一种改进的土工格栅处治桥头过渡段路基的设计方法*

董华均 黄婷婷 罗 蓉 王丽静 冯光乐

(湖北长江路桥股份有限公司1) 武汉 430212) (武汉理工大学交通学院2) 武汉 430063)(湖北省交通厅工程质量监督局3) 武汉 430010)

一种改进的土工格栅处治桥头过渡段路基的设计方法*

董华均1)黄婷婷2)罗 蓉2)王丽静2)冯光乐3)

(湖北长江路桥股份有限公司1)武汉 430212) (武汉理工大学交通学院2)武汉 430063)(湖北省交通厅工程质量监督局3)武汉 430010)

现行《公路土工合成材料应用技术规范》中在加筋处治桥头过渡段路基不均匀沉降病害时，建议土工格栅与混凝土桥台采用锚固进行连接，但这一处理措施会造成以下3点不足：(1)锚固受限于桥台类型，对施工造成不便，如有些轻型桥台无足够锚固位置；(2)对桥台受力体系造成干扰；(3)妨碍地基沉降的及时释放.为了解决上述不足，提出改进的台背加筋方案：靠近路基表面2，3层的土工格栅采用锚固的处理方式，其余位置的土工格栅采用反包的处理方式，并且必要的时候可以选择设置较短的桥头搭板以加强处治效果.工程实践表明，改进的加筋方案能够有效解决土工格栅全部锚固造成的不足，并能够有效治理不均匀沉降病害.

道路工程；桥头过渡段路基；土工格栅；锚固；反包；铺筑间隔

0 引 言

在公路桥梁工程中，由于桥涵构造物台背回填工程中的回填材料选择不当、施工压实不足、地基处治不到位等原因，导致桥台与台后填土之间产生差异性沉降，进而导致桥头跳车这一病害，桥头跳车病害是影响公路正常使用的严重问题.路桥之间的这种不均匀沉降量的范围在几cm到1 m之间[1-2]，不仅会加大行驶车辆及结构物的磨耗，严重恶化结构的使用寿命，还会造成驾驶的不舒适性、增大行车危险.

目前针对桥头过渡段路基不均匀沉降的处治方式主要包括以下几方面[3-4]：(1)减少路基压缩变形，如提高路基填土压实度、选择满足要求的回填料等；(2)采用沉降过渡的方法，如设置桥头搭板、渐变桩等；(3)减少地基沉降，如对地基进行加强处治、采用轻质材料回填等；(4)对路面进行处治，如预设反向坡度、设置过渡段路面等.

目前国内外道路行业中，较为常用的1种处治方式是采用土工格栅来降低过渡段回填料的沉降进而缓解不均匀沉降的产生.土工格栅与填料的相互作用，能够显著改善填料的物理力学性质，筋材能够对土产生约束作用，提高土体的刚度和强度，能够减少回填料自身的压缩变形[5-6].

1 现行设计规范中土工格栅处治桥头过渡段路基设计的不足

根据文献[7]中对桥台构造物与路基之间的不均匀沉降治理的规定：对于混凝土桥台，可采用经防锈处理的膨胀螺钉与钢压条，将土工合成材料锚固在结构物台背面的壁面上，见图1.但是存在相当一部分桥台(如桩柱式桥台)并没有足够的区域供土工格栅的锚固，仅仅台帽部分可以锚固土工格栅；除了施工操作上的不便，土工格栅锚固在桥台上后，还会对桥台结构物施加额外的作用力，对桥台受力体系造成干扰；同时锚固的土工格栅不利于地基沉降的释放.

图1 土工合成材料与混凝土桥台连接示意图

土工格栅提高了加筋土的整体强度和刚度，降低加筋路基自身压缩变形，但是对地基沉降并无明显作用.在加筋施工结束初期，由于土工格栅对土体的“托举力”，路堤自重未立即全部施加在地基顶面，但是随着时间的推移，大部分的应力最终会施加在地基上，造成地基的进一步固结沉降.在不均匀沉降出现的路桥交界处，由于施工空间限制，大型压路机难以碾压，交界处路基压实度低于其余部分路基压实度，见图2中压实薄弱区，路基碾压不密及不均匀会加剧加筋土桥台在交界处的不均匀沉降[8-9].故在桥头过渡段交界处，土工格栅对土体的“挂起”作用，图2中托举力ps=p-ph，p和ph分别是土工格栅凹面上下压力，以及施工不利导致的压实度不足，共同造成了施工结束后地基的进一步固结沉降，并且地基沉降的时间将会被延后，导致地基沉降无法在施工期间全部完成，地基沉降在施工完成后进一步出现，导致新的不均匀沉降的产生，不利于路桥不均匀沉降病害的治理.

图2 土工格栅沉降变形受力示意图

因此，现行规范建议的对混凝土桥台的土工格栅锚固处理方式是不恰当的，对桥头过渡段路基不均匀病害的长期治理不力，文中将以此为出发点，提出改进的土工格栅处治桥头过渡段路基的设计方法：土工格栅采用锚固与反包结合的处理方式，必要时设置短桥头搭板.文中以湖北省潜江至石首高速公路(后文简称“潜石高速”)的一座中桥为例，进行台背加筋设计.

2 改进台背回填加筋设计方法

考虑到土工格栅采用锚固处理的不足，文中提出采用锚固与反包结合的方式对加筋的土工格栅进行处理.在土工格栅进行加筋计算过程中，对台背路基工后沉降的准确预测尤为关键，是计算土工格栅铺设间隔的基础.

2.1 土工格栅铺设间隔ΔH计算

土工格栅在土体中的受力模型以弹性薄膜理论为理论基础，见图3，根据弹性薄膜的受力平衡方程、几何方程、物理方程，以及相容方程，计算得到简化土工格栅受力计算求解方程为[10]

(1)

式中：T为土工格栅所受拉力；τ为土工格栅所受水平外力；q为土工格栅受到的竖向荷载；μ为填料的泊松比；Et为土工格栅的弹性模量；w为土工格栅的竖向沉降量.

图3 弹性薄膜受力示意图

当土工格栅采用锚固的方式处理时，上述方程组(1)的边界条件为

x=0，w=0，T=Ts

(2)

x=∞,w=wmax,T=0

(3)

结合边界条件(2)、(3)计算获得铺筑间隔计算公式为

(4)

式中：Ts为土工格栅抗拉强度；γ为台背填料压实后湿容重；wmax为远离桥台端工后沉降的最大值；其余字母含义如上.

当土工格栅采用反包的方式处理时，方程组(1)的边界条件为

x=0，w=hi，T=Ts

(5)

x=∞，w=hi，T=0

(6)

结合边界条件(5)、(6)，计算获得铺筑间隔计算公式为

(7)

式中：i为计算土层；hi和hi-1分别为近桥台处的第i层和第i-1层土层的预测计算沉降量；其余字母含义如上.

在进行台背加筋设计时，在地基处治情况、台背回填料情况良好的时候，可以只进行加筋而不设置桥头搭板，否则可以设置较短的桥头搭板，在短距离里加强土工格栅的处治效果.

2.2 土工格栅沉降预估

观察式(4)、(7)，计算铺筑间隔时需要土工格栅实际的沉降预估，wmax可以采用路基工后沉降计算方法进行.路基工后沉降是指道路达到设计使用年限后的路基沉降与路面铺筑前的沉降之差，主要分成2个部分：(1)路桥过渡段路基填料的沉降问题；(2)路桥过渡段地基的沉降问题[11].路基的工后沉降可由下式进行预估：

ΔS=Sc t1-Sc t0+αSc ∞

(8)

式中：Sc t1，Sc t0，Sc ∞分别为时间t1，t0及t→∞时地基的固结沉降；α为考虑地基次固结变形影响的系数，一般α<0.08，若路基稳定性较差，α取值可以大一些[12-13].

则任一层的最大沉降量可以按照下式进行计算.

wmax=Sd+St+ΔS

(9)

式中：Sd为地基施工期间沉降;St为路基在施工期间的沉降;ΔS为路基工后沉降.

在进行反包段土工格栅间隔计算时，采用了近桥端的沉降量hi，计算公式为[14]

w(x)=he-kx

(10)

式中：h为与桥台相接处最大沉降，可以通过分层总和计算沉降法进行计算；k为待定参数，可以通过沉降区域边缘沉降值计算得到.

2.3 改进的台背回填加筋设计方法

土工格栅采用全部锚固方式进行时，存在3个问题，即锚固位置受到桥台类型的限制、对桥台受力体系造成影响、妨碍不可避免的工后沉降及时释放.可以考虑采用土工格栅反包的方式来避免上述问题，但是土工格栅在台背加筋时起到的一个非常重要的作用即将路桥衔接处产生的错台变化成有一定倾斜的坡，为了减少锚固对处治效果的影响，同时又为了避免路基表面可能会出现的台阶，提出在靠近路表便于锚固的2～3层的土工格栅采用锚固的方式进行处理，其余的土工格栅采用反包处理，并且按照弹性薄膜理论推导锚固和反包情况下的土工格栅间距进行铺筑，必要时，在桥头设置较短的桥头搭板(约3 m长度)，见图4.

图4 土工格栅加筋方案示意图

综合考虑，在采用土工格栅对台背回填进行加筋时，文中推荐土工格栅采用锚固与反包结合的方式进行处理，并且在需要的时候设置较短的搭板(3 m左右)，针对此种方法的土工格栅加筋设计方案如下.

1) 进行工后沉降预估.工后沉降的准确预测是进行土工格栅加筋计算的基础，推荐可以采用分层求沉降的方法进行计算预测.

2) 初步选择土工格栅类型与强度.根据计算获得的预测沉降值，结合台背填高、回填料质量，选择整体性和耐久性良好、强度满足要求的土工格栅进行加筋.

3) 计算土工格栅加筋中的最大位移.计算路基的工后沉降ΔS，并分别计算近桥台处的沉降hi与远桥台处沉降w.

4) 计算土工格栅铺筑间隔.根据试验设计方案，按照式(4)和(7)，计算相邻2层土工格栅的间距ΔH.

5) 计算土工格栅铺筑长度.土工格栅的铺筑长度应结合路面纵坡变化率进行考虑，路基顶面土工格栅的铺筑长度计算公式为

(11)

式中：L0为土工格栅铺筑长度，m；ΔS为路基工后沉降，m；Δi为纵坡坡差，%.

根据文献[7]中要求，规定土工格栅以倒梯形断面1∶1倒坡递减，在本设计方法中可以参照1∶1的倒梯形设计.

6)根据实际地基和台背回填料处治情况，选择桥头短搭板进行组合布置，若实际计算得到工后沉降值大于10 cm，可以设置短搭板，根据桥梁纵坡及引道纵坡要求(即桥上纵坡不宜大于4%，桥头引道纵坡不宜大于5%，桥头引道的线型应与桥梁的线型相匹配)，短搭板的长度设计按照下式计算

x=ΔS′·Δi

(12)

式中：ΔS′为路基沉降稳定部位沉降与桥台沉降之差，m.

3 实例计算

3.1 工程简况

以湖北省潜江市至石首高速公路(简称“潜石高速”)的张家湾中桥为例，计算该中桥0#桥台的土工格栅加筋方案，提出改进的台背加筋设计方法.

潜石高速张家湾中桥跨越15 m水渠，桥跨布置4 m×13 m，桥梁全长57 m，桥面宽度2 m×12.75 m，该中桥所处位置全线软基，平均软土厚度4.9 m，该中桥的桥头地基处理情况见表1.

表1 张家湾中桥桥头地基处理情况 m

3.2 计算过程

张家湾中桥0#桥台的地基采用水泥搅拌桩处理，根据前文的路基工后沉降计算，得到：

桩土复合地基的等沉面参数l0=2.91 m；桩土复合地基排水固结沉降为202.968 mm；考虑地基次固结沉降为其排水固结沉降的8%，施工期间完成大部分的排水固结沉降，据此计算路基的工后沉降量为32.881 mm.

经计算选择抗拉强度至少为57 kN/m，拉伸模量为975 kN/m双向土工格栅作为加筋材料，根据工程实际的桥台类型(桩柱式轻型桥台)、尺寸，路基顶面向下两层进行土工格栅锚固，其余采用反包进行处理.计算结果见表2.

以距离地基高度1.5 m处土工格栅铺设间隔设计为例，进行反包段锚固计算.

hi和hi-1初步计算为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，计算得ΔH=0.95 m，实际设置间隔时，考虑工程的安全性，除以安全系数1.3，同时为了方便施工，取松铺厚度0.3 m的倍数，取0.6 m，其余间隔计算同上.

路基顶面最小铺筑长度L0计算：容许坡差为0.4%，路基顶面工后沉降为32.881 mm，则最小铺筑长度为8.22 m(一般顶层土工合成材料长度不应小于10 m，故如计算得到长度小于10 m，可取10 m)，按照文献[7]中给出的公式确定最下面一层土工格栅铺筑长度，根据底层土工格栅计算长度，按照规范要求，以倒梯形断面1∶1倒坡递减，顶面土工格栅以长者为准.经计算及相应调整，试验桥台(张家湾0#桥台)底层土工格栅铺筑长度为5 m，顶层铺筑长度为15 m.

表2 张家湾中桥0#桥台台背加筋 cm

采用改进后的加筋方案对潜石高速公路张家湾中桥进行处治后，施工完毕至今近两年，未发现明显的桥头不均匀沉降，处治效果显著.

改进的加筋方案在解决桥头跳车病害的同时，土工格栅反包的处理方式较于传统的锚固的处理，简化了施工工序；从桥台整体受力考虑，大部分的土工格栅与桥台的分离提高了桥台的安全性；并且也降低了土工格栅对其下地基沉降的影响.

4 结 论

1) 处治路桥过渡段不均匀沉降的过程中，土工格栅与桥台的锚固连接会造成以下3个问题：(1)锚固位置受到桥台类型的限制；(2)锚固后的土工格栅受到拉力作用，对桥台受力体系造成干扰；(3)阻碍地基沉降的及时释放，造成道路运营后出现路桥的不均匀沉降病害.

2) 基于土工格栅锚固造成的问题，提出采用反包和锚固相结合的改进的土工格栅加筋方案，并且在必要的时候(如桥台处地基处理情况或填料质量不是特别好)与短搭板(3 m左右)结合共同处治路桥不均匀沉降.

3) 根据试验桥台的处治情况，在施工后两年内未出现明显路桥过渡段不均匀沉降，改进的加筋设计方案能够有效解决土工格全部栅锚固造成的问题，并且能够很好地治理路桥过渡段不均匀沉降，为检验设计方案的长期处治性能，需进行长期的沉降观测.

[1]李生杰.土工合成材料在桥路过渡段中的应用[J].煤炭工程,2002(6):4-6.

[2]梁波,蔡英,罗强,等.土工合成材料在高速铁路路桥过渡段中的应用[J].铁道学报,1999,21(4):64-67.

[3]冯忠居,方贻立,龚坚城,等.高等级公路桥头跳车的危害及其机理的分析[J].西安交通大学学报，1999(4):33-35.

[4]屈战辉.路桥过渡段不均匀沉降处治措施研究[D].西安:长安大学,2005.

[5]汪益敏,李庆臻,高水琴.差异沉降对土工格栅加筋路堤工作性能影响的试验研究[J].华南理工大学学报,2011,39(9):68-74.

[6]胡其坚,徐学文,袁海峰.粉喷桩联合土工格栅加固桥头软基试验研究[J].土工基础,2014,28(2):124-128.

[7]中华人民共和国交通运输部.公路土工合成材料应用技术规范：JTG/T D32—2012[S].北京：人民交通出版社，2012.

[8]陈恳，程炎明.沙发式加筋土桥台[J].河南交通科技，1994,60(4):18-20.

[9]罗强.高速铁路路桥过渡段动力学特性分析及工程试验研究[D].成都：西南交通大学,2003.

[10]冯光乐.桥头引道沉降标准及台背回填加筋应用研究[D].上海：同济大学,2002.

[11]傅亚,冯光乐,董文斌.桥头跳车问题研究综述[J].城市道桥与防洪,2007(6):130-133.

[12]折学森.软土地基沉降计算[M].北京:人民交通出版社,2000.

[13]丁境声，吴国雄，王卫花.基于台背加固后的桥头搭板长度数值计算与分析[J].重庆交通学院学报，2006,25(2):38-41.

[14]陶向华.路桥过渡段差异沉降控制标准与人车路相互作用[D].南京：东南大学,2005.

A Modified Design Method of Geogrid Reinforcement of Bridge Approaching Roadbed

DONG Huajun1)HUANG Tingting2)LUO Rong2)WANG Lijing2)FENG Guangle3)

(ChangJiangRoadandBridgeCo.,Ltd.,Wuhan430212,China)1)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)(ConstructionQualitysupervisionBureauofMinistryofTransportationofHubeiProvince,Wuhan430010,China)3)

When treating the differential settlement between bridge abutment and approaching road using geogrid reinforcement soil which is suggested in the Technical Specification for Application of Geosynthetics in Highway, the anchorage is used to connect all the geogrids to the bridge abutment. However, such connection has 3 deficiencies: (1) it is limited by the types of abutments and would cause inconvenience in construction process. For example, there is no enough room for anchorage when applying in some light-weight abutments; (2) it disturbs the stress system of the abutment; (3) it impedes the release of foundation settlement. A modified geogrid reinforcement soil scheme is proposed in order to solve the above deficiencies: 2 or 3 layers of the geogrids paving on the top of the roadbed are anchored while other geogrids are wrapped, and short approach slab could be used when it is necessary to strengthen the effect of the treatment. The support construction shows that the modified scheme could effectively solve the deficiencies caused by previous all-anchored geogrids treatment and could effectively treat the differential settlement.

road engineering; bridge approaching roadbed; geogrid; anchoring; wrapping; paving interval

2016-09-17

*湖北省交通运输厅科技项目资助(201472126)

U416.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.015

董华均(1973—)：男，高级工程师，主要研究领域为沥青路面材料、岩土力学、工程管理