桥头软土地基加固对路桥过渡段变形特性的影响

秦浪朝

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041 2.四川省公路院工程监理有限公司，四川 成都 610041)

路桥过渡段常常出现桥头跳车现象，主要是路基和桥台刚度差异导致的[1-3]。再加上，桥台和路基的沉降特性不尽相同，路桥差异沉降使得桥台跳车问题随时间的推移越发严重。学者们对这一工程问题一直十分关注。吴福泉等[4]通过调查某市40座既有桥梁桥头损伤的情况，结果发现17.5%的公路桥头存在中等程度以上的跳车现象，桥台和台背填土的分离造成桥台路面弯曲破坏、开裂及沉陷。闫茜和杨广庆[5]利用ADINA非线性有限元分析软件，分析了土工格室高度、地基土性质、路堤填料性质及底层土工格室等因素对路桥差异沉降的影响，对土工格室露桥头体系的设计优化提出建议。姚丽芳[6]通过对桥台软基的连续跟踪监测，分析软土排水固结前后的物理力学性质变化情况，探讨引起桥台跳车的原因。徐巍[7]认为可通过完善设计及严格控制施工质量改善或消除桥头跳车现象。例如，修建足够强度及长度的桥头搭板，充分压实填筑材料，选用适当的填筑材料，进行全面的施工监理等。马加存等[8]以京台高速公路改扩建项目为依托建立车辆振动模型，分析车辆经过路桥过渡段时的振动特性，提出道路拼宽段路桥过渡段差异沉降控制方法设计时确定合理的搭板长度十分重要。

郑少午和刘萌成[9]为研究桥台后路面结构对过渡段差异沉降的耐受能力，借助ABAQUS分析得到了过渡路段路面结构应力与差异沉降的时空变化规律。杨爱珍等[10]通过在宁波地区一些典型的路桥过渡段现场调查，得出在桥头限速80 km/h可作为预防该处发生桥头跳车的控制标准。袁前胜和伍迪[11]对影响交通荷载作用下的路桥过渡段沉降进行了研究，得出过渡段的形式只对沉降速度有影响，对最终沉降量没有明显影响。

在软土地区，桥头跳车现象越发显著，在实际工程中，往往需要对软土地基进行加固处治。因而软土加固程度对路桥差异沉降的影响还鲜有报道。基于此，本文开展离心模型试验，探究不同CFG桩间距对桩基桥台和台后路基沉降及二者差异沉降的影响规律，以期对软土地区路桥过渡段设计提供参考和借鉴。

1.1 试验设备

本次离心模型试验是在西南交通大学离心机上进行的，型号为TLJ-2型，主要技术指标：最大加速度200 g，有效半径为2.7 m，有效荷载容量为100 g·t，模型箱尺寸800 mm×600 mm×600 mm。

1.2 模型设计

本次试验共4组，试验模型率采用80 g，试验变量为CFG桩间距，分别为6 d、5 d、4 d和3 d，以表征软土的加固程度，其余试验参数保持一致，试验模型剖面图见图1。模型地基上部土层为饱和粉质黏土，下层为硬塑状老黏土，其物性参数见表1。路基土采用缩尺后的级配碎石。

表1 地基土模型的物性参数

由于模型CFG桩经模型率换算后，尺寸较小，难以采用原材料(混凝土)进行制作，因此采用铝合金材料代替，其几何尺寸的确定按照质量、摩擦特性等效原则控制。桥台桩采用水泥砂浆，配合比为水泥∶水∶石英砂=1∶0.35∶1.2，水泥采用普通32.5R硅酸盐水泥，标准条件养护28 d。桥台桩基和CFG桩的几何尺寸见表2。

测试项目主要是桩基桥台沉降和台后路基路基面(距离台背1 m、5 m和10 m)沉降值，见图1。沉降采用LVDT进行采集，LVDT元件通过工字钢夹具固定在模型箱上方，其测试探头与路基面接触处安置一块铝片，防止插入路基土，以免影响测试精度。

表2 桩体的几何尺寸 单位：m

1.3 模型制作过程

1)将取自现场的土进行翻晒、碾压、破碎，过2 mm筛，按照设计的含水率制备湿润土，然后分层填筑地基模型，并在自重下(80 g)完成地基固结沉降。

2)采用千斤顶在设计位置安装桩基桥台，在设定离心力下使桩基桥台固结稳定完成。

3)对桥头地基进行不同桩间距的CFG处治，然后填筑路基土，在80 g下使路基施工期间的地基固结沉降完成。

图1 模型试验布置剖面图

4)对LVDT数据清零，在80 g离心加速度下运行，同时开始记录数据，正式记录路基填筑完成后不同时间点桥台和路基的沉降。

图2 模型制作过程

2.1 台后路基沉降随时间的变化规律

在设定离心加速度下，路桥过渡段模型不同软土地基加固程度的台后路基不同位置的沉降随时间变化曲线关系见图3，加固程度以CFG桩间距来表征，为了节约篇幅，仅给出CFG桩间距为6 d和4 d的情况。从图3中可以看出，台后路基不同位置的沉降随时间的变化趋势大致相同，均呈先迅速增大后逐渐趋于稳定，且随距台背距离不断增大，台后路基沉降发展趋于稳定，所需时间也逐渐增加。具体分析，在软土CFG桩间距6 d下，路基填筑完成经历42个月后，桩桥台础的固结沉降为17.2 cm，而距台背1，5，10 m处路基面沉降分别为19.3，22.6，32.3 cm，从而得出桥台沉降比台后路基(紧邻的测点)小于2.1 cm；
对于5 d，经历42个月后，桩基桥台的沉降为16.7 cm，而距台背1，5，10 m处的路基面沉降分别为17.3，19.5，28.7 cm，桥台沉降比台后路基小于0.6 cm；
在4 d下，经历42个月后，桩基桥台的固结沉降为14 cm，而距台背1，5，10 m处路基面沉降分别为13.6，19.3，26.5 cm，桥台沉降大于台后路基0.4 cm；
在3 d下，42个月后，桩基桥台的固结沉降为13.7 cm，距台背1 m，5 m，10 m处路基面沉降分别为10.1，11.5，14.4 cm，桥台沉降大于台后路基3.6 cm。可见随着CFG桩间距的减小，即软土加固程度的增大，桩基桥台和台后路基的沉降均在减小，但前者减小速率小于后者，可以得出这样的结论，存在某一CFG桩间距使得地基和地基土固结沉降完成后，桩基桥台和台后路基的沉降相等。

图3 台后路基填筑完成后路桥沉降随时间发展曲线分布

在实际工程中，工程师希望通过实测的前期数据，采用可靠的预测模型，计算工后沉降及总沉降，这对指导设计和施工是大有裨益的[12]。普通路基大量现场实测资料显示，当路基填筑完成后，其前期(1～2a)沉降增幅速率大，而后期沉降增速逐渐放缓，最终沉降曲线趋于收敛稳定，曲线形态大致呈S形。为验证台后路基沉降-时间曲线也遵循类似的分布特点，结合离心机试验数据，得出台后路基沉降发展曲线仍然符合Weibull模型，且预测效果较好，这里仅列出台后路基1 m处的沉降拟合情况，如图4所示。从图中可以看出，采用Weibull模型预测台后路基沉降，拟合度很高，相关系数R2=0.99。另外，桩基桥台的沉降-时间曲线也适用Weibull模型。因此，路桥过渡段的沉降采用Weibull模型拟合这一技术路线是可行的。

图4 台后路基沉降曲线的Weibull模型拟合

2.2 台后路基沉降随台背距离的变化规律

为了直观反映桩基桥台和台后路基沉降的不平顺性，将台后路基沉降相对于桥台的沉降差随台背的距离绘制成曲线。这里，设定桩基桥台的沉降为基准0点，当台后路基沉降大于桥台设为正，反之为负，路桥沉降曲线如图5所示，为了节省篇幅，这里仅列举CFG桩间距为6 d和4 d。从图中可以看出，随着软土加固程度(CFG桩间距)的变化，路桥沉降与台背距离变化曲线形态出现较大的差异。具体来看，当软土处理程度较低(如CFG桩间距为5 d和6 d时，见图5(a))，沉降曲线形态为下凹形，即沉降随台背距离的增大而逐渐降低，且随时间这一变化趋势越发显著；
而当软土处理程度较高时(如CFG桩间距为3 d和4 d时，见图5(b))，路桥沉降曲线演变为不对称的凸形，即沉降随台背距离的增大呈现先增后减的变化趋势，从而出现在台后路基某个位置与桥台沉降相等的情况，这意味着近桥台处路基沉降小于桥台沉降，而远桥台处则大于桥台沉降，可将其称为“二次过渡现象”。同时还可以看出，随着软土地基加固程度的提高，CFG桩间距的不断减小，台后路基沉降小于桥台的长度范围也在不断扩大。

2.3 台后路基沉降随软土加固程度的变化规律

图6为路基填筑完成42个月后，台后不同位置沉降随软土CFG不同桩间距(反映软土加固程度)的变化曲线。从整体来看，随着CFG桩间距的增大，软基处理程度越低，桩基桥台和台后路基沉降均不断增大，但各个位置对软土加固程度的敏感性不尽相同。在近桥台位置，软土加固程度的变化对台后路基沉降影响较小。具体分析，对桩基桥台，台后路基填筑完成42个月后，CFG桩间距从5 d到3 d，桥台沉降减小幅度为24%，而距台背10 m处的路基沉降则减小54%。这意味着，对过渡段地基处理，采用统一的处治方案是不合理的，也是不经济的，而应该结合土层具体情况采用变桩距或变桩长的处治方案，重点强化近桥台处地基的处理程度。同时，从图中还可以看出，桥头软土地基采用CFG桩进行加固时，存在一个最优桩间距，使得台后路基与桩基桥台的差异沉降为零，其实现路桥沉降曲线形态的平顺性，对本次离心模型情况，最优CFG桩间距在4～5 d。

图5 台后路基填筑完成后路桥沉降随台背距离的曲线分布

图6 台后路基填筑后路桥沉降随CFG桩间距变化关系曲线

1)台后路基不同位置的沉降随时间的变化均呈现先迅速增大后逐渐趋于稳定，且随距台背距离不断增大，台后路基沉降发展趋于稳定所需时间也逐渐增加。

2)台后路基沉降发展曲线符合Weibull模型，预测效果较好，路桥过渡段的沉降采用Weibull模型拟合这一技术路线是可行的。

3)当软土处理程度较低，沉降曲线随台背距离变化形态为下凹形，而当软土处理程度较高时，曲线演变为不对称的凸形。

4)随着CFG桩间距的增大，桩基桥台和台后路基沉降均不断增大，且存在一个最优桩间距，使得台后路基与桩基桥台的差异沉降为零。

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