一種改進的土工格柵處治橋頭過渡段路基的設計方法*

董華均 黃婷婷 羅 蓉 王麗靜 馮光樂

(湖北長江路橋股份有限公司1) 武漢 430212) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063)(湖北省交通廳工程質量監督局3) 武漢 430010)

一種改進的土工格柵處治橋頭過渡段路基的設計方法*

董華均1)黃婷婷2)羅 蓉2)王麗靜2)馮光樂3)

(湖北長江路橋股份有限公司1)武漢 430212) (武漢理工大學交通學院2)武漢 430063)(湖北省交通廳工程質量監督局3)武漢 430010)

現行《公路土工合成材料應用技術規范》中在加筋處治橋頭過渡段路基不均勻沉降病害時，建議土工格柵與混凝土橋臺采用錨固進行連接，但這一處理措施會造成以下3點不足：(1)錨固受限于橋臺類型，對施工造成不便，如有些輕型橋臺無足夠錨固位置；(2)對橋臺受力體系造成干擾；(3)妨礙地基沉降的及時釋放.為了解決上述不足，提出改進的臺背加筋方案：靠近路基表面2，3層的土工格柵采用錨固的處理方式，其余位置的土工格柵采用反包的處理方式，并且必要的時候可以選擇設置較短的橋頭搭板以加強處治效果.工程實踐表明，改進的加筋方案能夠有效解決土工格柵全部錨固造成的不足，并能夠有效治理不均勻沉降病害.

道路工程；橋頭過渡段路基；土工格柵；錨固；反包；鋪筑間隔

0 引 言

在公路橋梁工程中，由于橋涵構造物臺背回填工程中的回填材料選擇不當、施工壓實不足、地基處治不到位等原因，導致橋臺與臺后填土之間產生差異性沉降，進而導致橋頭跳車這一病害，橋頭跳車病害是影響公路正常使用的嚴重問題.路橋之間的這種不均勻沉降量的范圍在幾cm到1 m之間[1-2]，不僅會加大行駛車輛及結構物的磨耗，嚴重惡化結構的使用壽命，還會造成駕駛的不舒適性、增大行車危險.

目前針對橋頭過渡段路基不均勻沉降的處治方式主要包括以下幾方面[3-4]：(1)減少路基壓縮變形，如提高路基填土壓實度、選擇滿足要求的回填料等；(2)采用沉降過渡的方法，如設置橋頭搭板、漸變樁等；(3)減少地基沉降，如對地基進行加強處治、采用輕質材料回填等；(4)對路面進行處治，如預設反向坡度、設置過渡段路面等.

目前國內外道路行業中，較為常用的1種處治方式是采用土工格柵來降低過渡段回填料的沉降進而緩解不均勻沉降的產生.土工格柵與填料的相互作用，能夠顯著改善填料的物理力學性質，筋材能夠對土產生約束作用，提高土體的剛度和強度，能夠減少回填料自身的壓縮變形[5-6].

1 現行設計規范中土工格柵處治橋頭過渡段路基設計的不足

根據文獻[7]中對橋臺構造物與路基之間的不均勻沉降治理的規定：對于混凝土橋臺，可采用經防銹處理的膨脹螺釘與鋼壓條，將土工合成材料錨固在結構物臺背面的壁面上，見圖1.但是存在相當一部分橋臺(如樁柱式橋臺)并沒有足夠的區域供土工格柵的錨固，僅僅臺帽部分可以錨固土工格柵；除了施工操作上的不便，土工格柵錨固在橋臺上后，還會對橋臺結構物施加額外的作用力，對橋臺受力體系造成干擾；同時錨固的土工格柵不利于地基沉降的釋放.

圖1 土工合成材料與混凝土橋臺連接示意圖

土工格柵提高了加筋土的整體強度和剛度，降低加筋路基自身壓縮變形，但是對地基沉降并無明顯作用.在加筋施工結束初期，由于土工格柵對土體的“托舉力”，路堤自重未立即全部施加在地基頂面，但是隨著時間的推移，大部分的應力最終會施加在地基上，造成地基的進一步固結沉降.在不均勻沉降出現的路橋交界處，由于施工空間限制，大型壓路機難以碾壓，交界處路基壓實度低于其余部分路基壓實度，見圖2中壓實薄弱區，路基碾壓不密及不均勻會加劇加筋土橋臺在交界處的不均勻沉降[8-9].故在橋頭過渡段交界處，土工格柵對土體的“掛起”作用，圖2中托舉力ps=p-ph，p和ph分別是土工格柵凹面上下壓力，以及施工不利導致的壓實度不足，共同造成了施工結束后地基的進一步固結沉降，并且地基沉降的時間將會被延后，導致地基沉降無法在施工期間全部完成，地基沉降在施工完成后進一步出現，導致新的不均勻沉降的產生，不利于路橋不均勻沉降病害的治理.

圖2 土工格柵沉降變形受力示意圖

因此，現行規范建議的對混凝土橋臺的土工格柵錨固處理方式是不恰當的，對橋頭過渡段路基不均勻病害的長期治理不力，文中將以此為出發點，提出改進的土工格柵處治橋頭過渡段路基的設計方法：土工格柵采用錨固與反包結合的處理方式，必要時設置短橋頭搭板.文中以湖北省潛江至石首高速公路(后文簡稱“潛石高速”)的一座中橋為例，進行臺背加筋設計.

2 改進臺背回填加筋設計方法

考慮到土工格柵采用錨固處理的不足，文中提出采用錨固與反包結合的方式對加筋的土工格柵進行處理.在土工格柵進行加筋計算過程中，對臺背路基工后沉降的準確預測尤為關鍵，是計算土工格柵鋪設間隔的基礎.

2.1 土工格柵鋪設間隔ΔH計算

土工格柵在土體中的受力模型以彈性薄膜理論為理論基礎，見圖3，根據彈性薄膜的受力平衡方程、幾何方程、物理方程，以及相容方程，計算得到簡化土工格柵受力計算求解方程為[10]

(1)

式中：T為土工格柵所受拉力；τ為土工格柵所受水平外力；q為土工格柵受到的豎向荷載；μ為填料的泊松比；Et為土工格柵的彈性模量；w為土工格柵的豎向沉降量.

圖3 彈性薄膜受力示意圖

當土工格柵采用錨固的方式處理時，上述方程組(1)的邊界條件為

x=0，w=0，T=Ts

(2)

x=∞,w=wmax,T=0

(3)

結合邊界條件(2)、(3)計算獲得鋪筑間隔計算公式為

(4)

式中：Ts為土工格柵抗拉強度；γ為臺背填料壓實后濕容重；wmax為遠離橋臺端工后沉降的最大值；其余字母含義如上.

當土工格柵采用反包的方式處理時，方程組(1)的邊界條件為

x=0，w=hi，T=Ts

(5)

x=∞，w=hi，T=0

(6)

結合邊界條件(5)、(6)，計算獲得鋪筑間隔計算公式為

(7)

式中：i為計算土層；hi和hi-1分別為近橋臺處的第i層和第i-1層土層的預測計算沉降量；其余字母含義如上.

在進行臺背加筋設計時，在地基處治情況、臺背回填料情況良好的時候，可以只進行加筋而不設置橋頭搭板，否則可以設置較短的橋頭搭板，在短距離里加強土工格柵的處治效果.

2.2 土工格柵沉降預估

觀察式(4)、(7)，計算鋪筑間隔時需要土工格柵實際的沉降預估，wmax可以采用路基工后沉降計算方法進行.路基工后沉降是指道路達到設計使用年限后的路基沉降與路面鋪筑前的沉降之差，主要分成2個部分：(1)路橋過渡段路基填料的沉降問題；(2)路橋過渡段地基的沉降問題[11].路基的工后沉降可由下式進行預估：

ΔS=Sc t1-Sc t0+αSc ∞

(8)

式中：Sc t1，Sc t0，Sc ∞分別為時間t1，t0及t→∞時地基的固結沉降；α為考慮地基次固結變形影響的系數，一般α<0.08，若路基穩定性較差，α取值可以大一些[12-13].

則任一層的最大沉降量可以按照下式進行計算.

wmax=Sd+St+ΔS

(9)

式中：Sd為地基施工期間沉降;St為路基在施工期間的沉降;ΔS為路基工后沉降.

在進行反包段土工格柵間隔計算時，采用了近橋端的沉降量hi，計算公式為[14]

w(x)=he-kx

(10)

式中：h為與橋臺相接處最大沉降，可以通過分層總和計算沉降法進行計算；k為待定參數，可以通過沉降區域邊緣沉降值計算得到.

2.3 改進的臺背回填加筋設計方法

土工格柵采用全部錨固方式進行時，存在3個問題，即錨固位置受到橋臺類型的限制、對橋臺受力體系造成影響、妨礙不可避免的工后沉降及時釋放.可以考慮采用土工格柵反包的方式來避免上述問題，但是土工格柵在臺背加筋時起到的一個非常重要的作用即將路橋銜接處產生的錯臺變化成有一定傾斜的坡，為了減少錨固對處治效果的影響，同時又為了避免路基表面可能會出現的臺階，提出在靠近路表便于錨固的2～3層的土工格柵采用錨固的方式進行處理，其余的土工格柵采用反包處理，并且按照彈性薄膜理論推導錨固和反包情況下的土工格柵間距進行鋪筑，必要時，在橋頭設置較短的橋頭搭板(約3 m長度)，見圖4.

圖4 土工格柵加筋方案示意圖

綜合考慮，在采用土工格柵對臺背回填進行加筋時，文中推薦土工格柵采用錨固與反包結合的方式進行處理，并且在需要的時候設置較短的搭板(3 m左右)，針對此種方法的土工格柵加筋設計方案如下.

1) 進行工后沉降預估.工后沉降的準確預測是進行土工格柵加筋計算的基礎，推薦可以采用分層求沉降的方法進行計算預測.

2) 初步選擇土工格柵類型與強度.根據計算獲得的預測沉降值，結合臺背填高、回填料質量，選擇整體性和耐久性良好、強度滿足要求的土工格柵進行加筋.

3) 計算土工格柵加筋中的最大位移.計算路基的工后沉降ΔS，并分別計算近橋臺處的沉降hi與遠橋臺處沉降w.

4) 計算土工格柵鋪筑間隔.根據試驗設計方案，按照式(4)和(7)，計算相鄰2層土工格柵的間距ΔH.

5) 計算土工格柵鋪筑長度.土工格柵的鋪筑長度應結合路面縱坡變化率進行考慮，路基頂面土工格柵的鋪筑長度計算公式為

(11)

式中：L0為土工格柵鋪筑長度，m；ΔS為路基工后沉降，m；Δi為縱坡坡差，%.

根據文獻[7]中要求，規定土工格柵以倒梯形斷面1∶1倒坡遞減，在本設計方法中可以參照1∶1的倒梯形設計.

6)根據實際地基和臺背回填料處治情況，選擇橋頭短搭板進行組合布置，若實際計算得到工后沉降值大于10 cm，可以設置短搭板，根據橋梁縱坡及引道縱坡要求(即橋上縱坡不宜大于4%，橋頭引道縱坡不宜大于5%，橋頭引道的線型應與橋梁的線型相匹配)，短搭板的長度設計按照下式計算

x=ΔS′·Δi

(12)

式中：ΔS′為路基沉降穩定部位沉降與橋臺沉降之差，m.

3 實例計算

3.1 工程簡況

以湖北省潛江市至石首高速公路(簡稱“潛石高速”)的張家灣中橋為例，計算該中橋0#橋臺的土工格柵加筋方案，提出改進的臺背加筋設計方法.

潛石高速張家灣中橋跨越15 m水渠，橋跨布置4 m×13 m，橋梁全長57 m，橋面寬度2 m×12.75 m，該中橋所處位置全線軟基，平均軟土厚度4.9 m，該中橋的橋頭地基處理情況見表1.

表1 張家灣中橋橋頭地基處理情況 m

3.2 計算過程

張家灣中橋0#橋臺的地基采用水泥攪拌樁處理，根據前文的路基工后沉降計算，得到：

樁土復合地基的等沉面參數l0=2.91 m；樁土復合地基排水固結沉降為202.968 mm；考慮地基次固結沉降為其排水固結沉降的8%，施工期間完成大部分的排水固結沉降，據此計算路基的工后沉降量為32.881 mm.

經計算選擇抗拉強度至少為57 kN/m，拉伸模量為975 kN/m雙向土工格柵作為加筋材料，根據工程實際的橋臺類型(樁柱式輕型橋臺)、尺寸，路基頂面向下兩層進行土工格柵錨固，其余采用反包進行處理.計算結果見表2.

以距離地基高度1.5 m處土工格柵鋪設間隔設計為例，進行反包段錨固計算.

hi和hi-1初步計算為0.074 m和0.061 m，已知Ts=57 kN/m，Et=975 kN/m，μ=0.30，γ=18.4 kN/m3，計算得ΔH=0.95 m，實際設置間隔時，考慮工程的安全性，除以安全系數1.3，同時為了方便施工，取松鋪厚度0.3 m的倍數，取0.6 m，其余間隔計算同上.

路基頂面最小鋪筑長度L0計算：容許坡差為0.4%，路基頂面工后沉降為32.881 mm，則最小鋪筑長度為8.22 m(一般頂層土工合成材料長度不應小于10 m，故如計算得到長度小于10 m，可取10 m)，按照文獻[7]中給出的公式確定最下面一層土工格柵鋪筑長度，根據底層土工格柵計算長度，按照規范要求，以倒梯形斷面1∶1倒坡遞減，頂面土工格柵以長者為準.經計算及相應調整，試驗橋臺(張家灣0#橋臺)底層土工格柵鋪筑長度為5 m，頂層鋪筑長度為15 m.

表2 張家灣中橋0#橋臺臺背加筋 cm

采用改進后的加筋方案對潛石高速公路張家灣中橋進行處治后，施工完畢至今近兩年，未發現明顯的橋頭不均勻沉降，處治效果顯著.

改進的加筋方案在解決橋頭跳車病害的同時，土工格柵反包的處理方式較于傳統的錨固的處理，簡化了施工工序；從橋臺整體受力考慮，大部分的土工格柵與橋臺的分離提高了橋臺的安全性；并且也降低了土工格柵對其下地基沉降的影響.

4 結 論

1) 處治路橋過渡段不均勻沉降的過程中，土工格柵與橋臺的錨固連接會造成以下3個問題：(1)錨固位置受到橋臺類型的限制；(2)錨固后的土工格柵受到拉力作用，對橋臺受力體系造成干擾；(3)阻礙地基沉降的及時釋放，造成道路運營后出現路橋的不均勻沉降病害.

2) 基于土工格柵錨固造成的問題，提出采用反包和錨固相結合的改進的土工格柵加筋方案，并且在必要的時候(如橋臺處地基處理情況或填料質量不是特別好)與短搭板(3 m左右)結合共同處治路橋不均勻沉降.

3) 根據試驗橋臺的處治情況，在施工后兩年內未出現明顯路橋過渡段不均勻沉降，改進的加筋設計方案能夠有效解決土工格全部柵錨固造成的問題，并且能夠很好地治理路橋過渡段不均勻沉降，為檢驗設計方案的長期處治性能，需進行長期的沉降觀測.

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A Modified Design Method of Geogrid Reinforcement of Bridge Approaching Roadbed

DONG Huajun1)HUANG Tingting2)LUO Rong2)WANG Lijing2)FENG Guangle3)

(ChangJiangRoadandBridgeCo.,Ltd.,Wuhan430212,China)1)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)(ConstructionQualitysupervisionBureauofMinistryofTransportationofHubeiProvince,Wuhan430010,China)3)

When treating the differential settlement between bridge abutment and approaching road using geogrid reinforcement soil which is suggested in the Technical Specification for Application of Geosynthetics in Highway, the anchorage is used to connect all the geogrids to the bridge abutment. However, such connection has 3 deficiencies: (1) it is limited by the types of abutments and would cause inconvenience in construction process. For example, there is no enough room for anchorage when applying in some light-weight abutments; (2) it disturbs the stress system of the abutment; (3) it impedes the release of foundation settlement. A modified geogrid reinforcement soil scheme is proposed in order to solve the above deficiencies: 2 or 3 layers of the geogrids paving on the top of the roadbed are anchored while other geogrids are wrapped, and short approach slab could be used when it is necessary to strengthen the effect of the treatment. The support construction shows that the modified scheme could effectively solve the deficiencies caused by previous all-anchored geogrids treatment and could effectively treat the differential settlement.

road engineering; bridge approaching roadbed; geogrid; anchoring; wrapping; paving interval

2016-09-17

*湖北省交通運輸廳科技項目資助(201472126)

U416.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.015

董華均(1973—)：男，高級工程師，主要研究領域為瀝青路面材料、巖土力學、工程管理