桥头软基沉降分析及处理研究

李鹏程

[新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000]

0 引言

桥梁台背、公路衔接段或桥台搭板间极易出现不均匀沉降，造成衔接段路面坑洼和开裂等病害，行进车辆经过该区域时会产生跳跃、颠簸。桥头跳车不仅弱化了行车速度，而且会对行车安全性造成影响，车辆额外冲击荷载也会促使路面、桥台衔接构筑物过度损伤。桥头跳车问题随着通道、桥梁、涵洞等结构占据比例的扩大及车辆速度的提升而不断出现。科学合理的公路桥梁衔接段差异性沉降控制措施能够确保公路的安全质量，也可以有效降低公路交通维修养护费用。

1 工程概况

新疆维吾尔自治区内某高速公路沿河道两岸建设，设计速度为80km/h，路面设计宽度为40m，双向四车道，路基设计平均高度为5～8m，公路沿线存在较多的软土地基，约45 处，其中路段K20+510 桥头处路基具有典型代表性，针对该路段开展路基处理方案能够为其余各处路基处理提供参照，根据路线设计标高、地面标高确定该路段路基主要为填筑段，且填筑高度为6.5m。K20+510 处路基地层经过现场勘查，分布如下：1 层为冲洪积淤泥，软塑、饱和、呈黑灰色，厚度达到了9～11m；2 层为细砂，饱和、白灰色、松散状，厚度为11～16m，在地震发生时极容易液化；3 层为砾石层，稍密、饱和。该路段存在沼泽、鱼塘，且表层软土具备明显盐渍化，鱼塘中淤泥层厚度达到了0.5～1.5m，呈软塑-流塑状，孔隙潜水为地下水主要类型，表现为中等腐蚀性，整体施工条件较差，路基现场如图1所示[1]。

图1 K20+510 路基施工现场

2 构造物过渡段路基处理

2.1 一般性要求

2.1.1 地基处理

桥头过渡段软土地基的加固处理能够有效控制桥头跳车病害，加固处理效果主要以沉降量控制为准。当前常见的桥头软土地基处理措施主要为堆载预压法、加固土桩法、抛石挤淤法、振冲碎石桩法等。

K20+510 路段地基处理主要采取CFG 桩进行加固，CFG 桩主要由砂、石骨料、粉煤灰、水泥等制作而成，施工后桩间土体及桩体能够形成整体性强、稳定性高的桩复合地基，通过整体置换作用控制地基沉降、提升地基承载强度。

2.1.2 路基处理

路基填筑施工中主要采取轻质材料，轻质材料（粉煤灰）的铺设能够有效降低地基土层的附加应力及填土覆重，继而减小路基、桥台之间的不均匀沉降，提升路基的安全稳定性；桥台后回填措施需要严格控制，台后填料多采取便于压实且渗透系数较大、摩擦较大的填料，如宕渣、砂砾等，路基上部0.5m 处需要构建水泥稳定粒料层，优化路基的整体刚度。路基回填及压实中，技术人员需要对分层填筑的路基质量进行现场检测，压实度需要控制在96%以上，减小路基填料之间的空隙，便于控制工后沉降。

2.1.3 路面处理

桥头路面处理可以分为以下三种方式：搭设桥台搭板、布置变厚度埋板、构建过渡性路面。桥台搭板设置能够将桥头路面较大的路基沉降过渡至主梁路面上，继而优化行车跳车病害，桥台搭板长度的确定需要依据路基设计工后沉降允许值进行计算，且搭板类型、长度需要随着桥台引道路面形式变化进行适当调整，当桥台引道为水泥混凝土路面结构时，则需要保持搭板坡度和引道坡度的一致，整体形成平置式；当桥台引道为沥青混凝土路面结构时，则需要将搭板远离台背处设置在路基土层、路面面层之间，整体形成斜置式。搭板设置完成后则需要在搭板上部施工沥青混凝土面层，避免其出现下沉，如果后续出现搭板下沉现象，则需要及时修补面层结构[1]。

变厚度埋板的设置能够有效避免二次跳车，且变厚度埋板主要布置在搭板远离桥台侧，其长度一般为3～6m。引道为水泥混凝土路面结构时，则可以将搭板附近路面直接构建为变厚度埋板，变厚度埋板主要采取弹性模量较大、强度高的材料，这有助于提升该位置的车辆抗冲击能力及路基承载强度。通过变厚度埋板的布设能够实现竖向、水平向的刚柔过渡，规避二次跳车及不均匀沉降。

过渡性路面的构建能够优化桥台后路基、桥台之间的通行平顺，桥台过渡段长度需要根据容许工后差异沉降率、工后路基最大沉降差异值两者之间的比值来确定。过渡性路面施工可以先选取条石、沥青碎石、预制混凝土砌块进行布设，当地基土层、路基填土达到完全固结稳定之后，则可以施工永久路面。

2.2 处理方案实施

2.2.1 方案设计

K20+510 路段地基表面具备9.5m 厚度的淤泥黏土，承载强度较小，后续的6.5m 路基填筑施工具备较大的附加应力，在复杂自然环境中极易造成较大的路基沉降变形，为此，技术人员需要在现场进行地基加固处理。路段整个淤泥土层的换填处理土方量偏大，且施工投入费用昂贵；现场采取超载预压结合塑料排水板处理方式则需要具备较长的施工工期，且地基土层固结效果不明显；采取粉喷桩进行地基加固具备良好的沉降控制效果，但是投入成本较大。基于此，现场项目部经过方案比选，综合多项技术指标、实施效果、资金投入、施工环境及工期等，拟采取CFG 桩+搭板结合加筋砂垫层方式进行软土地基处理。

CFG 桩复合地基处理技术需要在现场采取沉管法进行CFG 桩体的打设，路段桥台过渡段设置长度为46m，项目技术人员对过渡段进行桥头引道起终点的划分，分为A、B、C 三个地基加固处理区域。其中，A加固区的长度为16m，B、C 加固区长度为15m，CFG桩整体呈等边三角形布置，现场可以通过控制CFG 桩间距、桩长来降低一般填筑路堤段和桥台段之间的不均匀差异性沉降。项目设计A 加固区桩长为17m，桩间距控制为1.2m；B 加固区桩长为15m，桩间距为1.4m；C 加固区桩长为13m，桩间距为1.6m。路基褥垫层的填筑施工需要等到CFG 桩桩身强度达到设计要求的75%时进行，褥垫层顶部需要构建双向土工隔栅，单层，最终进行台背回填处理。项目方案在地基段进行不同长度、间距的水泥粉煤灰碎石桩分区加固，能够优化桥头衔接处地基刚度缓和过渡，减小原先的地基刚度差异性，避免出现未加固前台阶错层形式的沉降跳跃情况[2]。

2.2.2 CFG 桩施工控制要点

路段K20+510CFG 桩体施工中，需要依据试桩情况来科学选取CFG 桩体打设顺序，尽量减少桩体损坏情况；CFG 打桩过程中，现场需要对桩顶的位移进行动态监测；桩体混合料则需要事先均匀拌和，钻孔中投料充分；沉管灌注过程中，拔管速度需要保持匀速，其速度一般控制为1.2～1.6m/min；在进行清土和截桩过程中，不能够造成桩顶控制标高以下桩身的破坏，桩间土的扰动也要避免；CFG 桩施工垂直度控制在1%以内；在严寒季节施工时，桩体混合料入孔温度需要大于5oC，并且对桩间土和桩头要进行保温处理；CFG 桩施工质量需要符合表1所列要求。桥头过渡段地基处理如图2所示。

表1 CFG 桩施工控制要求

图2 桥头过渡段地基处理截面示意图

2.2.3 过渡段沉降观测

过渡段沉降观测需要依据现场平面布设图进行测孔布置，项目选取型号DGK-1900DU 磁性分层仪进行沉降观测，观测设备布置在桥台46m 引道上，路基横向分为4 排，其中第一排布置在搭板下方，且距离桥台背3m 位置处；第二排布置在距离桥台背11m 左右，位于搭板末端；第三排位于距离桥台背16m 处；第四排距离桥台背32m。软土路基填筑过程中需要动态观测地基变形状态，沉降仪需要在地基经过加固处理之后进行埋设，并且在获取稳定的观测值后才能够进行后续的路基填筑。路基填筑中需要严格依据观测计划开展沉降稳定跟踪，路基每填筑一层则要获取一层沉降数据；路基填筑中，前后两次的间隔时间较长，则需要适当增加观测频率，一般为3d/次。堆载预压期沉降观测则需要在路基填筑完成且地基固结稳定之后开展，一般控制其观测频率为1m/次，观测直至预压期结束才停止[3]。

3 路基沉降分析

该路段地基加固处理及路基填筑，经过布设的沉降观测仪获取沉降数据，图3为该路段过渡区路基表面沉降和路基填筑高度之间的关系。由图3可知，填土荷载总共分为十四级加载，且随着加载逐渐增大，路基表面沉降也不断扩大；路基横向沉降量在不同加载情况下随着距离路基中心越远，则越小；前十级加载过程中，同一观测点的沉降值在前后加载过程中差异性较大，且加载初期，路基表面沉降变化速率较快；在第十级加载以后，加载导致的路基表面沉降变化幅度较小，沉降变化较为平缓。

图3 路基表面沉降和路基填筑高度变化关系

相较于其余观测点位，路基中心点沉降量值最大，路基外边缘沉降值最小，一般为0。路基填筑加载过程中土层内部的孔隙水难以及时排出，此时孔隙水压力较大，且桩间土和桩之间的弹性模量也存在差异性，这就造成路基表面沉降量在横向不同距离具有较大的波动性；靠近路基等加固区外边缘处，路基表面土层沉降随着填筑高度的增大而变化幅度较小；填筑施工完成之后，路基最大沉降值控制在10～11mm 之间，CFG 桩对于路基的整体加固性较为明显[4]。

土体、桩体竖向沉降随不同深度变化如图4所示，结果表明，竖向最大沉降量发生在桩顶位置及地基表面，且地基表面竖向沉降要大于桩体顶部沉降，桩体、地基土体的沉降值随着深度的增大而减小，且两者的变化趋于相同，在深度4～20m 范围内，桩体、土体竖向沉降有极大的重叠性；深度0～4m 范围内，土体沉降均匀性较为明显，而桩体由于加固区桩土摩擦强度的破坏，在初始深度范围内波动较大。

图4 桩体、土体沉降随深度变化关系

4 结语

本文通过设计合理的路基加固方案，采取CFG桩+搭板结合加筋砂垫层进行软基处理后，路基填筑工后沉降能够得到有效控制，桩复合地基的加固效果较好，该结果能够为相关类似公路桥头软土路基处理项目提供参照，继而控制工程投资，避免桥头跳车病害的产生，且该处理技术较为成熟，具有极大的应用推广优势。