路桥过渡段结构设计与施工控制技术研究

彭周，张晖

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430050）

1 引言

高速公路的设计时速高，行车安全性高，满足了我国日益增长的交通运输需求。为满足高速公路对线路整体平顺度的要求，常通过修建桥梁的方式优化道路线形，因此，在高速公路修建过程中常有路桥过渡段的出现。

在路桥过渡段，由于路基和桥梁的刚度相差很大，会造成路桥过渡段的差异沉降，从而在很大程度上降低了车辆行驶的安全性和舒适性。因此，研究路桥过渡段差异沉降产生的原因及其控制措施，合理控制路桥过渡段差异沉降是高速公路建设中的一个重要问题[1，2]。

2 路桥过渡段沉降成因

在车辆轮载的作用下，路桥过渡段的桥头处经常会出现颠簸，即“桥头跳车”现象，其根本原因是刚性桥台结构与柔性路基的刚度差异较大。造成这一现象的主要原因如下。

2.1 路基处理措施不当

高速公路路桥过渡段常处于河谷地带，由于雨水冲刷等自然因素的影响，其地基条件较差。在软弱地基上修建的高速公路在施工完成后道路与桥梁的沉降是不同的。由于路桥过渡段特殊结构的影响，与桥台衔接处的路基高度较大，在自重作用下产生的土层压缩量较大，进而导致路桥过渡段产生较大的沉降。另外，不同的地基土的力学性质大不相同，采用不同填料填筑的路基产生的沉降量以及沉降达到稳定所需的时间也不同。对于粉土地基等低压缩模量的地基，几年的时间就能完成沉降，对于高压缩模量的地基，其完成固结的时间会很长。因此，路基的工后沉降是路桥过渡段差异沉降产生的重要因素[3]。

2.2 路桥结构差异

桥梁结构的刚度较大，而高速公路路基大多为柔性结构。由于路桥过渡段的刚度差异，必定会导致沉降的差异性。路桥过渡段也是车辆轮载作用下的应力集中区域。另外，由于桥台前后荷载情况不同，桥台后填土的土压力使桥台支护受到较大的水平推力，在设计和施工过程中如果没有采取相应的措施，往往会造成桥台位移等事故。

2.3 台背填料填筑

受到路桥过渡段特殊结构的影响，其工作面往往较小，台背填料填筑施工的质量不易控制，其压实度不能满足设计要求。即使施工时压实度达到设计要求，在高速公路后期使用中会受到填料自重和车辆轮载的影响，路基进一步压缩变形，造成桥路过渡段的沉降差异。在桥台填料土压力的作用下，桥台前方的防护会产生水平方向的位移，这种水平位移会引起路桥过渡段的路基沉降。另外，路桥过渡段由于沉降产生的裂缝会使得地表水渗入路基，导致路基填土出现病害，进一步加剧沉降[4]。

2.4 设计施工原因

在路桥过渡段的设计与施工过程中，台背填筑的施工工艺、填料的质量以及桥台后排水设计都会影响桥台的施工质量。在施工过程中，如果路桥过渡段台背填料未按设计要求填充或使用劣质填料，或密实度达不到设计要求，都会造成质量缺陷。另外，在施工过程中选用的压实设备的压实功率达不到要求，也会导致该处出现沉降过大的问题[5]。

3 路桥过渡段差异沉降控制技术研究

为控制过渡段路基的差异沉降，必须对基础进行处理。在路基工程中，常见的地基处理方法如图1所示。

图1 常见的地基处理方法

在常用的地基处理手段中，选用自然地基是一种比较经济的地基处理方案。因此，在进行地基处理之前，应优先选择一种能充分利用天然地基的地基处理方案，以降低施工成本。在实际工程中，一般采用置换法，先挖除天然地基上部一定范围内的软弱土，然后置换成为砂、砾石、矿渣等强度较大、压缩性较小的材料[6，7]。

在路桥过渡段施工中，除了加强地基沉降控制外，还应加强路基的沉降控制。在施工过程中，应当慎重选择路基填充物，也可以采取各种加固措施，例如，采用铺设土工布来提高路基的抗变形能力。

4 工程实例研究

4.1 项目概况

西南地区某高速公路工程，线路涉及地区的地形以山地为主，线路桥隧比占比较高，为保证线路行车的整体平顺性，应当对路桥过渡段差异沉降进行控制。

4.2 路桥过渡段差异沉降控制方法

针对实际工程中遇到的路桥过渡段差异沉降问题，借鉴以往地基处理相关的经验，提出了一种新型路桥过渡段差异沉降控制方法。该过渡段路基材料由压实混凝土和改良级配碎石组成，其中，改良级配碎石由碎石、水泥、粉煤灰混合而成。改良级配碎石是指将水泥和粉煤灰与碎石混合，通过混凝土振动器对混合物进行振动产生的额类似混凝土的材料，压实混凝土与改良级配碎石具有相同的材料组成。

4.3 改良材料配比设计

采用以上方法进行差异沉降控制的关键在于压实混凝土和改良级配碎石的材料配比。本文通过大量试验，对采用不同配比制备的压实混凝土路基回弹模量、CBR值（加州承载比）、孔隙率、路基软化系数的数值进行测定。其中，路基软化系数K定义为经过不同天数浸水软化后试件回弹模量与未经软化试件回弹模量的比值。

由图2可知，随着粉煤灰掺量的增加，压实混凝土材料的回弹模量随时间显著增加的趋势较小；压实混凝土施工4 h内回弹模量随粉煤灰掺量的增加而增加；随着粉煤灰掺量的增加，压实混凝土施工后12 h和24 h回弹模量值有所降低；粉煤灰掺量为60%时，材料抵抗变形的能力最强。

图2 回弹模量随粉煤灰掺量变化值

由图3可知，随着粉煤灰掺量的增加，路基CBR的值逐渐增加，当粉煤灰掺量超过60%时，路基CBR值达到最大。

图3 C B R随粉煤灰掺量变化值

由图4可以知，材料孔隙率随粉煤灰掺量的变化不明显。

图4 孔隙率随粉煤灰掺量变化值

由图5所示，随着粉煤灰掺量的增加材料软化系数逐渐增长，说明粉煤灰的加入有利于提高路基水稳定性，但随着浸水时间增加其加固效果有所降低。

图5 软化系数随粉煤灰掺量变化值

综合以上结果，随着粉煤灰掺量的增加，材料回弹模量不随时间增长而显著增加，这种特性对于消除路桥过渡段差异性沉降是非常重要的。其原因在于粉煤灰的混凝过程一般较快，强度上升较快。对于上述改良材料，施工后路基初期的强度由粉煤灰以及碎石提供，随着水泥逐渐凝固，其强度逐渐上升，在施工后的12 h、24 h，路基强度由水泥、粉煤灰、碎石共同提供，于普通路基填筑材料相比，减小了施工初期的沉降，增大了路基整体刚度，对控制路桥过渡段差异沉降的控制具有积极意义。粉煤灰还会在一定程度上提高路基的承载能力以及抵抗水损害的能力。根据以上结果，选取60%粉煤灰+40%水泥的混合物进行路桥过渡段的施工。

4.4 路桥过渡段沉降控制效果

4.4.1 数值模拟

为了探究采用以上新型路基填筑材料对路桥过渡段差异沉降的控制效果，针对路基填筑材料的相关力学参数进行了测定。依托实际工程，采用Midas Civil 2020建立有限元模型进行分析计算，有限元模型如图6所示。

图6 有限元计算模型

通过有限元计算得出，采用新型路桥过渡段填筑材料前后路基沉降分布曲线如图7所示。

图7 路基沉降分布

在过渡段，采用新型填筑材料的路基最大沉降量小于未采用新型填筑材料的最大沉降量；尤其是在路桥过渡段靠近桥台的一侧，采用新型填筑材料后沉降比原设计要小得多；在路基一侧，两种设计的最大沉降量基本一致。路桥过渡段差异沉降的减小，主要有以下几个原因：

首先，采用压实混凝土对桥台处路基进行填筑，由于压实混凝土的承载能力及其回弹模量较高，桥台处填料在自重以及施工荷载下引起的压缩量较低，桥台处挡土墙的水平位移较小，降低了桥台附近路桥过渡段的沉降。同时，随着填料强度的增加，很大程度上降低了路基路面产生裂缝的可能，减少了由于地表水下渗引起的路基内部病害。

4.4.2 现场试验

为进一步验证新型路桥过渡段填料的沉降控制效果，本文依托西南地区某高速公路标段路桥过渡段的施工，将降观测仪器埋设于垫层表面层顶部，距桥台约25 m，以便定期观测。详细的观测结果如图8所示。

图8 观测点累计沉降观测结果

由图8可知，施工后20 d，现场实测沉降量为3.2 mm，与数值分析结果一致。40 d后，沉降量基本稳定，施工后最大沉降量小于5 mm，满足规范要求。因此，路桥过渡段新型填料在实际工程中的应用是可行的。

5 结论

本文对路桥过渡段差异沉降形成的原因及其控制技术进行了研究，并提出了一种新型路桥过渡段填料。依托实际工程，通过数值模拟和现场试验的方法对其沉降控制效果进行了研究，主要得出以下结论：

1）新型路基填筑填料中，由于粉煤灰的存在，使得填料的强度上升较快，填补了传统路基填料前期强度不足的缺点，对于路桥过渡段差异沉降的控制具有积极意义。新型路基材料的承载能力高，也会进一步降低路基施工后的沉降。另外，新型路基填料抗水损害的能力较强，对于容易受到降水影响的桥台等部位具有很好的沉降控制效果。

2）采用新型路基填筑材料后，由于其前期强度上升较块，大大减小了桥台处路基的沉降。由于台背处填料强度较高，在自重以及车辆荷载作用下的压缩量较低，桥台处挡土墙的水平位移较小，从而减少了桥台附近的沉降。