高填方橋頭路基沉降分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

一、高填方橋頭路基沉降成因

路基分層填土壓實(shí)不均勻、地基不均勻下沉等是造成高填方路基沉降的主要原因。路基沉降多發(fā)生在地質(zhì)和地形變化、地表水和地下水影響嚴(yán)重、填筑材料變化等相關(guān)位置。此外，路基沉降還受水文、氣候等自然環(huán)境及路基自身荷載、車輛動(dòng)載等相關(guān)因素影響。在具體工程中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人需嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)方案、施工要求，確保高填方路基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

二、高填方橋頭路基沉降原理

受規(guī)劃限制，該項(xiàng)目局部路段需選擇高填路基方式。該項(xiàng)目因填方高，荷載大，地基變形量也相應(yīng)明顯增加。填方邊坡高度在15m及以上的部分高路堤采用沖擊碾壓、重型壓路機(jī)、強(qiáng)夯等施工方式對(duì)路基加強(qiáng)處理，增強(qiáng)路堤填土密實(shí)度，使其兼具強(qiáng)度和整體性。

優(yōu)化高填方橋頭路基，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是路基與橋梁的差異沉降。路基沉降種類有初始、主固結(jié)、次固結(jié)沉降等。路面荷載和土體自重作用產(chǎn)生初始沉降，使地基出現(xiàn)剪切變形等情況。主固結(jié)的沉降與土體孔隙水含量有關(guān)。次固結(jié)沉降指的是持續(xù)荷載對(duì)集中土顆粒產(chǎn)生影響，出現(xiàn)蠕變，發(fā)生沉降。

通常情況，很難科學(xué)界定主固結(jié)、次固結(jié)沉降。一些次固結(jié)變形能夠在e-p曲線或者e-logp曲線中顯示出來。如果忽略這種情況，一般沉降即初始沉降和主固結(jié)沉降之和。初始沉降計(jì)算公式為：S=b（1-μ2）λ/E。上式中，P指代的是路堤底面中點(diǎn)最大荷載，而b則表示最大荷載與路堤頂部和底部寬度之和的一半，μ指的是泊松比，通常取值在0.3～0.5之間。E和λ分別表示由無側(cè)先抗壓試驗(yàn)引起的分層厚度加權(quán)平均值和沉降影響系數(shù)。固結(jié)沉降在高填方橋頭路基沉降中比較常見。計(jì)算公式為：S=△hi/（1-e0i）。其中，n指代的是地基沉降分層層數(shù)，e0i和eli分別指代地基低i層分層中點(diǎn)在自重應(yīng)力及其與附加應(yīng)力共同干擾下，處于穩(wěn)定狀態(tài)的孔隙比。Hi指計(jì)算地基沉降時(shí)，第i層的計(jì)算分層數(shù)。

實(shí)際工程中，當(dāng)彎沉值、壓實(shí)度等常規(guī)指標(biāo)已知時(shí)，沉降的發(fā)生時(shí)間是特定的。在進(jìn)行下一道分項(xiàng)工程前，受工程自重、行車荷載等常規(guī)因素影響，把路基高度作為參照指標(biāo)，會(huì)致使路面設(shè)計(jì)高程下降。無論自重應(yīng)力，還是附加應(yīng)力，都是造成路基沉降的重要因素。隨著填土高度越高，自重應(yīng)力越大；當(dāng)自重應(yīng)力不斷疊加時(shí)，受附加應(yīng)力影響，發(fā)生路基沉降效應(yīng)越明顯。事實(shí)上，沉降系數(shù)也與施工填土速度有關(guān)。填土過程慢，地基沉降充分，當(dāng)?shù)鼗探Y(jié)時(shí)，其剪應(yīng)力非常小。反之，填土速度快，地基強(qiáng)度又不達(dá)標(biāo)，極容易發(fā)生剪應(yīng)力變形情況。因此，填土速率會(huì)對(duì)沉降系數(shù)產(chǎn)生影響，當(dāng)填土速率比較大時(shí)，沉降系數(shù)也會(huì)增加。

三、高填方橋頭路基沉降設(shè)計(jì)改進(jìn)方法

針對(duì)該項(xiàng)目鏡潭溝大橋和頭堰橋橋頭高填方路基實(shí)際情況，提出以下改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。

1.填石路基

充分利用項(xiàng)目內(nèi)隧道出渣及石方挖方，對(duì)高填方路基采取填石路基，每填筑2m采用20kJ沖擊碾壓20遍，保證路基壓實(shí)度≥96%，最大粒徑應(yīng)小于50cm，并小于攤鋪層厚2/3。此外，不同強(qiáng)度的石料分別采用不同的填筑層厚和壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)，采用孔隙率作為控制指標(biāo)，采用孔隙率與壓實(shí)沉降差或施工參數(shù)聯(lián)合控制施工壓實(shí)質(zhì)量。

填石路基上路床30cm范圍最大粒徑不得大于150mm，其中小于5mm的細(xì)料含量應(yīng)不小于30%。此外，在路面底面以下鋪設(shè)三層高強(qiáng)土工編織布，且鋪筑層表面應(yīng)無明顯空隙、空洞。在填石路堤的邊部200cm范圍內(nèi)采用不易風(fēng)化的塊石碼砌，塊石強(qiáng)度應(yīng)大于30MPa，塊石的最小邊長度不小于30cm，每一級(jí)的平臺(tái)頂部30cm厚度內(nèi)灌M5砂漿，邊坡表面碼砌成寬20cm左右的臺(tái)階。

圖1 工藝流程圖

2.復(fù)合地基

以局部軟土路段把含水量、軟土層深度等作為參照指標(biāo)，選用水泥攪拌樁、水泥粉噴樁、CFG（Cement Fly-ash Grave）樁等形成復(fù)合地基。對(duì)軟土地基復(fù)合改造處理，既能增加地基承載力，還能避免軟土地基受荷載影響，出現(xiàn)較大變形情況。在橋頭高填土路基的地基上部，采用反壓護(hù)道的設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)路堤的穩(wěn)定性。同時(shí)，通過在橋頭種植高大喬冠木等方式，對(duì)橋頭路堤不均勻變形情況加以控制，增加橋頭美觀度。

以CFG樁為例，其屬于高黏結(jié)強(qiáng)度樁，主要由粉煤灰、水泥、碎石、石屑、砂、水等構(gòu)成，配比有明確限制。其與樁間土和褥墊層共同形成復(fù)合地基，既具備樁體材料優(yōu)勢(shì)，又能充分利用天然地基承載力。對(duì)其適當(dāng)增加地材后，具有成本低，效率高，沉降穩(wěn)定快，工后變形小等特點(diǎn)。工藝流程圖，如圖1所示。

3.沉降觀測

在高填方路基施工期間，對(duì)填方路基變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測及壓力監(jiān)測。在施工期間，如發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常值，即暫停施工，查明原因及時(shí)處理。路堤施工期，控制標(biāo)準(zhǔn)為路堤中心線地面沉降速率每晝夜不大于10mm，水平位移速率每晝夜不大于5mm。觀測結(jié)果結(jié)合沉降和位移發(fā)展趨勢(shì)，填筑速率以水平控制為主。加強(qiáng)高路堤的沉降監(jiān)控，并預(yù)留一個(gè)雨季的沉降期，減少工后沉降。

對(duì)目前工程建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)較少關(guān)注的路基橫向位移變形情況進(jìn)行監(jiān)控，填土過程中，無論是豎向沉降，還是橫向位移而導(dǎo)致的路基寬度增加都是較常見的現(xiàn)象。

在實(shí)際實(shí)施過程中，不僅要限制路基豎向沉降，也要關(guān)注橫向位移情況。

四、結(jié)語

綜上所述，導(dǎo)致高填方橋頭路基沉降的原因有很多，設(shè)計(jì)單位應(yīng)結(jié)合具體工程背景及實(shí)際沉降情況，了解高填方橋頭路基沉降原因及相關(guān)原理，從多個(gè)方面提出具體設(shè)計(jì)改進(jìn)方法，提高工程性價(jià)比，為后續(xù)各項(xiàng)施工工作的開展奠定良好基礎(chǔ)，從根本上解決高填方橋頭路基沉降問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，把對(duì)工程的負(fù)面影響程度降到最低。