（岩土工程专业论文）台背路基工后沉降取值方法研究.pdf

摘要 随着我国国民经济的迅速发展，近年来我国高速公路建设迅猛增长。从目前己建成 的公路的使用情况来看一个较为普遍存在的就是桥头跳车问题。桥头跳车的主要原因之 一是由于台背填土与桥台基础差异沉降导致过往车辆的剧烈跳动。 在治理桥头跳车的多种方法中，采用最多的是设置桥头搭板，其目的是将台堤衔接 处突变的错台高差分散到搭板的两端，从而改善桥头的行车条件。而对于由工后沉降引 起的桥头搭板的纵坡变化、挠度变化和弯拉应力等理论研究并不成熟，所以有时会出现 搭板脱空、断裂而未能彻底消除桥头跳车现象，从而给道路的正常使用带来影响。 本文从搭板的纵坡差变化、挠度变化和应力变化三个方面对台背路基的工后沉降取 值方法进行了分析研究。首先利用汽车平顺性评价的理论，建立“车辆人体座椅”振 动系统，对台背不同差异沉降对行车舒适性的影响进行了分析，并结合相关文献资料的 结果，提出台背过渡段工后沉降的控制标准。然后根据板壳力学、弹性地基梁理论对搭 板在局部脱空情况下的受力变化进行分析，从挠度和弯拉应力两方面确定合理的工后沉 降取值标准。本文的成果将有助于在施工期间对沉降大小进行控制，从而消除桥头跳车 的隐患。 关键词：桥头跳车：搭板：行车舒适性：弹性地基梁：板壳理论：工后沉降 a b s t r a c t w i t ht h en a t i o n a l e c o n o m yd e v e l o p m e n tq u i c k l y ，t h ee x p r e s s w a y c o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r yi s i n c r e a s i n gf a s t i n r e c e n ty e a r sb u ts o m e c o m m o nf a u l t si nt h e s ec o n s t r u c t e de x p r e s si se x i s t e d ，s u c ha st h ej u m pa tt h e b r i d g eh e a di su n i v e r s a la n dt y p i c a lt h eb u m p i n ga tt h eb r i d g eh e a di sc h i e f l y c a u s e db yt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nt h ef i l l b a c ks o i l b r i d g e a p p r o a c h e sa n dt h eb a s eo fa b u t m e n t a m o n gt h ew a y st od e a lw i t ht h eb r i d g eh e a db u m p ，s e t t i n gt h ea p p r o a c h s l a pi st h em o s tc o m m o nw a y t h ep u r p o s eo ft h a ti st od i s p e r s et h em u t a t i o n a l d i f f e r e n c eo fe l e v a t i o no ft h ef a u l t e ds l a b si nt h ej o i n i n gp l a n eo ft h ea b u t m e n t b a n kt ot h eb r i d g es l a b st w oe n d s ，s oa st od e v e l o pt h et r a f f i cc o n d i t i o n h o w e v e r ，t h et h e o r i e su p o nt h ea p p r o a c hs l a p sc h a n g e so ft h el o n g i t u d i n a l s l o p e 、d e f l e c t i o na n ds t r e s s i sn o t m a t u r e ，s os o m e t i m e si t i sh a r dt o e l i m i n a t et h eb r i d g eh e a db u m pc o m p l e t e l yb e c a us eo ft h ed is j o i n t ，r u p t u r eo f t h ea p p r o a c hs l a p ，i n f l u e n c i n gt h er e g u l a rs e r v i c eo ft h er o a d o nt h eb a s i so ft h r e ea s p e c t s ，i n c l u d i n gt h ec h a n g e so ft h el o n g i t u d i n a l s l o p e 、d e f l e c t i o na n ds t r e s s ，t h i sp a p e ra n a l y s et h em e t h o dst od e t e r m i n a t e v a l u eo ft h ep o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n tf o rt h ef i l l - b a c ks o i lo fb r i d g e a p p r o a c h f ir s t l y ，am e c h a n i cm o d e lo fm a n - c h a i r - v e h i c l es y s t e mw i t h3 d e g r e e so ff r e e d o misb u i l tt oa n a l y z et h ee f f e c t so na u t o m o b i l er i d ec o m f o r t d u et ot h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nr o a d w a ya p p r o a c he m b a n k m e n t sa n d b r i d g e s t r u c t u r e s o nt h eb a s e o fs o m ef i e l d s u r v e yr e s u l t so n a b u n d a n t l i t e r a t u r ea n dt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t si nt h i sp a p e r ，t h ec o n t r o l l i n gc r i t e r i o no f t h ep o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t sf o ra p p r o a c he m b a n k m e n th a s b e e n p u t f o r w a r d ；t h e n ，a n a l y z i n gt h ed e f l e c t i o n a n ds t r e s so fb e a r i n gd i s j o i n t e d a p p r o a c hs l a pw i t ht h et h e o r i e si n c l u d i n gp l a t e sa n ds h e l l s 、t h ef l e x i b l eg r o u n d b e a m ，d e t e r m i n e st h ec r i t e r i o no ft h es e t t l e m e n t st h ec a l c u l a t i o np r o d u c tw i l l b e n e f i tf o rt h es e t t l e m e n t c o n t r o l l i n gd u r i n g t h ec o n s t r u c t i o n ，s oa st o e l i m i n a t et h eh i d d e nt r o u b l eo ft h eb r i d g eh e a db u m p k e y w o r d s ：b u m p i n ga tt h eb r i d g eh e a d ；a p p r o a c hs l a p ，r i d ec o m f o r t ； f l e x i b l eg r o u n db e a m ；t h e o r yo fp l a t e sa n ds h e l l s ；p o s t c o n s t r u c t i o n s e t t l e m e u t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：互鼎 日期：力甸年 f j 月多。e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“”) 耕 i 岳缈 5 月 5 具 弓矿日 弓。日 年年 呷1 期期日日 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 桥头跳车问题的严重性 随着我国国民经济的快速发展，公路修建里程不断增加，道路等级也不断提高，特 别是近几年，为了拉动经济的发展，我国在公路建设上投入了大量资金，高等级公路发 展迅速。但是，从高等级公路特别是高速公路的运营状况来看，还存在着不少问题，其 中较为普遍的是：引道路面在台背回填处沉陷或断裂，引道路面与桥面之间出现台阶或 纵坡变化，车辆经过桥头处出现跳车现象。桥头跳车不仅会降低行车舒适性，迫使车辆 减速，还会对桥梁和道路造成附加的冲击荷载，从而加速了桥台、桥头搭板、支座及伸 缩缝的损坏。桥面与引道路面之间过大的不均匀沉降或桥面结冰还会造成行车失控，诱 发交通事故。这与高速公路要求车辆行驶快速、安全和舒适严重相悖。同时，随着公路 等级的提高，涵洞、通道、桥梁等构造物在公路里程里所占的比例越来越大。因此，桥 头跳车己经造成了严重的问题【i j 。 为了防止桥头跳车，必须不断对桥梁两端台背出现的沉陷、断裂等进行及时的维修 处理。由于部位特殊，修补养护的难度大，要花费大量的人力、物力和财力。更为重要 的是，维修后不久问题又会继续出现，长期的修补又会导致更为严重的问题，最后只能 采用结构性修筑来解决。根据美国运输研究院( t r b ) 的一份调查材料估计，在美国大 约有1 5 万座公路桥梁程度不同地存在着桥头跳车问题。每年联邦政府要花费l 亿多美 金在维修这类跳车路段上，而且经常在两三年内又需要重新修补，但是仍然不可能使路 况恢复得完好如初。从经济方面考虑，桥头跳车已经成为高等级公路运营中亟待解决的 问趔2 1 。 而桥头跳车这一修筑高速公路中的重要难题所产生的直接原因便是路基与桥涵等 结构物之间的差异沉降。高速公路一般大约4 0 0 5 0 0 m 就有一处通道或桥梁，如果路 基与桥梁等结构物差异沉降处理的不好，那么平均3 缸就有一次车辆跳动。同时桥头 路基的高度由于受桥下净空的限制，一般填土高度达到5 6 聊，有时达到1 0 1 5 m ，再 加上桥梁受施工期的约束，桥梁引道一般在桥梁主体施工结束后再填筑，所以桥头路基 的施工面狭窄，施工质量难以保证，压实度、固结时间与正常路段的路基有时间差。通 车后必然造成路基与桥梁等结构物差异沉降，引起车辆跳动。如图1 l 所示。对路基与 桥梁等结构物的差异沉降的改善对车辆行驶舒适性，使道路更平顺、行车更快速、乘客 更舒适和安全，具有明显的社会和经济效益 3 1 。 ， 填土 图1 1 桥路衔接处陡坎示意图 1 1 2 产生桥头跳车的原因 产生桥头跳车的原因主要有主观因素和客观因素两个方面 4 1 ： 1 客观因素引起的桥头跳车： 客观因素引起的桥头跳车主要是指桥梁结构物与台背填土差异沉降所造成的错台 现象，如果错台的高差达到一定程度，即会产生桥头跳车现象。 台背路基的沉降主要由三个部分组成：第一部分是路面结构层的压密沉降，大量的 行车荷载对路面结构层有压密作用，路面结构层愈厚，其压密变形量愈大，目前的高速 公路、一级公路推荐结构层厚度一般大于4 7 c m ，因此在高等级公路路面结构层的压密 变形对桥头跳车现象的发生起到了明显的加剧作用，但由于这部分的压缩变形量很小， 故不是造成桥头跳车的主要原因；第二部分是台背填土的沉降，这部分沉降量的大小和 台背回填料有密切关系，不同性质的回填土在相同条件下的沉降量差别很大，如果控制 好回填土的性质就能有效地减轻桥头跳车现象的发生，因此这部分是解决桥头跳车现象 的重点；第三部分是台背地基沉降，这部分沉降与地基性质和其上的填土高度有关，在 软土地基或高路堤的填土荷载较大时，其沉降量一般都不能忽视，它们在台背的总沉降 中占的比例往往会很大，因此在某些情况下地基的正确处理亦是控制桥头跳车的重点。 造成引道路堤沉降的原因除了上述主要的三个方面以外，还有支座和防护工程的移 动，以及局部沉陷。在台后土压力的作用下，支座和台前防护工程将或多或少地发生水 平位移，从而造成土体发生侧向变形；路堤与桥涵构造物的连接部位有的设计了接缝， 但经长时间使用由于行车荷载和自然因素的影响极易发生损坏，有的是连续铺装，但在 使用中经常产生裂缝。接缝和裂缝在竖向往往很深，雨水和融雪水容易沿缝渗漏，对路 面结构层和土基产生冲刷和侵蚀，造成各种细料的流失以及增加结构层与土基的含水 量，从而造成局部沉陷。 除了桥头处的差异沉降以外，桥台与引道之间的构造差异也会造成桥头跳车。桥与 路的分界处前后一是刚性体，一是柔性体，在结构刚度上差异很大。柔性材料对能量的 2 吸收要比刚性材料大，故在刚柔突变处必然引起振动的突变，即引起跳车。 2 主观因素引起的桥头跳车： 由主观因素造成的桥头跳车主要是指一些人为因素引起的跳车现象。 其一有设计方面的原因，比如设计不合理的台背回填土，设计不合理的搭板，以及 设计不合理的地基处理方法等：另外也有施工方面的原因，比如台后填土范围小，压路 机工作面受到限制，紧靠台背部分填土往往达不到压实度的要求；再者，施工单位管理 不当、路基填料未按要求处理或立柱施工顺序安排涵洞盖板进度慢造成桥涵台后不能及 时填土等其它原因也会造成桥头跳车现象。 根据美国俄亥俄州对桥台观察的结果表明：当桥台基础为扩大基础时，其中9 0 的 桥台的沉降量小于l o c m ，且其中约2 0 的桥台沉降量小于2 5 c m ；对于桩基础，7 的 桥台没有发生沉降，仅有2 0 的桥台有微量的沉降p l 。而桥头搭板的沉降量，根据1 9 6 1 年测量结果，平均为6 5 c m ；1 9 7 5 年的测量结果，平均值为5o c m 。根据这些已有的调 查资料显示，桥涵通道等构造物的沉降与路基比较起来，微乎其微。所以对路基与结构 物的差异沉降的研究可以集中在对台背工后沉降的研究问题上。 1 2 已有的研究成果 1 2 1 国内外对台背路基的工后沉降的取值标准 桥头跳车始终是高速公路建设中的一个重要问题，而影响桥头跳车的主要因素是台 背路基的工后沉降及其引起的纵坡变化和板底支撑条件的变化。对于桥头跳车工后沉降 取值标准( 容许工后沉降量) 的研究现状，目前国内外的规范中未能明确规定统一的桥 头路基容许工后沉降值及相关指标： ( 1 ) 我国公路软土地基路堤设计与施工技术规范中规定，在路面设计使用年限内， 容许工后沉降在高速公路或一级公路的桥台与路堤相邻处取屯0l m ，涵洞或箱形 通道处取屯0 2 朋，一般路段取s 。,o 03 m 1 5 1 ( 2 ) 交通部重庆公路科学研究所认为，在高等级公路路面铺筑后2 0 年内，邻近人工 构造物路段容许工后沉降为1 0 3 0 c m 较为适当【6 】。 ( 3 ) 沪嘉高速公路规定：邻近桥梁构造物的路堤取允许工后沉降l o c m 。并在5 0 m 范 围内逐步过渡到允许工后沉降3 0 c m 。莘松高速公路对于桥头引道根据地基类型、沉降 速率和堆载预压时间等来控制容许工后沉降值【7 1 ，见下表1 1 。 表1i 莘松高速公路桥头引道容许工后沉降 f 明 地基类型固结度u沉降速率v堆载预压时间t ( e r a ) ( ) ( c m f 1 ) ( 月) i1 59 0 06 2 4 l o8 0 l2 8 表ll 中地基类型i 为硬壳层 1 8 4 m ；i i 为硬壳层 1 5 m ， 软土层平均厚度为1 7 m 。旅工过程中控制桥头引道连续三个月沉降速率v = i c m 月时， 才准以开挖路槽进入路面结构层施工阶段。 ( 4 ) 广佛高速公路确定在铺筑路面后3 0 年内的容许工后沉降值为【8 j = 一般路堤为 2 0 c m ；路堤与人工构造物( 桥梁、箱涵) 衔接处为l o c m 。 ( 5 ) 京津唐高速公路对软土地基上桥头引道的工后沉降标准采用：主线为1 0 c m ；分 离式立交为2 0 c m ( 被交叉公路为级公路时) 和3 0 c m ( 被交叉公路为二级公路时) 【9 】。 ( 6 ) 泉厦高速公路对软土地基上桥台与一般路堤衔接段要求为i ”l ：对涵洞与一般通道， 工后沉降小于2 0 c m ，固结度达到9 0 ，对桥梁及受标高控制的通道，台与路堤工后差 异沉降小于l o c m ，工后沉降引起的纵坡变化值小于0 6 ，固结度大于9 0 。 ( 7 ) 美国公路路堤软基处理中指出：在公路的经济寿命期间( 1 0 1 5 年) ，桥头 引道容许工后沉降量为1 5 3 0 c m 。 ( 8 )日本道路协会建议桥梁引道三年内的容许工后沉降不超过l o 3 0 c m 1 l 】。 从以上各条高速公路的规定来看。我国己建的高速公路桥头引道基本上以容许工后 沉降量为指标。常见控制标准为1 0 c m 。另外还有很多学者以桥台容许沉降与桥台与引 道之间的容许差异沉降相加得到引道土体的容许工后沉降。但这些指标无一例外没有明 确的科学依据，也缺乏大量的路面破坏试验的验证，加上在实际中许多发生桥头搭板断 裂的地段并不清楚工后沉降到底是多少，而且这些容许工后沉降值的规定都是只给出了 大致的范围，且范围较大，另外未考虑车速、搭板长度等因素。 因此桥头台背路基的工后沉降取值标准是一个有待于解决的重要问题。对这一问题 的解决，有助于完善有关规范在这一方面的缺陷。 1 2 2 桥头搭板容许纵坡变化值 桥头搭板的纵坡变化也是导致桥头跳车的直接原因之一，桥头搭板在工后沉降发生 前后的纵坡变化称为搭板纵坡变化值，对于桥头搭板容许纵坡变化值【出】，国内外学者 的意见也未能统一。在1 9 8 5 1 9 8 9 年间，美国不少运输部门均修筑了一些实桥桥头搭 板的试验工程，但尚未见有最终报告。 ( 1 ) 我国胡长顺、赖国麟、张洪亮等人经过行车调查，分别提出搭板容许纵坡变化值 4 都在o 4 n o 5 之州1 2 】【1 3 1 。 ( 2 ) m o u l t o n l l 4 1 建议对于连续跨和简支跨结构分别取1 1 2 5 0 和1 2 0 0 。 ( 3 ) s t a r k 和w a h l s 建议都取1 2 0 0 ，并且认为当出达1 1 0 0 1 1 2 5 时会产生严重不适， 需要修补1 州。 1 2 3 对桥面与搭板之间的容许坡差取值 对容许坡差这一取值国内外仅有少数学者通过现场的行车调查进行了研究。 ( 1 ) 国内张奎鸿认为阍，当【业】在o 2 o | 3 范围内，可避免跳车；叶见曙提出桥 台与搭板之间的容许坡差为o 2 ，桥面的容许沉降坡差i j 为0 2 ，两者相加得桥头 搭板的容许坡差【出】为o 4 “。 ( 2 ) d a n i e l 等人根据美国、加拿大公路部门和研究所在2 0 年问对8 0 0 多个桥头现场调 查资料，给出了桥面与搭板之间的容许坡差【缸】为0 _ 2 8 0 4 2 。 1 3 桥头跳车的处治方法 路基体与结构物之间存在较大的刚度差，这个刚度差的存在必然引起路基体与结构 物之间产生较大的刚度突变和塑性变形相对差，从而产生跳车。如果使这个刚度差在路 基体与结构物台墙之间的一定范围内渐变，使得塑性变形相对差也在这一范围内渐变， 且保证渐变后任何一点的刚度差不致引起跳车，任何一点的塑性变形相对差不致使路面 沉陷或断裂，这就是台背回填设计的。刚柔过渡”思想。由于桥头跳车问题的复杂性， 加之各地土质、地基及工程情况差异，因此提出的解决方案也很多。处治方法总体上可 以分为对客观因素引起的桥头跳车问题的处治和对主观因素引起的桥头跳车问题的处 治【4 l 。 1 3 1 处治客观因素引起的桥头跳车 l 。针对路面的处理 由于路面结构层过厚对桥头跳车的产生起到了i i i i 作用，在设计路面结构层厚度时 应在规范允许范围内尽量减小其厚度，在材料的选择上应尽量选择压缩性小的材料。 预设反向坡度：当能预测出路基沉降规律时，可采取在台堤结合段预留反向坡度， 坡度的大小应根据台堤间沉降差确定。 设置过渡路面：当不设置搭板或由于对地基和路基处理很困难或不经济时，可设置 过渡路面，待沉降稳定后再换铺正式路面。常用的过渡路面有预制水泥混凝土六棱块、 条石等。 2 针对路堤的处理 应用土工合成材料：国外自8 0 年代后期开始研究应用土工织物和土工网处理桥头 跳车问题【l ”，认为利用土工织物和土工网处理桥头跳车有两个作用：一是可以大大减少 台背路基的沉降；二是将台背土路基与桥台交界处的台阶式跳跃沉降变成连续的斜坡式 沉降。现在土工合成材料在处理桥头跳车问题上已逐渐应用广泛，我国较早利用土工合 成材料处理桥头跳车，1 0 7 国道湖南湘潭段易俗河镇的龙云立交桥就利用n e t - i o n 土工 网进行桥头跳车处理。由于是试验使用，故在南北两端做了不同的处理。南端用传统方 式处理，使用1 2 5 掰长的桥头搭板，丽北岸则用土工网格处理。通过1 年多的沉降观测， 南岸台背沉降在距台端1 5 掰范围内变化剧烈，而北岸由土工网处理的台背沉降则变化 平缓。这说明利用土工网能较成功的缓解桥头跳车问题。美国怀俄明大学采用土工织物 填筑桥头路堤，并设计了多种方案进行对比，同时也采用了用加筋土挡墙来修建桥头搭 板处路堤的方法，另外接长两侧路肩方向的翼墙，以约束土体的侧向变形，实践证明， 这些措施可明显降低台后填土的沉降量，进而尽量避免桥头跳车现象的出现。 设置桥头搭板：设置桥头搭板的目的是将台堤问突变的错台高差分散为路堤纵坡的 逐渐过渡，从而改善桥头的行车条件。搭板的类型可分为单段式搭板和多段式搭板。搭 板长度k 根据容许工后沉降、桥台基础预期总沉降值与施工期间预计完成的部分沉降 值之差、桥路结合段土体沉降趋于稳定时的纵坡与竣工时的纵坡两者之间的容许变化值 综合确定。如果搭板设置合理，并且搭板无脱空现象，则桥头搭板可以明显减轻甚至消 除跳车现象。否则，由于桥梁下部土体应力集中会加速该点下沉，最终出现二次跳车或 所谓的跳车转移。例如，在江苏宁通一级公路杨江段内的廖家沟桥【”1 ，桥东台的南北两 幅路面，当汽车以1 0 0 k m h 行驶时，在搭板和路衔接处检查人员对汽车跳动感觉较大， 其纵坡分别达到i ，1 3 和1 2 l ，这说明如果桥头搭板使用不当，跳车问题不会根本解 决，为解决二次跳车问题许多设计人员提出了很多实用方案，如设置过渡路面2 ，用可 抬升式桥头搭板处理桥头跳车等1 2 ”。 通常认为桥头搭板长一些对桥头行车更为有利。美国一公路局采用。一种特异的桥 头搭板”，将一块长度为1 5 0 英尺( 4 5 7 m ) 的桥头搭板。并支承于桩上，以代替通用 的2 0 英尺( 6 1m ) 的桥头搭板。桩长自台后向远端逐渐减小，以使到远端搭板与路面 板达到同步沉降。 ，r h 改良台背填土性质：由分层总和法公式：5 = y q 巡，可知路堤的最终沉降量 百l + t 与压缩系数和孔隙比有直接的关系，选用压缩性小、孔隙率大的填料，如半刚性填料、 透水性的砂砾等，可以有效的减少台背路堤的沉降量。如在长潭高速公路庵子坪桥 k 3 3 + 1 5 0 桥台台背填土高达1 3m ，分别采用土工格栅及碎石土和砂砾料填筑，经过两 个雨季两年的检验，未出现台背的沉降错台和搭板脱空等病害【2 2 l 。 特殊方法：道路通车后由于桥梁墩台的沉降几乎不再增加，而台背的沉降则是一个 徐变的过程，因此可以采用缓膨胀材料作为路基来防治桥头跳车。理想的缓膨胀材料市 场上还难以找到，但膨胀材料并不缺乏，如膨胀水泥、石灰等。该理论已在京福高速公 路德州南连线工程的津浦铁路立交桥大桩号桥头，1 0 5 国道互通立交桥小桩号桥头台背 回填中试验应用【2 ”。另外已有的轻质回填材料在软土不良地基的路段可以减小地基中的 附加应力，进而可以减小地基的沉降，以泡沫轻质材料为例，它的主要成分是水泥、泡 沫剂和水。我们常用的回填土的密度通常大于1 8 9 c t r ，而文献 2 4 1 0 0 的泡沫轻质材料 密度仅为o 6 1 7 l0 7 9 c m 3 ，可见使用轻质材料后土体的自重只有原来的3 0 - 6 0 ，故 能有效的减轻路堤白重和地基的基底附加应力。1 9 9 8 年的沪杭高速公路4 号线工程中试 验使用e p s ( 聚苯乙烯泡沫塑料) 超轻质填料和发泡珍珠岩作为路基填料，两者的自重分 别为土的1 9 0 和1 5 1 8 ，有效的减轻了自重，经半年多的运营，情况基本良好”i 。因 此，轻质回填材料的使用也是减少桥头跳车的一种有效方法。现在广东等地开始试验推 广的新型超轻质材料一泡沫聚苯乙烯块，其密度很小( 约3 0 堙肼3 左右) ，抗压强度约 为o2 5 m p a ，且吸湿性极小，耐水性好。所以使用泡沫聚苯乙烯块，可大大减轻路堤体 的重量，能成功的遏止桥涵连接路堤的过渡沉陷，从而避免台阶产生，另外还具有施工 简便，不污染环境，能缩短工期等优点，同时还可以减少桥台等构筑物的土压力及侧向 压力，从而减少构筑物的移动变位，改善结构物的稳定性。其缺点是在汽油或柴油作用 下有溶解倾向，并且价格昂贵。 3 针对地基的处治： 地基处理的主要目的是降低软弱地基的压缩性，减少基础的沉降和不均匀沉降，方 法主要有两类，一类是换填法，一类是加固法。换填法是将地基表面的高压缩性土挖出， 然后换填颗粒比较粗的材料，如天然砂砾、开山碎石、工业废渣、半刚性材料或土工织 物等。这种换填法只适用于不良土质、土层比较薄( 一般不超过3 m ) 的地基。如果软 土层较厚，采用这种方法不经济，同时施工也是非常困难的。目前在国内应用较多的有 以下几种加固方法：( 1 ) 采用深层搅拌法加固桥头软基，使软土硬结成具有整体性和一 定强度的优质复合地基，从而提高桥头软土地基的承载力，减少沉降量( 特别是工后沉 降量) ，缩短固结期，提高边坡稳定性；不足之处一是造价较高，二是设计计算方法不 成熟，尚待进一步完善，而且影响搅拌桩质量问题的关键因素( 粉体的计量问题) 目前 还未得到很好的解决。另外，搅拌桩的质量检测也缺少全面的规范。( 2 ) 采用砂桩加固 桥头软基，该法属粒料桩类型，适用于松砂地基、杂填土或软土，对地基土起置换作用、 竖向排水作用和挤密作用，为加速地基固结，减少后期沉降，一般根据实际情况，配合 堆载预压或超压施工，使地基强度显著提高，同时改善地基的整体稳定性。其造价在深 层搅拌法与堆载预压法之间。( 3 ) 采用塑料排水板堆载预压法加固桥头软基，该法属竖 向排水体预压类型，主要适用于透水性低的软弱粘性土。为加速排水固结，减少工后沉 降，一般配合堆载预压或超压施工，使地基的有效应力增大抗剪强度和承载力及稳定性 都得以提高。其特点是造价较低但效果较上述两种类型差，仍存在少量工后沉降【矧。 1 3 2 处治主观因素引起的桥头跳车 在设计方面，设计单位要力求掌握详实的现场资料然后选用既能满足行车要求又 7 易于施工的方案；桥梁设计者和道路设计者应很好的配合设计，互补长短。在施工方面， 桩基础、涵基坑回填要求用石灰稳定土和砂砾分层回填夯实至原地面；为保证填土的自 然沉降期，从施工开始要求所有桥涵台后路基范围内不允许作料场、材料加工场地等； 台背不允许有压实死角；施工工序要合理安排等等。 桥头跳车归根结底是由不均匀沉降引起的，在为了减轻由桥台和桥梁引道之间的差 异沉降所引起的“桥头跳车”现象所采取措施方面，广泛应用土工格栅处治高速公路桥 头跳车问题；另外较常见的是在桥台和引道之间设置桥头搭板，桥头搭板法在刚柔过渡 方面起到了一定的作用，但未从根本上消减台背回填与构造物台墙的塑性变形相对差， 它们都将随着台背回填一起下沉或转动，同时还有可能使跳车地点从台背处转移到搭板 及其以外的路基接头处，也有可能在台背处与搭板和路基接头处同时出现；第三种方法 是在台背处填筑透水性材料，此方法经济效益明显，但效果远不及前两种方法，而且在 使用范围上有一定的局限性。 国内外研究表明：由于土工格栅的高弹性，使之对冲击、振动等荷载具有极强的扩 散与消解作用，从而减小或避免由行车荷载产生的土体塑性变形。土工格栅的弹性模量 ( 刚度) 与强度对土工格栅处理后的台背填土沉降影响极大，为了保证土工格栅处理桥 头跳车的有效性与高标准，必须充分保证土工格栅的高强度和高弹模。土工格栅处置台 背填土的方法，是在填土中沿路线方向分层平铺土工格栅，格栅层的一端在桥头与台背 连接，通过格栅层与土体的相互作用，减缓桥头部分的沉降梯度。一般而言，当台背填 方高度为8 m 左右时，土工格栅处理与桥头搭板处理桥头跳车的费用相当，但在填方高 度为6 m 以下时，由于台后填土中只需布置少量层数的土工格栅，故采用土工格栅处理 的费用较低，此时与搭板处理相比，经济效益比较明显1 2 ”。 另外，在桥台和路堤的连接部位，通常采用台后设置搭板的方法，通称桥头搭板， 用以实现沉降差和刚柔过渡，达到行车舒适的目地。搭板可设在路面面层( 水泥混凝土 路面) 或基层( 沥青混凝土路面) 上，这样能减少冲击效应以避免在使用中损坏。在软 土地基上筑路堤，搭板可与桥台同时浇注。搭板下的基层必须坚实可靠形成整体，这不 仅是为了减少沉降的需要，而且也与已有的计算理论相一致【2 ”。 1 4 本文的主要研究内容 本文首先根据汽车平顺性评价，对台背路基在不同差异沉降时对行车舒适性的影响 进行分析，并结合相关文献资料的结果，提出台背过渡段工后沉降的控制指标。 第二种对台背路基工后沉降取值标准确定的方法是对桥头搭板进行简单的静力分 析，观察搭板在无脱空和部分脱空时的受力状态，工后沉降的发展会引起桥头搭板受力 条件的变化，在变化后的受力条件下计算搭板受到的最大地基反力，产生的挠曲变形， 再根据容许挠曲变形量得出搭板下台背路基工后沉降粗略的取值标准。 第三种台背路基工后沉降控制方法是利用结构力学和弹性力学原理，将桥头搭板简 化为弹性地基梁，由弹性力学原理得出搭板在受集中力荷载条件下各段的挠度、弯矩等 力学响应。并得出严密的数学表达式，为工后沉降的取值标准问题提供数学和力学依据。 最后综合三方面的结果。提出合理的台背路基工后沉降取值标准。以便指导路桥过 渡段的设计和施工 9 2 1 引言 第二章根据容许纵坡差确定路桥过渡段 的工后沉降取值标准 容许工后沉降量是填土路堤控制剩余沉降( 即路基的总沉降与铺设路面前已发生的 沉降之差) 的指标。在根据纵坡差控制路桥过渡段沉降而言，若设搭板，指搭扳末端土 体的容许工后沉降；若不设搭板，有时引道会发生纵坡变化，则指发生纵坡变化的引道 末端土体的容许工后沉降。在时间上，容许工后沉降一般指铺设路面后所容许的剩余沉 降量，但是剩余沉降量不是一朝一夕完成，而是具有一定时间性，所以对容许工后沉降 的定义应含有这种时间性。目前高等级公路在容许工后沉降值规定中明确指出是在使用 年限内容许发生的工后沉降量，这个使用年限一般取高等级公路路面的使用年限。它对 容许工后沉降值要求较严，特别是在路桥过渡段。还有一些高速公路采用先通车，再在 通车后某年限内不断分阶段维修和养护来满足行车要求，因此，其容许工后沉降值就规 定在某一年限内的指标。例如，日本道路协会规定是在铺筑路面后三年内的容许剩余沉 降量；我国上海沪嘉高速公路采用铺筑路面至大修年限的容许工后沉降值唧。这种方式 最大的问题是维修费用高。另外，工程实践和试验都表明，在铺筑路面后，路基的沉降 要完全稳定需要的时间较长，但随着时间的延长，沉降的速率逐渐减慢，因此，可取路 基的沉降速率趋于平缓所需要的时间作为工后沉降的时域标准。 通过大量的实例研究发现，满足规范要求的工后沉降仍可能产生桥头跳车，根据工 程经验得出，路基的工后沉降( 0 i m 或o 3 m ) 偏严或过于单一，尤其是在软土地基 路段，当软土厚度超过2 0 m 时，一般路段的工后沉降控制在3 0 c m 内对工期和造价都要 求较高，代价太大；对于存在软土下卧层的路段远大于规范的容许工后沉降值。如果结 构物与一般路段之间的工后沉降平顺过渡，工后沉降导致的结构物附近的纵坡差较小， 对行车安全并无太大影响。所以，在避免桥头跳车这一常见问题上，众多学者提出采用 容许纵坡差进行控制。 在公路运营过程中，桥台与台后引道均会发生沉降。一般桥台沉降较小，引道沉降 较大，两者之间的沉降差称作路桥过渡段差异沉降。对于不设搭板的路桥过渡段，表现 为桥台与引道之间的台阶高度，即桥台与引道的工后沉降差。对于设搭板的路桥过渡段， 则有多种表现形式：( 1 ) 桥面与搭板之间的坡差，即桥面与搭板连接处的纵坡变化；( 2 ) 搭板本身在沉降前后的纵坡变化，简称搭板纵坡变化值；( 3 ) 搭板末端土体的工后沉降 与桥台工后沉降的差值，也称为引道工后沉降。桥台与引道之间的台阶高度和搭板纵坡 变化值可以分别作为不设和设搭板路桥过渡段的容许工后沉降的控制指标。把引道的容 许工后沉降作为路桥过渡段设计与旌工时严格控制的一项指标。分别给出确定的方法和 l o 步骤。 桥头处的差异沉降将会引起汽车振动，使乘客和驾驶员感到不舒适，过大的振动将 使旅客难以接受，且使汽车对路面的作用力忽大忽小( 甚至下降到零) ，使车轮不能传 递水平力而造成汽车失控，因此桥头处的差异沉降不能超过一定值，而且应从安全性和 舒适性两方面来确定容许差异沉降，但舒适性对容许差异沉降的要求更严格，对于某一 差异沉降，只要满足了舒适性，就一定能满足安全性，故可参照汽车评价平顺性的方法 来评价桥头沉降差异对行车舒适性的影响，进而提出过渡段沉降的控制标准。 2 2 本章的研究方案 目前，过渡段的容许工后沉降控制指标及其确定方法因实际情况不同而无法统一， 因此各国并无一致或明确的标准。考虑到桥头跳车的最大危害之一，是影响汽车行驶的 平顺性能，以致引起乘客的不适。针对这一点，本章的研究思路大致如下： ( 1 ) 分析路桥过渡段的沉降机理，并根据沉降机理的分析提出过渡段沉降控制标准的 数学表达式。 ( 2 ) 利用汽车行驶平顺性评价方法，评价路桥过渡段的差异沉降对行驶舒适性的影响。 ( 3 ) 结合相关文献资料的结果，提出路桥过渡段沉降的控制指标，其中包括容许工后 沉降控制指标以及容许差异沉降控制指标。 2 3 过渡段差异沉降产生的机理分析 目前的路桥过渡段常采用设桥头搭板和不设搭板两种情况。本节就这两种情况下路 桥过渡段的沉降机理进行分析，为下一步研究提供依据。 2 3 1 设搭板时的沉降机理分析 对于使用混凝土搭板的路桥过渡段，桥头搭板的一端搁置在桥头的台后牛腿上，另 一端则通过设置枕梁放置在引道土体上。为了便于分析沉降差的产生过程，现作出如下 假设： ( 1 ) 竣工时桥面和搭板面的纵坡相等，均为； ( 2 ) 桥头沉降过程中，搭板绕简支端转动，且可以被视为平直的刚体； ( 3 ) 搭板上和桥面上的面层结构和厚度相同，不产生沉降差。 2 3 1 1 桥头过渡段沉降差产生的过程 由于影响因素较多，为了便于分析问题，假设在沉降过程中存在有桥面纵坡厶。等于 搭板面纵坡如。的情况( 如图2 1 ) ，这样可以将桥头沉降过程分为以下两个阶段。 一l 马 l 乌s bi i 至! ：i 垫 s o 凌r o 瞎善i p p 一w 局茸舰空、 妇土每 l t y 图2 1 设置桥头搭板时沉降差异示意图 第一阶段是竣工后至桥面纵坡乞等于搭板面纵坡如。时的这一过程，主要是桥面由 于墩台产生沉降s 造成纵坡变化( l = 2 。一) 控制，其值不能过大，否则将造成桥面 破坏，伸缩缝挤坏及支座条件变差。因此，各国的桥梁设计规范均有限制。 第二阶段是桥台沉降趋于稳定后至整个引道土体趋于稳定。此时的主要特点是桥面 纵坡1 。2 。与搭板纵坡i 3 不相等，两者之差称为纵坡差：，即a ：= 岛一，其大小对过渡段 的行车舒适性影响很大，这是本章所要研究的重点内容。 2 3 1 2 沉降差异的表示 为了进一步分析差异沉降的危害，我们还需对沉降差异用某一数学表达式来表示。 通过对沉降差异的形成过程的分析，我们可以将搭板远台端部土体趋于稳定时的总工后 沉降量疋分为两个部分，即： s o = 瓯+ 丛 ( 2 1 ) 式中，是一桥台基础的预期工后沉降量； a s 一桥台与搭板远离台端下土体之间的差异沉降量。 参照叶见曙在文献【4 】中的研究成果，桥台基础预期工后沉降量可以用如下公式计 算，即： s b = q 口2 l ( 2 2 ) 式中，一桥台基础工后沉降值占基础总沉降值的比例系数，其值主要与地基土的 类型有关。对于低压缩性饱和粘土，喁= o 4 0 ；对于中压缩性饱和粘土，= o 7 0 ；对 于高压缩性饱和粘土，强= 0 8 5 。 一考虑桥台基础形式的系数，一般的，对于摩擦桩基础，口，= 1 5 0 0 ；对于扩大 基础，哆= 1 3 0 0 。 f 一桥梁边跨跨径( 肌) 。 以表示搭板长度，以a s 表示桥台基础与搭板远离台端下土体的工后沉降差，l 表 示由于墩台沉降墨产生的桥面纵坡变化，表示桥面纵坡与搭板面纵坡的差异值。如 1 2 图2 1 所示，得到以下关系式 a s = ( l + 2 ) x l ( 2 3 ) 由此可见，桥台与引道土体的差异沉降值并不是一个常数，而是与纵坡差和搭板长 度均有关系。 2 3 2 未设搭板时的沉降机理分析 图2 2 未设桥头搭板时沉降差异形成的台阶示意图 未设置桥头搭板的水泥混凝土路面、沥青混凝土路面，由于桥台和引道土体沉降差 异在桥头形成一个陡坎或台阶( 如图2 2 所示) 。从行车安全和舒适性来看，台阶对行车 的影响比设置搭板时的影响要大。 未设置桥头搭板时，由于桥台和引道土体沉降差异在桥头形成一个陡坎或台阶，为 了便于分析，也将工后引道土体沉降趋于稳定时的总沉降量咒分为两部分，即 配= 昆+ 盥 ( 2 4 ) 式中，& 一桥台基础的预期工后沉降量； s 一桥台与搭板远离台端下土体之间的差异沉降量。 s 的计算在前面2 3 1 中已经介绍过，未设搭板时的s 就是台背沉降产生的 台阶高度，对行车舒适性的影响很大。这也是本章将要研究的问题。 2 4 行车舒适性评价的基本理论 2 4 1 行车舒适性的评价标准及评价方法 2 0 世纪3 0 年代，人们就开始探讨车辆平顺性的评价标准，并提出各种评价体系。 这些指标和方法对平顺性研究的发展起到了积极的推动作用。 汽车振动对人体的影响，既取决于振动频率与强度、振动作用方向和暴露时间，也 取决于人的心理、生理状态。1 9 7 8 年i s o t c l 0 8 ( 机械振动与冲击) 技术委员会s c 4 分委会在综合大量有关人体全身振动的研究工作和文献的基础上，正式颁布了国际标准 ( i s 0 2 6 3 1 1 9 7 8 ( e ) ) ，全称为“人承受全身振动的评价指南”，此后经过修订和补充， 与1 9 9 7 年公布了i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 人体承受全身振动评价第部分：一般 要求，此标准对于评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影 响时，能与主观感觉更好的符合。 国际标准i s 0 2 6 3 1 标准用加速度的标准差给出了在l 8 0 h z 振动频率范围内人体对 振动反应的三个不同界限：暴露界限、疲劳一功效降低界限、舒适降低界限，并推荐用 两种方法对人体承受全身振动进行评价： ( 1 ) l 3 倍频带分别评价方法 1 3 倍频带分别评价方法认为，同时有许多个1 3 倍频带都有振动能量作用于人体 时，各频带振动作用无明显的联系。对人体产生影响的，主要是由人体感觉的振动强度 最大的一个l 3 倍频带所造成。加权加速度均方根值的分量反