高填方桥头路基沉降分析与设计改进

时间：2024-07-28

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

一、高填方桥头路基沉降成因

路基分层填土压实不均匀、地基不均匀下沉等是造成高填方路基沉降的主要原因。路基沉降多发生在地质和地形变化、地表水和地下水影响严重、填筑材料变化等相关位置。此外，路基沉降还受水文、气候等自然环境及路基自身荷载、车辆动载等相关因素影响。在具体工程中，项目负责人需严格控制设计方案、施工要求，确保高填方路基处于稳定状态。

二、高填方桥头路基沉降原理

受规划限制，该项目局部路段需选择高填路基方式。该项目因填方高，荷载大，地基变形量也相应明显增加。填方边坡高度在15m及以上的部分高路堤采用冲击碾压、重型压路机、强夯等施工方式对路基加强处理，增强路堤填土密实度，使其兼具强度和整体性。

优化高填方桥头路基，设计重点是路基与桥梁的差异沉降。路基沉降种类有初始、主固结、次固结沉降等。路面荷载和土体自重作用产生初始沉降，使地基出现剪切变形等情况。主固结的沉降与土体孔隙水含量有关。次固结沉降指的是持续荷载对集中土颗粒产生影响，出现蠕变，发生沉降。

通常情况，很难科学界定主固结、次固结沉降。一些次固结变形能够在e-p曲线或者e-logp曲线中显示出来。如果忽略这种情况，一般沉降即初始沉降和主固结沉降之和。初始沉降计算公式为：S=b（1-μ2）λ/E。上式中，P指代的是路堤底面中点最大荷载，而b则表示最大荷载与路堤顶部和底部宽度之和的一半，μ指的是泊松比，通常取值在0.3～0.5之间。E和λ分别表示由无侧先抗压试验引起的分层厚度加权平均值和沉降影响系数。固结沉降在高填方桥头路基沉降中比较常见。计算公式为：S=△hi/（1-e0i）。其中，n指代的是地基沉降分层层数，e0i和eli分别指代地基低i层分层中点在自重应力及其与附加应力共同干扰下，处于稳定状态的孔隙比。Hi指计算地基沉降时，第i层的计算分层数。

实际工程中，当弯沉值、压实度等常规指标已知时，沉降的发生时间是特定的。在进行下一道分项工程前，受工程自重、行车荷载等常规因素影响，把路基高度作为参照指标，会致使路面设计高程下降。无论自重应力，还是附加应力，都是造成路基沉降的重要因素。随着填土高度越高，自重应力越大；当自重应力不断叠加时，受附加应力影响，发生路基沉降效应越明显。事实上，沉降系数也与施工填土速度有关。填土过程慢，地基沉降充分，当地基固结时，其剪应力非常小。反之，填土速度快，地基强度又不达标，极容易发生剪应力变形情况。因此，填土速率会对沉降系数产生影响，当填土速率比较大时，沉降系数也会增加。

三、高填方桥头路基沉降设计改进方法

针对该项目镜潭沟大桥和头堰桥桥头高填方路基实际情况，提出以下改进设计方法。

1.填石路基

充分利用项目内隧道出渣及石方挖方，对高填方路基采取填石路基，每填筑2m采用20kJ冲击碾压20遍，保证路基压实度≥96%，最大粒径应小于50cm，并小于摊铺层厚2/3。此外，不同强度的石料分别采用不同的填筑层厚和压实控制标准，采用孔隙率作为控制指标，采用孔隙率与压实沉降差或施工参数联合控制施工压实质量。

填石路基上路床30cm范围最大粒径不得大于150mm，其中小于5mm的细料含量应不小于30%。此外，在路面底面以下铺设三层高强土工编织布，且铺筑层表面应无明显空隙、空洞。在填石路堤的边部200cm范围内采用不易风化的块石码砌，块石强度应大于30MPa，块石的最小边长度不小于30cm，每一级的平台顶部30cm厚度内灌M5砂浆，边坡表面码砌成宽20cm左右的台阶。

图1 工艺流程图

2.复合地基

以局部软土路段把含水量、软土层深度等作为参照指标，选用水泥搅拌桩、水泥粉喷桩、CFG（Cement Fly-ash Grave）桩等形成复合地基。对软土地基复合改造处理，既能增加地基承载力，还能避免软土地基受荷载影响，出现较大变形情况。在桥头高填土路基的地基上部，采用反压护道的设计方法，加强路堤的稳定性。同时，通过在桥头种植高大乔冠木等方式，对桥头路堤不均匀变形情况加以控制，增加桥头美观度。

以CFG桩为例，其属于高黏结强度桩，主要由粉煤灰、水泥、碎石、石屑、砂、水等构成，配比有明确限制。其与桩间土和褥垫层共同形成复合地基，既具备桩体材料优势，又能充分利用天然地基承载力。对其适当增加地材后，具有成本低，效率高，沉降稳定快，工后变形小等特点。工艺流程图，如图1所示。

3.沉降观测

在高填方路基施工期间，对填方路基变形监测、渗流监测及压力监测。在施工期间，如发现监测数据出现异常值，即暂停施工，查明原因及时处理。路堤施工期，控制标准为路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于10mm，水平位移速率每昼夜不大于5mm。观测结果结合沉降和位移发展趋势，填筑速率以水平控制为主。加强高路堤的沉降监控，并预留一个雨季的沉降期，减少工后沉降。

对目前工程建设领域内较少关注的路基横向位移变形情况进行监控，填土过程中，无论是竖向沉降，还是横向位移而导致的路基宽度增加都是较常见的现象。

在实际实施过程中，不仅要限制路基竖向沉降，也要关注横向位移情况。