩，混凝土强度等级C80，管桩直径0.4 m，采用正方形布桩，桩间距3.0 m，顶部设置1.2 m×1.2 m托板，长桩进入持力层不小于2.0 m；短桩采用双向水泥搅拌桩，桩径0.5 m，按正方形布设，桩间距1.5 m，桩长10～15 m（见图5、图6）。路桥过渡段采用渐变桩长，临近桥台处预应力管桩桩长进入持力层深度大，临近一般路基处采用变桩长水泥搅拌桩衔接，通过桩型、桩长渐变实现过渡段沉降的平顺过渡。