土工格栅与短搭板在桥头过渡段不均匀沉降中的应用研究

鄢小英 罗 勇

(1.湖北交投荆潜高速公路有限公司 荆州 434100； 2.湖北长江路桥股份有限公司 武汉 430000 )

土工格栅加筋技术被广泛应用于处治路桥过渡段不均匀沉降，根据JTG/T D32-2012 《公路土工合成材料应用技术规范》[1]，加筋处理是土工格栅常见的锚固方式，但锚固存在以下问题：①土工格栅在锚固时会受到桥台结构的影响，如轻型桥台或框架式桥台缺少足够的位置供锚固；②锚固的土工格栅会干扰桥台结构物的受力，增加桥台的额外受力；③锚固在桥台上的土工格栅影响桥台附近地基沉降的及时释放。为解决锚固带来的上述不利影响，更好地减缓或消除桥梁台背不均匀沉降问题，本工法在理论设计基础上，采用土工格栅对台背回填路基进行加筋处理，土工格栅以锚固和反包组合的方式铺设，并与短搭板(3 m)结合，综合处治路桥过渡段不均匀沉降病害，并应用于湖北潜江至石首高速公路，以验证抵抗桥头过渡段不均匀沉降效果。

1 工艺特点

1) 本工程采用土工格栅反包与锚固相结合、必要时设置短搭板的方法，从理论推导入手，提出在同一受力分析模型下，土工格栅反包和锚固铺设的间隔计算公式；对土工格栅层间距ΔH、铺设长度L等进行设计。

2) 本工法中台背回填加筋采用半厚式布置，由底部向上部土工格栅的布置密度逐渐加大，一般认为从中上层或者上部1/3部分加筋密度逐步增大，加筋材料呈倒梯形布置，起到使路基刚度渐变的作用，有利于减小桥头引道沉降产生的纵坡坡差。

3) 根据工程实际选择短搭板(3 m)与土工格栅共同作用，土工合成材料与桥台的连接方式采用反包式与锚固式相结合的方式进行连接。为了保证路基沉降均匀，在路基顶面2 m范围内锚固，2 m以下部分采用反包式的端头处理。本案例盖梁高接近2 m，故可在2 m范围内进行锚固接连处理，盖梁以下，由于锚固连接不便，可以进行反包处理，反包段应在1～2 m长度范围内。

4) 土工格栅采用反包与锚固相结合的处理方式，加强路堤土体自身强度，下部反包段有助于路堤填土消化地基沉降，上部锚固段与短搭板协调作用，消除台阶，使得沉降均匀变化。

5) 由于桥头附近填土的沉降差异性，土工格栅在桥头处产生自我锚固，形成等效锚固段，将土工格栅固定在桥台附近，有利于土工格栅发挥加筋作用。

6) 土工格栅与填料形成复合路基，提高土体抵抗变形的能力，减少台背路基固结沉降，在刚性桥台和柔性路堤之间起到过渡作用。

2 适用范围

本工法适用于高速公路桥头过渡段台背回填加筋，其地基承载力较好，或经搅拌桩处理后地基上，增强桥头引道路基的复合刚度，约束路基土的侧向变形，减缓或者防止桥头过渡段不均匀沉降。

土工格栅具有抗拉强度高、整体性好、耐腐蚀， 以及抗微生物侵蚀、施工方便的特点，实际应用根据设计图纸进行施工测量，测定路基横断面，并确定土工格栅铺设长度和铺设间距。

3 工艺原理

3.1 等效锚固原理

根据工程实际，靠近路基顶面2～3层土工格栅采用锚固方式，与短搭板互相作用形成整体，使得下部沉降差能够以纵坡形式在路基顶面消化，避免形成台阶，造成桥头跳车病害；下部采用反包方式处理，使得路基填料能够消化地基沉降。该种加筋方式能够避免影响桥头过渡段路基强度和稳定性，同时部分锚固的方式能够减少土工格栅对桥台稳定性的影响。

土工格栅采用反包处理可在桥台附近产生等效锚固效应，反包的土工格栅固定在桥台边缘，减少沿路线方向土工格栅的移动和拉拔现象，等效锚固效应使得土工格栅的加筋效果显著。

3.2 理论计算

土工格栅铺设布置见图1。

图1 台背土工格栅布置图

由图1可见，土工格栅由路基底面向路基顶面布置密度逐渐增大，长度也随之增大，以倒梯形形式布置。在桥台处采用上部锚固或下部反包的方式进行处理。

建立土工格栅受力分析模型，根据土工格栅锚固和反包2种边界条件，理论推导土工格栅在锚固和反包时的铺设间隔计算公式。

1) 采用锚固处理方式部分，土工格栅铺设间隔ΔH按式(1)确定。

(1)

式中：γ为台背填料压实后的湿容重；Ts为土工格栅抗拉强度；Et为土工格栅的弹性模量；wmax为离桥台足够远时土工格栅的垂直沉降位移。

2) 采用反包处理方式部分，土工格栅铺设间隔ΔHi按式(2)确定。

(2)

式中：μ为台背填料泊松比；hi-1为第i-1层计算沉降；hi为第i层计算沉降。

土工格栅铺设长度L按式(3)确定。

(3)

式中：ΔS为路基工后沉降，cm；Δi为工后沉降引起的纵坡坡差，%。

4 施工工艺及操作要点

4.1 施工工艺

4.1.1定位放线

精确放出路基边坡线，为保证路基宽度，每侧各加宽0.5 m。

4.1.2地基处理

按设计要求[2]对地基进行处理，待地基处理完成和桥台强度达到设计要求后[3]，进行土工格栅的铺设。

4.1.3土工格栅铺设

1) 在平整压实的场地上，按照设计要求的宽度和长度铺设，土工格栅靠近桥台一端预留长度并固定，另一端张拉使其产生2%～4%的伸长率再用U形钉固定[4]。

2) 反包处理，土工格栅在桥台处预留3 m，先回填0.3 m厚填料，将预留的3 m土工格栅折翻上来，张拉拉紧后用U形钉固定。对于锚固的位置，在桥台处预留适量长度，用钢片压住，用膨胀螺钉锚固，水泥混凝土桥台与土工格栅，以及土工格栅与膨胀螺钉之间分别使用软塑料进行垫隔，防止钢片对土工格栅造成损害，同时也起到缓冲、增强嵌锁作用。

3) 固定好土工格栅后，及时回填上层填料，回填厚度按照设计厚度进行，及时完成碾压，压实度满足要求后，按照同样的方法铺筑第二层土工格栅，依次类推，直至完成。

4.1.4短搭板浇筑

桥头搭板下路基压实度满足要求后[5]，进行短搭板施工，短搭板施工工序如下。

1) 施工前准备。测量放样，精确测量出搭板边线位置，并对位置、方向及标高与设计方案进行核对。

2) 钢筋加工和安装。钢筋在加工场地集中加工生产，严格按照设计进行钢筋加工和安装，控制钢筋间距和上、下层保护层厚度。

3) 模板安装。安装前，检查模板的平整度、表面清洁，以及涂刷脱模剂情况，按设计进行安装并固定。

4) 混凝土浇筑。混凝土由拌和站集中供应，浇筑混凝土时，严格控制混凝土顶面的高程，使成型后的混凝土顶面标高符合设计要求。

5) 拆模、混凝土养生。混凝土强度达到设计或规范要求后方可拆除，拆模时不得损坏混凝土表面，模板拆除后需对混凝土进行洒水覆盖养护，养生时间不少于7 d。

4.2 操作要点及注意事项

1) 土工格栅进场后，需进行质量检测，进行抗拉强度的测试，抗拉强度不小于50 kN/m。并及时储藏在仓库内，禁止露天堆放，在铺筑前和施工中要保证材料的完好性，禁止使用有断裂或破损的土工合成材料。

2) 台背回填料必须具有良好的水稳定性和压实性能，与土工合成材料具有良好摩擦与咬合作用，满足JTG/T D32-2012 《公路土工合成材料应用技术规范》要求。

3) 采用反包处理的土工格栅的反包包裹长度不得小于2 m。

反包土层厚度30 cm，在土工格栅两端分别用U形钉固定。反包处理示意见图3，锚固处理示意见图4。

图3 土工格栅反包处理示意图

图4 土工格栅锚固处理示意图

4) 土工格栅铺设不得有褶皱，相邻两幅土工格栅搭接宽度不应小于20 cm，并用尼龙绳呈“之”字形穿绑，使之连成整体，每层土工格栅搭接位置应相互错开。

5) 压实。当格栅铺设定位后，应及时填土覆盖，裸露时间不得超过48 h，亦可采取边铺设边回填的流水作业。先在两端摊铺填料，将格栅固定，再向中部推进，先两侧后中间进行碾压，在运料、整平、碾压过程中，杜绝施工车辆及机械直接停放在已铺好的土工格栅上，碾压时压轮不得直接与筋材接触，未压实的加筋体不得供车辆行驶，以免筋材错位。每层填土压实后，需进行压实度检测，各项指标满足设计要求后[6]，方可进行上层填筑或土工格栅的铺设。

5 应用实例

潜江至石首高速公路(简称潜石高速)是湖北省“十二五”规划的“七纵五横三环”高速公路网的重要组成部分，该项目实施时间为2013年11月-2015年底。线路全长42.282 7 km，桥梁路线全线位于软基之上，软基处理段共21.307 km，桥梁占线路总长度42.6%，特大、大、中型桥梁居多。针对潜石高速软基及桥梁占比大的特点，开展桥头不均匀沉降病害防治尤为重要。

试验桥梁为张家湾中桥(K22+112.7-K22+124.0)的2座桥台。张家湾0号桥台台背路基处理范围为K22+112.7-K22+124.0，处理长度11.3 m，平均软土层厚度为4.9 m，搅拌桩桩长5.4 m。

地基采用水泥搅拌桩进行处理(等沉面l0=2.91 m)，采用前文介绍的桩土复合地基线弹性沉降计算得其排水固结沉降为202.968 mm，考虑地基的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，计算得路面工后沉降为32.881 mm。

经过计算，选择抗拉强度为57 kN/m、拉伸模量为975 kN/m的双向土工格栅作为加筋材料，路基顶面往下2层采用锚固处理方式，其余采用反包处理。

现以距离地基深度为1.5 m处为例，计算反包段间隔。根据反包段间隔计算公式(2)，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，需要除以安全系数1.3，同时为了方便施工，取松铺厚度0.3 m的倍数，本项目取0.6 m，其余间隔计算同上。

路基顶面最小铺筑长度Lmin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(由于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JTG/T D32-2012 《公路土工合成材料应用技术规范》中给出的公式确定最底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，顶面土工格栅长度取较大值。经计算及相应调整，本座桥台(张家湾0号)底层土工格栅铺筑长度为5 m，顶层铺筑长度为15 m，台背加筋具体方案见表3。

表3 张家湾中桥K22+112.7-K22+124.0段台背加筋 cm

张家湾中桥0号桥台采用短搭板与土工合成材料组合对台后填土进行处理，自2015年通车以来，工程实践效果显示，该工艺能在刚性桥台与柔性路堤间起到过渡结构层的作用，能较好地改善路基和桥台的刚度突变，桥头引道沉降渐变效果较好，桥头引道沉降产生的纵坡坡差减少，桥头不均匀沉降明显减小。

6 结语

采用短搭板与土工合成材料组合对台后填土进行处理，能较好地缓解路基和桥台的刚度突变，减少桥头引道沉降产生的纵坡坡差，降低桥头不均匀沉降，从而有效地缓解或消除了桥头跳车现象；提高道路的使用性能和行车的安全性、舒适性，提升道路的服务能力。采用短搭板与土工合成材料组合布置形式对台后填土进行加筋处理，具有明显的经济效益与社会效益。