基于路桥过渡段软土地基的施工技术研究

周建惠

(平潭综合实验区交通投资集团有限公司,福建 平潭 350400)

0 引 言

近年来,随着经济的快速发展,我国基础建设也突飞猛进,特别是交通(路桥)建设方面已取得了十分喜人的成绩。[1,2]但是,避免或降低“桥头跳车”现象依然是路桥建设的技术难点与路桥综合质量评价的重要指标,这是由于路桥过渡段是交通路桥建设的重要组成部分,为保证路桥工程正常使用的关键[3],同时也是车辆行驶的安全性(交通事故)和舒适性(颠簸)的直接影响因素[4,5]。因此,引起软土地基路桥过渡段发生沉降差异的原因及其防控措施(建筑结构的设计与施工技术)显得非常重要。本文以软土地基路桥过渡段为研究对象,对其沉降原因进行分析,并对其质量防控措施进行了探讨。研究结果可为有效控制路桥过渡段沉降问题的发生提供技术参考与借鉴。

1 软土地基路桥过渡段不均匀沉降的原因分析

1.1 桥头搭板设计与选材不合理

现阶段,路桥过渡段主要采用搭板来搭建,因搭板长度设计存在问题,导致桥头顺接效果不太理想;同时,搭板材料质量若不符合要求,通车后车辆对路桥过渡段碾压会导致假性软土地基不均匀沉降,出现跳车现象。

1.2 桥头软土地基处理不当

软土地基具有含水量大、容重小、压缩性高、稳定性差的特点。若对软土地处理方法不当或处理不符合要求,如地质钻探深度不足、布孔较少等,可引起路桥过渡段出现沉降,为软土地基下沉的主要原因。[6]

1.3 桥头路堤台背处理存在问题

桥头路堤对路基具有一定的保护作用,一般使用质土作为台背的填土,具有较强的渗水性;但是,在桥头背台地基夯实的过程中,桥台结构会受到侧向土体的抑制作用(源于桥台刚度的不同导致的),从而使地基夯实程度未能达到理想的状态。若盲目追求工程进度或者节省材料、减少成本投入等非理性因素的处理不当,在自然或车辆荷载(超载)与紧急刹车等不良因素连续性作用下,极容易导致路基护堤填土流失或土基塑性发生形变,造成路基的性能发生变化,最终使路桥过渡段出现不均匀沉降,出现桥头跳车现象[7],损害机械车辆使用寿命,严重时,可引发交通事故,危害人民生命财产安全。

1.4 路、桥刚度差异

道路为柔性路基与柔性路面的深度结合,而桥梁为刚性结构物,其刚度大于道路的刚度,长时间在车辆载荷作用下,不易发生变形;但是针对土基部分来说,其在外部荷载、自身重力等多重作用下,因受力倾斜而发生变形,导致路桥过渡段不均匀沉降,出现跳车现象。

1.5 施工方存在问题

此类问题可归结为两个方面:一方面施工方压实机械缺乏或数量不够,为了保证工期,加快施工进度,从而难以达到理想的压实度;另一方面施工方施工技术不成熟或监督(如偷工减料监督等)不到位,分层压实厚度较大,且所铺厚度不均匀,内部存在空洞未发现,最后容易引发路桥过渡段路基沉降。

2 软土地基路桥过渡段结构设计优化策略

因路桥承建方着急施工,对勘察设计的工期进行有意缩短,从而使勘察设计深度不到位或者设计单位内部桥梁设计与路基设计之间存在过渡性衔接问题,导致其设计图纸存在差、错、漏等系列问题出现(例如地基承载力大小、桥头搭板设计的长度、防护坡填筑的建筑材料以及土工格栅等设计不合理),均会引起路桥过渡段出现跳车现象。因此,路桥过渡段结构设计优化策略如下:

第一,图纸设计前,设计方应组织相关专业人员到选址的路线进行勘探,合理地质钻探深度与布孔数量,对软土地基的性质、范围、深度等获得准确、详细的数据,进行施工图纸设计。

第二,为了保证工程质量,施工方在施工前,应该组织单位资深技术人员与负责人开展路桥过渡段的图纸二次审核,对设计图纸中出现的遗漏、设计不当之处(如地基承载力、压实标准等)及时进行质疑,并与图纸设计方沟通,以获取最优设计方案。

第三,在路桥过渡段的桥台台背路堤处设计土工格栅,以有效减免因通车后车辆载荷的挤压、震荡导致土体发生变形,发生侧向位移,使路基结构的性能得到有效保障,以进一步提高路桥稳定性。

第四,在路堤处设计横向泄水管、盲沟等设施,如果地下水位较高,导致路堤不能直接填筑,可以先用碎石铺设盲沟,然后使用混凝土浇筑(浇筑厚度视地下水位高度情况而确定,一般厚度控制在15 cm左右)[8],然后施工填土不至于浸泡而满足填筑压实度的要求(为了避免大型机械碾压时对台身造成的损伤,因此,桥台附近改用中小型压路机为主,复配人工打夯机,且在耳墙有限范围以外,特别是路堤与路基土方连接的地方,使用中重型压路机碾压,这样可以加强衔接效果,提高路基压实量),这样可以取得良好的预防效果。

第五,设计深层搅拌桩。水泥或水泥浆是深层搅拌桩法加固软土地基常用的固结剂,通过深层搅拌机械将地基深部的软土与固结剂充分、强制性搅拌均匀,从而防治软土地基沉降。[9]深层搅拌桩分为旋喷桩、粉喷桩两种类型,其中旋喷桩适用于含水量较低的黏性土、卵石地基等,粉喷桩适宜于加固各种成因的饱和黏土。

3 施工技术要点

第一,施工单位在施工前,根据设计图纸对软土地基路桥过渡段地基承载力进行检测,若不能满足承载力设计要求,需要进行填前碾压,使其压实度≥90%;路桥过渡段与先填段交接部位设计台阶每级≤50 cm,台阶顶面内倾斜坡控制在2%～4%,填料为透水性碎石、砾石,最大粒径≥10 cm;若满足承载力设计要求,可进行下一步作业(图1)。

图1 路基过渡段回填

第二,对路桥过渡填土一般采用挤密复合地基的方法处理,选择符合标准的压路机,控制压实厚度(约15 cm),保证填土无水分,无压实死角,随后在路基上钻孔,并向孔洞内部填入相关材料,保证振动压实组成桩柱,提升路桥过渡段地基填土的密实性、刚性和整体强度,防止路桥过渡段软土地基填土压实问题。

第三,桥头设计反向坡度,然后估算车辆荷载对路面和路堤产生的压力以及作用力,减少搭板应力;同时,依据软土地基的承载力,合理设置搭板长度、厚度。

第四,在路桥过渡段将拉筋材料埋设到路基填土中,形成加筋土路基结构,可增强路桥过渡段刚度,有效地减小了路堤、路基的沉降。拉筋位置不同其作用也有差异,若在基床内部埋设拉筋可增加基床刚度,加强基床结构,减小因行车动荷载引发的路基变形。若在路基面以下的路堤设置拉筋,可提高基床刚度,减小因自重产生的路基变形。因此,在软土地基路桥过渡段需要合理设置拉筋。

第五,合理选择填筑材料,严控填筑厚度。填筑材料应符合强度与纯度(填筑材料含杂物掺入使其压实度、压实效果受到影响)要求,具有渗水性,若填料含水量超标,可采用混合填料方法保证填料强度符合标准,同时对填料加强搅拌,避免出现离析现象出现,如果出现填料离析需要重新、深入搅拌,并确保搅拌到位,杜绝使用不合格的填料。[10]此外,填筑厚度和尺寸依据填料使用量来确定。

第六,合理设置地下排水设施,采用砾石在台背竖直面修建透水层,使土体始终保持干燥状态;同时修建台背路堤以预防水对填土造成冲刷、浸泡,可有效降低塑性变形、地基下沉等情况的出现。[11,12]

4 工程实例

4.1 工程概况

以和平大道(高铁中心站—苏平路)项目第一阶段为实例。该项目起点位于中楼乡盐田村二埠自然村桩号K6+100,与坛东大道一期项目顺接,终点位于中楼乡韩厝村桩号K7+850,线路全长1.75 km,路床宽80 m,征地红线宽度为100～150 m,设计主行车道为双向8车道(单侧宽15.5 m),设计速度为80 km/h,辅道为双向4车道(单侧宽8 m)。该项目主要工程有路基路面、桥梁(主线上跨桥长1 152.2 m)、涵洞(4道)、挡墙(5道)等。经福建省交通规划设计院现场勘探表明,部分路桥过渡段地基具有软土地基特性。因此,路桥过渡段施工计划如下:

根据图纸设计方、路基勘探方的意见,施工时台背回填材料主要为石灰土(8%)、碎石(粒径5～8 cm)液态粉煤灰,桥台高度5 m以下回填石灰土、碎石,桥5 m以上回填液态粉煤灰;按照1∶1.5坡率从下到上削坡,直至下路床底面。每次回填将石灰土、碎石拌和后,由自卸汽车运送到施工场地,经推土机+平地机联合作业摊铺,土层厚度控制在15 cm左右,采用12 t以上振动压路机压实(压实前石灰土含水率在1%以上,若表面水分不够,需及时洒水满足要求),压实度≥95%,每次液态粉煤灰的浇筑厚度≥2 m,压实度≥96%;清理上、下路床底表面,经压实作业后,铺设土工格栅;外搭板的长度6 m;桥头设计反向坡度。

4.2 静载荷试验

4.2.1 静载检测路基抗压极限承载力

在路基静载检测工作开始前,准备工作按照JGJ 106-2014建筑基桩检测技术规范附录的相关规定准备,然后对路基的极限承载力检测。本工程的承载力试验反力装置为锚桩横梁反力装置(承压钢梁、5 000 kN油压千斤顶6台、承压板等),荷载的加载工作由施工单位用吊车配合完成。荷载测量由无线静荷载试验仪完成。单桩极限承载力检测采用慢速维持荷载试验法,按逐级等量加载,分级荷载为最大加荷的1/12(分级见表1)。共分12级加载,分级加载量为1 000 kN(表2),加荷至12 000 kN时为第12级。

表1 荷载试验分级

在施工结束后的第20天进行现场静载法试验对路基质量检测,结果表明本施工方案下软土地基沉降量小于5 mm(表2),表明此工程实施方案对软基处理效果十分显著。

表2 静载试验结果汇总

5 结 论

路桥过渡段沉降会导致路桥服役期限缩短,同时容易引发交通安全事故的发生。本文针对路桥过渡段沉降的因素进行探究,并且从路桥结构设计、施工技术两个方面对路桥过渡段沉降问题提出了具体的优化策略,同时结合实例进一步阐述本文观点,结论如下:

(1) 精细完善地勘设计与施工前的图纸会审能有效避免路桥过渡段沉降的质量缺陷;

(2) 充分考虑路桥过渡段在设计阶段、施工阶段、投入使用阶段地面水及地下水的导排,能够有效预防水对结构产生的侵蚀所造成的危害;

(3) 合理加强路桥过渡段的软土地基承载力能够有效消除或减轻路桥过渡段软土地基沉降,提高工程质量,为安全运行提供切实保障。