软土地基桥头不同地基处理过渡段沉降特性分析

陈旭舟

(广州市增城区道路养护中心，广州 511300)

0 引言

随着我国公路网的扩大以及车流量的增长，对道路行车条件及舒适性的标准提出了更高的要求。沿海地区软土分布广泛，地基如未能有效处治容易导致不均匀沉降，出现车辙、路面裂缝、桥头跳车、路堤失稳等病害。其中，桥头跳车是路桥过渡段常见的一种工程病害，影响行车安全性和舒适性，降低行驶速度。目前国内常用的软基处理方式为管桩、水泥搅拌桩和塑料排水板等。

在软基处理方面，王安辉[1]等针对江苏沿海高速公路路桥过渡段在运营过程中出现的不均匀沉降问题，提出了侧向辐射注浆加固处治技术。张国联[2]等探究考虑塑料排水板空间位置效应的三维模型在分析砂井地基固结沉降方面的可靠性，通过改变施加填土的时间以及堆载预压的时间，对比观察软土地基超孔隙水压力和地表沉降的变化规律。吴昌胜[3]等调查统计了不同处理方法在沪苏浙高速公路(江苏段)的应用情况、软基处理效果以及病害的工程措施。

在研究地基处理过渡段方面，项贻强[4]等以深层混凝土过渡板处治的路桥过渡段为对象，研究在车辆冲击荷载作用下路桥过渡段的动力响应及搭板的隔振效果。涂义亮[5]等提出一种旋喷桩复合地基变刚度处治技术，用以解决软土路基桥头跳车问题。张军[6]等结合长治至安阳高速公路长(治)-平(顺)段某试验段现场工况, 设计了路堤加筋试验方案,对格栅上、下表面土压力和格栅变形等数据进行了监测分析;同时,通过数值模拟分析了格栅加筋技术处理台背路堤填土的作用机理,并对设计计算中各重要因素进行了参数分析。贾亮[7]等为探讨路桥过渡段路基在自重应力和汽车荷载作用下的工后沉降,在兰永一级公路某一路桥过渡段布置单点沉降计，对过渡段路基的工后沉降进行长期监测。

桥头地段的沉降与路基的沉降有明显差异且难以避免，只有通过减缓沉降坡度(沿道路路线方向沉降变化的幅度)解决或缓解跳车问题[8]。根据现有研究，多数都集中在如何用一种地基处理方式处理路桥过渡段，用几种方式以及采用桩长变化处理过渡段的案例较少。

本文针对某高速公路桥头二次跳车问题，建立PLAXIS三维数值模型，桥头段采用预应力管桩处理，过渡段采用变桩长的预应力管桩，一般路段选取塑料排水板进行处理。利用现场监测数据进行模型验证，得出不同时期的超静孔压、沉降量、水平位移、桩身弯矩等。

1 工程概况

某高速公路软土埋深厚(>20m)，天然孔隙比e>1.5，塑料排水板路段工后沉降较大，路面及中分带护栏下沉较多，造成该路段出现二次跳车现象(图1)。与桩基相邻的塑料排水板处理路段(或直接堆载预压路段)由于预压期不足、处理方案欠合理等原因，一般路段工后沉降远超过规范规定值，导致与相邻采用桩基处理的路段沉降差异过大，过渡段平顺性与稳定性较差。

图1 桥头过渡段二次跳车现象

K72+688～K72+673为该高速公路桥头过渡段，采用预应力管桩处理桥头段，处理长度38m(K72+726～K72+688)，管桩处理深度为25m，打穿软土层，路基填高4.6m；管桩过渡段(K72+688～K72+673)长15m，采用管桩变桩长处理，管桩桩长为25.0m～7.0m，间距2.5m；一般路段采用塑料排水板处理(K72+673～K72+576)，在K72+576路堤填土高度下降至4.2m，排水板处理深度为25m，间距1.3m，打穿软土层，如图2所示。

图2 软基纵断面设计

2 数值模型的建立

根据地质勘查资料，采用PLAXIS软件建立原始路基断面的数值模型,如图3、图4所示。模型路堤高度5m，自路面向下依次为：黏土层1.5m、淤泥质黏土层23m、粉质黏土6m、粉质黏土6m。模型宽度为150m，其中过渡段长15m，排水板处理区域长97m。

图3 有限元整体模型

图4 地基处理过渡段纵断面有限元模型

管桩打穿软土层，桩长25m，间距2.5m，采用EmbeddedBeam模拟。过渡段管桩桩长为25～7m，排水板长度25m，间距1.3m。边界条件设置如下:底部边界为刚性不透水层，固定水平、竖直方向位移；左、右侧和上部边界为透水层；左右两侧边界均约束水平方向的位移。采用软土蠕变模型(SSC)模拟软土(淤泥土、淤泥质亚黏土)，采用应变硬化模型(HS)模拟其他土类(素填土、粉质黏土、砂土、路堤填土等)。土体模型参数见表1。

表1 土体模型参数

3 计算结果及分析

3.1 超静孔压

填筑期末，一般路段的排水板处理区域土体超静孔压有一定程度的消散，但在桥头管桩处理区的底部，尤其是过渡区的软弱下卧层区域，积聚了较大的超静孔压，软弱下卧层区域的最大超静孔压为111.2kPa，如图5所示。

图5 土体超静孔压分布云图(填筑期末)

预压期末，排水板处理的一般路段超静孔压基本完全消散，但是管桩处理区域和管桩变桩长过渡区域下卧层土体的超静孔压消散缓慢，该区域在预压期末的最大超静孔压仍然高达105.1kPa，如图6所示。

图6 土体超静孔压分布云图(预压期末)

工后15年，排水板处理区和管桩过渡区的超静孔压消散完毕，管桩下卧层土体超静孔压也消散至15.57kPa，如图7所示。

图7 土体超静孔压分布云图(工后15年)

3.2 工后沉降

由于在预压期末，管桩处理区域下卧层尤其是管桩变桩长过渡段软弱下卧层土体的超静孔压较大(105.1kPa)，道路运营后管桩未打穿软弱下卧层土体超静孔压的消散，造成该过渡段产生较大的工后沉降。并且由于过渡段临近塑料排水板处理区域，过渡段下卧层超静孔压的消散也导致排水板处理区域(约50m长)产生附加的工后沉降。过渡段和临近排水板处理段的最大工后沉降值为35.05cm，发生在临近管桩过渡段排水板处理区域的K72+668(图8、图9)，整个过渡段工后沉降沿道路中线方向呈“V”字型，严重影响行车的舒适性和安全性。

图8 土体工后沉降(竖向位移)分布云图(工后15年)

图9 地表工后沉降(通车15年)沿路基中线变化曲线

因过渡段管桩变桩长区段软弱下卧层土体中超静孔压消散缓慢，地基工后沉降持续发展，通车15年后工后沉降曲线都未有收敛的趋势;而塑料排水板处理区域因地基固结速度快，地基工后沉降区域逐渐趋于稳定，如图10所示。

图10 过渡段各断面工后沉降随时间变化曲线

3.3 水平位移和最大弯矩

因管桩变桩长过渡段衔接塑料排水板处理区(K72+673)，过渡段管桩未打穿的软弱下卧层超静孔压通过临近的塑料排水板排水固结，造成过渡段土体和管桩产生较大的水平位移，工后15年该区域土体和管桩最大水平位移达17.87cm，管桩最大弯矩达621kN·m，如图11～图13所示。

图11 土体水平位移分布云图(工后15年)

图12 管桩水平位移分布曲线(工后15年)

图13 管桩桩身弯矩分布曲线(工后15年)

4 现场监测结果及分析

根据桥头预应力管桩处理区域的现场监测数据，对填筑和预压期的路中心处地基表面沉降进行分析对比，数值分析的沉降曲线与现场监测数据具有较好的一致性(图14)，表明本文采用的数值模型和模型参数是合理的。

图14 桥头地表沉降曲线

5 结论

(1)针对软土地基高速公路桥头发生二次跳车的问题，其原因是道路运营后管桩未打穿软弱下卧层土体超静孔压的消散，造成该过渡段产生较大的工后沉降。而过渡段临近塑料排水板处理区域，过渡段下卧层超静孔压的消散也导致排水板处理区域(约50m长)产生附加的工后沉降。整个过渡段工后沉降沿道路中线方向呈“V”字型。

(2)对与管桩相邻的塑料排水板处理路段采用超载预压处理，并确保足够的预压期。在填筑期末与预压期末，管桩处理路段的超静孔压明显大于塑料排水板处理路段，且超静孔压消散较慢。工后15年，塑料排水板处理区域和管桩过渡区域的超静孔压消散完毕，管桩下卧层土体超静孔压也消散至15.57kPa。

(3)预应力管桩打穿软土与未打穿软土有较大的区别。桥头段的预应力管桩打穿软土层，过渡段的管桩桩长有变化，部分管桩未打穿软土层。填筑期末与预压期末，管桩未打穿软土层的区域超静孔压大于管桩打穿区域。针对过渡段各段面，打穿软土的管桩工后沉降明显大于未打穿的区域，且在工后15年，未打穿的软弱下卧层沉降量约为打穿的两倍。

(4)过渡段管桩除了要考虑沉降量，还需考虑水平位移量以及桩身弯矩，未打穿的软弱下卧层超静孔压通过临近的塑料排水板排水固结，造成过渡段土体和管桩产生较大的水平位移，工后15年该区域土体和管桩最大水平位移达17.87cm，管桩最大弯矩达621kN·m。