民安路2號橋臺后路基處理設計

周 斌,孫曉鋒,呂紀佑

(中新南京生態科技島投資發展有限公司,江蘇 南京 210019)

道路工程建設中,填方路基與橋梁相鄰處常存在跳車現象,主要原因是橋梁樁基與填方路基之間存在沉降差。為減少橋頭跳車現象,國內外學者進行了大量研究。程東風[1]在臺后路基段將泡沫輕質土與PC管樁進行對比,結論表明,與管樁等樁基處理類的路基施工相比,泡沫輕質土能有效地降低造價,經濟性能優越。韓洪喜[2]研究粉噴樁加土工格柵在臺后軟土路基處理中的應用,結論表明該方法能較好地解決臺后沉降差的問題。張生貴等[3]研究了土工泡沫EPS、氣泡混合輕質土、無砂大空隙混凝土及粉煤灰類輕型材料等在臺后路基填筑中的應用,并分析其優劣;崔巍[4]分析了砂樁預壓法和塑排板在嘉金高速臺后路基處理中的應用,研究表明上述方法有較好的工程效果;張玉富[5]研究了深井降水聯合堆載在嘉閔高架中臺后路基處理中的應用,研究表明深井降水聯合堆載預壓在臺后路基處理是可行的;黃海松等[6]研究了水泥攪拌樁在軟土地基臺后路基填筑中的應用,結果表明該方案可有效減小工后沉降。

南京江心洲為長江河漫灘沖積而成,地質沉積年代較新,固結時間較短,地基土較為松軟,特別是③層淤泥質粉質黏土、淤泥質粉質黏土夾粉砂,這層軟土在道路通行后附加應力的作用下,將產生較大的工后沉降,是發生工后沉降的主要壓縮層,路橋銜接處因差異沉降極易產生“橋頭跳車”問題。因而在填筑路基之前,需對天然地基進行處理,使之滿足道路路基的沉降與穩定的要求。

1 工程概述

1.1 區域介紹

江心洲位于南京市區西南部,是長江中呈南北走向的一座洲島,全洲南北長約12 km,東西平均寬度約1.2 km,島域總面積15.21 km2。全島隸屬于南京市建鄴區,位于南京市主城的邊緣,其東臨夾江與主城河西新城相鄰,西隔長江主航道與江北新區相望,是連接南京主城和江北新區的重要樞紐。

區域現狀主要通過長江隧道和江心洲長江大橋與河西、江北新區進行聯接。隨著道路的建設和地塊的開發,島內中部路網已基本建成,但是南部和北部基礎設施仍較薄弱,道路建設情況見圖1。島內南部交通聯系主要依賴中新大道、龍恩街、梅子洲路等,因而民安路的建設非常必要。

圖1 島上道路建設情況圖

1.2 項目概況及建設規模

江心洲民安路是島南一條重要的東西向交通干道,道路西起環島西路,東至環島東路,道路全長約1 762 m。民安路道路等級為城市次干路,設計速度40 km/h,規劃紅線寬度32 m,雙向4車道。新建兩座橋梁跨越棋下水道、壽代水道,1號橋采用(8+10+8)m跨徑跨越棋下水道,2號橋采用1×20 m跨徑跨越壽代水道。

2 控制因素

民安路2號橋周邊主要控制因素如下。

(1)民安路2號橋采用1×20 m跨徑跨越壽代水道,壽代水道河道藍線寬15 m,河道保護線寬25 m。

(2)現狀民安路路幅寬度為5.0～13.5 m,采用瀝青混凝土路面,2號橋兩側臺后現狀民安路位于道路北側設計非機動車道及人行道下方。

(3)民安路北側設計慢行道下方敷設有2根DN1800的一期混凝土管,目前污水二通道江心洲段已投入運營,一期管道功能轉移至污水二通道,一期管道停止使用。根據相關部門意見,保留一期兩根混凝土管管位。管位平面分布見圖2。

(4)2號橋臺后現狀民安路標高5.4 m,道路設計標高6.6 m,機動車道路面結構見表1。

表1 機動車道路面結構

3 地質情況

根據島內的地勘資料,全島屬長江漫灘地貌單元,地勢低洼,普遍存在較厚的淤泥質粉質黏土層,局部夾粉土粉砂,地下水位高,地基條件較差。

3.1 場地土層分布

民安路場地下方土層以填土、淤泥質粉質黏土、砂類為主,根據民安路勘察資料,建設場地具體土層分布見表2。

表2 土層分布

3.2 地下水位

根據地下水賦存條件,場區地下水類型主要為松散巖類孔隙水,松散巖類孔隙水分為孔隙潛水和孔隙承壓水。場區潛水水位常年最高地下水位埋深約0.50 m。

3.3 物理力學指標

民安路場地下方土層中以淤泥質粉質黏土工程性質最差,地質承載力最低,具體力學指標見表3。

表3 土層力學指標

4 作用機理

目前工程上常見的臺后路基處理有復合地基、換填、預壓等方式?，F狀島上復合地基常采用水泥攪拌樁,利用水泥等材料作為固化劑通過特制的攪拌機械,就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌,使軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的水泥加固土,地基土和增強體共同承擔荷載,從而提高地基土強度和增大變形模量、減少工后沉降。

氣泡混合輕質土用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫,與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌,并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料?，F澆泡沫輕質土具有輕質性、密度和強度可調節性、高流動性、直立性及施工便捷等特性,以減輕荷重或土壓為目的,用于替代填土,從而達到減輕附加荷載、減小工后沉降的目的。

5 數值模擬

采用理正軟件進行臺后路基沉降計算,結合民安路建設條件,主要模型計算參數如下。

(1)設計地面標高0 m,路面填土標高1.2 m,地下水位埋深-1 m。

(2)場地土層簡化見表4。

表4 土層簡化分布

5.1 水泥攪拌樁

橋頭路段采用水泥攪拌樁處理,樁徑0.50 m,樁長11 m,穿透淤泥質黏土層,進入粉砂層2 m,矩形布置,處理段樁間距1.2 m,過渡段樁間距1.5 m。臺后縱向處理段長度25 m,過渡段長度20 m。成樁后先鋪設25 m透水性碎石墊層,再加鋪一層加筋格柵,然后再鋪設25 m透水性碎石墊層。

數值模擬采用處理段工況,即臺后樁間距1.2 m, 樁徑0.5 m, 樁頂從下往上依次鋪設0.5 m碎石墊層、1 m 7%灰土路床、0.68 m路面結構。見圖3。

圖3 水泥攪拌樁處理簡圖

路面結構重度25 kN/m3;路床重度23 kN/m3;碎石墊層重度24 kN/m3。

5.2 氣泡混合輕質土

橋臺后回填采用氣泡混合輕質土,從承臺底標高回填至路床頂標高,回填厚度4.5 m,縱向處理段長度15 m。因填筑高度小于5 m,分別在填筑體底部、頂部50 cm以內位置設置一層鋼絲網,鋼絲網片的網眼為10 cm×10 cm,鋼絲直徑3.2 mm,鋼絲網片縱橫向搭接長度10 cm,抗拉強度≥300 MPa,焊點抗剪力≥1.5 kN,斷裂伸長率≥2.5%。

氣泡混合輕質土基底設置一層防滲土工布,基頂鋪設50 cm級配碎石墊層,臺后回填與道路基搭接處采用臺階搭接。

數值模擬采用如下工況:填筑4.5 m氣泡混合輕質土,上鋪0.5 m碎石墊層后加鋪0.68 m路面結構,輕質土與路基填筑采用臺階搭接,搭接坡度1∶0.5。見圖4。

圖4 氣泡混合輕質土處理簡圖

泡沫輕質土重度6 kN/m3;路面結構重度25 kN/m3;碎石墊層重度24 kN/m3。

6 結果分析

根據計算結果,路基沉降呈現中間大、兩邊小的盆形,路基填筑各階段中心最大沉降量見表5。

表5 路基中心各階段沉降量

道路竣工時,水泥攪拌樁處理臺后路基竣工時沉降22.7 cm,泡沫輕質土處理臺后路基竣工時沉降為15.1 cm;道路運營期內(15年),水泥攪拌樁處理臺后路基沉降5.7 cm,泡沫輕質土處理臺后路基沉降18.4 cm;運營期結束時,水泥攪拌樁處理臺后路基合計沉降28.5 cm,氣泡混合輕質土處理臺后路基合計沉降33.5 cm。各階段沉降量見圖5～圖8。

圖5 水泥攪拌樁處理竣工時沉降量

圖6 水泥攪拌樁處理竣工后基準期內殘余沉降量

圖7 氣泡混合輕質土處理竣工時沉降量

水泥攪拌樁處理臺后路基沉降以施工期間沉降為主,占比80%,運營期內占比20%;氣泡混合輕質土處理臺后路基沉降施工期間與運營期內較為均衡,運營期內沉降占比55%。

《城市道路路基設計規范》要求路基工后變形應符合表6規定。

表6 路基容許工后變形

水泥攪拌樁處理與氣泡混合輕質土處理臺后路基沉降均滿足規范要求(≤0.2 m)。

7 方案比較

從工后沉降、工程造價、項目工期等方面對兩種處理方法進行比選,比選結果見表7。

表7 方案比選表

8 結 論

水泥攪拌樁、氣泡混合輕質土均為目前常見的臺后路基處理方式,兩者各有其適用性。民安路2號橋臺后路基兩種處理方法中,雖然水泥攪拌樁在工后沉降方面具有較大優勢,但受北側慢行車道下污水管影響,斷面整體性較差,遠期易形成縱向裂縫。氣泡混合輕質土因整體澆筑,可避免機、非板塊沉降差。同時氣泡混合輕質土在工程造價、項目工期等方面均有較為明顯的優勢。劉鑫等[7]通過加速應力試驗,得出正常車輛荷載作用下氣泡混合輕質土的平均使用壽命約為73年,因而其耐久性也可滿足道路使用年限的要求。