变刚度调平设计在高速公路桥头过渡段应用研究

文/强华、汤友文

1 前言

随着经济社会的进步，高等级公路建设也在不断快速发展。其中，大部分分布在中东部地区，特别是经济比较发达、交通运输量需求较旺盛的东南沿海地区。在我国东部沿海地区大部分的海岸线（山东部分路段除外）分布着淤泥质土层，该类软土的特点主要表现为高含水量、大孔隙比、高压缩性和低承载力。在上述软土地基上修建高速公路，必须进行软基加固处理。保证工后沉降在允许的范围内已是道路设计的常识，但由于高速公路里程长、荷载水平高、桥梁结构物多，所以相关人员需特别重视桥梁结构物台后路基的差异沉降控制。实际工程中，浅埋深厚软土地区往往会出现严重的桥头跳车问题，进而影响行车舒适性、道路运营安全和车辆结构安全。因此，如何采用行之有效的措施对桥梁结构物台后路基的差异沉降进行控制、消除桥头跳车问题一直是困扰工程界的难题[1]。

2 问题分析及解决思路

长期以来，受传统分割设计模式影响，设计人员严格按照“路归路、桥归桥”的思维进行桥梁和路基设计，桥梁设计人员通常不考虑路桥交界处差异沉降衔接，而道路设计人员则侧重于减少桥梁连接段的工后沉降。目前较为成熟的方案是对于不同性质路段分别采用柔性桩复合地基（如水泥搅拌桩、碎石桩等）、刚性桩复合地基（预应力管桩、低强度混凝土桩等）和混合桩复合地基（如长短桩、刚柔桩等）等技术对桥头路基进行加固。以上地基加固技术本质上是通过设置桩基来补偿天然地基，提高了天然地基的整体刚度，降低了桥头工后沉降值，有效缓解了路桥交界处的“桥头跳车”问题。但由于桥头连接段与一般路段的工后沉降控制标准不同，两者地基刚度必然存在突然变化，极易在路堤交界处发生差异沉降，从而产生新的“二次跳车”现象。对于“二次跳车”现象的处理，目前常规处治方案是通过设置过渡段，同时采用变桩距（置换率过渡）或变桩长（桩长过渡）的方法调整过渡段地基处理刚度，使之达到地基刚度协调过渡的效果，实现控制差异沉降的目的；但这种过渡方法的理论支撑尚显薄弱[2]。

大量实践表明，对于因不同地基刚度突变引起的差异沉降控制问题，刚、柔性竖向增强体的组合技术成为有效控制疏桩地基整体刚度的一种新的尝试。疏桩路基技术与软弱基体加固技术组合的地基加固形式已被采用，简称“基体补强疏桩地基”，即采用刚性桩补偿天然地基刚度，减少沉降，同时采用相对柔性的水泥搅拌桩，以承载力有效桩长控制上部软弱土体的加固深度，提高整体承载力安全系数[3]。该技术为进一步提高疏桩基础刚性减沉基桩的疏化程度、合理控制疏桩地基整体刚度以及不同性质路基疏桩变刚度控沉设计、局部差异沉降的变刚度调平过渡提供了新的思路。本文以实际工程为例，基于变刚度调平设计理念，针对桥头连接段与一般路段因不同地基刚度衔接引起的差异沉降控制问题，探讨以基体补强疏桩地基进行桥头过渡段变刚度调平设计应用的可行性。

3 工程实例

3.1 工程概况

南京市某高速现状在板桥新城采用桥梁连续跨越某三级路和板桥河，在与三级路交叉处设置了大方互通，互通形式为1/4 苜蓿叶+1/2菱形互通。由于被交道拟采用高架上跨高速方式改建为城市快速路，现有互通将改建为枢纽互通，因此互通桥头填土高度较高，约5～7m。路基填料及原地面处理均采用石灰处治土。

3.2 工程地质评价

互通区位于长江漫滩区，下覆2-2 层淤泥质粉质黏土，以软～流塑状态为主，其埋深较浅，约1～2m。该层抗剪强度小，具有高压缩性、高孔隙比、高含水率、低强度、易扰动变形、透水性差等特点，整体厚度较大，约4.5～18.4m；该层土质不均匀，属于高压缩性地基土。

表1 物理力学性质指标表

4 桥头过渡段变刚度调平设计

4.1 桥头过渡段方案

大量研究表明，如果仅按传统方法对刚性疏桩地基进行简单的进一步疏化平面布置间距，容易引起软土地基的屈服稳定大变形问题与疏桩荷载反作用于路堤结构的局部抗力稳定问题，且路基填筑愈高，软土地基性质愈差，这一问题就会愈加矛盾、严重。为解决上述矛盾，本项目采用“基体补强疏桩”方案，即对刚性桩平面间距进一步合理疏化布置，同时采用水泥搅拌桩加固，提高上部桩间软土承载力。虽然随着刚性桩的疏化，地基整体刚度降低了，但水泥搅拌桩的补强措施提高了软土地基抗力水平与压屈稳定，反而提高了地基整体承载力水平[4]。具体方案为：

4.1.1 桥头连接段采用间距PHC/3.0 管桩复合地基方案。

4.1.2 桥头过渡段方案基于变刚度协调过渡原则进行方案比选，即常规变桩距方案和基体补强疏桩方案的比选。其中，常规变桩距方案采用PHC/3.5 管桩复合地基方案，基体补强疏桩方案中PHC 管桩间距扩大至5m，桩长22m；补强的水泥搅拌桩加固深度经承载力有效桩长验算后取8m，简称PHC5.0+CDM2.5 的变刚度调平过渡方案[5]。

图1 桥头过渡段方案

4.2 评价原理

4.2.1 作用模量比

为合理比较评价上述两种过渡段方案的整体刚度及变刚度过渡效果，本文根据已有研究成果引入作用模量比概念，即疏桩加固区桩间软弱基体作用效应值和平均模量之比，另外分析时还需假设同一场址下疏桩段下卧层刚度不变。

图2 计算单元示意图

对于疏桩加固区桩间软弱基体作用效应值，可根据应力折减法计算原理，采用Mindlin-Geddes 与Boussinesq 解耦合计算方法，再结合附加应力分布面积相等进行平均处理，即：

式中：pm—桩间基体平均作用效应值，即平均附加应力，kPa；σz—桩间基体深度z 处，附加应力，kPa；L—疏桩长度，即软弱基体深度，m。

水泥搅拌桩加固补强范围内引入平均模量Esp概念，采用式（2）计算：

加固区整体平均模量Em为：

式中：Es、Ep、Esp—分别为天然地基、水泥搅拌桩和搅拌桩复合地基模量，MPa；As、Ap—分别为计算单元中天然地基土和搅拌桩截面积，m2；L、LCDM—分别为疏桩长度和搅拌桩加固深度，m。

对于未采用水泥搅拌桩进行补强的地基，取天然地基模量。

为了比较桥头过渡段不同方案的地基整体刚度及协调过渡效果，定义过渡段作用模量比如下：

表2 桥头过渡段两种加固方案计算结果

4.2.2 计算结果

计算时路基填高取6m，当水泥搅拌桩加固深度从5m 提高到10m 时，疏桩地基承载力相对盈余不断提高，即地基承载力安全系数不断提高。当加固深度超过6m 时，疏桩地基承载力相对盈余已超过常规的PHC3.5 管桩方案。综合考虑本工程的重要性和经济性，本次设计将再适当提高承载力安全系数，水泥搅拌桩加固深度取8m，此时对应的作用模量比为1.7%，高于常规方案的1.1%，显然该处治方案有效降低了过渡段地基整体刚度。考虑到一般路段地基刚度明显偏低的特点，通过变刚度调平设计实现刚度过渡符合预期，切实可行。

表3 桥头过渡段两种加固方案沉降计算结果

采用PHC5.0+CDM2.5 变刚度调平过渡方案的地基整体承载力安全系数较常规PHC3.5管桩方案更高，而过渡段地基整体刚度却较常规PHC3.5 管桩方案显著降低，实现了地基承载力提高与地基整体刚度降低的统一，有效解决了桥头连接段与一般路段连接处纵向差异沉降控制问题，体现了变刚度调平设计理念应用于桥头过渡段“协调过渡”纵向差异沉降的优势。

5 结语

5.1 本文基于变刚度调平设计理念，针对桥头连接段与一般路段不同地基刚度衔接问题，以基体补强疏桩地基进行道路工程整体变刚度调平控制差异沉降的原则，同时为了指导工程设计，引入了作用模量比概念并提出评价公式[6]。

5.2 与常规PHC3.5 管桩方案相比，基体补强疏桩方案在保证地基承载力提高的同时，合理降低了过渡段地基整体刚度，较好地实现了高低刚度地基的协调过渡，解决了不同路段纵向差异沉降控制问题，证明了PHC5.0/22+CDM2.5/8 变刚度调平设计方案的可行性。