高速公路陡坡地基的橋梁與路基方案的比較研究

文/鄒霖、唐云浩、蘇開敏

1 陡坡地基的受力特點分析

1.1 陡坡路段地基承載能力分析

依托于理想彈塑性力學理論作為分析工作中的理論指導，引入有限元技術(shù)后，圍繞地基承載力特性，并根據(jù)地基與基礎的共同作用機制創(chuàng)建接觸非線性計算模型，為地基承載力分析提供全新的思路。根據(jù)實際驗算結(jié)果，證實了該方法的可行性，并用于陡坡地區(qū)路基性能分析工作中。現(xiàn)階段，針對陡坡地區(qū)路橋基承載力問題的研究具有多樣化，但缺乏明確的方法，因此需要選擇多種設計參數(shù)，綜合對比陡坡地區(qū)路橋基的受力情況，將其作為設計的基本依據(jù)[1]。

1.2 陡坡路段橋基穩(wěn)定性分析

選取嵌巖樁作為分析對象，探討在多種長細比工況下各自對應的受力特性，從路橋基內(nèi)力、變形與穩(wěn)定性三方面切入，分析橫向山體荷載對各項指標產(chǎn)生的具體影響。同時，根據(jù)陡坡路橋基的基本特性，對比各設計參數(shù)下所帶來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況，提出橋基埋置的合適深度，以此為相關人員陡坡路橋基的設計工作提供參考。

1.3 路橋基荷載作用下陡坡穩(wěn)定性分析

依托強度折減理論，引入改變步長搜索法，在其指導下分析邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，由此解決了常規(guī)二維平面的局限之處，在應用強度折減法時將其擴展到三維空間，更為全面地呈現(xiàn)出邊坡應力分布特點，有助于陡坡穩(wěn)定性分析。

2 陡坡區(qū)橋梁方案設計研究

山區(qū)高速公路橋梁建設過程中，上部結(jié)構(gòu)普遍選擇的是標準跨徑形式，以T 梁居多；下部結(jié)構(gòu)是橋墩橋臺和基礎，橋墩應用較為廣泛的有柱式墩；橋臺多選擇重力式U 型橋臺，部分情況下為肋板臺。由于陡坡地段的特殊性，地質(zhì)構(gòu)造成為設計工作中重點考慮的內(nèi)容，為協(xié)調(diào)與地形，左右幅可能采用不同的跨徑甚至結(jié)構(gòu)形式，部分情況下還將采取錯幅布置方案。

由于地形原因，設置錐坡的難度較大，橋臺需與擋土墻連接。若選擇肋板臺，在施工與后續(xù)使用中易出現(xiàn)開裂等質(zhì)量問題，建議優(yōu)先選擇U 形橋臺，并采用樁基礎[2]。開挖時，陡坡施工易引發(fā)邊坡失穩(wěn)，樁基可起到減少開挖量的效果；另外，橋臺布置要盡可能避免橋臺過高的情況。陡坡橋梁橋墩設計中，樁基礎是尤為關鍵的部分，受地形橫坡變化幅度較大的影響，同幅的墩高和樁長各不相同。

從受力的角度來看，內(nèi)外側(cè)橋墩狀態(tài)存在差異，部分設計方案中引入開挖平臺，目的在于確保內(nèi)外墩高度的一致性，此法在改善受力狀況中具有較好應用效果，但弊端是易對環(huán)境造成不良影響，邊坡受擾更為明顯，由此表明在不穩(wěn)定邊坡地段中，此方法的適應性較差。

3 陡坡區(qū)路基方案設計研究

3.1 高速公路陡坡填方路基的病害

3.1.1 陡坡地基的特殊之處體現(xiàn)在覆蓋土層和基巖面兩方面，其均為穩(wěn)定性不足的透水軟弱面，在該處施工時路基易受到地下水影響，隨之引發(fā)路基下滑問題。

3.1.2 陡坡地層構(gòu)成較為復雜，具有巖層軟弱相間的特點，因風化和地下水的雙重影響，軟弱面的路基易出現(xiàn)不同程度的滑移。

3.1.3 松散巖土堆積物偏多，由于缺乏合適的處治措施，在地面橫坡較陡的施工條件下，路基邊坡的臨空面高度較大，此外封閉措施未到位，因此遇強降雨天氣時會帶來明顯的地表水下滲現(xiàn)象，路基出現(xiàn)滑移。

3.1.4 陡坡布線方式特殊，部分線路穿越巖層構(gòu)造交界區(qū)，該處的基本特點在于巖層軟硬不均且為活躍的地下水活動區(qū)，因此易在豐水季節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問題，如不均勻壓縮而引發(fā)的沉降裂縫；因缺乏及時的處理措施，最終路基發(fā)生滑移。

3.1.5 由于半填半挖地段缺乏穩(wěn)定性，該處的路基易引發(fā)差異性沉降，從而形成裂縫或是發(fā)生變形。

3.1.6 針對陡坡路基上緣坡匯水范圍廣的特點，盡管該處采取了防水溝防護措施，但受到地表水滲透的影響，地基與路基出現(xiàn)共同變形現(xiàn)象。另外，陡坡后緣處的加載作業(yè)存在盲目性，造成現(xiàn)場自然生態(tài)失衡，隨之發(fā)生陡坡變形。

3.1.7 陡坡路基填筑所用材料不當，邊坡易因季節(jié)的變化而產(chǎn)生不同程度的質(zhì)量問題。若坡面封閉處理不當，遇持續(xù)性降雨時，填方邊坡處易產(chǎn)生縱向裂縫，且主要集中于路基邊緣相距1m～2.5m 的區(qū)域。

3.2 路基方案設計

基于陡坡地區(qū)的設計施工條件，有四類路基設計方案可供比較研究，見圖1。諸如地形、邊坡高度、自然條件等均是此類路基設計中的重點考慮因素，工作人員需根據(jù)實際情況選擇相適應的路基形式。此外，施工人員有必要分析路基穩(wěn)定性，輔以漿砌片石護肩、擋土墻等相關措施，確保路基的穩(wěn)定性。

圖1 陡坡路基斷面典型形式示意圖

針對半挖半填路基設計，基底部分宜優(yōu)先選用挖臺階的方式，通過增強土工格室以達到提高路基穩(wěn)定性的效果。挖方路基設計中，首先對路基適量超挖，并在此基礎上再安排回填，以填土高度為基本參考，合理設置增強土工格室，提升路基的穩(wěn)定性。

4 陡坡區(qū)半幅橋、半幅路方案設計研究

4.1 陡坡區(qū)半幅橋半幅路方案

如果陡坡區(qū)部分區(qū)域地質(zhì)狀況優(yōu)良，盡管為陡坡地段，但允許在中央分隔帶處施作擋土墻，此條件下以半幅路基、半幅橋的方案為宜，具體見圖2。部分設計中還會選擇整幅橋梁方案，具體見圖3。相比之下，半幅路基、半幅橋施工所需的成本能夠得到有效控制，經(jīng)濟效益更為可觀。中央分隔帶處擋土墻設計，根據(jù)陡坡地段的地質(zhì)特點，墻身1.3m 以內(nèi)為宜；若高度超過5m，施工材料為C25 片石混凝土；若高度在5m 內(nèi)，此時推薦選用C15 片石混凝土或M7.5 漿砌片石。部分路段施工條件欠佳，擋墻基礎開挖時易產(chǎn)生擾動，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)問題，此時以樁板式擋土墻的形式更為合適[3]。

圖2 半幅橋、半幅路路基路方案示意圖

圖3 整幅橋梁方案示意圖

4.2 陡坡區(qū)縱向橋梁方案

如果陡坡區(qū)為“V”形深谷，此條件下建議選擇高架橋方案，可與山區(qū)特殊地形協(xié)調(diào)，施工中擾動性更小，有助于保護現(xiàn)場自然環(huán)境，并具備一定的防洪抗災能力。由于邊坡縱橋向較為陡峭，因此在設計時工作人員應重點關注邊坡縱向穩(wěn)定狀況，若存在失穩(wěn)邊坡，則要采取合適的加固措施。此外，布跨時應注重對橋墩的設計，盡可能避免設置于谷底的情況，否則易受到滾石等自然災害的威脅。

5 陡坡區(qū)路橋方案的比較研究及建議

5.1 方案比較研究

基于橋梁方案的應用，可提高陡坡路段施工的安全性，對周邊環(huán)境破壞小，能夠?qū)崿F(xiàn)對自然環(huán)境的有效保護，且具有可觀賞價值，但成本投入相對較多。橋墩與基礎是重要結(jié)構(gòu)，設計時所考慮的因素較多，工作人員要確保此類結(jié)構(gòu)具有抵御滑坡等地質(zhì)災害的能力。路基方案的優(yōu)勢在于成本低、施工效率高，但其極容易破壞周邊環(huán)境，在施工條件允許的前提下，分離式路基或錯幅路基都具有可行性。

5.2 對于施工的建議

5.2.1 山區(qū)高速公路路基開挖過程中易產(chǎn)生大量的廢方，而現(xiàn)場作業(yè)條件不良，棄土場相對較少，因此棄土常被拋棄在橋下。在陡坡地段中，大量的堆載易引發(fā)墩臺位移現(xiàn)象，需盡可能杜絕此類棄土，以合理的方式處理。

5.2.2 陡坡路段環(huán)境下，為確保邊坡開挖的穩(wěn)定性，應遵循逐級開挖的原則，每結(jié)束一級開挖后均采取防護措施，并設置排水設施。

6 結(jié)語

山區(qū)高速公路建設領域，陡坡地段的施工難度較大，該處的路基及橋梁易發(fā)生不同程度的質(zhì)量問題。對此，需根據(jù)陡坡路段的基本特點，考慮質(zhì)量、安全、成本等方面的要求，在多種方案中比選，選擇最合適的方案。而針對地質(zhì)特殊復雜路段，工作人員應結(jié)合邊坡坡度、路基高度等要素，靈活應用多種方案，通過交錯布置的方式確保工程質(zhì)量，實現(xiàn)人與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。