民安路2号桥台后路基处理设计

周 斌,孙晓锋,吕纪佑

(中新南京生态科技岛投资发展有限公司,江苏 南京 210019)

道路工程建设中,填方路基与桥梁相邻处常存在跳车现象,主要原因是桥梁桩基与填方路基之间存在沉降差。为减少桥头跳车现象,国内外学者进行了大量研究。程东风[1]在台后路基段将泡沫轻质土与PC管桩进行对比,结论表明,与管桩等桩基处理类的路基施工相比,泡沫轻质土能有效地降低造价,经济性能优越。韩洪喜[2]研究粉喷桩加土工格栅在台后软土路基处理中的应用,结论表明该方法能较好地解决台后沉降差的问题。张生贵等[3]研究了土工泡沫EPS、气泡混合轻质土、无砂大空隙混凝土及粉煤灰类轻型材料等在台后路基填筑中的应用,并分析其优劣;崔巍[4]分析了砂桩预压法和塑排板在嘉金高速台后路基处理中的应用,研究表明上述方法有较好的工程效果;张玉富[5]研究了深井降水联合堆载在嘉闵高架中台后路基处理中的应用,研究表明深井降水联合堆载预压在台后路基处理是可行的;黄海松等[6]研究了水泥搅拌桩在软土地基台后路基填筑中的应用,结果表明该方案可有效减小工后沉降。

南京江心洲为长江河漫滩冲积而成,地质沉积年代较新,固结时间较短,地基土较为松软,特别是③层淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉砂,这层软土在道路通行后附加应力的作用下,将产生较大的工后沉降,是发生工后沉降的主要压缩层,路桥衔接处因差异沉降极易产生“桥头跳车”问题。因而在填筑路基之前,需对天然地基进行处理,使之满足道路路基的沉降与稳定的要求。

1 工程概述

1.1 区域介绍

江心洲位于南京市区西南部,是长江中呈南北走向的一座洲岛,全洲南北长约12 km,东西平均宽度约1.2 km,岛域总面积15.21 km2。全岛隶属于南京市建邺区,位于南京市主城的边缘,其东临夹江与主城河西新城相邻,西隔长江主航道与江北新区相望,是连接南京主城和江北新区的重要枢纽。

区域现状主要通过长江隧道和江心洲长江大桥与河西、江北新区进行联接。随着道路的建设和地块的开发,岛内中部路网已基本建成,但是南部和北部基础设施仍较薄弱,道路建设情况见图1。岛内南部交通联系主要依赖中新大道、龙恩街、梅子洲路等,因而民安路的建设非常必要。

图1 岛上道路建设情况图

1.2 项目概况及建设规模

江心洲民安路是岛南一条重要的东西向交通干道,道路西起环岛西路,东至环岛东路,道路全长约1 762 m。民安路道路等级为城市次干路,设计速度40 km/h,规划红线宽度32 m,双向4车道。新建两座桥梁跨越棋下水道、寿代水道,1号桥采用(8+10+8)m跨径跨越棋下水道,2号桥采用1×20 m跨径跨越寿代水道。

2 控制因素

民安路2号桥周边主要控制因素如下。

(1)民安路2号桥采用1×20 m跨径跨越寿代水道,寿代水道河道蓝线宽15 m,河道保护线宽25 m。

(2)现状民安路路幅宽度为5.0～13.5 m,采用沥青混凝土路面,2号桥两侧台后现状民安路位于道路北侧设计非机动车道及人行道下方。

(3)民安路北侧设计慢行道下方敷设有2根DN1800的一期混凝土管,目前污水二通道江心洲段已投入运营,一期管道功能转移至污水二通道,一期管道停止使用。根据相关部门意见,保留一期两根混凝土管管位。管位平面分布见图2。

(4)2号桥台后现状民安路标高5.4 m,道路设计标高6.6 m,机动车道路面结构见表1。

表1 机动车道路面结构

3 地质情况

根据岛内的地勘资料,全岛属长江漫滩地貌单元,地势低洼,普遍存在较厚的淤泥质粉质黏土层,局部夹粉土粉砂,地下水位高,地基条件较差。

3.1 场地土层分布

民安路场地下方土层以填土、淤泥质粉质黏土、砂类为主,根据民安路勘察资料,建设场地具体土层分布见表2。

表2 土层分布

3.2 地下水位

根据地下水赋存条件,场区地下水类型主要为松散岩类孔隙水,松散岩类孔隙水分为孔隙潜水和孔隙承压水。场区潜水水位常年最高地下水位埋深约0.50 m。

3.3 物理力学指标

民安路场地下方土层中以淤泥质粉质黏土工程性质最差,地质承载力最低,具体力学指标见表3。

表3 土层力学指标

4 作用机理

目前工程上常见的台后路基处理有复合地基、换填、预压等方式。现状岛上复合地基常采用水泥搅拌桩,利用水泥等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械,就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土,地基土和增强体共同承担荷载,从而提高地基土强度和增大变形模量、减少工后沉降。

气泡混合轻质土用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫,与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌,并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。现浇泡沫轻质土具有轻质性、密度和强度可调节性、高流动性、直立性及施工便捷等特性,以减轻荷重或土压为目的,用于替代填土,从而达到减轻附加荷载、减小工后沉降的目的。

5 数值模拟

采用理正软件进行台后路基沉降计算,结合民安路建设条件,主要模型计算参数如下。

(1)设计地面标高0 m,路面填土标高1.2 m,地下水位埋深-1 m。

(2)场地土层简化见表4。

表4 土层简化分布

5.1 水泥搅拌桩

桥头路段采用水泥搅拌桩处理,桩径0.50 m,桩长11 m,穿透淤泥质黏土层,进入粉砂层2 m,矩形布置,处理段桩间距1.2 m,过渡段桩间距1.5 m。台后纵向处理段长度25 m,过渡段长度20 m。成桩后先铺设25 m透水性碎石垫层,再加铺一层加筋格栅,然后再铺设25 m透水性碎石垫层。

数值模拟采用处理段工况,即台后桩间距1.2 m, 桩径0.5 m, 桩顶从下往上依次铺设0.5 m碎石垫层、1 m 7%灰土路床、0.68 m路面结构。见图3。

图3 水泥搅拌桩处理简图

路面结构重度25 kN/m3;路床重度23 kN/m3;碎石垫层重度24 kN/m3。

5.2 气泡混合轻质土

桥台后回填采用气泡混合轻质土,从承台底标高回填至路床顶标高,回填厚度4.5 m,纵向处理段长度15 m。因填筑高度小于5 m,分别在填筑体底部、顶部50 cm以内位置设置一层钢丝网,钢丝网片的网眼为10 cm×10 cm,钢丝直径3.2 mm,钢丝网片纵横向搭接长度10 cm,抗拉强度≥300 MPa,焊点抗剪力≥1.5 kN,断裂伸长率≥2.5%。

气泡混合轻质土基底设置一层防渗土工布,基顶铺设50 cm级配碎石垫层,台后回填与道路基搭接处采用台阶搭接。

数值模拟采用如下工况:填筑4.5 m气泡混合轻质土,上铺0.5 m碎石垫层后加铺0.68 m路面结构,轻质土与路基填筑采用台阶搭接,搭接坡度1∶0.5。见图4。

图4 气泡混合轻质土处理简图

泡沫轻质土重度6 kN/m3;路面结构重度25 kN/m3;碎石垫层重度24 kN/m3。

6 结果分析

根据计算结果,路基沉降呈现中间大、两边小的盆形,路基填筑各阶段中心最大沉降量见表5。

表5 路基中心各阶段沉降量

道路竣工时,水泥搅拌桩处理台后路基竣工时沉降22.7 cm,泡沫轻质土处理台后路基竣工时沉降为15.1 cm;道路运营期内(15年),水泥搅拌桩处理台后路基沉降5.7 cm,泡沫轻质土处理台后路基沉降18.4 cm;运营期结束时,水泥搅拌桩处理台后路基合计沉降28.5 cm,气泡混合轻质土处理台后路基合计沉降33.5 cm。各阶段沉降量见图5～图8。

图5 水泥搅拌桩处理竣工时沉降量

图6 水泥搅拌桩处理竣工后基准期内残余沉降量

图7 气泡混合轻质土处理竣工时沉降量

水泥搅拌桩处理台后路基沉降以施工期间沉降为主,占比80%,运营期内占比20%;气泡混合轻质土处理台后路基沉降施工期间与运营期内较为均衡,运营期内沉降占比55%。

《城市道路路基设计规范》要求路基工后变形应符合表6规定。

表6 路基容许工后变形

水泥搅拌桩处理与气泡混合轻质土处理台后路基沉降均满足规范要求(≤0.2 m)。

7 方案比较

从工后沉降、工程造价、项目工期等方面对两种处理方法进行比选,比选结果见表7。

表7 方案比选表

8 结 论

水泥搅拌桩、气泡混合轻质土均为目前常见的台后路基处理方式,两者各有其适用性。民安路2号桥台后路基两种处理方法中,虽然水泥搅拌桩在工后沉降方面具有较大优势,但受北侧慢行车道下污水管影响,断面整体性较差,远期易形成纵向裂缝。气泡混合轻质土因整体浇筑,可避免机、非板块沉降差。同时气泡混合轻质土在工程造价、项目工期等方面均有较为明显的优势。刘鑫等[7]通过加速应力试验,得出正常车辆荷载作用下气泡混合轻质土的平均使用寿命约为73年,因而其耐久性也可满足道路使用年限的要求。