高速公路桥头过渡路段优化设计

曾　伟，苑红凯，段晓沛，郎瑞卿，贺小青

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.天津大学建筑工程学院，天津市 300072）

高速公路桥头过渡路段优化设计

曾伟1，苑红凯1，段晓沛1，郎瑞卿2，贺小青2

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.天津大学建筑工程学院，天津市 300072）

桥头跳车问题是高速公路建设中的难题。为减小桥头路段与桥头的差异沉降，对桥头路段的设计方法进行了研究，提出了改变PTC管桩桩间距的桥头路段优化设计思路，并提出了桥头过渡路段长度的确定方法。结合天津软土地区某实际工程，对该思路进行了验证和完善，该示范工程具有借鉴意义。

桥头过渡路段；PTC管桩；差异沉降

0　引言

桥头跳车指桥台和台后（或台前）路基之间产生较大差异沉降引起车辆行驶剧烈颠簸的一种现象。为了解决这一世界性难题，工程师们经过不断的理论优化和实践检验，提出了一系列方法，比如采用刚性桩复合地基处理桥头路段，能改善桥头处的工后沉降，不再发生明显的跳车现象，但是发现在距离桥头不远处路段的沉降差异较大，造成“二次跳车”现象。因此，对桥头路段的优化设计是亟需解决的一大难题。

目前，国内外学者针对桥头跳车现场进行了大量研究，主要结论如下：鲁绪文［1］等利用变桩长与变桩距的预制管桩复合地基技术，在桥头软基上设置过渡段，但由于桩长变化对管桩的承载特性影响较大，造成设计较为复杂；陈敏等［2］提出通过塑料排水板将过渡路段抛高的处理方法；Sam等［3］提出采用柔性桥台结构来降低桥台的刚度，缩小桥台和路堤的刚度差；林同立［4］针对不同的分项工程，提出了与其相适应的交通组织方案及技术方案，以减小道路施工对交通流的干扰，为扩建工程顺利完成提供条件；邓天棋［5］在分析各种传统沉降监测仪器优缺点的基础上，选择适合于彭湖高速公路路桥过渡段沉降监测方案和方法；张学伟等［6］给出了确定桥头地基处理长度范围的方法。

本文针对高速公路桥头过渡段处理方法现存问题，提出改变高速公路桥头路段PTC管桩复合地基置换率的方法，将桥头平缓地引向新建路段，并运用大型有限元软件ABAQUS建立了沉降随置换率的变化规律，确定了各过渡段的合理桩间距，避免了复杂的设计施工，有效解决了桥头跳车现象。

1　桥头过渡路段优化思路

1.1理论依据

由于在较短距离内，土层分布较为接近，PTC管桩的承载特性较为接近，且该承载特性与桩周土的性质有较大关系，通过改变桩长来解决桥头跳车问题较为复杂。故本思路为改变桩间距，即改变高速公路桥头路段PTC管桩复合地基置换率。其主要思路为，在接近桥头的路段，增大置换率，减小路面与桥头的差异沉降，随着与桥头距离的增加，逐渐减小置换率，沉降逐渐增大，直至达到新建路段的沉降值。

该思路的理论依据为：随着置换率的增加，地基沉降有所减小。为了确定地基沉降随置换率的变化情况，开展数值模拟试验，确定了相关沉降随置换率的变化情况。

设计中，过渡段设计示意如图1所示。

图1　过渡段设计原理

由于桥梁基础多为大直径的钻孔灌注桩，且桩长较长，故桥梁路面的沉降较小。在设计高速公路桥头路段时，接近桥头的区域I沉降需控制到尽量小的范围内，可根据沉降控制需求查图1中对应的置换率；区域II和区域III可按一定比例增大沉降，按对应的沉降在图1中获得对应的置换率；区域IV为常规高速公路路段。

在桥头和常规路段之间可设置多个过渡路段，使得桥头路面按一定角度β平缓地引向正常路段。由于常规路段和桥头路面的沉降差确定，则过渡段的长度L可按下式确定：

式中：Δh为常规路段和桥头路面的差沉降差。

1.2数值试验

为了系统确定地基沉降随置换率的变化规律，本文采用单一变量法设计了研究方案，在不改变其他因素的情况下，改变桩间距，桩间距的变化量为1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m，对应的置换率分别为 0.19、0.12、0.08、0.06、0.04、0.03。

通过数值模拟方法完成该研究方案。复合地基由4根桩组成，桩顶布置碎石垫层，具体模型如图2所示。

图2　数值模型图

为消除边界效应，土体长宽分别为30 m，深度为54 m。桩帽和管桩均为线弹性理想本构模型，桩帽为钢材材质，管桩为混凝土材质，物理力学参数见表1。

表1　数值模拟模型材料参数

土体采用Mohr-Coulomb模型，属于理想弹塑性模型，应力应变关系如图3所示。

图3　弹性-理想塑性模型

模型建立后，在顶面施加均布压强荷载。

1.3试验结果

计算完成后，分别提取各模型在相同荷载下的沉降，并绘制沉降随置换率变化图，如图4所示。

图4　沉降随置换率变化

由图4可知，随着置换率的增大，地基的沉降减小，但并非线性关系。当置换率较小时（小于0.06），随着置换率的增加，沉降有明显减小趋势；当置换率较大时（大于0.06），随着置换率的增加，沉降减小幅度变小。

沉降为10 cm时置换率为0.06，故桥头处理段的置换率最小值为0.06。结合1.1小节中设计思路，对天津某桥头过渡段进行了设计，并对该过渡段进行了沉降监测。

2　工程实例

2.1工程概况

天津西外环高速北起津汉高速公路，南至规划的津港高速公路二期互通立交，并设置连接线与海景大道相接，主线全长37.629 km，需要处理多个桥头过渡路段。本文以二丈河桥桥头设计为例，采用改变高速公路桥头路段PTC管桩复合地基置换率的方法优化设计。

二丈河南桥头工程不良地质主要为软土层，基本为淤泥质黏土及淤泥质亚黏土，具体参数见表2。

表2　土质参数表

2.2二丈河桥头地基深层处理设计

二丈河北侧、南侧桥头段采用PTC管桩复合桩基进行加固。北侧桥头过渡段分为I区和II区，各区长度均为50 m，填土总高度为6.55 m，分两级填土，每级填土高度3.275 m。南侧桥头过渡段分为I区和II区，各区长度均为50 m，填土总高度为6.45 m，分两级填土，每级填土高度3.225 m。

填土完成后，对埋置于路基左侧、右侧和中间的沉降桩进行沉降监测，监测初期，每3 d监测一次，12 d后，每14 d监测一次，具体设计参数及工后沉降见表3。

表3　具体设计及工后沉降值表

2.3实测沉降分析

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），路面设计使用年限内工后沉降标准为：桥头、通道桥两侧不超过10 cm。二丈河北桥头I区工后沉降为8.0 cm，II区工后沉降为12.7 cm，式（1）中β为0.07°；南桥头I区工后沉降为9.0 cm，II区工后沉降为16.0 cm，式（1）中β为0.09°。实测结果与1.3小结中试验结论较为接近。

3　结　语

通过改变PTC管桩置换率将桥头逐渐引向新建路段的思路，可确保路基工后沉降量，实现由桥头到一般路段的均匀过渡。桥头地基深层处理原则上分为两个区段（个别段落根据现场实际情况可采用三个区段）：第一段为桥头密集段；第二段为过渡段（预应力管桩布置较桥头处理段桩长不变、桩距加大）。在实际应用中能够有效地减小桥头过渡段的工后沉降差异，缓解桥头跳车现象。

［1］鲁绪文，娄炎，何宁，等.变桩长与变桩距技术在处理桥头软基中的应用［J］.施工技术，2007，36（1）：73-75.

［2］陈敏，赵桂娥.解决公路过渡段沉降问题技术措施研究［J］.中国水运，2010，10（5）:178-179.

［3］Sam M B Helwany，Jonathan T H Wu，Burkhard Froessl.GRS bridge abutments—an effective means to alleviate bridge approach settlement［J］.Geotextiles and Geomembranes，2003（21）：177-196.

［4］林同立.桂柳南高速公路改扩建工程方案设计 ［J］.中外公路，2015，35（5）:10-12.

［5］邓天棋.彭湖高速路桥过渡段不均匀沉降分［D］.南昌：华东交通大学，2010.

［6］张学伟，陈捷.软土地区桥头地基处理长度范围的确定 ［J］.浙江公路，2013（4）：64-65.

U412

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1009-7716（2016）07-0076-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.022

2016-02-29

曾伟（1978-），男，天津人，高级工程师，从事高速公路设计工作。