變剛度調(diào)平設計在高速公路橋頭過渡段應用研究

文/強華、湯友文

1 前言

隨著經(jīng)濟社會的進步，高等級公路建設也在不斷快速發(fā)展。其中，大部分分布在中東部地區(qū)，特別是經(jīng)濟比較發(fā)達、交通運輸量需求較旺盛的東南沿海地區(qū)。在我國東部沿海地區(qū)大部分的海岸線（山東部分路段除外）分布著淤泥質(zhì)土層，該類軟土的特點主要表現(xiàn)為高含水量、大孔隙比、高壓縮性和低承載力。在上述軟土地基上修建高速公路，必須進行軟基加固處理。保證工后沉降在允許的范圍內(nèi)已是道路設計的常識，但由于高速公路里程長、荷載水平高、橋梁結(jié)構(gòu)物多，所以相關(guān)人員需特別重視橋梁結(jié)構(gòu)物臺后路基的差異沉降控制。實際工程中，淺埋深厚軟土地區(qū)往往會出現(xiàn)嚴重的橋頭跳車問題，進而影響行車舒適性、道路運營安全和車輛結(jié)構(gòu)安全。因此，如何采用行之有效的措施對橋梁結(jié)構(gòu)物臺后路基的差異沉降進行控制、消除橋頭跳車問題一直是困擾工程界的難題[1]。

2 問題分析及解決思路

長期以來，受傳統(tǒng)分割設計模式影響，設計人員嚴格按照“路歸路、橋歸橋”的思維進行橋梁和路基設計，橋梁設計人員通常不考慮路橋交界處差異沉降銜接，而道路設計人員則側(cè)重于減少橋梁連接段的工后沉降。目前較為成熟的方案是對于不同性質(zhì)路段分別采用柔性樁復合地基（如水泥攪拌樁、碎石樁等）、剛性樁復合地基（預應力管樁、低強度混凝土樁等）和混合樁復合地基（如長短樁、剛?cè)針兜龋┑燃夹g(shù)對橋頭路基進行加固。以上地基加固技術(shù)本質(zhì)上是通過設置樁基來補償天然地基，提高了天然地基的整體剛度，降低了橋頭工后沉降值，有效緩解了路橋交界處的“橋頭跳車”問題。但由于橋頭連接段與一般路段的工后沉降控制標準不同，兩者地基剛度必然存在突然變化，極易在路堤交界處發(fā)生差異沉降，從而產(chǎn)生新的“二次跳車”現(xiàn)象。對于“二次跳車”現(xiàn)象的處理，目前常規(guī)處治方案是通過設置過渡段，同時采用變樁距（置換率過渡）或變樁長（樁長過渡）的方法調(diào)整過渡段地基處理剛度，使之達到地基剛度協(xié)調(diào)過渡的效果，實現(xiàn)控制差異沉降的目的；但這種過渡方法的理論支撐尚顯薄弱[2]。

大量實踐表明，對于因不同地基剛度突變引起的差異沉降控制問題，剛、柔性豎向增強體的組合技術(shù)成為有效控制疏樁地基整體剛度的一種新的嘗試。疏樁路基技術(shù)與軟弱基體加固技術(shù)組合的地基加固形式已被采用，簡稱“基體補強疏樁地基”，即采用剛性樁補償天然地基剛度，減少沉降，同時采用相對柔性的水泥攪拌樁，以承載力有效樁長控制上部軟弱土體的加固深度，提高整體承載力安全系數(shù)[3]。該技術(shù)為進一步提高疏樁基礎剛性減沉基樁的疏化程度、合理控制疏樁地基整體剛度以及不同性質(zhì)路基疏樁變剛度控沉設計、局部差異沉降的變剛度調(diào)平過渡提供了新的思路。本文以實際工程為例，基于變剛度調(diào)平設計理念，針對橋頭連接段與一般路段因不同地基剛度銜接引起的差異沉降控制問題，探討以基體補強疏樁地基進行橋頭過渡段變剛度調(diào)平設計應用的可行性。

3 工程實例

3.1 工程概況

南京市某高速現(xiàn)狀在板橋新城采用橋梁連續(xù)跨越某三級路和板橋河，在與三級路交叉處設置了大方互通，互通形式為1/4 苜蓿葉+1/2菱形互通。由于被交道擬采用高架上跨高速方式改建為城市快速路，現(xiàn)有互通將改建為樞紐互通，因此互通橋頭填土高度較高，約5～7m。路基填料及原地面處理均采用石灰處治土。

3.2 工程地質(zhì)評價

互通區(qū)位于長江漫灘區(qū)，下覆2-2 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，以軟～流塑狀態(tài)為主，其埋深較淺，約1～2m。該層抗剪強度小，具有高壓縮性、高孔隙比、高含水率、低強度、易擾動變形、透水性差等特點，整體厚度較大，約4.5～18.4m；該層土質(zhì)不均勻，屬于高壓縮性地基土。

表1 物理力學性質(zhì)指標表

4 橋頭過渡段變剛度調(diào)平設計

4.1 橋頭過渡段方案

大量研究表明，如果僅按傳統(tǒng)方法對剛性疏樁地基進行簡單的進一步疏化平面布置間距，容易引起軟土地基的屈服穩(wěn)定大變形問題與疏樁荷載反作用于路堤結(jié)構(gòu)的局部抗力穩(wěn)定問題，且路基填筑愈高，軟土地基性質(zhì)愈差，這一問題就會愈加矛盾、嚴重。為解決上述矛盾，本項目采用“基體補強疏樁”方案，即對剛性樁平面間距進一步合理疏化布置，同時采用水泥攪拌樁加固，提高上部樁間軟土承載力。雖然隨著剛性樁的疏化，地基整體剛度降低了，但水泥攪拌樁的補強措施提高了軟土地基抗力水平與壓屈穩(wěn)定，反而提高了地基整體承載力水平[4]。具體方案為：

4.1.1 橋頭連接段采用間距PHC/3.0 管樁復合地基方案。

4.1.2 橋頭過渡段方案基于變剛度協(xié)調(diào)過渡原則進行方案比選，即常規(guī)變樁距方案和基體補強疏樁方案的比選。其中，常規(guī)變樁距方案采用PHC/3.5 管樁復合地基方案，基體補強疏樁方案中PHC 管樁間距擴大至5m，樁長22m；補強的水泥攪拌樁加固深度經(jīng)承載力有效樁長驗算后取8m，簡稱PHC5.0+CDM2.5 的變剛度調(diào)平過渡方案[5]。

圖1 橋頭過渡段方案

4.2 評價原理

4.2.1 作用模量比

為合理比較評價上述兩種過渡段方案的整體剛度及變剛度過渡效果，本文根據(jù)已有研究成果引入作用模量比概念，即疏樁加固區(qū)樁間軟弱基體作用效應值和平均模量之比，另外分析時還需假設同一場址下疏樁段下臥層剛度不變。

圖2 計算單元示意圖

對于疏樁加固區(qū)樁間軟弱基體作用效應值，可根據(jù)應力折減法計算原理，采用Mindlin-Geddes 與Boussinesq 解耦合計算方法，再結(jié)合附加應力分布面積相等進行平均處理，即：

式中：pm—樁間基體平均作用效應值，即平均附加應力，kPa；σz—樁間基體深度z 處，附加應力，kPa；L—疏樁長度，即軟弱基體深度，m。

水泥攪拌樁加固補強范圍內(nèi)引入平均模量Esp概念，采用式（2）計算：

加固區(qū)整體平均模量Em為：

式中：Es、Ep、Esp—分別為天然地基、水泥攪拌樁和攪拌樁復合地基模量，MPa；As、Ap—分別為計算單元中天然地基土和攪拌樁截面積，m2；L、LCDM—分別為疏樁長度和攪拌樁加固深度，m。

對于未采用水泥攪拌樁進行補強的地基，取天然地基模量。

為了比較橋頭過渡段不同方案的地基整體剛度及協(xié)調(diào)過渡效果，定義過渡段作用模量比如下：

表2 橋頭過渡段兩種加固方案計算結(jié)果

4.2.2 計算結(jié)果

計算時路基填高取6m，當水泥攪拌樁加固深度從5m 提高到10m 時，疏樁地基承載力相對盈余不斷提高，即地基承載力安全系數(shù)不斷提高。當加固深度超過6m 時，疏樁地基承載力相對盈余已超過常規(guī)的PHC3.5 管樁方案。綜合考慮本工程的重要性和經(jīng)濟性，本次設計將再適當提高承載力安全系數(shù)，水泥攪拌樁加固深度取8m，此時對應的作用模量比為1.7%，高于常規(guī)方案的1.1%，顯然該處治方案有效降低了過渡段地基整體剛度。考慮到一般路段地基剛度明顯偏低的特點，通過變剛度調(diào)平設計實現(xiàn)剛度過渡符合預期，切實可行。

表3 橋頭過渡段兩種加固方案沉降計算結(jié)果

采用PHC5.0+CDM2.5 變剛度調(diào)平過渡方案的地基整體承載力安全系數(shù)較常規(guī)PHC3.5管樁方案更高，而過渡段地基整體剛度卻較常規(guī)PHC3.5 管樁方案顯著降低，實現(xiàn)了地基承載力提高與地基整體剛度降低的統(tǒng)一，有效解決了橋頭連接段與一般路段連接處縱向差異沉降控制問題，體現(xiàn)了變剛度調(diào)平設計理念應用于橋頭過渡段“協(xié)調(diào)過渡”縱向差異沉降的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

5.1 本文基于變剛度調(diào)平設計理念，針對橋頭連接段與一般路段不同地基剛度銜接問題，以基體補強疏樁地基進行道路工程整體變剛度調(diào)平控制差異沉降的原則，同時為了指導工程設計，引入了作用模量比概念并提出評價公式[6]。

5.2 與常規(guī)PHC3.5 管樁方案相比，基體補強疏樁方案在保證地基承載力提高的同時，合理降低了過渡段地基整體剛度，較好地實現(xiàn)了高低剛度地基的協(xié)調(diào)過渡，解決了不同路段縱向差異沉降控制問題，證明了PHC5.0/22+CDM2.5/8 變剛度調(diào)平設計方案的可行性。