（岩土工程专业论文）台后路基处治技术大比尺模型试验研究.pdf

摘要 路桥过渡段是道路病害的多发地段，“桥头跳车”作为其直观表现形式，一 直是困扰公路建设的难题。本文利用大比尺模型试验平台，结合给出的地基沉 降控制曲线，对黄土( 或砂砾) 填料下土工格室楔形柔性搭板、土工格栅加筋 与灰土换填处治两种不同桥台类型( 重力式、肋板式) 之路桥过渡段的大比尺 模型试验结果进行了对比研究，对两种桥台类型中各种处治方法的作用性状及 对地基沉降的适应性进行了分析。 根据大比尺模型试验实测数据，利用反演分析方法和大型通用有限元 m a r c 软件建立了各种处治方法的大比尺模拟数值仿真模型。通过反演分析得 到的参数，对仿真模型计算结果和模型试验实测数据作对比分析，验证了仿真 模型的准确性，及利用仿真模型对大比尺模型试验作定性分析的可能性。 关键词：路桥过渡段处治方法大比尺模型试验仿真模型 a b s h 毽c t h i g l l w a yd i s e 勰e so f t e no c c i l ra tt h e 胁s 城o n c t i o nb e 脚e e nb 瑚g ca b u 皿e n t a n de m b a m 日n e n t t h eb u m pa tt h ea p p r o a c ha b u t n l e n t ，w h i c hi s t l l ei n t l l i t i o n i s t i c s h o w i n gf o 皿，i st h cd i f f i c i l l tp r o b l 锄o fw 0 玎r y i n gt h eh i g h w a y 璐t n l c t i o n b y l l s i n go f o nt l l el 甄g e s c a l et e s tn a t 翘d 百讪喀t h ec o n 仃d lo fg r 0 蛆ds u b s i d e n c ec u r v e s i nt h i sp 印e r t h er e s u l t so fl a 玛e - s c a l et e s t so ft 、od 证e r c n ta b u 锄e n t s ( f a v i t yt y p e a n dc r o 鸥b r a c et y p e ) w h i c hw c r e 仃e a t e d 何t hg e o 两d ，鼢c e l lw c d g e d - s h 印e d 丑e x i b l es l a ba n dl i m es 0 nr 印l a c e m e n t 、慨卸a l y z e d t h ea d 印t a b i m yt og m u n d s u b s j d e n c c 柚da c t i v cp m p c n yo fg e o c e l lw 吨c d - s h a p c df 1 e ) 【i b l e s l a bw e r e a c h i e v c d b a s e do nt h es p o td a t a0 ft h el a r g e s c a l et c 船锄du s i n gi n v e r s e 锄a 1 ) r s i sa n d t h el a 唱ec o m m o n 觚t ee l 哪c n tm a r cp m g 衄，w eb u 埘山el a 唱e s c a i e 血i t e e l c m e n tm o d e lo fa l lk i n d so f 骶a t m e n tt e c h i l i q u e t h m u 曲t h ep 猢e t e r sa c h j e v e d b yi n v e r s e 曲a l y s i s ，t h ea u t h o rc o m p a r ca n da n a l y z ct h cr e s u l t sb e 时e e nt h ed a t ag e t f 幻mt h ef i l l i t ee i e m e n tm o d e la n dt l l es p o t t h er c s u l t ss h a w st h e 丘n i t ee l e m e n t m o d e li sa c c u r a t e 卸dt h cp m b a b i l i t yo ft h eq u a l i t a t i v c 姐a l y s i so f1 a r 蓼一s c a l et e s t sb y u s i n gt h e 丘n i t ee l e m e n tm o d e l k e yw o r d s ：缸a n s i 曲ns e c t i o nb e m e e nb r i d g ea b u 衄e n t 柚d 咖b a n l n e n t ； 打e a 缸n e n tt e c h n i q u e ；1 a i 翟p s c a l et e s t s ；6 n i t ee i e m e n tm o d d 铪之舷刨住声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 铯殳知识产权仅属声明 己秭年厂月咕日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名： ：批弓 私多 洳年，月留日 h 曲年厂月研曰 第一章绪论 1 1 概述 路桥过渡段是道路病害的多发地段，“桥头跳车”现象作为其直观表现形式， 它不仅影响了行车的舒适和快速，降低了道路的通行能力，加速了桥台台背、桥 头伸缩缝以及接缝路面的破坏，而且是道路交通安全的重要隐患之一，严重影响 了高速公路的社会效益。同时，对桥头路面大量的养护和维修不仅花费了大量的 人力、物力，而且也产生了不良的社会影响。在美国大约2 5 的路桥过渡段( 约 1 5 万座构造物) 受到“桥头跳车”病害的影响，每年为此花费的维修费用预计 在1 亿美元以上i ”。而在我国，如沪嘉高速公路在建成一年后即开始进行桥头引 道沉降处理，六年共五次对大多数桥头进行处理，工程总费用9 8 2 6 万元1 2 1 。杭 甬高速通车以来，花费在桥头路面治理的费用也十分惊人。桥头跳车已成为我国 高速公路建设、运营、养护中急需解决的问题。 由美国国家公路合作研究计划委员会、国家公路及运输联合会、联邦公路管 理委员会及国家研究委员会运输理事会联合资助的桥头跳车研究，在查阅已有的 相关文献后分析并提出了引起桥头跳车的原因。在其它国家，有相关行业的学者 及公路建设管理部门对桥头跳车病害问题都曾积极地采取各种措施进行预防或 工后处治。但由于造成桥头跳车的因素众多，要想从根本上彻底解决桥头跳车这 一通病，的确有相当的难度。如何有效地控制桥头跳车、保证高速公路车辆的交 通安全和舒适行驶，对于提高高速公路的社会效益、降低已建高速公路的养护维 修费用、改善待建高速公路的质量都具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 对桥头跳车现象的认识 桥头跳车实际上是柔性路堤与刚性结构物的衔接处在自重荷载和汽车荷载 的作用下产生的差异沉降导致的。当台背填土以及地基沉降累积达到一定程度 时，桥台和路堤衔接处将产生明显的台阶，从而引起桥头跳车。冯忠居等【3 l 通过 试验，认为当车速在6 0 1 4 0 k m l l 时，台阶高度在1 5 m m 以上时，车辆行驶速 度将受到影响，同时能感到明显的跳车。为了避免因桥头路堤的沉降产生台阶， 国内外常在桥头设置桥头搭板，把台阶缓和到一定的长度范围，在桥头形成一定 的纵坡，以使司乘人员不至于感到突发的跳动，但这种处理并不能从根本上解决 跳车问题。在国家“七五”重点项目“软土地基路堤综合处理设计方法”的成果 中提出，由沉降引起的纵坡变化，应不使驾驶员有不适的感觉，其值为2 5 ， 瑞典的标准是4 ，法国的规定是3 8 一6 3 。国内南通一级公路扬江桥头跳车 的调查分析成果中认为，当行车速度为1 0 0 虹油时，由工后沉降引起的纵坡变化 值小于6 的桥头，不会感到行车不趔4 】；福建泉厦高速公路的研究结果【5 1 指出 当桥头纵坡变化小于3 “时，不会产生桥头跳车。京石公路桥头使用状况调 查指出，对6 0 1 【n 1 h 的车速，桥头纵坡变化率在5 以下时没有跳车感觉。因此 桥头跳车指的是在行车路桥衔接处的不适性。 1 2 2 桥头跳车的成因 根据国内外众多的研究和调查“儿钉“埘哪州”1 ，普遍认为产生桥头跳车的主要 原因是桥台与台背填土之间的不均匀沉降，而该沉降差主要由三部分组成： ( 1 ) 桥头地基在上部路堤在行车荷载作用下发生的固结变形。 原先无荷载的桥头地基在较高路堤荷载作用下将发生固结沉降。由于地基固 结存在时间效应，如果地基预压时间不足，则大部分地基沉降不能在路面施工前 完成，路面竣工后的工后沉降将继续发展，在路面顶部将形成沉降差。在软土地 段，地基的工后沉降是产生桥头差异沉降的主要因素。 ( 2 ) 桥头路堤填土自身的压缩变形 桥头路堤一般填土较高，桥台附近又不宣压实，使填土的压实度较差，路面 完成开放交通后，压实度不足的填土在行车荷载和路面及路基的恒载作用下产生 压缩变形，从而导致沉降差。 ( 3 ) 桥头路堤填土在上部车辆重复荷载作用下产生塑性累积变形。土体属于 弹塑性材料，因此在超过一定大小的应力作用下，荷载每一次作用土体都将发生 一定量的塑性变形。文献1 采用改进的三轴试验仪对武昌重塑饱和粘土进行冲击 荷载试验，并提出了不同冲击遍数下塑性变形的预测计算模式：文献“”应用一台 能加速重复矩形荷载的固结仪器对重塑饱和粘土进行研究认为，粘土的塑性沉降 与荷载的大小、历时和加载次数有关。而造成该沉降差的主要原因有： ( 1 ) 设计原因 台背填土刚度相对不足：工程实践表明，一般对于路堤而言，其在自然环 2 境、车辆荷载的作用下沉降不可避免。另外，车辆在经过路桥台阶或折线坡度时 必然对路面及下层结构产生比车辆在平顺行车状态下更大的作用力。但是在我国 相应的路基路面设计规范中，对于路桥衔接处导致荷载增大的各项因素并没有太 多的考虑，桥头路堤与普通路基设计同等对待，导致荷载作用下台背回填产生的 沉降比普通路堤还大。 规范容许沉降值尚需探讨：我国公路软土地基路堤设计与施工技术规范 规定高速公路桥台与路堤相邻处容许工后沉降为1 0 c m 。日本最新的规范则对容 许沉降不作规定。法国规定桥头引道部分的容许沉降为3 5 c m ，地基固结度为 8 5 胡5 。德国1 9 9 0 年软弱地基上道路建设规范实际上规定地基的固结度应 达到l o o 。根据公路软土地基路堤设计与施工技术规范条文说明介绍，我 国路堤容许沉降值的确较多参考了日本、美国、德国、法国的相关规定以及京津 塘高速公路的建设经验。在我国，地基的固结沉降一般在工程竣工后2 4 年完成。 而根据估算，8 m 长的搭板一端若产生1 0 c m 沉降，其坡度为1 2 5 ，为桥头容许 ： 坡差3 6 的2 4 倍以上，这意味着在搭板破坏以前，桥头跳车现象将直存 在。因此，本文认为，对于高速公路而言，公路软土地基路堤设计与施工技术 规范的1 0 c m 容许值偏大。 ( 2 ) 施工原因 从国内高速公路建设的实践来看，台背回填压实质量存在的问题是加剧桥头 跳车问题的重要原因，这一方面是由于台背回填的施工距离桥头较近，缺乏大型 碾压设备所需的工作面，因此只能用小型机具压实或人工夯实，小型机具的压实 功能明显不如大型设备，再加上施工单位质量意识不强，该区域的压实度难达到 保证。当然用于台背回填的材料的技术指标尤其是c b r 值能否满足要求也是关 键。 1 2 3 桥头跳车的常用处治措施 桥头跳车现象在各国普遍存在，美国交通部门曾对3 6 个州以及加拿大的3 个省进行了调查【1 3 l 【1 4 】表明，桥头引道路堤沉降是一个普遍性问题，尤其在桥头 高路堤以及交通量大的公路问题更为严重。因此各国在这个问题上都展开了一定 的研究，目前常用的处治方法研究主要分为以下几类： ( 1 ) 地基处理 3 无论软弱地基是否处于桥头位置，只要地基的承载力不能满足路堤、车辆荷 载的力学要求都必须进行地基处理。通常采用砂袋砂井法、塑料排水板堆载预压 法、换填法、深层搅拌法、高压喷射注浆法、树根桩托换法、振动碎石桩法等， 基本上适用于软土地基处理的地基加固方法都可以用于桥头软土地基的处理。不 过，需要注意的是，对于桥头的地基而言，对处理后的地基工后沉降的要求比普 通路堤高的多。但是根据国内的经验，尽管对桥头软土地基进行了加固处理，仍 有不少在通车后出现较大的工后沉降变形，究其原因有： 过分依赖地基内部的加固措施，在施工期内，处理后的地基没有在荷载作 用下充分固结，以至于竣工后地基在路堤、车辆荷载作用下继续沉降固结： 尽管有些工程进行了堆载预压处理，但对预压荷载的大小、作用时间没有 科学的估计，不能保证地基在施工期内完成大部分沉降变形。 当然，对于桥头软弱地基处理，如果能够做到科学设计、合理施工是能够达 到预期效果的。对本文来说不是重点，不作详述。 ( 2 ) 路堤处治 桥头路堤既“承上启下”传递荷载，又“左连右接”实现过渡。路堤的填土 既是荷载体又是构造体，不仅要减小和适应其自身的压缩变形，更重要的是该填 土体还要适应路堤下地基产生的容许沉降变形。其常用处治方法有： 台背换填法 在台背一定范围内采用模量较大，易于压实、排水性能好的材料( 如级配碎 石、砂砾等) 进行换填，实现路桥过渡段的刚度差过渡，当然换填材料也可以用 灰土或改良水泥土等。从作用机理上看，此法属刚柔过渡，主要减小了路堤自身 的压缩变形量，但难以完全消化地基所产生的沉降，因此台背回填方法需结合其 他处治方法才能较好地过渡桥台与路堤的沉降差。 采用轻质材料 采用泡沫苯乙烯e p s 和粉煤灰等轻质材料作为台背填料，以降低地基附加应 力而大大减小地基沉降量，解决桥头路堤差异沉降问题。e p s 具有重量轻、稳定 性好、变形模量较大的优点，一般容重在0 3 k n 3 左右，为一般填土容重的l 2 ， 但原材料价格较贵，大面积铺筑可能导致大大增加工程造价。粉煤灰与一般细粒 土相比，具有自重轻、压缩性小、透水性良好等优点，在一定工艺条件下，可形 4 成具有一定强度的整体性材料。但其填筑工艺要求高，整体稳定性受毛细作用影 响大，选用时应采取相应措施。 土工格网加筋 采用土工加筋材料处治“桥头跳车”，国外从2 0 世纪8 0 年代开始研究，进行 了大量室内和室外的试验，取得了良好效果。美国怀俄明州应用土工加筋处治了 3 0 多座桥台，结果表明加筋能起到减缓“桥头跳车”的目的。在我国，作为交通 部“八五”攻关项目，长沙交通学院自1 9 9 1 年开始应用土工网处理桥头跳车的研 究工作，并在1 0 7 国道湘潭段的龙云立交上采用。土工网处理桥头跳车的作用机 理是：由于土工网的作用，土颗粒受到约束，土体本身颗粒间以及土颗粒与土工 网接触面间的摩擦咬合作用增强，土体中的部分应力得到扩散和转移，从而使土 体的垂直应力和水平拉应力明显降低，土体剪应力明显提高，但未超过土与土工 网复合体的抗剪强度。土体的承载能力、抗变形能力因此得到明显提高。 我国公路土工合成材料应用技术规范中给出了桥头路堤加筋的两种形式， 见图卜1 。其中，土工格栅底部最小长度取2 5 4 m ，从上至下1 ：l 坡度顺延。 i 。 p 1 ( a )土工格栅锚固式处理 b ) 土工格栅反包式处理 图卜1土工格栅处治示意图 ： 但是，土工格网作为一种平面结构，对路基刚度的提高作用有限，而对填 料的要求却很高，更因为土工格网作用只能阻止桥头较短范围内路堤填土的沉 降，而对其它区段只能减小部分的路堤压缩变形，不能消化由于地基沉降所产生 的变形量。因此土工格网对于减小路堤填土压实度偏低造成的附加变形较为有 效，适用于地基条件较好情况的桥头路堤处理。 土工格室是8 0 年代在国际上出现的一种新型土工合成材料。它是一种高分 子聚合物宽条带经强力焊接而形成的三维网状结构，同筋材平铺相比，土工格室 加筋土的优越性可以归纳为以下几点1 1 5 】：a 平铺加筋时，加筋体只是筋材本身； 而对土工格室加筋而言，加筋体己变成了格室及填料构成的复合体；b 平铺加筋 的抗拉性能是通过土筋界面摩擦而发挥的：而格室筋材是通过直接限制填料的侧 胀而发挥出来的，因而更能利用筋材的抗拉性能；c 对格室体而言，“土筋摩擦 系数”就是填料本身的内摩擦系数，因而可以提供比平铺加筋大得多的粘着强度。 作为国家西部交通建设科技项目，长安大学采用土工格室处治桥头跳车。土 工格室复合体由于具有较大的压拉强度、抗剪强度和较大刚度的特性，更由于其 一端固定于桥台，因此有效地阻止了上层土体的向下沉降，从而在复合层下面产 生了松动区。同时由于土工格室的多层连续布置，使得路堤的沉降在每一层中都 得到消减，使得桥台与路堤之间的沉降差在较长的范围内得到平缓的过渡。由于 松动区的存在，路基竖向应力明显地减小。桥台附近一定范围内地基的附加应力 也得到减小，从而不仅减小了路基的压缩变形，也减小了地基的沉降变形。土工格 室较大的限制侧向变形的能力不仅限制了其中填料的侧胀，同时其构成的复合体 与土之间产生的较大摩阻力和粘附力也限制了周围土体的侧向变形，从而减小了 路堤本身的变形。格室变形后产生的“网兜支承效应”使荷载的分布更为均匀。 2 0 0 1 年，甘肃省交通厅与长安大学公路学院共同完成了“黄土地区台后跳车 的处理对策及防治”的科研项目，在甘肃古浪永昌高速公路全线桥头采用土工 格室柔性搭板治理桥台以及路桥过渡段：在国道3 1 2 国道柳忠高速公路黄土地区 的六个桥台以及青岛银川高速公路靖边至王圈梁段高速公路两处桥台的台背 处理中采用了楔形柔性搭板的处治方法。 由土工格室作为载体的楔形柔性搭板既能起到土工格室限制路基填料侧向 位移、分散路基应力、减小路基压缩变形的作用，同时利用土工格室与填料组成 的复合体具有较大的弯拉刚度、抗剪强度的特性，平缓过渡桥台与路堤的沉降差， 从而达到消除桥头跳车的目的。同时，其填料可就地取材，从而节省工期，减小 造价。 设置柔性桥台 从作用机理看，柔性桥台基本等同于加筋土挡墙，如图1 2 。采用柔性桥台 结构来降低桥台的刚度，缩小桥台和路堤的刚度差，使其衔接处的行车荷载压缩 变形和填土固结沉降均匀过渡，达到消 除路面纵坡突变防止桥头跳车的产生。 国外也有这种柔性桥台的报道1 酣，甚至 有多跨的桥墩也用加筋土做成柔性桥 墩，但柔性桥台一般适用于个别简单桥 梁结构形式，而且施工难度大。 采用渐变桩加固 图卜2 柔性桥台 逐渐改变桥头引道下沉，将高差突 变断面的无穷大纵坡变为有限纵坡，使行车变得舒适，如图卜3 所示。混凝土桩 是将路基水平面内承受荷载转换为竖截面内承受荷载的手段，即原来由路基承受 荷载转换为混凝土桩承受荷载的手段。但是，一方面，现有的沉降计算理论与实 际的沉降有较大的差别，因此通过沉降的计算来确定桩长的变化是很难达到实际 要求的；另一方面，由于渐变混凝土桩造价偏高，使得渐变混凝土桩只能停留于 理论的探讨而无法应用于实际。 l _ j l _ 翦3 组群桩 第2 趣肆拄 图卜3 混凝土渐变桩布置示意图 挤密桩复合地基 采用挤密复合地基的方法来处理路 基填土，是利用在填筑完毕的路基上成 孔，通过挤密作用，使路基土密实度提高， 然后在孔内填入材料并振动压实成桩。随 着路基向桥台的靠近，可通过桩变长或减 小桩间距的方式，使路桥过渡段刚柔得到 过渡。由于桩的挤密和置换作用，路堤填 图卜4半刚性挤密桩 土的密实度提高，应力减小，路堤整体刚度增大，从而减小了路堤的压缩变形。 常用的挤密桩有砂桩、土和灰土桩及二灰土桩等。虽然土桩的材料较为低廉，但 其需要一整套打入桩施工设备，故在经济上代价较高【r 丌。 刘绍云等【1 8 】提出了采用渐变混凝土桩根治桥头跳车的方法。它首先在填筑 完毕的路基上选择适当长度范围内，用麻花钻机钻m = 4 0 c m 的干孔，平面布置成 三组群桩( 每组两排，每排5 根桩) ，劳且逐渐减短桩长，以此渐变路基变形量； 然后灌入膨胀混凝土，使路基密实度增加。最后在混凝土桩顶铺设钢筋混凝土路 面，由此形成渐变混凝土桩刚性过渡段。渐变混凝土桩属于刚性挤密桩的范畴， 但其相对于半刚性挤密桩造价偏高。 设置桥头搭板 目前采用桥头搭板来防止桥头跳车现象是目前一种比较常见的处治方法。搭 板设计的基本思路是将桥台与路堤衔接处因较大差异沉降引起的路面纵坡突变 通过设置桥头搭板进行缓和过渡，将路面纵坡变化限制在容许范围内，从而达到 消除桥头跳车的目的。搭板一般为钢筋混凝土结构，常见的设置方法为：板的一 端搁置在桥台上，另一端搁置在路堤上( 有时也在板下设置枕梁) 。搭板的宽度 与桥面板相同，厚度一般为2 0 锄4 0 咖，大部分长度在5 m 一1 2 m 之间。但是大量 的调查资料显示，设置桥头搭板的处理效果并不明显。较多的情况又增加了一些 新的病害： a 、尽管在路堤桥台衔接处无明显跳车，但在枕梁处发生局部下沉造成这一 部位的跳车； b 、重交通荷载作用下的搭板折断不仅未消除跳车现象，而且导致路面开裂 雨水下渗使土基受到破坏： c 、搭板在与桥台的衔接端拱起也会使路面破坏。一般认为，桥头搭板设置 得当可平顺桥台与其后路堤的沉降差台阶，但在实际使用中却经常出现搭板底部 淘空而引起断板或使沉降差台阶从桥台处转移到路基与搭板之间而引起所谓的 “二次跳车”现象。 ( 3 ) 路面处治 路面是道路的重要组成部分，路面层的破坏不仅会引起桥头跳车，还可以加 深路基破坏。为此有必要对路面层进行特殊设计，其常用处治措施有： 预设纵向反坡 8 在可能产生沉降的路面范围内，根据沉降经验预设一定纵向路面超高，以抵 消在运营过程忠的路基沉降，从而达到消除桥头跳车的目的。此方法取自桥梁设 计中的预拱度原理，但是地基沉降计算的不确定性导致了在预设纵向反坡时的盲 目性。 设置过渡段路面 对于已经发生而且还可能继续发生大量沉降的路堤，可以设置过渡段路面。 其可以采用预制水泥混凝土六棱块、条石铺砌、半刚性过渡层或沥青过渡层等类 型。 ( 4 ) 综合处治 道路的重要组成部分包括路面、路基和地基，它们之间相互影响相互作用， 实际上是一个密不可分的整体。地基是道路的基础，起承受上部荷载和保持其稳 定性的主体，一旦出现问题上部结构必然破坏：路堤不但传递上部荷载，对其上 下结构也有很大的影响，如路堤的不均匀沉降会引起上部结构的凹陷，还会引起 地基局部受力过大；同样路面破坏后，雨水入渗也可能造成路基的破坏。因此在 桥头处治时，应对路面、路基和地基进行综合处治。 1 3 主要研究内容 在上述的各种处治桥头跳车常用方法中，大多是根据现场经验以及室内小比 例模型试验得出的，对于解决桥头跳车起到了一定的作用，但是其中有些方法处 治机理不明确和具体工况的适用程度未搞清楚，从而存在明显的不足之处以致达 不到从根本上处治桥头跳车的目的。 路桥过渡段路基的沉降包括路堤填土的沉降和路堤下地基的沉降两部分。路 堤的填土即是荷载体又是构造体，路桥过渡段经处治后之路堤填土不仅要适应路 基本身的变形，更重要的是该填土体还要适应路基下地基产生的容许沉降变形。 路堤填土体消化自身的变形比较容易，而要消化地基的变形就比较困难了。因此， 一种处治方法的适应性研究实际上主要就是研究其消化路基下地基沉降变形的 能力。“。 长沙交院进行了土工格栅加固软土地基上路桥过渡段的优化设计及试验研 究，得出了较有参考价值的结论。文献1 9 中，进行了楔型柔性搭板的设计优化 以及常用处治措施的适应性仿真分析：对路桥过渡段加固体的结构布置形式进行 了拓扑优化；开展了土工格室和土工格栅加筋处治技术的作用性状和适应性分 析；并对不同地基模式下，楔型柔性搭板处治方法的布置长度、问距、层数等设 计参数进行优化。 此外，长安大学还进行了楔型柔性搭板处治桥头跳车的室内小模型试验咖1 ， 试验比例为l ：5 ，即实际模型填土高度取为1 6 m ，横断面取为o 6 m ，模拟填土 高度为8 m 的重力式u 型桥台。试验采用的土工格室、压力盒均按比例相应缩小， 此次试验主要着重于定性分析，据此对实际工程进行定量描述存在一定的困难。 为了进一步验证土工格栅( 室) 加筋与石灰土换填在处治桥头跳车、消化地 基沉降、减小路桥过渡段不均匀沉降方面的作用，并初步探究其在处治路桥过渡 段中的作用机理，有必要进行模拟公路现场情况的足尺模型试验。本试验借助沉 降模拟平台和动载模拟系统嘲，主要对路桥过渡段采用土工格栅( 室) 加筋与石 灰土换填处治情况下的竖向位移、压力等变化、分布曲线( 面) 的量测：同时利 用m a r c 软件进行仿真分析，建立大比尺模拟数值仿真模型；并在结果对比分 析的基础上，开展其作用机理的系统研究。 本文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 土工格栅( 室) 加筋与石灰土换填作用性状的足尺模型试验； ( 2 ) 验证土工格栅( 室) 加筋与石灰土换填消化地基沉降的有效性； ( 3 ) 土工格栅( 室) 加筋与石灰土换填沉降以及土压力的变化规律； ( 4 ) 土工格栅( 室) 加筋与石灰土换填对地基沉降的适应性； ( 5 ) 建立大比尺模拟数值仿真模型。 1 0 第二章台后路基处治性状试验分析 2 1 概述 对于目前国内外各种处治研究措施，其大多是根据现场经验以及室内小比尺 模型试验得出的，这些研究经验对解决桥头跳车具有一定的作用。但有些方法处 治机理不清，治标不治本，既有成功的案例，也不乏失效的报道。究其原因，主 要是没有进行系统深入的研究，对处治方法的作用机理和应用性程度未搞清楚， 即使立题研究，也往往投入不多，只是宏观调查资料，而缺少系统试验分析结果。 现场测试分析方法单一，不可能进行综合处治分析：室内模型试验近似简化较多， 只能作一般性研究，结果的可靠性难以保证。 为更好地研究各种处治机理，本试验依据高速公路已有的建设实践，提出了 路桥过渡段处治技术的一个全新的研究角度，进行模拟高速公路现场情况的大比 例足尺模型试验。本试验采用1 ：1 模型，在室内进行试验，这样既既能很好地 模拟现场，发挥原型测试的直观性，又能充分发挥实验室测定的系统性、准确性。 开展大比尺模型试验的关键是研制地基沉降模拟试验系统。为了有效的模拟 实际地基沉降状况，以便更好地为研究路桥过渡段处治技术的适应性创造条件， 本试验根据实体工程实测地基沉降曲线，结合沉降平台设计参数的要求，以点沉 降的形式来近似拟合固结沉降曲线，曲线的最大沉降值与曲线斜率、角度的变化 关系为主要依据因素，规范规定“高速公路在设计使用年限内，一般路堤的工后 沉降量应不大于3 0 c m ，桥头路堤应不大于1 0 c m ”为设计原则，研究了本试验的 试验平台系统，具体详见文献。“。 2 2 试验方案设计 2 2 1 试验材料 ( 1 ) 填料 砂土 本试验选用渭河河滩的砂性土作为路桥过渡段的填料，路基填料也为该砂性 土，其颗粒组成如下表2 1 所示。 表2 1 试验用砂土的颗粒分析结果汇总 0 5 删o 5 加2 5 0 2 5 加0 7 4 0 盯7 4 第一次 1 7 54 1 ，2 3 0 ，01 1 3 第二次 1 2 03 9 7 3 4 71 3 6 第三次1 3 3 4 0 o 3 6 o1 0 7 平均1 4 2 7 4 0 3 3 3 5 71 1 8 6 小于该粒径的质量 百分比( ) 1 0 08 5 7 3 4 5 4 3 4 4 8 6 为达到最佳的压实效果，方便试验过程中的质量控制，在试验初期根据“公 路路基施工技术规范”进行了重型击实试验，其结果如表2 2 所示。 表2 - 2 砂土击实试验数据汇总 含水量( ) oo 82 85 7 9 21 0 31 5 21 7 7备注 干密度p 。 1 8 3 61 8 4 61 8 9 81 9 2 21 9 71 9 7 31 8 5 41 7 3 ( 咖n 3 ) 盆 v 毯 船 m 试验曲线如图2 1 所示： o51 01 52 0 含水量( ) 图2 _ 1 砂土击实试验曲线 由上图可以确定该砂土的最大干密度p 。= 1 9 8 9 c m 3 ，最佳含水量( t ) 。= 1 0 3 。 试验过程中，应先洒水闷土，然后利用机械搬运至试验平台，并人工摊铺均 匀，抽测含水量，如果不足，再次洒水并等待3 0 6 0 分钟后再压实。 黄土 2 m 尚 m m 本次试验采用西安咸阳黄土，其各项指标见表2 3 。 表2 3黄土的基本指标 晟佳含水量最大干容重塑限液限 粒级含量( m ) 通过量 0 2 5 0 1 0 o 0 7 4 o 0 1 ( )( g cm ，)( )( ) 0 0 0 5 0 1 0 0 0 7 40 0 10 0 0 5 1 3 9 11 9 l2 1 3 03 1 8 62 1 04 3 26 6 4 35 9 21 9 4 l 灰土 本试验采用8 石灰土进行台背回填，其中黄土同上，石灰为西安级白灰， 石灰土的不同龄期的无侧限抗压强度见下表2 4 。 表2 - 4石灰土不同龄期的无侧限抗压强度( m p a ) 龄期( d ) 石灰剂量( ) 7 2 8 9 0 80 6 31 1 4 1 8 0 1 00 6 71 1 8 1 8 9 黄土 1 20 7 31 2 9 2 6 6 1 4o 8 31 4 4 2 4 6 ( 2 ) 加筋材料 土工格室 本试验所用的土工格室为北京燕山石化公司生产的土工格室，格室的类型为 2 0 锄2 0 c m ，其材料性能指标见表2 5 。 表2 5土工格室材料性能指标 环境应力 低温脆化拉伸屈服维卡软氧化诱焊接处抗 边缘联结处中间联结处 开裂时间温度强度化温度 导时间拉强度抗拉强度抗拉强度 ( h )( 。c )( m p a )( 。c )( m i n ) ( n c m )( n c m )( n c m ) 1 0 4 0 6 02 431 2 476 01 1 8 2 7 51 6 s 土工格栅 本试验所用的土工格栅是由西安宏翔工程塑料有限公司生产的，其技术指标 见表2 6 。 表2 6土工格栅材料的技术指标 l 产品编号 极限抗拉强度极限延伸率 2 1 中长率抗拉强度5 伸长率抗拉强度 ( k n m - 1 )( ) ( k n m - 1 )( k n m “) t g d g 3 53 7 5 8 91 0 02 5 9 2 2 2 试验方案 ( 1 ) 土工格室为加筋材料 本次试验是在以前大量的现场工程经验总结、室内小比尺模型试验、以及有 限元分析的基础上，选取合理的土工格室柔性搭板布置间距和长度，其横断面方 向布置如图2 2 所示。 图2 _ 2 土工格室结构层总体布置图( 横断面) 纵断面方向的布置根据不同桥台类型而有所不同。 1 ) 重力式桥台 路基填边玻坡率1 ：1 5 ，台背共布设楔形柔性搭板四层( 其中顶层为双层 结构) ，土工格室通过膨胀螺栓固定于桥台上。土工格室的布置形式如图2 3 所 示。 重 力 式 桥 厶 图2 门重力式桥台土工格室结构层布置图( 纵断面) 2 ) 轻型肋板式桥台 路基边坡坡率l ：1 5 ，台背共布设楔形柔性搭板四层( 其中顶层为双层结 1 4 构) ，布置间距同工况一，顶面两层柔性搭板通过膨胀螺栓固定于台帽上，第二 层伸入桥台1 0 m ，底部两层伸入桥台2 0 m ，以提供一定的锚固力。其布设如图 2 4 所示。 图2 4 肋板式桥台土工格室结构层布置图( 纵断面) ( 2 ) 土工格栅为加筋材料 本次试验是在以前大量的现场工程经验总结、室内小比尺模型试验、以及有 限元分析的基础上，选取合理的土工格栅布置间距和长度。其横断面方向布置如 图2 5 所示： 图2 5 土工格栅加筋层总体布置图( 横断面) 纵断面方向的布置根据不同桥台类型而有所不同。 1 ) 重力式桥台 路基边坡坡率1 ：1 5 ，台背共布设土工格栅加筋层8 层，土工格栅加筋层 通过膨胀螺栓固定于桥台上。土工格栅的布置形式如图2 6 所示。 重 力 式 桥 厶 图2 6 重力式桥台土工格栅加筋层布置图( 纵断面) 2 ) 轻型肋板式桥台 路基边坡坡率l ：1 5 ，台背共布设土工格栅加筋层8 层，布置间距同重力 式，顶面一层板通过膨胀螺栓固定于台帽上，第二层伸入桥台1 5 m ，第三层伸 入侨台2 o m ，以下5 层均伸入桥台3 0 m ，以提供一定的锚固力。其布设如图2 7 所示。 图2 7 肋板式桥台土工格栅加筋层布置图( 纵断面) ( 3 ) 石灰土 本次试验是在以前大量的现场工程经验总结以及有限元分析的基础上，仅对 重力式桥台作石灰土回填，边坡坡率l ：1 5 ，台背底部换填2 t l l 长，纵向按1 ： 1 的坡度填筑，台背顶部换填8 m 。其纵断面方向的布置如图2 8 所示。 桥 台 图2 8 重力式桥台石灰土布置图( 纵断面) 2 2 3 测试方法 ( 1 ) 压力盒量测 本试验中土压力的量测采用钢弦式土压力计。钢弦式测试技术属于“非电量 电测法”的范畴，钢弦式土压力计由承受土压力的膜盒和压力传感器组成。压力 传感器是一根张拉的钢弦，一端固定在薄膜的中心上，另一端固定在支撑框架上。 土压力作用在膜盒上，膜盒变形，使膜盒中的液体介质产生压力，液体介质将压 力传递到传感器的薄膜上，钢弦的长度发生变化，自振频率随之变化。通过频率 计测得的钢弦的自振频率，通过换算得到相应的土压力值。工作原理如图2 9 所 示： 钢弦式传感器 广一一一一一一一一一 钢弦式频率测定仪 1 l 一j 图2 9 钢弦式测试工作系统图 其实质是：传感器中有一根张紧的钢弦，当传感器在外力的作用下，弦的内 应力发生变化，随着弦的内应力改变，自振频率也相应地发生变化，弦的张力越 大，自振频率越高，反之自振频率越低，因此，钢弦自振频率的变化反映了加于 钢弦传感器上力的变化。钢弦式测试的基本原理就是利用钢弦的这种性质将力转 换为钢弦的固有频率的变化而进行量测的。 钢弦式压力盒量程的确定 钢弦式压力盒的量程主要依靠上部填土荷载来确定，采用静止土压力来计 算。对于路堤顶面的压路机采用等代土层厚度的方法来确定，对应于使用压路机 的等代土层厚度为1 5 m 。压力盒最大量程由下式来确定： 呸。镯 其中：h 一填土厚度与等代土层厚度之和 钢弦式压力盒的埋设 a 确定埋设位置：当某测点埋设单只土压力计时，可以直接将土压力盒埋设 在该测点的预定位置，仪器之间应该保持一定的间距，以免互相干扰改变土体的 应力状态。 b 开挖：当土体填筑面高于测点高程以上1 0 c m 时，开挖仪器埋设坑，挖坑 范围至仪器处边缘o 5 m ，深至仪器埋设高程，再在水平放置的压力和部位挖深 5 c m 。 c 埋设：水平埋设的土压力计在压力盒的部位铺放5 c m 厚的细砂后将土压力 盒放在砂层上，并用水平尺校正膜面的水平。 d 回填：若原土料为粘土或细砂，在土压力盒上部铺5 c m 厚的细砂后，可依 次回填原土料至填筑面，并压实。 ( 2 ) 沉降杯量测 本试验采用沉降杯测量路堤的变形。沉降杯是根据连通器的原理制成的，即 仪器的进水管溢水口水面与量水管水面保持在同一水平面上，若测点处的进水管 溢水口水面发生变化，位于观测房的量水管水面高程则同步变化，即可测知两点 处的相对沉降量，加以观测房本身的沉降量，即为该测点的绝对沉降量。基于人 工观测的沉降杯结构如图2 1 0 所示。 本试验为室内观测，量水管可以布设于试验平台系统附近办公楼的墙壁上， 所以其沉降量等于量水管的初始读数与最终读数的差值。其安装与埋设的要求如 下： 选择读数地点。在现场测试时，路基宽度大，地基本身存在一定的沉降， 选择固定点不容易，如果在较远的地方设立观测点，则线路过长，导致每测试一 次耗费时间过大，故在边坡上设置观测房。本试验是人工模拟地基沉降，受影响 图2 1 0 基于人工观测的沉降杯结构示意图 的范围比较小，故可以充分利用附近的固定位置设置观测读数地点。 确定测点高程及管路坡度。为便于仪器的观测与埋设，同一观测房各测 点应基本位于同一高程，坡度应大于o 5 。 沟槽开挖与整理。沉降杯的埋设方法有坑式、非坑式和半坑式三种，为 更好的保护仪器，本试验采用坑式埋设法。当填筑面铺到高于测点埋设高程约 2 0 c m 时，沿仪器埋设线路开挖沟槽，一般从上游测点高程处以一均匀的坡度挖 至下游观测位置，槽底用细砂整平。 仪器安装。将进水管、排水管、排气管连接起来，特别注意在各管与沉 降杯连接处的密封，不可漏水。 回填及保护。用细砂回填沟槽，初步压实后继续正常施工。 ( 3 ) 沉降板量测 本试验采用半径为1 5 c m 的钢板作为沉降板，其上接测杆。每条测杆由6 段组成，每段长度为1 0 c m 。测试时将沉降板埋设在测试平面上，板与测杆相连 接，测杆外加塑料袋，以消除填土与测杆间的摩阻力。如图2 一1 1 所示。由于测 杆上端埋于地面以下，必须避免施工中的挤压破坏或弯曲变形，以保证测量精度。 4 地基沉降曲线模拟 路桥过渡段跳车问题是一个客观存在的工程难题，在施工时质量控制的相对 比较严格，路堤自身压缩变形不大，同比之下，地基的沉降变形( 对于软土而言 1 9 是固结变形) 则大的多。因此考察处治方法的适用性主要是针对其消化路堤下地 基工后沉降变形的能力。 在试验中控制千斤顶节点的沉降，利用 活动面板来模拟地基的沉降，可以进行均匀 沉降、不均匀沉降的模拟。在此基础上，可 以检验土工格室柔性搭板、土工织物处置、 换填砂砾、灰土等各种常见处治方式的效 果，并可以进行相应的适应性评价。 5 试验步骤 ( 1 ) 将底板( 沉降板) 上的残土清理干净， 板在升降过程中产生漏土现象； 耵 护杆 表面 图2 一”沉降板测试原理 地面 并铺上薄钢片和圆钢板，防止底 ( 2 ) 启动控制系统，使千斤顶升到容许高度，然后检查试验平台支撑系统、 升降系统、控制系统的安全性、可靠性，防止试验过程中出现机械和电路方面 的故障； ( 3 ) 按“公路路基施工技术规范”的要求，将填料( 砂土或黄土) 分层填筑 并夯实整平，每层厚度控制在2 0 c m ，压实度按照规范要求进行测试和控制； ( 4 ) 每层填土应该尽量平整，当到达埋设压力盒或者沉降杯土层时，应该利 用水准仪整平； ( 5 ) 埋设压力盒前，必须重新进行标定；在埋设时，应注意压力盒及其导线 的摆放位置，编号的对应与测试位置的安排。埋设过程中应杜绝夯击力过大或 人员踩踏而造成压力盒的毁坏、偏移；合理安排导线的走向，并相应做出标记； 在空载时读取其频率初读数； ( 6 ) 在填筑有土工格室的土层时，将其一端固定在桥台上，将格室充分展开。 在此过程中，应该注意联接件的锚固、土工格室不同片之间的联接问题，严格 做到每一个连接点都符合要求； ( 7 ) 埋设沉降杯前，应该检查连通管件之间的密闭性，防止出现漏水而引起 的测量误差。埋设时应分别埋设通气管( a 管) 、测量管( b 管) 、出水管( c 管) ，并编号。测量时，应先从b 管灌水，等到c 管有稳定的水流流出，并且 没有气泡后，从a 管打气，然后等到c 管没有水流出，将a 管敞开在空气中， 进行测量，等到液面稳定以后，进行读取数据； 2 0 ( 8 ) 当填土完毕，即可开始此相应的测试； ( 9 ) 读取沉降杯和沉降板的初始高度值以及压力盒的初始频率值，同时记录 当时的温度( 用以校正后期土压力的计算结果) ： ( 1 0 ) 根据现场观测值，拟定试验平台沉降曲线； ( 1 1 ) 启动试验平台沉降控制系统，按照预先设定的沉降曲线值进行沉降， 操作过程中注意控制系统的稳定性； ( 1 2 ) 待沉降完成并稳定以后，读取并记录沉降板和沉降杯的高程及所埋设 压力盒的频率变化数据，记录当时的温度； ( 1 3 ) 计算沉降板、沉降杯的相对位移，得到台后路堤处治结构层的竖向位 移变化曲线，计算竖向土压力的变化状况； ( 1 4 ) 重复【9 卜【1 2 】步骤直至本工况结束： ( 1 5 ) 卸掉填土； ( 1 6 ) 对试验中测试数据出现异常的压力盒进行重新标定或更换； ( 1 7 ) 将三角形面板进行校正，归位，防止在下一工况出现掉板现象： ( 1 8 ) 试验平台升至预定高度； ( 1 9 ) 准备下一工况。 2 3 试验成果分析 本试验借助地基沉降模拟平台和动载模拟系统，在此基础上进行路基填土 的各种常用处治方法包括不同填土材料类型与加筋手段的交叉正交试验，在填土 及加筋材料中布设压力、位移等传感器，开展不同处治技术的适应性与作用机理 的系统研究。模型试验进行7 组，每组试验主要进行地基沉降中的竖向位移和竖 向压应力的变化特性测试，试验分组情况如表2 7 所示。 表2 7 大比例足尺模型试验分组情况 心胎 加筋 重力式桥台轻型肋板式桥台 填料类型 土工格室工况一工况二 砂砾 土工格栅工况三工况四 土工格室工况五工况六 黄土 土：【格栅f| 灰土|工况七| 2 1 本试验工况一与工况二的成果分析可见文献【冽，本文主要就工况三至工况七 所得的试验数据进行整理与分析。 2 3 1 试验仪器的布设 本文结合大比尺模型试验的实际尺寸，分析高度为6 0 m ，顶宽3 6 m ，边坡 度为l ：1