复杂山区路桥过渡段路基沉降控制加固设计研究

熊 宽

（中咨盛裕交通设计研究有限公司，北京 100048）

0 引言

路桥工程是当前交通设施的重要组成部分[1]，路桥工程施工复杂程度较高，工程的设计也具有较大难度，尤其是路桥过渡段的设计，往往成为路桥设计的难点。路桥过渡段是山区公路的脆弱路段，其建设质量直接影响路桥的使用寿命[2]，因此，路桥过渡段的设计也是道路工程设计的重点之一[3]。在复杂的山区环境下，路桥过渡段最容易出现路基的沉降问题[4]，桥头部位出现结构落差，影响路面的平整性，最终会影响行车安全[5]。路桥过渡段路基发生沉降后，后期处理难度大，维护成本极高[6]。为此，对于复杂山区环境中的路桥过渡段路基设计，要考虑路基发生沉降变形的情况[7]，设计时做到预处理，以保证桥头引道与桥台结构的稳定连接，延长道路的使用寿命。基于此，本文开展了复杂山区环境下路桥过渡段路基沉降控制设计研究。

1 路桥过渡段路基沉降控制加固设计

为避免路桥过渡段路基出现过度沉降问题，保证路桥过渡段路基结构的稳定性，对相应过渡段的路基设计进行相应的沉降控制加固设计。

1.1 控制路基沉降变形范围

路基是维持公路结构稳定的基础，路基的可靠性会直接影响公路的使用寿命。因此，设计时对于路基的承载力性能给予重点关注。在复杂山区的道路设计中，应考虑台背地基的软土地基段情况，进行路基沉降变形协调的控制设计，确定差异沉降的控制指标。

为保证复杂山区路面平整度，首先计算相应的路面容许变坡率参数，以当前的高级公路平整度指标为例，假设路桥过渡段发生沉降情况，且路基中心处的变化量为q，路肩处的变化量为w，可以得出变坡率e的计算公式，具体如下：

上式中，d表示路基的宽度参数。基于此，考虑山区公路路面的材料疲劳性以及极限抗拉性等，确定了复杂山区环境路桥过渡段路基沉降的限制范围，即路基沉降不得超过0.45%。计算出路基沉降变形的限制范围，能够保证桥台沉降与路基沉降的平稳过渡，还能够满足控制路堤中央变形和坡脚路肩处协调变形的要求，将其变形量稳定在合理的范围内。

1.2 软土路基浅层换填加固

为保证路桥过渡段路基沉降范围在上述计算标准值范围内，需要针对山区软土路基进行加固设计，主要使用浅层换填法，提高路基的承载能力，实现对软土路基的加固。为了保证路基的稳定性，同时考虑到建设成本，确定了路基铺设的材料。路基加固结构设计如图1所示。

图1 路基加固结构设计图

从图1可知，在路桥衔接处加入了控制沉降的过渡结构，使用轻质材料进行填充。加入轻质EPS材料后的衔接处路基结构，以保证路基轻质，避免过分沉降，使结构稳定，保证过渡段衔接处的路面具有较强的耐压性与耐水性，避免桥台与路基结合处沉降不均匀导致的差异沉降问题。

采用的填料是否能够达到压缩、固结、凝块的要求，是决定路基结构能够承受多少荷载的关键，依据路基材料承受力，改进路基的填层，路基填层如图2所示。从图2可知，设计的路基填层分为三级，一级为基层，使用密度为2340kg/m3的CTB泥石结构填铺。下一层级为底基层，使用粉砂填铺。最后一个层级为填土层，使用压实的黏土填铺，保证结构基底的可靠性。同时，为了稳定路桥衔接处的结构稳定，在衔接处下设CFG桩，如图1所示，搭建相应的桩土复合地基结构。相应的材料参数如表1所示。

图2 路基填层示意图

表1 桩土复合地基相关材料参数表

通过搭建桩土复合路基结构，能够使得土层与桩体紧密贴合，提高土层的密度，并且由于铺设间距较小，能够保证路基在路桥衔接处的刚柔得到过渡，提高过渡段路基整体的荷载能力，具有良好的抗变形性能。

1.3 土工格栅补强路堤

土工格栅具有很强的抗拉强度，能够保证对路基约束性能的稳定性。在设计好过渡段路基填层结构后，使用土工格栅对路桥过渡段的路堤进行补强，以提高路基的侧向约束力，避免台背填料沉降。

在过渡段填土过程中，需要沿路线方向，采用纵横交替的方法分层平铺土工格栅。铺设方案设计如下：

（1）上部层铺设土工格栅，间距为0.75m，下部层铺设深层水泥土搅拌桩，间距为1m；

（2）底层铺设砂垫层，厚度控制在0.3m左右，当格栅充分张拉后，铺设在砂垫层之上；

（3）为了保证结构稳定，在土工格栅层上填铺不大于0.25m的顶配碎石，以保证台背具有良好的排水性能。

土工格栅结构设计如图3所示。需要注意的是，如果桥台与公路衔接处为斜交情况，那么应该把土工格栅接近桥台的一端进行裁切，使得端头角度与过渡段衔接处的斜交角相同，避免出现格栅铺向与路桥走向不同的情况，导致结构出现不稳定因素。

图3 土工格栅结构设计示意图

1.4 添设路基排水层

对于山区高速公路来说，路面地面水以及地下水是影响路基质量和使用寿命的重要因素。传统的沟渠排水方法在山区公路中，并不能满足路基排水的需求。为此，在优化设计排水结构的同时，为路基添设排水层，以减少地下水对路基的侵蚀损害。排水层布设情况如图4所示。

图4 排水层设计示意图

如图4所示，在路基排水结构的底基层与路基中间加设三层结构的排水层，同时辅以盲沟，双重保障提高路基的排水能力。排水层能够实现将地下水以及路面渗漏的地表水排出，设计厚度在0.2m内，考虑填料的经济适用性，以级配碎石材料为宜，且保持一定的倾斜度，便于积水流出。反滤层上接排水层，下连地基黏土层，三者紧密贴合，设置反滤层就是为了能够进一步阻挡水体下渗，保证路基的结构稳定。

考虑到隔水性能的强度，设计反渗层采用土工织物填铺；考虑经济适用性，设计该层为油毡层；为了保护油毡的材料强度与使用寿命，在油毡与排水层之间增设3cm厚的中砂结构，以隔绝上层材料对油毡材料的损伤，延长反滤层的工作时间，降低后期更换成本。

为了保证盲沟的反渗透能力，盲沟结构也由三层排水层组成，且与各结构层相连，以更好地将路基内流出的积水排出。同时，出于经济性考虑，排水盲沟间距可以适当增大。对于路桥过渡段的路面来说，由于路与桥的衔接部位的衔接结构仍会存在不可避免的缝隙，为避免雨水渗漏影响内部结构稳定，需要针对路面的地面排水进行设计。为此，在路桥过渡段处布设梯形边沟，以排除路面的积水。

1.5 衔接处铺设桥头搭板

为保证路桥过渡段衔接处的路面稳定，避免路基不均匀沉降造成的路面错位，在衔接处铺设桥头搭板。桥头搭板能够连接桥台与台背路堤，将纵向的沉降差控制在合理的范围内，保证行车的安全性。在设计过程中，还需要考虑桥头搭板可能出现的脱空问题，针对性地进行搭板过渡段结构的一体化设计。

桥头搭板长度对桥台结构的整体稳定也具有重要影响，因此要慎重确定搭板长度规格范围，避免搭板出现绕转情况。假设路基填料后，其容许沉降参数为α，容许纵坡变化率参数为β，那么搭板长度L的计算公式可以表示为：

根据实际规范，上式中α应满足≤10cm，且β应满足4‰≤β≤6‰；同时，还应保证桥头搭板的长度L满足下述条件：

上式中k表示填土土体的破坏长度参数，其计算公式可以表示为：

式中：z——路基填料高度参数；

φ——桥台背墙的倾角参数；

∂——桥台的滑动面倾角参数。

根据上述计算公式，且考虑施工难度与经济适用性，桥头搭板的长度应控制在12m之内，且为了保证衔接一体性，桥头搭板的厚度控制在30cm左右最佳。

2 加固设计与传统填土设计路基沉降对比分析

为验证该路桥过渡段路基设计是否能够满足复杂山区路桥过渡段路基的沉降要求，并与传统填土路基沉降进行对比分析，进行数值模拟计算，具体的计算过程和计算结果如下。

2.1 设计计算地质参数

由于实际的工程耗时长，且实验成本极高，采用有限元分析的方法进行路基沉降的模拟计算。以某一山区公路路桥过渡段工程为例，根据该工程的地质勘探资料，建立路桥过渡段路基结构的有限元模型。相应的路基设计计算参数如表2所示。

表2 路基沉降有限元模型计算参数表

为分析该过渡段路基沉降控制设计的优劣，分别计算传统填土路基以及加固设计采用的过渡段路基的沉降情况，使用ANSYS软件进行沉降模拟，记录模拟计算的数据。

2.2 设计计算结果对比分析

根据数值计算得到的两种路基设计方法在不同的填筑高度时相应的沉降值数据，制成了沉降值对比图，具体结果如图5所示。分析图5可知，在路桥过渡段模型中，相较于传统的填土路基，加固设计的过渡段路基在沉降值方面有明显的减小。随着路基填筑高度的增加，两种方法处理的路基沉降都是随之增加的，但是两者的沉降效果差别非常明显。传统填土路基的沉降值高达9cm，加固设计的过渡段路基沉降在很小的范围内，且沉降幅度较为稳定，比传统填土路基施工方法缩小了很多。由此可知，加固设计的过渡段路基具有很高的稳定性，能保证沉降幅度在极小范围内。

图5 两种路基的沉降结果对比图

3 结束语

综上所述，为避免复杂山区条件下路桥过渡段路基出现较大沉降的情况，进行了相应的路基沉降控制加固设计。在明确了路基沉降变形的范围限制并确定了差异沉降的控制指标后，采用路基浅层换填设计对软土路基进行加固，采用增设土工格栅的方法提高路基的侧向约束力，增设排水层结构以满足路基内部的排水需求，铺设路桥衔接处桥头搭板保证过渡结构的一体化。对加固设计的效果进行了数值分析，结果表明：在复杂山区环境下，加固设计的路桥过渡段路基产生的沉降较传统的填土路基小，能够保证路桥过渡段路基的整体稳定。