土工格柵與短搭板在橋頭過渡段不均勻沉降中的應用研究

鄢小英 羅 勇

(1.湖北交投荊潛高速公路有限公司 荊州 434100； 2.湖北長江路橋股份有限公司 武漢 430000 )

土工格柵加筋技術被廣泛應用于處治路橋過渡段不均勻沉降，根據JTG/T D32-2012 《公路土工合成材料應用技術規范》[1]，加筋處理是土工格柵常見的錨固方式，但錨固存在以下問題：①土工格柵在錨固時會受到橋臺結構的影響，如輕型橋臺或框架式橋臺缺少足夠的位置供錨固；②錨固的土工格柵會干擾橋臺結構物的受力，增加橋臺的額外受力；③錨固在橋臺上的土工格柵影響橋臺附近地基沉降的及時釋放。為解決錨固帶來的上述不利影響，更好地減緩或消除橋梁臺背不均勻沉降問題，本工法在理論設計基礎上，采用土工格柵對臺背回填路基進行加筋處理，土工格柵以錨固和反包組合的方式鋪設，并與短搭板(3 m)結合，綜合處治路橋過渡段不均勻沉降病害，并應用于湖北潛江至石首高速公路，以驗證抵抗橋頭過渡段不均勻沉降效果。

1 工藝特點

1) 本工程采用土工格柵反包與錨固相結合、必要時設置短搭板的方法，從理論推導入手，提出在同一受力分析模型下，土工格柵反包和錨固鋪設的間隔計算公式；對土工格柵層間距ΔH、鋪設長度L等進行設計。

2) 本工法中臺背回填加筋采用半厚式布置，由底部向上部土工格柵的布置密度逐漸加大，一般認為從中上層或者上部1/3部分加筋密度逐步增大，加筋材料呈倒梯形布置，起到使路基剛度漸變的作用，有利于減小橋頭引道沉降產生的縱坡坡差。

3) 根據工程實際選擇短搭板(3 m)與土工格柵共同作用，土工合成材料與橋臺的連接方式采用反包式與錨固式相結合的方式進行連接。為了保證路基沉降均勻，在路基頂面2 m范圍內錨固，2 m以下部分采用反包式的端頭處理。本案例蓋梁高接近2 m，故可在2 m范圍內進行錨固接連處理，蓋梁以下，由于錨固連接不便，可以進行反包處理，反包段應在1～2 m長度范圍內。

4) 土工格柵采用反包與錨固相結合的處理方式，加強路堤土體自身強度，下部反包段有助于路堤填土消化地基沉降，上部錨固段與短搭板協調作用，消除臺階，使得沉降均勻變化。

5) 由于橋頭附近填土的沉降差異性，土工格柵在橋頭處產生自我錨固，形成等效錨固段，將土工格柵固定在橋臺附近，有利于土工格柵發揮加筋作用。

6) 土工格柵與填料形成復合路基，提高土體抵抗變形的能力，減少臺背路基固結沉降，在剛性橋臺和柔性路堤之間起到過渡作用。

2 適用范圍

本工法適用于高速公路橋頭過渡段臺背回填加筋，其地基承載力較好，或經攪拌樁處理后地基上，增強橋頭引道路基的復合剛度，約束路基土的側向變形，減緩或者防止橋頭過渡段不均勻沉降。

土工格柵具有抗拉強度高、整體性好、耐腐蝕， 以及抗微生物侵蝕、施工方便的特點，實際應用根據設計圖紙進行施工測量，測定路基橫斷面，并確定土工格柵鋪設長度和鋪設間距。

3 工藝原理

3.1 等效錨固原理

根據工程實際，靠近路基頂面2～3層土工格柵采用錨固方式，與短搭板互相作用形成整體，使得下部沉降差能夠以縱坡形式在路基頂面消化，避免形成臺階，造成橋頭跳車病害；下部采用反包方式處理，使得路基填料能夠消化地基沉降。該種加筋方式能夠避免影響橋頭過渡段路基強度和穩定性，同時部分錨固的方式能夠減少土工格柵對橋臺穩定性的影響。

土工格柵采用反包處理可在橋臺附近產生等效錨固效應，反包的土工格柵固定在橋臺邊緣，減少沿路線方向土工格柵的移動和拉拔現象，等效錨固效應使得土工格柵的加筋效果顯著。

3.2 理論計算

土工格柵鋪設布置見圖1。

圖1 臺背土工格柵布置圖

由圖1可見，土工格柵由路基底面向路基頂面布置密度逐漸增大，長度也隨之增大，以倒梯形形式布置。在橋臺處采用上部錨固或下部反包的方式進行處理。

建立土工格柵受力分析模型，根據土工格柵錨固和反包2種邊界條件，理論推導土工格柵在錨固和反包時的鋪設間隔計算公式。

1) 采用錨固處理方式部分，土工格柵鋪設間隔ΔH按式(1)確定。

(1)

式中：γ為臺背填料壓實后的濕容重；Ts為土工格柵抗拉強度；Et為土工格柵的彈性模量；wmax為離橋臺足夠遠時土工格柵的垂直沉降位移。

2) 采用反包處理方式部分，土工格柵鋪設間隔ΔHi按式(2)確定。

(2)

式中：μ為臺背填料泊松比；hi-1為第i-1層計算沉降；hi為第i層計算沉降。

土工格柵鋪設長度L按式(3)確定。

(3)

式中：ΔS為路基工后沉降，cm；Δi為工后沉降引起的縱坡坡差，%。

4 施工工藝及操作要點

4.1 施工工藝

4.1.1定位放線

精確放出路基邊坡線，為保證路基寬度，每側各加寬0.5 m。

4.1.2地基處理

按設計要求[2]對地基進行處理，待地基處理完成和橋臺強度達到設計要求后[3]，進行土工格柵的鋪設。

4.1.3土工格柵鋪設

1) 在平整壓實的場地上，按照設計要求的寬度和長度鋪設，土工格柵靠近橋臺一端預留長度并固定，另一端張拉使其產生2%～4%的伸長率再用U形釘固定[4]。

2) 反包處理，土工格柵在橋臺處預留3 m，先回填0.3 m厚填料，將預留的3 m土工格柵折翻上來，張拉拉緊后用U形釘固定。對于錨固的位置，在橋臺處預留適量長度，用鋼片壓住，用膨脹螺釘錨固，水泥混凝土橋臺與土工格柵，以及土工格柵與膨脹螺釘之間分別使用軟塑料進行墊隔，防止鋼片對土工格柵造成損害，同時也起到緩沖、增強嵌鎖作用。

3) 固定好土工格柵后，及時回填上層填料，回填厚度按照設計厚度進行，及時完成碾壓，壓實度滿足要求后，按照同樣的方法鋪筑第二層土工格柵，依次類推，直至完成。

4.1.4短搭板澆筑

橋頭搭板下路基壓實度滿足要求后[5]，進行短搭板施工，短搭板施工工序如下。

1) 施工前準備。測量放樣，精確測量出搭板邊線位置，并對位置、方向及標高與設計方案進行核對。

2) 鋼筋加工和安裝。鋼筋在加工場地集中加工生產，嚴格按照設計進行鋼筋加工和安裝，控制鋼筋間距和上、下層保護層厚度。

3) 模板安裝。安裝前，檢查模板的平整度、表面清潔，以及涂刷脫模劑情況，按設計進行安裝并固定。

4) 混凝土澆筑。混凝土由拌和站集中供應，澆筑混凝土時，嚴格控制混凝土頂面的高程，使成型后的混凝土頂面標高符合設計要求。

5) 拆模、混凝土養生。混凝土強度達到設計或規范要求后方可拆除，拆模時不得損壞混凝土表面，模板拆除后需對混凝土進行灑水覆蓋養護，養生時間不少于7 d。

4.2 操作要點及注意事項

1) 土工格柵進場后，需進行質量檢測，進行抗拉強度的測試，抗拉強度不小于50 kN/m。并及時儲藏在倉庫內，禁止露天堆放，在鋪筑前和施工中要保證材料的完好性，禁止使用有斷裂或破損的土工合成材料。

2) 臺背回填料必須具有良好的水穩定性和壓實性能，與土工合成材料具有良好摩擦與咬合作用，滿足JTG/T D32-2012 《公路土工合成材料應用技術規范》要求。

3) 采用反包處理的土工格柵的反包包裹長度不得小于2 m。

反包土層厚度30 cm，在土工格柵兩端分別用U形釘固定。反包處理示意見圖3，錨固處理示意見圖4。

圖3 土工格柵反包處理示意圖

圖4 土工格柵錨固處理示意圖

4) 土工格柵鋪設不得有褶皺，相鄰兩幅土工格柵搭接寬度不應小于20 cm，并用尼龍繩呈“之”字形穿綁，使之連成整體，每層土工格柵搭接位置應相互錯開。

5) 壓實。當格柵鋪設定位后，應及時填土覆蓋，裸露時間不得超過48 h，亦可采取邊鋪設邊回填的流水作業。先在兩端攤鋪填料，將格柵固定，再向中部推進，先兩側后中間進行碾壓，在運料、整平、碾壓過程中，杜絕施工車輛及機械直接停放在已鋪好的土工格柵上，碾壓時壓輪不得直接與筋材接觸，未壓實的加筋體不得供車輛行駛，以免筋材錯位。每層填土壓實后，需進行壓實度檢測，各項指標滿足設計要求后[6]，方可進行上層填筑或土工格柵的鋪設。

5 應用實例

潛江至石首高速公路(簡稱潛石高速)是湖北省“十二五”規劃的“七縱五橫三環”高速公路網的重要組成部分，該項目實施時間為2013年11月-2015年底。線路全長42.282 7 km，橋梁路線全線位于軟基之上，軟基處理段共21.307 km，橋梁占線路總長度42.6%，特大、大、中型橋梁居多。針對潛石高速軟基及橋梁占比大的特點，開展橋頭不均勻沉降病害防治尤為重要。

試驗橋梁為張家灣中橋(K22+112.7-K22+124.0)的2座橋臺。張家灣0號橋臺臺背路基處理范圍為K22+112.7-K22+124.0，處理長度11.3 m，平均軟土層厚度為4.9 m，攪拌樁樁長5.4 m。

地基采用水泥攪拌樁進行處理(等沉面l0=2.91 m)，采用前文介紹的樁土復合地基線彈性沉降計算得其排水固結沉降為202.968 mm，考慮地基的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，計算得路面工后沉降為32.881 mm。

經過計算，選擇抗拉強度為57 kN/m、拉伸模量為975 kN/m的雙向土工格柵作為加筋材料，路基頂面往下2層采用錨固處理方式，其余采用反包處理。

現以距離地基深度為1.5 m處為例，計算反包段間隔。根據反包段間隔計算公式(2)，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，需要除以安全系數1.3，同時為了方便施工，取松鋪厚度0.3 m的倍數，本項目取0.6 m，其余間隔計算同上。

路基頂面最小鋪筑長度Lmin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(由于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JTG/T D32-2012 《公路土工合成材料應用技術規范》中給出的公式確定最底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，頂面土工格柵長度取較大值。經計算及相應調整，本座橋臺(張家灣0號)底層土工格柵鋪筑長度為5 m，頂層鋪筑長度為15 m，臺背加筋具體方案見表3。

表3 張家灣中橋K22+112.7-K22+124.0段臺背加筋 cm

張家灣中橋0號橋臺采用短搭板與土工合成材料組合對臺后填土進行處理，自2015年通車以來，工程實踐效果顯示，該工藝能在剛性橋臺與柔性路堤間起到過渡結構層的作用，能較好地改善路基和橋臺的剛度突變，橋頭引道沉降漸變效果較好，橋頭引道沉降產生的縱坡坡差減少，橋頭不均勻沉降明顯減小。

6 結語

采用短搭板與土工合成材料組合對臺后填土進行處理，能較好地緩解路基和橋臺的剛度突變，減少橋頭引道沉降產生的縱坡坡差，降低橋頭不均勻沉降，從而有效地緩解或消除了橋頭跳車現象；提高道路的使用性能和行車的安全性、舒適性，提升道路的服務能力。采用短搭板與土工合成材料組合布置形式對臺后填土進行加筋處理，具有明顯的經濟效益與社會效益。