吳 迪

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，隨著城市交通建設(shè)的快速發(fā)展及土地集約化的要求，受規(guī)劃紅線及用地指標限制，利用既有高架橋梁投影下的用地空間進行的新建及改擴建道路建設(shè)很常見，此類道路與高架橋梁伴行，道路建設(shè)及運營均會對既有橋梁產(chǎn)生不利影響，反之既有橋梁構(gòu)筑物也會對道路實施及后期使用產(chǎn)生相應負面影響，比如：原有橋梁地基產(chǎn)生附加沉降、新建道路路基填方及道路交通荷載會造成下臥地基橫向變形，易產(chǎn)生路基不均勻沉降造成新建道路路面開裂與鼓包等病害。既有研究已經(jīng)證明輕質(zhì)泡沫混凝土在處理軟基不均勻沉降方面具有一定的優(yōu)勢，為此，該文以實際工程項目展開了進一步研究。

1 項目概述

1.1 項目設(shè)計特點

某道路等級為城市次干路，雙向4車道，位于江蘇省南京濱江區(qū)域，受既有銜接道路豎向控制，該道路采用高路堤形式（填方約3.5～4.5 m）與高架共線通過。高架橋梁于該道路啟動建設(shè)時3年前建成通車。該道路所處區(qū)域為濱江長江漫灘地貌，水系發(fā)達，區(qū)域內(nèi)賦存的軟土不良地質(zhì)厚度較大且埋深淺，全線均有分布，具有抗剪強度低、壓縮性高等特點。

道路橫斷面布置為2×（2.5 m人行道+3.5 m非機動車道+2 m側(cè)分帶+7.5 m機動車道）+11.5 m中央分隔帶=42.5 m。部分車道布置在高架橋梁承臺上方，其他車道布置在軟土地基上，具體橫斷面布置圖見圖1。

圖1 道路橫斷面布置圖（單位：m)

設(shè)計特點如下：

（1）既有高架橋梁對沉降要求控制嚴格，對于城市次干路，一般路段軟土地基工后沉降要求不大于30 cm，此沉降控制標準與既有高架的沉降要求相差較大。

（2）軟土地基處理措施需減少對城市高架的負摩阻力的影響，盡量減少對既有橋梁地基產(chǎn)生附加沉降。該道路既有橋梁樁基礎(chǔ)為摩擦樁，持力層為卵石層，負摩阻力的不利效應更加明顯。

（3）須對承臺內(nèi)外兩者之間的差異沉降進行控制，以確保新建道路正常使用。

（4）道路所處區(qū)域為軟土地基，且道路填方較高，上述不利影響會愈加嚴重。

1.2 項目地質(zhì)概述

軟土層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂，軟土層厚度約為14～17.5 m。根據(jù)土工試驗結(jié)果，軟土具有以下性質(zhì)：流塑，局部軟塑；含水量高，天然孔隙比大，壓縮性大；凝聚力小，抗剪強度低；固結(jié)系數(shù)小，滲透系數(shù)小，透水性差。在荷載作用下會產(chǎn)生較大的沉降和沉降差，而且沉降過程延續(xù)的時間可能很長，影響道路的正常使用。

2 地基處理方案

2.1 地基處理方案的選擇

通過比選，采用泡沫輕質(zhì)土作為路基填料，既能有效降低工后沉降，同時泡沫輕質(zhì)土的剛性介于水泥混凝土與優(yōu)質(zhì)土材料之間，用于路基與承臺結(jié)合處可以很大程度地減輕剛?cè)嵬蛔?，減少因剛度不同而產(chǎn)生的路面開裂。

泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量輕，但這一特點也使得地基固結(jié)緩慢，造成路基殘余沉降量大，故在填筑輕質(zhì)土路基前，先采用高壓旋噴樁（橋梁下凈空受限）對下臥地基進行處理，使兩者效應疊加發(fā)揮，減少工后沉降[1]。同時高壓旋噴樁對下臥地基進行加固，也減少道路高路基施工期及運營期對現(xiàn)狀橋梁樁基的不利影響。

故地基處理方案采用高壓旋噴樁復合地基+路堤聯(lián)合處理。

2.2 泡沫輕質(zhì)土的特點及應用現(xiàn)狀

泡沫輕質(zhì)土是由原料土、水、固化劑、發(fā)泡劑等一系列物質(zhì)所混合、拌制、硬化形成的一種輕質(zhì)材料，一般采用水泥作為固化劑，通常采用現(xiàn)澆施工。泡沫輕質(zhì)土中含有大量氣泡，空隙比可達3%～5%，容重較小?？赏ㄟ^改變氣泡率和固化劑摻量調(diào)整其容重保持在3～15 kN/m3，抗壓強度控制在0.3～20 MPa之間。泡沫輕質(zhì)土的密度與抗壓強度基本成正比，密度越大，抗壓強度越大。

用泡沫輕質(zhì)土代替?zhèn)鹘y(tǒng)路基材料，可以減小填土載荷及對軟弱地基產(chǎn)生的附加應力，降低工后沉降，減緩路基之間的不均勻沉降；減輕對路基兩側(cè)現(xiàn)狀構(gòu)筑物的影響；降低土體本身的剪切滑動位移，提高路基的抗滑穩(wěn)定性。再加上施工便捷、操作方便等特點，目前被廣泛應用于廣州、天津和上海等地的道路工程建設(shè)中。

2.3 設(shè)計計算

2.3.1 輕質(zhì)泡沫土路基填筑厚度

泡沫輕質(zhì)土填筑厚度主要考慮以下因素：工后沉降指標、地基承載力、受水位影響時的抗浮要求，并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟指標綜合比較確定。原土換填厚度的設(shè)計原理為基底應力補償原則，即輕質(zhì)土荷載+路面結(jié)構(gòu)荷載+行車荷載≤被置換的原土荷載，理論上沒有沉降。

式中，Ri、Hi分別為路堤各土層重度和厚度；R0i、H0i分別為換填深度內(nèi)各土層的重度和厚度。

2.3.2 工后沉降計算

對于該道路，按一次性鋪筑路面考慮，采用路面完工15年內(nèi)的工后沉降控制?？偝两涤嬎氵x用分層總和法，地基土壓縮層厚度以附加應力小于自重應力的15%確定。路基工后變形按如下控制：行車道范圍工后沉降控制指標為以10 cm；控制新建路基與承臺之間的差異沉降，確保承臺內(nèi)外的路拱橫坡度工后增大值不大于0.5%，沉降差小于10 cm[2]。

2.3.3 路堤換填地基承載力計算

地基土換填后殘余部分自重、泡沫輕質(zhì)土自重和其他荷載的總和應滿足地基承載力要求。驗算時泡沫輕質(zhì)土應采用飽和容重指標。

2.3.4 抗浮計算

由于區(qū)域內(nèi)地下水位埋藏較淺，并且多雨，因此應充分考慮到水的影響，對泡沫輕質(zhì)土填筑物進行抗浮驗算。驗算時，所受浮力按計算水位的100%計算，水上、水下部位容重分別取濕容重、飽和容重，抗浮安全系數(shù)Fs≥1.2，強度保留率≥90%。計算公式如下：

式中，G1計算見式（2）；r為水的重度（kN/m3）；h為路堤浸水深度（m）。

由于抗浮計算時，已經(jīng)考慮了路面結(jié)構(gòu)荷載，針對路面結(jié)構(gòu)未施工前受水位影響容易出現(xiàn)的板塊上浮，進而開裂的情況，施工時須開挖集水溝排水，保證水位低于開挖基坑底。

2.3.5 路基穩(wěn)定性計算

泡沫輕質(zhì)土路堤穩(wěn)定性驗算時，黏聚力c取100 kPa，內(nèi)摩擦角取2°。但考慮到泡沫輕質(zhì)土良好的強度及自立性，該計算意義不大。實際上泡沫輕質(zhì)土板塊穩(wěn)定性不需要檢算，只需要把泡沫輕質(zhì)土板塊作為路堤，檢算軟土地基的整體穩(wěn)定性即可。

實際在使用過程中，泡沫輕質(zhì)土路堤可能會出現(xiàn)水盆效應造成路面開裂，即在最高地下水作用下或由于原地面縱橫坡過大造成泡沫輕質(zhì)土板塊的整體移動，因此該次設(shè)計提出在泡沫輕質(zhì)土外側(cè)人行道范圍內(nèi)采用素土填筑，既起到反壓作用，從兩側(cè)限制泡沫輕質(zhì)土板塊的移動，也起到隔絕外部地表水的占用，減少水浮力效應，保證路堤的穩(wěn)定性。

因此,緊急制動曲線可以通過上述原則進行計算。ATP系統(tǒng)在列車運行過程中將實時對列車的能量進行檢測，確保在最壞的情況下后車也不會越過前車的干擾點。

2.3.6 泡沫輕質(zhì)土路堤抗滑移穩(wěn)定性驗算

該項計算主要考慮以下因素對泡沫輕質(zhì)土路堤抗滑移穩(wěn)定性的不利影響：在最高地下水位或外部地表水無法排泄的情況下即所受水浮力最大，或由于原地面縱橫坡過大，在自重或車輛荷載作用下產(chǎn)生下滑力，或承受車輛荷載制動力作用，造成泡沫輕質(zhì)土板塊的整體滑移?？够€(wěn)定性驗算時，泡沫輕質(zhì)土與土質(zhì)坡面接觸的抗滑摩擦系數(shù)可取0.3～0.4[3]。

2.4 具體設(shè)計方案

2.4.1 設(shè)計方案圖

該項目的具體設(shè)計方案如圖2中所示。

圖2 設(shè)計方案圖

2.4.2 輕質(zhì)土技術(shù)指標及基本要求

密度等級：D600，表干密度為550～650 kg/m3；

強度等級：F0.8（28 d立方體單軸飽和抗壓強度平均值0.8 MPa）；

質(zhì)量吸水率：10%（標準環(huán)境中封閉養(yǎng)生28 d）

泡沫標準密度：50 kg/m3；

發(fā)泡倍率：不低于1 000；

消泡試驗泡沫輕質(zhì)土濕密度增加率：不超過10%。

泡沫配合比設(shè)計以及發(fā)泡劑的主要性能應分別滿足表1、2中的要求。

表1 泡沫推薦配合比設(shè)計

表2 發(fā)泡劑主要性能指標表

2.4.3 構(gòu)造細部設(shè)計方案

（1）防排水設(shè)計：該項目在泡沫輕質(zhì)土路堤底部設(shè)置50 cm級配碎石作為透水墊層，以滿足基底防排水需要，避免地下水浮力引起填筑物的附加應力，同時可兼做調(diào)平層。碎石墊層頂滿鋪一層防滲土工膜，在泡沫混凝土邊界處向下折邊不小于1 m。另在泡沫輕質(zhì)土路堤頂部設(shè)置一層防滲土工膜封閉層，排出路面滲水下滲。

（2）泡沫輕質(zhì)土應避免暴露使用，需做好封閉設(shè)計。該項目在人行道范圍內(nèi)采用素土圍邊填筑。

（3）為避免泡沫輕質(zhì)土填筑體硬化后與現(xiàn)狀橋墩固結(jié)為一體，一方面防止填筑體（含路面自重）傳遞至橋墩，增加橋樁受力，另一方面防止填筑體受力不均產(chǎn)生斷裂。故此該項目在填筑體與橋墩間設(shè)置緩沖層（20 mm厚的聚苯乙烯板）。

（4）為滿足路床頂縱橫向坡率設(shè)置要求，確保路面結(jié)構(gòu)層所需厚度，泡沫輕質(zhì)土頂層按坡率設(shè)計采用臺階式過渡，臺階寬度不小于1 m，臺階高差一般不大于10 cm。

（5）為減輕機動車動荷載影響，保證泡沫輕質(zhì)土受力均勻，同時提高泡沫輕質(zhì)土防裂功能，該項目在泡沫輕質(zhì)土頂面設(shè)置一層20 cm厚C25混凝土整體現(xiàn)澆層?；炷涟鍓K應在泡沫輕質(zhì)土施工縫處設(shè)置脹縫和橫向縮縫。

（6）泡沫輕質(zhì)土路堤與常規(guī)填土路基間的縱向過渡應采用臺階過渡，臺階寬度不小于2 m。

3 結(jié)論

該文的研究可為以后類似工程提供一定的借鑒意義。研究結(jié)論如下：

（1）當軟土厚度較大或填方較高時，用泡沫輕質(zhì)土代替?zhèn)鹘y(tǒng)路基材料，可有效減小填土載荷及對軟弱地基產(chǎn)生的附加應力，能較好地減少路基工后沉降及既有承臺內(nèi)外的不均勻沉降。

（2）高壓旋噴樁復合地基+泡沫輕質(zhì)土路堤聯(lián)合使用，可以有效減小對既有橋梁基礎(chǔ)的不利影響，對變形要求嚴格的既有高架范圍內(nèi)道路的軟基處理具有一定的借鑒意義。

（3）為徹底解決既有承臺內(nèi)外的不均勻沉降問題，尚需要進一步加強泡沫輕質(zhì)土的抗拉能力，并加強路基與路面設(shè)計的配合及綜合處理。