周 斌,孫曉鋒,呂紀(jì)佑

(中新南京生態(tài)科技島投資發(fā)展有限公司,江蘇 南京 210019)

道路工程建設(shè)中,填方路基與橋梁相鄰處常存在跳車現(xiàn)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(xiàn)象,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。程東風(fēng)[1]在臺后路基段將泡沫輕質(zhì)土與PC管樁進(jìn)行對比,結(jié)論表明,與管樁等樁基處理類的路基施工相比,泡沫輕質(zhì)土能有效地降低造價,經(jīng)濟性能優(yōu)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(yīng)用,結(jié)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(zhì)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(yīng)用,并分析其優(yōu)劣;崔巍[4]分析了砂樁預(yù)壓法和塑排板在嘉金高速臺后路基處理中的應(yīng)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(lián)合堆載在嘉閔高架中臺后路基處理中的應(yīng)用,研究表明深井降水聯(lián)合堆載預(yù)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(yīng)用,結(jié)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(zhì)沉積年代較新,固結(jié)時間較短,地基土較為松軟,特別是③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂,這層軟土在道路通行后附加應(yīng)力的作用下,將產(chǎn)生較大的工后沉降,是發(fā)生工后沉降的主要壓縮層,路橋銜接處因差異沉降極易產(chǎn)生“橋頭跳車”問題。因而在填筑路基之前,需對天然地基進(jìn)行處理,使之滿足道路路基的沉降與穩(wěn)定的要求。

1 工程概述

1.1 區(qū)域介紹

江心洲位于南京市區(qū)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(qū),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(qū)相望,是連接南京主城和江北新區(qū)的重要樞紐。

區(qū)域現(xiàn)狀主要通過長江隧道和江心洲長江大橋與河西、江北新區(qū)進(jìn)行聯(lián)接。隨著道路的建設(shè)和地塊的開發(fā),島內(nèi)中部路網(wǎng)已基本建成,但是南部和北部基礎(chǔ)設(shè)施仍較薄弱,道路建設(shè)情況見圖1。島內(nèi)南部交通聯(lián)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(shè)非常必要。

圖1 島上道路建設(shè)情況圖

1.2 項目概況及建設(shè)規(guī)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(huán)島西路,東至環(huán)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(shè)計速度40 km/h,規(guī)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(lán)線寬15 m,河道保護線寬25 m。

(2)現(xiàn)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(cè)臺后現(xiàn)狀民安路位于道路北側(cè)設(shè)計非機動車道及人行道下方。

(3)民安路北側(cè)設(shè)計慢行道下方敷設(shè)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(zhuǎn)移至污水二通道,一期管道停止使用。根據(jù)相關(guān)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(xiàn)狀民安路標(biāo)高5.4 m,道路設(shè)計標(biāo)高6.6 m,機動車道路面結(jié)構(gòu)見表1。

表1 機動車道路面結(jié)構(gòu)

3 地質(zhì)情況

根據(jù)島內(nèi)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(zhì)粉質(zhì)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(zhì)粉質(zhì)黏土、砂類為主,根據(jù)民安路勘察資料,建設(shè)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(jù)地下水賦存條件,場區(qū)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(qū)潛水水位常年最高地下水位埋深約0.50 m。

3.3 物理力學(xué)指標(biāo)

民安路場地下方土層中以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)最差,地質(zhì)承載力最低,具體力學(xué)指標(biāo)見表3。

表3 土層力學(xué)指標(biāo)

4 作用機理

目前工程上常見的臺后路基處理有復(fù)合地基、換填、預(yù)壓等方式。現(xiàn)狀島上復(fù)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(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥加固土,地基土和增強體共同承擔(dān)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(zhì)土用物理方法將發(fā)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(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)性、密度和強度可調(diào)節(jié)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(dá)到減輕附加荷載、減小工后沉降的目的。

5 數(shù)值模擬

采用理正軟件進(jìn)行臺后路基沉降計算,結(jié)合民安路建設(shè)條件,主要模型計算參數(shù)如下。

(1)設(shè)計地面標(biāo)高0 m,路面填土標(biāo)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(zhì)黏土層,進(jìn)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(shè)25 m透水性碎石墊層,再加鋪一層加筋格柵,然后再鋪設(shè)25 m透水性碎石墊層。

數(shù)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(shè)0.5 m碎石墊層、1 m 7%灰土路床、0.68 m路面結(jié)構(gòu)。見圖3。

圖3 水泥攪拌樁處理簡圖

路面結(jié)構(gòu)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(zhì)土

橋臺后回填采用氣泡混合輕質(zhì)土,從承臺底標(biāo)高回填至路床頂標(biāo)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(nèi)位置設(shè)置一層鋼絲網(wǎng),鋼絲網(wǎng)片的網(wǎng)眼為10 cm×10 cm,鋼絲直徑3.2 mm,鋼絲網(wǎng)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(zhì)土基底設(shè)置一層防滲土工布,基頂鋪設(shè)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(shù)值模擬采用如下工況:填筑4.5 m氣泡混合輕質(zhì)土,上鋪0.5 m碎石墊層后加鋪0.68 m路面結(jié)構(gòu),輕質(zhì)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(zhì)土處理簡圖

泡沫輕質(zhì)土重度6 kN/m3;路面結(jié)構(gòu)重度25 kN/m3;碎石墊層重度24 kN/m3。

6 結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果,路基沉降呈現(xiàn)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(zhì)土處理臺后路基竣工時沉降為15.1 cm;道路運營期內(nèi)(15年),水泥攪拌樁處理臺后路基沉降5.7 cm,泡沫輕質(zhì)土處理臺后路基沉降18.4 cm;運營期結(jié)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(zhì)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(zhǔn)期內(nèi)殘余沉降量

圖7 氣泡混合輕質(zhì)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(nèi)占比20%;氣泡混合輕質(zhì)土處理臺后路基沉降施工期間與運營期內(nèi)較為均衡,運營期內(nèi)沉降占比55%。

《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》要求路基工后變形應(yīng)符合表6規(guī)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(zhì)土處理臺后路基沉降均滿足規(guī)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(jìn)行比選,比選結(jié)果見表7。

表7 方案比選表

8 結(jié) 論

水泥攪拌樁、氣泡混合輕質(zhì)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(yōu)勢,但受北側(cè)慢行車道下污水管影響,斷面整體性較差,遠(yuǎn)期易形成縱向裂縫。氣泡混合輕質(zhì)土因整體澆筑,可避免機、非板塊沉降差。同時氣泡混合輕質(zhì)土在工程造價、項目工期等方面均有較為明顯的優(yōu)勢。劉鑫等[7]通過加速應(yīng)力試驗,得出正常車輛荷載作用下氣泡混合輕質(zhì)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。