控制道路与构筑物交接处差异沉降的方法

摘要

本发明涉及一种建筑工程技术领域的控制道路与构筑物交接处差异沉降的方法，步骤：施工构筑物下部桩基础，即施工水泥土搅拌摩擦桩和用于地基局部加固短桩，其中：①水泥土搅拌摩擦桩，以桩体周边摩擦力支持上部传下来的荷载；②短桩打设于长桩之间，加固长桩之间的土体，使开挖时的挡土结构连成一个整体；第二步，在接坡段内进行地基处理，包括在接坡段的软土地基的保护范围内施工变长度的深层搅拌桩和接坡段的道路；第三步，施工构筑物的垫层和结构；第四步，在接坡段的地基保护范围内施工改良板；第五步，铺筑路面。本发明不仅可以简化施工工艺，减少施工费用，缩短工期，而且可以免除因差异沉降而造成的维护费用。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域中的软土地基处理的方法，具体是一种控制道路与构筑物交接处差异沉降的方法。

背景技术

建筑于软土地基地带的公路，当有构筑物如桥梁、箱涵等存在时，车辆在通过这些道路与构筑物相接处时会发生回弹现象，简称为“桥头跳车”现象。这种现象发生的原因是由于在构筑物与道路之间存在有较大的差异沉降。据现场实际的测试发现，当这种差异沉降为1cm，行车速度大于50km/h时，乘客有轻微的跳动感。当差异沉降达到3cm，行车速度大于40km/h时，乘客有非常明显的弹跳感。当差异沉降达到5cm，行车速度大于20km/h时，乘客有非常恐惧的弹跳感。造成这种差异沉降的原因是由于传统方法中构筑物用桩基支撑于持力层，刚度大故发生的沉降变形较小，在行车交通荷载的作用下，软土地基内不断有超静孔压产生，路基刚度小故不断地产生沉降，从而使两者产生较大的差异沉降，形成严重影响行车质量的“桥头跳车”现象。因此，一个良好的道路和构筑物的交接段的地基处理与保护方案应将这种差异沉降降低至最小。工程中为解决桥头跳车而减小差异沉降，传统的做法有：1)在沥青混凝土路面铺装进行加铺维修；2)在接坡段设置钢筋混凝土连接搭板；3)用土工合成材料与混凝土桩联合形成复合地基；4)在接坡段设置可升降调节的桥台基础或支座以缓解工后的差异沉降等。

经对现有的技术文献检索发现，为克服上述缺陷并减小桥涵接坡地段的差异沉降，中国专利名称：桥涵接坡地段地基保护的方法，专利申请号200510111799.2，该专利技术“首先确定施工参数，包括：道路在运行寿命内的沉降量、离桥涵最近处的搅拌桩长、接坡段地基保护范围L_a以及搅拌桩的间距与改良板厚度；再在道路至构筑物的接坡段范围的软土地基内，施工变长度的深层搅拌桩，搅拌桩的长度从1m开始向桥涵处逐渐增加，在紧贴构筑物侧面处为最大；然后，在搅拌桩的上面将现场开挖的软粘土与水泥粉搅匀混合后用作路床材料，经碾压结硬后形成的固化路床称为改良板。”。该专利虽然提出了采用搅拌桩变桩长、变桩间距处理接坡段的软土路基的方法以控制差异沉降，在工程中也有成功的应用，但该法中桥涵构筑物的桩基支撑于持力层而产生较小沉降，与之相连的道路的地基刚度小而产生的沉降较大。由于过渡段软土地基和路堤高度以及施工技术等因素的差异性，过渡段的差异沉降的处理效果往往并不尽如人意。

在处理道路与构筑物交接段的地基时，需要确定场地土的地质分层和土性参数，并预测车辆交通荷载作用下道路的沉降值。1992年，Robertson等(Estimating coefficient of consolidation from piezocone test，CanadianGeotechnical Journal，29(4)，551-557；加拿大国家科学委员会主办的《加拿大岩土工程学报》，“用孔隙水压式的静力触探测定土层的固结性状与相关计算公式”)通过应用孔隙水压力的分布规律来确定土层分布及土层的固结性状与相关计算公式(以下简称Robertson方法)。2002年，Chai等(Chai，J.-C.，and Miura，N.(2002)：Traffic-load-induced permanent deformation of road on softsubsoil，Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，128，No.11，907-916；美国土木工程协会主办的《岩土工程与环境岩土学报》，“交通荷载引起的道路的永久变形”)综合多种因素的影响，如初始偏应力，车辆荷载的数量和重量，下卧层土体的强度和压缩性等，提出确定车辆荷载引起的沉降的经验公式法(以下简称Chai等的方法)。这些为进一步开发在道路与构筑物之间接坡地段的地基处理工法提供了条件。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种控制道路与构筑物交接处差异沉降的方法，即构筑物的基础采用未打入持力层的水泥土搅拌摩擦桩，道路与构筑物之间的软土地基加固区采用变长度的水泥土搅拌桩处理。本发明解决了现有的工法中因施工工艺复杂且建筑材料使用较多，使得工程造价增大的问题，不仅可以简化施工工艺，减少施工费用，缩短工期，而且可以免除因差异沉降而造成的维护费用。

本发明是通过以下的技术方案实现的，对于建于软粘土地基上的道路，当有涵渠等构筑物横穿道路时，将涵渠等构筑物与道路的连接段视为整体，应用本发明。本发明包括如下步骤：

第一步，施工构筑物下部桩基础，即施工水泥土搅拌摩擦桩和用于地基局部加固短桩。

①水泥土搅拌摩擦桩，并未打入持力层，而是以桩体周边摩擦力支持上部传下来的荷载(以下简称搅拌摩擦桩)，其桩长H由路基的承载力和允许工后沉降的要求确定。

所述其桩长H由路基的承载力和允许工后沉降的要求确定，具体为：首先根据地质勘察资料，确定路堤与路面的结构自重，土压力和水压力等静荷载和车辆交通动荷载，并确定路基下部桩基础的承载力R和桩基的沉降S。

R＝η_sQ_sk/γ_s+η_pQ_pk/γ_p+η_cQ_ck/γ_c

其中Q_sk，Q_pk，Q_ck分别为单桩总极限承载力和总极限端阻力标准值及相应于任一基桩的承台底地基土总极限端阻力标准值；γ_s，γ_p，γ_c分别表示桩的侧阻抗力分项系数、端阻抗力分项系数、承台底地基土抗力分项系数；η_s，η_p，η_c分别为桩的侧阻群桩效应系数、端阻群桩效应系数和承台底土阻力群桩效应系数。

$S=\mathrm{\Sigma \Delta H}\frac{e_0-e_1}{1+e_0}$

其中ΔH为桩基下部的软土厚度；e₀为土体的初始孔隙比；e₁为施加静荷载和交通动荷载后的土体的孔隙比。

再根据构筑物在建成后20年内容许沉降δ_a的要求确定构筑物下部桩基础的深度，使得该桩基础既能够满足承载力和允许工后沉降的要求，又能够与道路以相同的速率发生沉降，缓解交接段的差异沉降。

②短桩用于在开挖时作为挡土墙，打设于长桩之间，以加固长桩之间的土体，使开挖时的挡土结构连成一个整体，并在构筑物底板浇筑前加固地基，使基底稳定。

第二步，在接坡段内进行地基处理，包括在接坡段的软土地基的保护范围内施工变长度的深层搅拌桩和接坡段的道路，其中：变长度的深层搅拌桩由里侧向外侧依次施工，即先施工靠近构筑物的长度长的桩体，后施工远离构筑物的长度短的桩体；横断面上以由中间向两边的顺序施工，即先施工中间的桩体，后施工两侧的桩体。

本步骤中，具体施工参数应综合道路等级和交通量，土层特性，土体的现场强度，现场的应力状态，和施工水平等多方面因素确定，包括：路床的设计CBR(加州承载比)；道路在运行设计寿命内的沉降量；接坡段地基保护范围；搅拌桩的间距和离构筑物最近处的搅拌桩长。

所述的路床设计CBR，其确定方法为：应用CBR试验仪对各种土和路面基层、底层材料进行CBR试验，确定现场的CBR，选择和组合路面的各结构层，确定路面厚度和材料的强度要求。

所述的道路在运行设计寿命内的沉降量S_R，其确定方法为：道路沉降量是由路堤与路面的静荷载和车辆交通动荷载共同作用产生的。静荷载引起的地基中的附加应力由Osterberg法获得，附加应力引起的地层的固结压缩量由e-logp法获得，最后由静荷载引起的地表总沉降S_S由分层总和法得到。车辆交通动荷载引起的沉降S_T可采用Chai等的方法进行获得，

${ϵ}_p=a{\left(\frac{q_d}{q_f}\right)}^m{(1+\frac{q_s}{q_f})}^{n_1}\left(N^b\right)$

S_T＝ε_p(z)ΔH

其中ε_p是累积塑性应变，q_d是车辆动荷载偏应力，q_f是静态土体偏应力，q_s是初始偏应力，N是重复荷载次数，a，b，m，n是常数，ΔH是桩基下部的软土厚度。则道路的最终沉降S_R为静荷载引起的沉降S_S与动荷载引起的沉降S_T之和。

所述的接坡段地基保护范围L_a，其确定方法为：L_a＝8+12(S_R-δ_a)，其中S_R(m)为道路的最终沉降量，δ_a(m)为涵渠的容许沉降。

所述的搅拌桩的间距B，其确定方法为：根据以满足上部结构的承载力和路面结构变形的要求来确定。

所述的离构筑物最近处的搅拌桩长H_colmax，其确定方法为：按照在路堤与路面自重荷载及交通荷载作用下，道路与构筑物的交接段处差异沉降小于1cm来确定，其中道路和构筑物的总固结沉降量的计算方法同②中的“道路在运行寿命内的沉降量”。其它搅拌桩的长度，按H_colmax/L_s的比例渐减而定，其中L_s为浅层改良板的长度，由接坡段L_a加1m而定。

第三步，施工构筑物的垫层和结构：

①在待施工构筑物处开挖基坑，挖除基底部分软土，基坑深度应根据基底抗隆起稳定分析来确定。

②铺设垫层：一般铺设砂垫层，使其与路基砂垫层连通，以行成通畅的排水通道，提高地基土体的强度，满足稳定性要求。

③施工构筑物结构必须在软土地基处理的先期沉降完成以后进行，构筑物应安全耐用，整体性强。

第四步，在接坡段的地基保护范围内施工改良板：在变长度搅拌桩上部将现场开挖的软粘土与水泥粉搅拌均匀混合后用作路床材料，经碾压结硬后形成的固化路床，即为改良板。

所述改良板，其厚度t_s确定方法为：根据路床CBR与交通量，和路面结构以弯沉为控制指标的方法确定。用本发明施工的地基，实际是由原位混合形成的搅拌桩与浅层改良板组成的复合地基。由于在交通荷载的作用下，路面层会发生挠曲。因此，确定浅层改良板厚度的最基本的原则是，改良板中产生的拉应力和剪应力分别不超过其抗拉强度和抗剪强度，同时保证在反复的交通荷载作用下其变形仍处于弹性范围内。而改良板中的张拉应力与剪应力，是取搅拌桩-改良板及软土地基为一单元体，通过有限单元法确定。

第五步，铺筑路面：在改良板上部铺装沥青路面或混凝土路面，就完成构筑物和道路的施工。

本发明中可以采用叶片式搅拌机，涡流式搅拌机和旋喷式搅拌机进行深层搅拌桩的施工，采用路基施工中混合与碾压的普通设备进行改良板的混合与碾压施工。通过在构筑物的下部设置适当桩长的搅拌摩擦桩基础，与接坡段地基保护范围内的变长度深层搅拌桩和改良板相结合，使得构筑物能够以与邻近道路相近的速率沉降，且道路的沉降沿接坡段逐渐减小，从而最大限度地缓解道路与构筑物在接合处的差异沉降。

本发明在实际应用中，主要是确定搅拌桩的长度以及桥涵接坡段的处理范围，需确定的施工参数较少，且施工工艺简单。本发明避免了传统方法中使用复杂施工工艺、大量的施工参数的确定，和较多的建筑材料等缺点，是一种简洁、经济、有效的桥台、涵洞等构筑物与道路的接坡段地基保护方法。本发明无论从社会效益、经济效益、还是技术效益上来说，都具有很大的应用价值。本发明适用于所有道路与构筑物接坡段地基保护的方法。

附图说明

图1为应用本发明修复箱涵接坡段的施工步骤；

图2为使用本发明箱涵接坡段的差异沉降效果图；

图3为在箱涵与道路的接坡段分别使用传统工法和本发明时的费用对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例对某高等级道路与箱涵的接坡段进行了地基保护的修复，在具体施工之前，进行现场地质勘察。在需要进行施工的现场进行地质勘察，划分土层，并查明场地中地下水的情况，确定土体的相关参数，再确定路床设计CBR(加州承载比)，加固段内的搅拌桩桩体水泥土配合比等。其中：

①根据Robertson方法，利用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化曲线(称为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线)；再以测得的孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴，作出关系图，将该图划分若干不同土性特征区，每一种特征代表一种土的类型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层的类型；再根据土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定土层分布的深度和厚度，包括粘性土层下砂性土的埋深。

②现场钻孔，用取土器取天然原状土的试样，通过室内试验测定土体的各项物理力学参数。在试验室内用金属环刀切取天然原状土样，置于压缩仪的圆筒形压缩容器的刚性护环中，土样在天然状态下或经人工饱和后，进行逐级加压固结，以便测定各级压力p作用下土样压缩至稳定的孔隙比e的变化，即土体的e-logp曲线；通过三轴压缩试验，无侧限抗压试验和渗透试验等室内试验测定土体的抗剪强度和渗透系数等参数。

③利用现场取回的土样，进行水泥-土的室内配合比试验，确定满足搅拌桩桩体目标强度时的水泥含量。

经过上述的地质调查，划分土层，查明场地中地下水的情况，并确定土体参数，结果表明现场地基由3层软粘土Sc1，Sc2及Sc3，和2层砂土层As1及As2交互构成，软粘土Sc3下部为砂土层。其厚度分别为Sc1＝5.1m，Sc2＝6.0m，Sc3＝2.9m，As1＝1.1m，As2＝6.0m。Sc1，Sc2，Sc3的孔隙比分别为2.90、2.43和2.20，重度分别为14.1、16和17kN/m³。该软粘土为海洋环境下的沉积物，具有较强的结构性，灵敏度高，压缩性大。该道路的路基设计CBR为8％。

在上述条件下进行控制道路与构筑物交接处差异沉降的施工，如附图1所示，具体步骤为：

第一步，施工构筑物下部桩基础：即施工未插入持力层的水泥土搅拌摩擦桩1和用以地基局部加固的短桩2。其中箱涵下部搅拌摩擦桩的桩长为12m，局部加固的短桩的桩长为5m。

第二步，在接坡段地基保护范围的软土地基中施工变长度的深层搅拌桩3，变长度的深层搅拌桩由里侧向外侧依次施工，即先施工靠近构筑物的长度稍长的桩体，后施工远离构筑物的长度稍短的桩体，横断面上以由中间向两边的顺序施工，即先施工中间的桩体，后施工两侧的桩体。具体施工参数如下。

①路床的设计CBR为8％。

②道路在运行设计寿命内的沉降量SR：根据路面结构以弯沉为设计指标确定路面铺装厚度为42cm。由分层总和法得到道路面层等静荷载引起的沉降量S_S为19.7cm。按Chai等的方法，车辆交通荷载引起的道路沉降S_T为38.6cm。则总沉降S_R为静荷载和车辆交通动荷载分别产生的地面沉降之和，即58.3cm。

③接坡段地基保护范围L_a：按最大接坡段纵向坡度为5％，得到对应的行车速度为60km/h，从而由浅层改良板压实的施工要求确定接坡段改良板最小长度为8m，L_a由下式得到：L_a＝8+12(S_R-δ_a)，其中S_R(m)为道路的最终沉降量，δ_a(m)为桥涵的容许沉降量，取为0.05m，则L_a＝14.4m。

④搅拌桩的间距B取为2.4m。

⑤离箱涵最近处的搅拌桩的桩长H_colmax：搅拌桩的直径为0.8m，单轴强度为900kPa，为满足承载力和沉降要求而确定离箱涵最近处的搅拌桩的桩长为H_colmax＝11m。这样，在箱涵两侧的接坡段11m范围内各施工6列搅拌桩，其长度分别为11m，9m，7m，5m，3m，1m。

第三步，开挖基坑，施工砂垫层和箱涵4。

第四步，在接坡段的变长度搅拌桩上部施工改良板5。在浅层改良板的抗拉强度为120kPa的条件下，由有限单元法得到采用厚度为1.0m的改良板，即可满足抗拉和抗剪要求。

第五步，在改良板上部铺装沥青路面6，就可以通车了。

如图2所示，应用本实施例的某高等级道路与箱涵接头处的差异沉降的观测结果变化较平缓。对于使用本实施例的道路与箱涵接坡段，尽管在远端也有较大的道路沉降，3.5年后，箱涵与道路接坡处的差异沉降仅为5mm，箱涵处的沉降仅为4cm，小于容许沉降量5cm。

如图3所示，在道路与箱涵的接坡段使用传统工法的费用比使用本实施例的费用多。接坡段施工结束后，使用本实施例的直接施工费用将比使用传统工法的费用节省8％。由于使用本实施例的接坡段差异沉降较小，无需后期维修费用，因此，当加上接坡段投入使用期间的维修费用后，使用本实施例的总费用将比使用传统工法的总费用节省42.8％。

从以上实施例可看出，本发明是非常经济有效的。由此可知，利用本发明加固构筑物与道路交接段的软土地基，可以有效地解决构筑物与道路接头处的差异沉降问题，而且具有很好的经济效益。