（道路与铁道工程专业论文）上海城镇主干道桥头搭板优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 桥头跳车作为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。因此找出既经济又能有效地处治桥头软土路基的措施，对最大限度减少 甚至消除跳车现象，满足高等级公路对行车高速、安全及舒适的要求，以及延 长道路的使用寿命等，具有十分重要的现实意义。 要解决桥头跳车闻遂，除了通过一些技术措施尽量减小地基沉降和引道自 身压缩沉降之外，设置桥头搭板无疑是最常用的方法之一。但桥头搭板区域的 处理鬻前尚没有明确规定，实践中一般桥头搭板不作专项设计，且理论依据不 甚合理。据此，本文运用通用有限元软件a b a q u s ，针对路桥过渡段网填区和搭 板的设计计算方法开展研究。 首先，本文通过a b a q u s 软件编译相应程序对搭板与填土闻的不同接触状态 和地基不同沉降模式进行模拟；其次，本文利用软件对回填材料和地基进行模 拟计算，简单分橇了弹性模量、重度、渗透性等土质参数对路桥过渡段回填区 累积沉降量计算的影响；最后运用本文计算分析方法对上海地区某工程实例进 行验证，并预测其工后沉降值，进行优化设计。褥出的结论主要有以下几点： ( 1 ) 搭板与路基不同接触状态的力学性状分析表明，当弹性的搭板完全支 承于路基土上时，板底弯拉应力较小；当脱空区长度小于0 5 4 m 时，其对搭扳 受力没有影响，随着脱空区长度的增加，板底弯拉应力显著提高，当搭板与路 基土完全脱空时，其受力状态与简支板相似。因此，搭板脱空长度是影响搭板 受力状态的主要因素。设计时，可保守地拔简支扳进行搭板的内力计算。 ( 2 ) 搭板对地基沉降的适应性表现为：6 m 长度的搭板适用于处理地基沉降 在2 c m 以内的桥头路段；8 l l l 长度的搭板适用于处理地基沉降在4 c m 以内的桥头 路段，而l o m 搭板适用于处理地基沉降在5 c m 以内的桥头路段。 ( 3 ) 一般对于软土地基上的低填筑路堤，引起沉降最主要的因素是地基的 沉降，其次是嬲填土的沉降，在本文中得以有效验证。因此处理路桥过渡段的 差异沉降，首先得解决地基的沉降，再处理回填材料本身的沉降。 ( 4 ) 有效地验证了圆填材料应采用轻质、高强度、高模量、渗透性好的路 堤填料，并在不影响工期的前提下，应尽量延长预压时间，使地基充分固结， 最后有效利用搭板，使得纵坡差在控制范围内。 关键词：桥头跳车，a b a q u s ，搭板，回填材料，优化设计 a b s t r ac t a s0 n eo ft h ei m p o r t a n tp r o b l e m so f r o a ds a f e t y ，b u m pa tb r i d g e h e a dh a sa f f e c t e d t h e s o c i a lb e n e f i t so ft h eh i g h w a ys e r i o u s l y f i n d i n gb o t he c o n o m i ca n de f f e c t i v e m e a s u r e st ot r e a tb r i d g e h e a do f s o f t s u b g r a d e h a v ev e r yg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n t e t h e yc a nm i n i m i z eo re v e ne l i m i n a t et h ep h e n o m e n o n o ft h ep r o b l e mo f b u m pa tb r i d g e h e a d ，s a t i s f a c t i o nt h er e q u i r e m e n t sf o rh i g h - s p e e d ，s a f e t ya n dc o m f o r t o ft h eh i g h w a ya n de x t e n dt h es e r v i c el i f eo f r o a da n ds oo n t or e s o l v et h e s eq u e s t i o n s ，e x c e p to fu s i n gan u m b e ro ft e c h n i c a lm e a s u r e st o m i n i m i z eg r o u n ds e t t l e m e n ta n dt h ea p p r o a c hr o a d so u t s i d et h e i ro w nc o m p r e s s i o n s e t t l e m e n t s e t t i n gs l a b si so n e o ft h em o s tc o m m o n l yu s e dm e t h o d s b u tt h ed e a lw i t h t 1 1 es l a br e g i o ni ss t i l ln o tc l e a r l yd e f m e d t h es l a b sd on o td e s i g ns p e c i a l l yi ng e n e r a l p r a c t i c e a n dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa r en o tr e a s o n a b l e s o ，t h e r e s e a r c hi nt h i sp a p e r a i m sd e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eb a c k f i l l a r e a a n d t h e s l a bi nt h e b r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o n ，b y u s i n g o ft h e g e n e r a l - p u r p o s e f i n i t ee l e m e n t s o r w a r e a b a q u s f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l es i m u l a t i o nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc o n t a c ts t a t u so ft h e s l a ba n dt h ef i l l i n ga n dd i f f e r e n ts e t t l e m e n tp a t t e r n so ft h ef o u n d a t i o nb yc o m p i l i n g t h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r e so fa b a q u s ；s e c o n d l y ，t h i s a r t i c l ed i s c u s s e s 让l e i n f l u e n c eo nt h eb a c k f i l la r e ao fb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o no f t h es e t t l e m e n t c a l c u l a t i o nb ya b a q u s ，i n c l u d i n gt h ee l a s t i cm o d u l u s ，s e v e r e ，p e r m e a b i l i t ya n d o t h e rs o i lp a r a m e t e r s ；f i n a l l y ，i tv e r i f i c a t i o n st h ep r o j e c te x a m p l e i ns h a n g h a ib yu s i n g t h em e t h o d so fc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，a n dt h e np r e d i c t st h ep o s t c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e n t sa n do p t i m i z e st h ed e s i g n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： f1 ) t h ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h es t a t u sc o n t a c ta n a l y s i so f s l a ba n d t h er o a d b e ds h o w st h a tw h e ne l a s t i cs l a bs u p p o r t e de n t i r e l yu pt ot h es u b g r a d es o i l ， t h ep l a t ef l e x u r a lt e n s i l es t r e s sa tt h ee n di ss m a l l e r ；w h e nt h ec a v i t yl e n g t hi sl e s s t h a n0 5 4 m ，i tb u i l d st h es l a b ss t r e s sn o tt oa f f e c t a st h ec a v i t yl e n g t hi n c r e a s i n g ，t h e b e n d i n gt e n s i l es t r e s si nt h ee n do f t h ep l a t es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e s w h e nt h es l a b a n dt h es u b g r a d es o i li sc o m p l e t e l yu n a b l et oe m p t y , i t ss t a t u sw i t ht h ef o r c ei ss i m i l a r i i 武汉理工大学硕士学位论文 t os i m p l ys u p p o r t e dp l a t e t h e r e f o r e ，t h ec a v i t yl e n g t ho ft h es l a bi sa m a jo rf a c t o ro f a f f e c t i n gt h ef o r c es t a t u so ft h es l a b i tc a nb ec o n s e r v a t i v eb ys i m p l ys u p p o r t e dp l a t e s l a bc a l c u l a t i o no fi n t e r n a lf o r c e si nd e s i g n ( 2 ) t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s l a b sa d a p t i v eo ff o u n d a t i o ns e t t l e m e n ti s ：t h e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n to ft h e6 ml e n g t hs l a ba p p l i e st ot h eh a n d l i n go fl e s st h a n2 c ma t b r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n ；t h ef o u n d a t i o ns e t t l e m e n to f8 ms l a bl e n g t h a p p l i e st ot h eh a n d l i n go fl e s st h a n4 c ma tb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n ，a n dt h e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n to ft h e10 m l e n g t hs l a ba p p l i e st ot h eh a n d l i n go fl e s st h a n5 c m a tb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n ( 3 ) f o rt h el o wr e c l a m a t i o ne m b a n k m e n ti nt h es o f ts o i lf o u n d a t i o n ，t h em o s t i m p o r t a n tf a c t o ra r i s i n gf r o mt h es e t t l e m e n ti st h es e t t l e m e no ft h ef o u n d a t i o n ， f o l l o w e db yt h es e t t l e m e no fb a c kf i l l i n g t h e r e f o r ed e a l i n gw i t ht h ed i f f e r e n c e si n b r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n , f i r s to fa l l ，i t r e s o l v et h es e t t l e m e n to ft h e f o u n d a t i o n ，a n dt h e nd e a lw i t ht h es e t t l e m e n to fb a c k f i l lm a t e r i a li t s e l f ( 4 ) b a c k f i l lm a t e r i a l ss h o u l db el i g h t w e i g h t ，h i g hs t r e n g t h ，h i g hm o d u l u s ，g o o d p e r m e a b i l i t y , a n ds h o u l d b et oe x t e n dt h ep r e l o a d i n gt i m ew i t h o u tt h ei n f l u e n c eo ft h e j o bt i m e ，s ot h a tt h ef o u n d a t i o nh a sf u l lc o n s o l i d a t i o n f i n a l l y , i tm a k e st h ed i f f e r e n c e o fl o n g i t u d i n a lg r a d i e n tb a du n d e rc o n t r o lb yu s i n gs l a be f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：b u m p ，a b a q u s ，s l a b ，b a c k f i l lm a t e r i a l s ，o p t i m u md e s i g n 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 缘整 日期 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人 授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的 国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：笺山师c 签名，：0 肆日期弘 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位沦文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 公路是国民经济的重要命脉，它的优越性和灵活性是其它运输方式所不可 替代的。自改革开放以来，我国的公路建设取得了飞速发展，特别是“八五 以来，公路建设取得了长足的发展，通车里程大幅度增加，技术等级不断提高， 自1 9 8 8 年开始建设高速公路以来，我国高速公路建设向世界前列高速发展。至 1 9 9 8 年底，全国高速公路通车总里程达到6 2 5 8 公里，跃居世界第八；1 9 9 9 年 底，突破1 万公里，位居世界第四；2 0 0 0 年年底，达到1 6 万公里，居世界第 三；2 0 0 1 年我国高速公路新增通车里程3 0 0 0 多公里，从而使我国高速公路通车 里程达到1 9 万公里，创下位居世界第二的新纪录，仅次于美国；到2 0 0 3 年底， 全国公路通车总里程己达1 8 0 9 8 万公里，其中高速公路己近3 万公里，二级以 上公路2 4 万公里。我国“十五 期间公路交通建设的重点是：全面建成“两纵 两横三个重要路段 ，“五纵七横”国道主干道系统建成7 5 ，规划中的“五纵七 横 ( “五纵”包括同江至三亚、北京至福州、北京至珠海、二连浩特至河口、 重庆至湛江；“七横”包括绥芬河至满洲里、丹东至拉萨、青岛至银川、连云港 至霍尔果斯、上海至成都、上海至瑞丽、衡阳至昆明) 建成后，我国公路主骨架 网络总里程将达到3 6 0 3 2 公里，十二条国道将贯通首都、直辖市、各省和自治 区的首府，连接所有目前1 0 0 万以上人口的特大城市和绝大多数目前在5 0 万以 上人口的中等城市。 然而，从己交付的高等级公路特别是高速公路来看，存在着一定问题。其 中较为普遍的是，在桥台构筑物与台后填土衔接处存在差异沉降，使得路面形 成台阶或显著纵坡变化，高速行驶的车辆通过时产生颠簸跳跃，从而导致桥头 跳车现象的产生，这种现象几乎在每条高速公路上都有，只是数量多少和程度 轻重的差别。桥头跳车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。如杭甬 武汉理工大学硕士学位论文 高速通车以来，花费在桥头路面治理的费用也十分惊人。而在美国大约2 5 的路 桥过渡段受到“桥头跳车”的影响，每年为此花费的维修费用预计在1 亿美元 以上n 1 。因此，桥头跳车病害己成为高速公路建设质量改善和提高的“拦路虎 ， 也是摆在各国工程技术人员面前的一大难题。 本课题研究背景是上海市南汇区川南奉公路新改建，而上海地区地属长江 三角洲冲积平原，在埋深4 m 以内为表层填土及褐黄色亚粘土，以下水位1 5 m 左 右为灰色淤泥质亚粘土和粘土，再下面为l o m 左右厚的灰色亚粘土，这几层含 水量为4 0 左右，属软弱土层，地质条件较差。 川南奉公路是南汇区重要的交通干道，道路沿线地质条件复杂，河道多， 浜塘面积大，地下水位高，路基施工难度较大。整段线路都存在不良地质路段， 因此经常出现大面积且具有一定层厚的软弱土层，其土性类似于淤泥。 鉴于此，在川南奉公路中，深入开展公路桥头跳车防治技术的研究，尤其 关键的是河浜地带桥头软土路基的处治，找出既经济又能有效地处治桥头软土 路基的措施，对最大限度减少甚至消除跳车现象，满足高等级公路对行车高速、 安全及舒适的要求，以及延长道路的使用寿命等，具有十分重要的现实意义。 1 2 桥头跳车产生的原因及其危害 1 2 1 桥头跳车产生的原因 所谓的“桥头跳车 ，是指桥梁、涵洞等构造物本身及台背由于行车荷载和 自重的作用而继续沉降，通常构造物沉降与台背沉降不一致即产生不均匀沉降， 致使台背与构造物连接处的路面出现台阶，从而导致高速行驶的车辆通过台背 回填处产生颠簸跳跃的现象。尤其在以软基为主的上海地区，桥头跳车更是公 路建设中常见的通病之一。 产生桥头跳车的客观因素主要是路桥过渡段桥台与路堤两种材料刚度具有 的较大差异，同时，设计和施工中的一些不合理因素也加剧了桥头跳车病害的 发生。桥台台身大多数为水泥混凝土结构或污工砌体，自身变形量可以忽略不 计，桥台的沉降主要体现在基础的沉降，而高等级公路的桥梁主要以钻孔桩为 主，即使是扩大基础，也是建在很好的地基上，因此，高速公路的桥台沉降往 往很小。而路堤的沉降由地基沉降和路基压缩沉降两部分组成。路堤沉降的原 2 武汉理工大学硕士学位论文 因是多方面的，一般来说它与地基的地质水文情况、处治方式、路堤设计和施 工及预压时间有关。从桥头路堤的变形机理考虑，构成桥头路堤差异沉降的主 要因素有以下两方面： ( 1 ) 桥头地基的固结变形 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 ) 桥头路堤填土的压缩变形 路堤填土的压缩变形主要取决于填料性质、施工条件及台前( 背) 防护排水 工程的设置情况等。桥头路堤一般填土较高，桥台附近又不宜压实，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。另一方面，根据有关资料的 调查研究，当土堤压实度为9 5 时，每米填土工后的沉降为l c m ，因此，即使桥 头压实度满足要求，沉降差也不可避免。对于地基条件较好的桥头地段，桥头 路堤填土的压缩变形是导致差异沉降的主要因素。 此外，地质的不均匀也是一个重要原因。因为在工程的地质勘察中，大约 每隔1 0 0 米进行一次钻孔取样。而修建高速公路时，路基宽度很大，通常路堤 顶面都在2 6 米以上，坡脚在4 0 米以上，同时引桥路堤的长度也可达上百米甚 至更长。所以在如此大的范围内都按照一个点的地质勘察报告进行统一的设计 和施工的话，必然会使桥头路堤产生不均匀沉降。从另一方面说，钻孔点再密 也不可能为一米，而邻近桥涵路段地基差而不均匀是不争的事实，地基处理不 可能在该路段采用很多不同的处理方法，这样必然也会产生路堤的不均匀沉降。 这些不均匀沉降包括横向和纵向两方面。 显然，设计桩基桥台的轻微沉降和软土地基路堤的工后沉降相比要远远小 得多。而正是这种沉降差，导致了桥面和路面的错台现象，改变了原来的线路 纵坡，最终出现桥头跳车。桩基桥台是刚性很大的构造物，在施工结束时沉降 已基本完成，而高填土路堤的刚度小，它在车辆荷载反复作用下产生较大的沉 降压缩变形，这是产生桥头跳车的主要原因。 另外，据美国对桥头跳车的研究分析，产生桥头跳车还与以下因素有关： 填筑材料的压缩；施工方法不当；交通荷载过大：排水不畅； 武汉理工大学硕七学位论文 填筑材料选用不当；冲刷造成填土流失；接缝质量差；气温的循环变化( 尤 其是整体式桥台) 。而且桥头跳车最可能在下述任何设计因素存在时出现：高 填方；桥台设在桩基上；日平均货车交通量大；软土地基；高密度降 雨；气温的循环变化大：陡变的引道纵坡。 本课题中，川南奉公路所在的地区淤泥质软土分布广，地下水位较高。由 于天然含水量高、孔隙比大、压缩性强和抗剪强度低等特点，在软土上修建路 基，极易产生包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降的路基变形。同时，桥头 路基填筑高度都较其他路段大，产生基底应力相对较大，更易引起地基沉降， 特别是在车辆荷载作用下发生得更快更大，从而生成台阶。 要根本消除路基与桥台间的差异沉降是不可能的，目前虽然采取的大量的 预防措施，也取得了一定的效果，但从调研资料可以看出桥头跳车问题仍然很 严重，如何治理路桥过渡段病害成了摆在我们面前的新课题。只有归纳出其破 坏模式及特征，分析病害机理，才能找出合适的方法达到治理的目的。从而在 川南奉公路的设计和修建中避免桥头跳车的出现，引起重大的损失。 1 2 2 桥头跳车产生的危害 桥头跳车作为普遍且复杂的问题，它涉及包括了路堤沉降、引道填筑材料、， 桥台基础类型、桥台类型、桥梁结构类型、接缝、桥头搭板、路面以及施工方 法等众多设计因素。美国大约2 5 的桥梁( 约1 5 0 0 0 0 座结构物) 受到桥头跳车的 影响。全国每年为此花费的修理费用预计高达1 亿美元以上。我国每年用在处 治高速公路桥头跳车的费用支出也比较大。以上海为例，沪嘉高速公路在建成 通车后一年即开始进行桥头引道沉降处理，六年间共五次对全线1 5 6 k m 长的道 路上大多数桥头进行处理，实际处理单向长度累计9 8 7 4 m ，总面积“1 0 1 5 m 2 ， 工程养总费用9 8 2 6 万元。 因此，桥头跳车不仅严重影响了行车舒适性，降低了车辆的行驶速度和道 路的通行能力，是道路交通安全的重要隐患之一，而且损害了高等级公路建设 的社会效益和经济效益。桥头跳车在高等级公路中危害极大具体表现如下： ( 1 ) 降低了行车舒适性和安全性。高速行驶的车辆跳跃时不仅对汽车的正常 行驶、司乘人员的舒适产生不利影响，有些严重的跳车甚至会引起重大的行车事 故。 ( 2 ) 增加了车辆运营费用。因跳车而不得不在桥头频繁减速，以减轻汽车的 4 武汉理工大学硕士学位论文 颠簸，无论是减速行驶还是颠簸现象的发生，都对汽车机件造成不同程度地损坏 和轮胎的磨耗：同时汽车行驶速度的不稳定，无形中既浪费了燃料，又增加了废 气的排放；另外，还增加了车辆的行驶时间。因此，桥头跳车的出现，增加了车辆 的运营成本。 ( 3 ) 影响公路养护费用及使用寿命。台阶的存在使得车辆通过时产生跳动和 冲击，从而对桥梁和路面造成附加的冲击荷载，加速桥头路面及伸缩缝的破坏。 为了维持良好的使用状况，对出现的台阶要进行及时的维修与养护。不断地维修 养护不仅耗费了大量的人力、物力和财力，而且也产生了不良的社会影响。 1 3 桥头跳车处治设计方法的研究现状 1 3 1 桥头差异沉降研究现状 解决桥头跳车问题，首先要解决桥头过渡段沉降控制技术标准问题。国内外 采取了许多有效的措施，并为此制定了一些技术标准口引。制定的技术标准主要 有： ( 1 ) 容许工后沉降 容许工后沉降是填土路堤控制剩余沉降( 即路基总沉降与铺设路面前已发生 的沉降之差) 的指标幢1 。 公路等级桥路相邻处涵洞或箱型通道处 一般路段 高速公路、一级公路 0 1 m0 2 m0 3 m 二级公路( 采用高级路面) 0 2 m 0 3 m0 5 m ( 2 ) 容许纵坡坡差ai 眩1 路桥( 涵) 过渡段发生工后沉降前后的坡度变化称作纵坡坡差。对于有搭板 的容许坡差ai ，m o u l t o n 建议对于连续跨和简支跨结构分别取0 4 和0 5 。s t a r k 和w a h l s 等建议统取1 2 0 0 ，并且认为当ai 达1 1 2 5 1 2 0 0 时会产生严重不 舒适，需要修补。原联邦德国莱昂哈教授指出：对于高速公路，桥头搭板的坡差 不大于l 3 0 0 ，但通常为1 2 0 0 。国内王秉纲等人经过实地测试提出搭板容许 纵坡变化值为0 4 。 从国内外关于桥头纵坡的规定可以认为，当桥头纵坡变化为0 3 - - 0 6 时， 就会出现桥头跳车。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 容许台阶高度嘲口1 当发生局部沉陷或纵坡变化时，桥面和引道之间发生垂直错台，产生台阶。 一般对于设置长度为2 0 至3 0 英尺( 6 1m 至9 1m ) 的桥头搭板，引道与桥台沉 降差接近1 英寸( 2 5 4a m ) 左右时，不会造成桥头跳车。 1 3 2 桥头跳车处治措施研究 如前所述，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。 国外针对桥头跳车病害所造成的巨大养护和维修费用，及其所引起的不良社会 反映，通过对大量桥头跳车病害的调查，提出了一些预防措施。 发达国家由于高速公路起步早，现有的方法主要是补救维修。同时，由于 其高速公路的路堤填土高度较低，通道数量较少，且施工周期较长，所产生的 工后沉降较小，相应产生的危害就小。而我国高速公路正处于飞速发展的时候， 施工周期短，施工条件恶劣。因此，基于我国特殊的地理环境和现实因素，使 我们对桥头跳车的处治思路与处治费用与他们就存在着很大的差别，他们提出 的预防措施对于新建公路是不太适用的。国内很多科研机构和院校针对桥头跳 车开展了大量研究，也提出了不少新方法和新工艺，大致可归纳为表1 - 1 。 表1 - 1 桥头跳车处治方法 处治思路 处治方法 提高路基填土的压实度 减小路基压缩变形 换填材料( 砂砾石，碎石等) 挤密桩 桥 加筋( 十工网等) 头 跳 桥头搭板 生 处 沉降过渡方法 渐变桩 治 方 柔性桥台 法 地基处理( 粉喷桩，钢渣桩，超载预压，等等) 减少地基沉降 采用轻质材料填筑路基( 粉煤灰，聚苯乙烯泡沫 塑料( e p s ) 和发泡珍珠岩等) 预设反向坡度 路面处理 设置过渡段路面 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 地基处理h 1 对填筑前台背地基的加固处理，其目的主要是提高地基的强度，保证地基 的稳定，降低软弱地基的压缩性、减少基础的沉降和不均匀沉降，如超载预压 法、排水固结法、深层搅拌和高压喷射注浆法、换土法、振动碎石桩法等都是 行之有效的方法h 】。 ( 2 ) 土工格栅畸1 主要是加固桥台台背填土，或者是选用合适的填料，采取土工合成材料( 土 工格栅阳1 ) 进行台背填筑处理。一般采取在路桥过渡段中采用土工格栅加筋回填 材料，以降低路桥过渡段的差异沉降。实践证明，采用了土工格栅后，虽然过 渡段填土的总压缩量减少不多，但是，路桥( 涵) 过渡段路桥交界处的台阶或 跳跃沉降，变为连续的斜坡沉降，桥头跳车变得不再明显畸1 。 ( 3 ) 台背换填 蒋功雪提出了“刚柔过渡 处治桥头跳车的观点。其基本处治思路是使用 某种处治方法在路堤与构筑物之间过渡两者的刚度差，从而使两者的差异沉降 在这一范围内渐变，消除桥头跳车。根据“刚柔过渡”原理选用半刚性材料( 灰 土和水泥改良土) 进行台背回填，回填尺寸为：底长最短为2 米，对于台背填土 与路基原状土采用1 ：l 坡度相接，对于路基土为回填土部分采用l ：1 5 相接， 并从设计、施工、监理等方面给出了经验参考。 ( 4 ) 采用轻质填料 采用泡沫聚苯乙烯e p s 材料 e p s 具有重量轻、稳定好、变形模量较大的优点。其一般容重在0 3 k n m 3 左右，为一般填土容重的1 札2 。日本、法国、挪威等国采用e p s 成功解决了一 些桥头路堤的不均匀沉降问题。国内，洪显诚等对e p s 材料在桥头软基处理中 的应用进行了试验研究，研究表明，e p s 用于填筑路堤可显著减小地基的附加应 力，从而减小地基的沉降量，且其具有足够的承载力，能满足上部路面结构层 和行车荷载作用的强度要求，并且符合刚度要求。但e p s 原材料价格较贵，会 大大增加其工程造价。因此，国内应用e p s 处治桥头跳车的工程事例还较少。 采用粉煤灰 粉煤灰和一般细粒上相比，具有自重轻( 减小2 0 以上) 、强度高、压缩性小， 透水性能良好等特点。在一定的工艺条件下，可形成具有一定强度的整体性材 料。用其填筑路堤，可有效减小桥头路堤的总沉降。但粉煤灰压实后基本无塑 武汉理下大学硕士学位论文 性，只有在一定含水量下才能成型， 响较大，雨水或内部渗流时易流失。 其有利因素，避免其不利因素。 ( 5 ) 设置桥头搭板1 但干后会消散成粉末。其次毛细水作用影 因此，必须在设计中采取相应措施，发挥 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 c m - - - 4 0 c m ，大部分长度在6 m 1 2 m 之间。 桥头搭板应用较早，使用也最广泛，因此，针对桥头搭板的研究工作也开 展最多，主要可分为以下三方面； 应用理论分析和有限元方法，进行搭板的内力计算、配筋设计及几何参 数优化。 郑传超口1 应用有限元方法对桥头设置搭板和不设置搭板的路基路面结构受 力特性进行了研究，并分析了搭板几何参数对搭板应力和宽度的影响。文章还 讨论了搭板下地基脱空和非均匀对搭板受力和变形的影响，通过计算得到了搭 板配筋设计的诺漠图，最后给出了路桥过渡段的设计方法。 王康1 将搭板的计算分为均匀沉降和局部脱空两种，搭板均匀沉降时按弹性 地基板计算，局部脱空时将搭板分为简支板和弹性地基板两区段，通过力的平 衡条件计算内力。计算结果表明，搭板截面内力较大，配筋量较多，适宜长度 在5 8 米。 刘文全阳3 应用样条有限元法计算一端简支，三边自由，以文克勒地基模型作 为弹性支承的桥头搭板局部脱空以后的应力变化规律，并就脱空区长度等因素 对搭板内力的影响进行了讨论。结果表明，搭板脱空区长度超过l m 后，内力急 剧增加。脱空区长度一定时，地基反应模量及搭板长度的变化、是否设置枕梁 都对搭板内力影响不大。 在总结工程实践经验的基础上，优化搭板的结构型式。 程翔云n 较为系统地总结了桥头搭板的设计方法：包括搭板类型、搭板的 构造与设计、搭板埋置方式、搭板与桥台的连接构造，搭板的简化计算、枕梁 设置等。 武汉理工大学硕士学位论文 文献口un 2 3 根据具体的工程实践对搭板进行了设计优化，增加了搭板的设计 长度和厚度、提高了配筋率。 针对桥头搭板使用过程中出现的病害开展相应维修方法的研究。 马炽藩n 3 1 介绍了用可抬升搭板处治桥头跳车的方法，即在枕梁下预留工作 井，采用千斤顶调整搭板的纵坡，从而消除桥头跳车。起吊式搭板的处治思路 也基本相同，只是具体施工工艺有所差异。 文献n 4 嘲介绍了应用压浆补强技术消除搭板下的脱空区，从而保证搭板不 发生折断。 如前所述，为了达到消除沉降差的目的，避免产生行车的不舒适感，一般 认为，最有效的桥台搭板长度为足以保持其坡度在3 6 以下且能承受全部行 车荷载的搭板。因此，若假设工后沉降为l o c m ，坡度按5 计，则板的长度需 要2 0 m 以上，这对于高速公路中的大部分中小桥来说，是很不经济的。由于实 际施工中搭板长度都较短( l o m ) ，因此，设置桥头搭板对于较大的差异沉降仍 旧无能为力。另外，从已建高速公路的大量调查资料显示，桥头搭板对于过渡 较小的沉降差效果明显，但较多的情况又增加了一些新的病害n 引： 尽管在路堤桥台衔接处无明显跳车，但沉降差从桥台处转移到路基与 搭板之间或在枕梁处发生局部下沉而引起“二次跳车”现象； 重交通荷载作用下的搭板由于脱空而发生折断，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； 搭板在与桥台的衔接端拱起也会使路面破坏。 由此可见，搭板在实际的使用过程中，有些会出现板下脱空、搭板转动等 现象，特别在板端路基填土条件不良时，则更容易在板端发生错台、沉陷等现 象，从而大大影响搭板处理桥头跳车的效果。 而实践中一般桥头搭板不作专项设计，且理论依据不甚合理。如搭板长度 计算采用桥头容许变坡差和沉降量确定，没有考虑路堤填土高度、桥台形式及 填土性质，这样就容易导致“二次跳车”。 1 4 本文研究的主要内容和技术路线 1 4 1 主要内容 要解决桥头跳车问题，除了通过一些技术措施尽量减小地基沉降和引道自 9 武汉理工大学硕士学位论文 身压缩沉降之外，设置桥头搭板显然是很有必要的。但桥头搭板区域的处理目 前尚没有明确规定，实践中一般桥头搭板不作专项设计，且理论依据不甚合理。 据此，本文针对桥头搭板的设计计算方法开展研究，其主要内容为： ( 1 ) 桥头跳车现象产生原因及其处治设计方法分析； ( 2 ) 影响桥头搭板设计与计算因素分析； ( 3 ) 桥头搭板受力力学模型的建立； ( 4 ) 桥头搭板仿真分析； ( 5 ) 桥头搭板及路桥过渡段回填区设计与计算有限元分析； ( 6 ) 桥头搭板及路桥过渡段回填区优化设计。 1 4 2 技术路线 本次研究的主要技术路线为：通过分析桥头搭板设计和计算的影响因素， 主要包括地基、填料、搭板及荷载因素，从荷载和搭板，填料和地基、及搭板 和填料的相互作用着手进行理论分析，建立桥头搭板在近台端不脱空和脱空情 况下的受力力学模型，利用有限元方法，计算出在不同的回填材料和不同长度 的搭板，在荷载及各种约束条件下，搭板任意截面处，地基反力和搭板的内力( 剪 力和弯距) ，从而根据桥头路基实际情况确定搭板的尺寸长度，并确定所用的路 基填料。最后，在桥接坡过渡段回填材料及回填区变形特性研究的基础上，对 桥头搭板及其路桥过渡段回填区的结构进行优化设计和研究。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章桥头跳车处治设计方法综述 路桥过渡段路堤分析包括两大问题：变形和强度。桥头跳车产生的直接原因 是桥台与路堤的不均匀沉降，故评价一种处治措施的优劣，主要看其在减小路 基总沉降，尤其是消化和协调不均匀沉降能力的大小。因此，针对桥头跳车处 治方法的试验和研究最终都归结于如何消化和协调桥台和路堤间的不均匀变 形。目前，防治桥头跳车的方法很多，有改善地基性能提高其承载力的地基处 理方法，有加固桥台后填土避免沉降的路基处理方法，也有早期铺设过渡路面 的路面处理方法。对于桥头搭板的设计与计算方法，目前主要有这两种：一种 是基于弹性地基按弹性地基梁理论进行设计与计算的方法；一种是应用有限单 元法计算方法。 有限单元法是适应电子计算机而发展起来的一种有效的数值分析方法。它 的突出优点是适用于处理非线性、非均质和复杂边界、复杂模型等问题，而路 桥过渡段路堤变形分析恰恰就存在这些问题，因此很适宜用有限元方法进行分 析。同时，可靠的数值分析可大大减小试验的工作量和造价，为处治措施的作 用性状分析、适应性研究和设计优化提供了一条捷径。本文通过有限单元法， 利用有限元软件对搭板及路桥过渡段回填区进行设计和计算。 2 1 桥头跳车处治方法 2 1 1 地基处治方法n 7 1 地基处治的主要目的是提高软弱地基的强度，保证地基的稳定，降低软弱 地基的压缩性、减小基础的沉降和不均匀沉降。对桥头地基，特别是软土地基 的处理，是控制桥头跳车的重要手段。软基处理在国内外已有许多方法，如： 换土法、自然沉降法、超载预压法、减小附加应力法、排水固结法、深层搅拌 和高压喷射注浆法、碎石桩法、桩承路堤法等等。结合实际情况采用行之有效 的方法处理软基，改善地基性能、提高承载力、减小沉降、尽量缩小桥台与路 堤的沉降差，可以避免形成错台。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 挤密法 挤密法系通过挤密和振动使深层土密实。并在振动挤密过程中，回填砂、 砾石、灰土、土或石灰等，形成砂桩、碎石桩、灰土桩、二灰桩、土桩或石灰 桩，与桩间土一起组成复合地基，从而提高地基承载力、减少沉降量、消除或 部分消除土的湿陷性，改善土的抗液化性。 ( 2 ) 强力夯实法 强夯法是将几十吨( 一般为8 t 一3 0 t ) 的重锤，从几十米高( 一般为6 m - 3 0 m ) 的高处自由落下，对土进行强力夯实，以提高其承载力，降低其压缩性的一种 地基加固方法。强夯法的工作原理是：利用重锤下落时与地面碰撞产生强大的 夯实能使土中出现冲击波和很大的应力，致使土中孔隙压缩，以及夯实点周围 产生裂缝，形成良好的排水通道，使孔隙水顺利逸出，土体得到固结。 ( 3 ) 换土垫层法 换土垫层法适用于浅层软弱土基，将表层软弱土挖除，分层碾压或夯实回 填土，根据不同回填的材料，可有砂垫层、碎石垫层、灰土垫层、二灰垫层和 素土垫层，它可提高持力层的承载力，减少沉降量、消除或部分消除土的湿陷 性和胀缩性、改善土的抗液化性。 ( 4 ) 深层搅拌法 深层搅拌法是通过深层搅拌机械将水泥、石灰等固化剂与桩径范围内的各 层软土搅拌混合，固化剂与软土发生一系列物理一化学反应，使软粘土硬结成具 有整体性和一定强度的加固土桩复合地基，从而提高地基承载力和增大变形模 量，也就提高了桥头软基承载力，减小了沉降。根据施工方法，可分为水泥土 搅拌桩和粉喷桩两种。在处理桥背软基时，粉喷桩用的较多。它主要适用于软 弱粘性土。 运用粉喷桩加固台后路堤软基的目的是为了用较短的工期和较少的预压荷 载来实现理想的技术效果。从实际情况来看当路堤高度不超过6 m 且粉喷桩达到 相对硬层时，其处理效果较好，可减少总沉降的3 0 - 5 0 。而如果路堤高度大于 6 m 且桩体未穿透软弱层时，那么它的工后沉降仍然较大。 深层搅拌法处理台后路基时，对桩长及置换率要有所考虑。一般认为桩长 在l o m 左右比较有效，置换率以1 5y p 2 0 最佳，工程中通常路中央处的桩较长， 路肩处较短；近桥台处桩长些，远台处桩短些。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 超载预压及塑料排水板 在处理软土地基的所有方法中，超载预压法是最经济的一种，而且用该法 减少工后沉降也是非常有效的，因