（道路与铁道工程专业论文）路桥过渡段路基沉降分析与处治措施研究.pdf

摘要 路桥过渡段桥台和引道路堤之间经常会产生差异沉降，较小的差异沉降就会导致桥 头跳车，使得行车不舒适，甚至影响行车安全。论文针对路桥过渡段引道路基的沉降问 题，通过理论计算和试验分析，结合现场调查，对路基沉降的规律和路基沉降的治理措 施进行了研究。 运用割线模量法计算了土体的压缩变形，通过压缩试验获得了不同压实度、石灰掺 量和龄期石灰土的压缩曲线，并得到压实度、石灰掺量和龄期对石灰土侧限割线模量的 影响规律。 归纳分析了路桥过渡段路基路面结构设计和施工技术，以及轻型填料换填、力学加 固路堤、石灰土换填和设置过渡段路面等减轻桥头跳车的措施。 对济荷高速公路全段路桥过渡段的沉降状况进行了行车调查，并分析了路堤沉降产 生的原因。通过对济荷高速公路原地基、路面项部和桥台进行的长期沉降观测，得到了 引道路堤工后沉降纵、横向的分布规律，证明用石灰土进行换填能够有效的降低路堤沉 降，减轻桥头跳车现象。 由于石灰土是进行桥头引道换填的重要材料，通过静三轴试验获得了其应力应变曲 线，并推导了损伤本构方程：另外，还通过动三轴试验对压实石灰土的动模量、动阻尼 比和塑性累积变形进行了研究，为工程实际应用提供了依据。 关键词：桥头跳车引道工后沉降割线模量石灰土应力应变曲线损伤 动三轴试验 a bs t r a c t t h ed i 舵r e m i a ls e t t l e m e n tb e 似e e i lm eb 打d g ea b u 臼m e n ta i l dt h e 印p r o a c he m b a l l k m e i l t h 器b e e na p e r s i s t e n tp r o b l 锄r e l a t i v e l ys m a l ld i f 王- e r e i l t i a lm o v e m e n t sp r o d u c em ec o m m o n b 啪pa tm ee 1 1 do ft h e 嘶d g e ，w l l i c hi su n p l e a s 肌ta i l do n e i lh a z a r d o u st 0t h em o t o m g p u b l i c t h r o u g l lm e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，l a b o r a t o ut e s t sa i l df i e l ds u e y ，t l l ea u t h o rs t l l d i e d t h es e t t l e m e mo fm e 印p r o a c he i l l b a l l l 【l l l e l l ta n da d o p t e ds o m em e a s u r e st 0d e c r e 嬲ei t as e c a n tm o d u l u sm e t h o dw a su s e dt oc a l c u l a t et h ec o m p r e s s i o no ft h es o i l 1 k c o r n p r e s s i o nc u r v eo ft h es o i ls t a b i l i z e dw i ml i m ew i t hd i 虢r e 】吡c o m p a c 缸1 e s s ，l i m ec o n t e l l t 觚da g ew e r e9 0 t t h ee f t s0 ns e c a n tm o d u l u so fc o m p a c t l l e s s ，l i m ec o n t e n ta i l da g ew e r c a 1 1 a l y z e d t h es 饥l c t u r ed e s i g na n dc o n s t n l c t i o nt e c l l l l o l o 舀e so ft l l es u b 黟砸ea n d p a v e m e n to fm e 印p r o a u c hs e c t i o nw e r es t l l d i e d t h em e a s u r e st 0d e c r e 嬲et h eb 啪pa tt l l ee n do fm eb r i d g e w e r ec o n c l u d e d ，w l l i c hi r l c l u d e dt h eu s eo fl i g h t 矗1 1 i n g ，r e i n f o r c e n l e n t ，s o i l 曲a b i l i z e dw i l l i m ea n dm m s i t i o np a v e m e n te ta 1 t h es e t t l e m e mo fa l lo ft h ea p p m a c he n l b 幽e n t si nj i - h ee x p r e s s w a yw e r es u n r e y e d a i l dt h er e 弱o i l st 0t l l es e t t l e m e n tw e r ea i l a l y z e d t h es e t t l e m e n ta tt h eg r o u i l d ，t h et o po ft h e p a v 锄e i l ta 1 1 dt h ea b 咖e mw e r em e 嬲u r e df o rl o n gt i m e t h ed i s t r i b u t i o n so ft h es 甜l e m e n t o ft l l e 印p m a c h 锄b 幽e n ti nb o t h 仃a n s v e r s e 趿d1 0 n 西t u d i n a ld i r e c t i o n sw e r eg o t r e s u l t s a l s os h o w e dm a tm eu s eo fs o i ls t a b 订i z e dw i t h1 i i i l ec o u l dd e c r e a s et h es e t t l 锄e n to ft l l e a p p r o a c he i n b 幽e n t i l l es o i ls t a b i l i z e dw i t hl i m ei so f t e nu s e di nt h ea p p r o a c he i 】出a i l l 跚e r i t s t a t i ct r i a x i a l t e s t st oi tw e r ec o n d u c t e d i t sc u n ，eb e 觚e e ns 仃e s s 觚ds t r a i nw a w9 0 ta n di t sc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n sw e r e s e tu pw i t l ld 锄a g em e c h a i l i c sm e m o d t h ed y l l a m i ce l a s t i cm o d u l u s ， d y l l 锄i cd a n l p i n gr a t i oa 1 1 dp e r m a n e n td e f o n n a t i o no fm es o i ls t a b i l i z e dw i t hl i m ew e r ea l s o g t u d i e dt h r o u md y n 卸1 i c 仃i a x i a lt e s t s ，w h i c hp r o v i d e db a s i sf o r t h eu s eo fs o i ls t a b i l i z e dw i t h l i i i l ei na p p r o a c he m b 幽e n t k e yw o r d s ：b u m pa tm e 胁do ft h eb r i d g e ，印p r o a c h 锄b 幽e n t ，s e c 锄tm o d u l us o i l s ta _ b i l i z e dw i t hl i m e ，c u r v eb e t w e e ns t r e s sa l l ds t r a i n ，d 锄a g e ，d ) ，i l 锄i ct r i a x i a l t e s t 论文独创性声明 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，均已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： 睁。占年ft 只 sb 论文知识产权权属声明 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： 2 卯扩年，f 月仃日 加黾年ff 只f 占日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 改革开放以来，随着国民经济的快速发展，我国公路里程不断增加，道路等级也不 断提高。特别是近二十年来，国家在公路建设上投入了大量资金，高等级公路发展迅速， 截至2 0 0 7 年年底，全国公路总里程达3 5 8 3 7 万公里，其中，国道1 3 7 1 万公里，省道 2 5 5 2 万公里；等级公路里程2 5 3 5 4 万公里，占公路总里程的7 0 7 ，其中，高速公路 5 3 9 万公里，二级及以上高等级公路里程3 8 0 4 万公里，占公路总里程的l o 6 。作为 交通基础设施之一的公路交通，为经济发展、人民群众生活水平提高和和谐社会的构建， 发挥了愈来愈重要的作用。 但是，从高等级公路，特别是高速公路的运营状况来看，还存在着一些亟待解决的 问题，桥头跳车就是其中之一，主要表现为：差异沉降导致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，车辆通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，引发交通事故。以上现象与高速公路上车辆行驶的 快速、安全和舒适的要求，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中所占比例越 来越大，平均每公里有3 座之多，个别线路甚至达4 5 座公里。因此，桥头跳车已 经成为影响高等级公路建设与运营的严重问题。 对于通道，桥头错台的范围一般在台后5m 左右；而对于大中桥，一旦出现桥头错 台，则影响范围往往在1 0 m 左右或更长，有的甚至达到2 0 m 。通过对错台区的观察发 现，病害范围愈大，则路面沉陷及开裂的速度就愈快，反之则较小。 为研究问题方便，将正常路段与桥台相接的部分称为路桥过渡段。 为了防止桥头跳车，必须不断地对桥梁两端出现的沉陷、断裂等进行及时的维修处 理。修补养护难度大，需要花费大量的人力、物力和财力，给管理部门带来沉重的经济 负担和巨大的社会压力，并影响高等级公路的经济效益和社会效益的充分发挥。更为重 要的是，采用常规方法维修后不久，差异沉降可能又会继续出现，需要再进行维修；长 期的修补又可能无法根本解决问题，还有可能导致更为其它问题的出现，最后只能采取 结构性修筑来解决。 1 第一章绪论 根据美国运输研究院( t r b ) 的一份调查材料的估计，在美国大约有1 5 万座公路 桥不同程度地存在着桥头跳车问题，联邦政府每年要将1 亿多美元花在维修这类跳车路 段上，而且经常在两三年内又需要重新修补，但是仍然很难使路况恢复得完好如初【l 】o 因此，桥头跳车问题已经严重影响了高等级公路的行车舒适性和安全，成为高等级 公路运营中亟待解决的问题，结合工程实际对此进行研究，具有重要的工程意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桥头跳车产生的原因 桥头跳车主要是由桥台和引道路堤之间的差异沉降引起的。一般情况下，桥台的沉 降很小，而引道路堤沉降较大，从而在两者之间造成差异沉降。 造成引道路堤沉降的原因主要有： ( 1 ) 路基本身的沉降变形 桥涵两端的路基填方通常较高，且桥头路基的施工一般是在桥台工程完成和一般路 段的大部分路基成型以后才进行，因此在桥涵两端的作业往往工期紧迫、土方量集中而 施工面有相对狭窄，给施工带来许多困难。 由于作业面狭窄和靠近桥台端墙的这部分填土平面形状不规则，大型压实机械很难 作业。当缺乏适宜的大型压实机具时，常常采用小型机具压实或人工夯实的方式，密实 度往往难以达不到要求。 同时，由于过水或跨线的要求，桥头路基一般较高，路堤除承受行车荷载外，还承 受较大的自重应力( 特别是路基下部土体) ，当路基的压实度不足时，路基就会发生较 大的固结变形。 此外，在桥台与引道之间发生差异沉降以后，路堤顶部还受到车辆的冲击荷载作用， 导致路基发生动力固结。 ( 2 ) 地基的沉降 桥涵通常位于沟壑地段，地形起伏较大，地下水位一般较高。同时，桥头路基填筑 高度一般较大，产生的基底应力相对较大。因此，台后的地基沉降比一般路段要大。 ( 3 ) 支座和防护工程的移动 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。 ( 4 ) 局部沉陷 2 长安大学硕士学位论文 路堤与桥涵构造物的连接部位有的设计了接缝，但经长时间使用后由于行车荷载和 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，容易造成雨水和融雪水沿裂缝渗入，对路面结构层和土基产生浸润、 浸蚀和冲刷等作用，可能导致各种细料的流失以及结构层与土基含水量的增加，从而造 成路基强度下降和局部沉陷。 除了桥头处的差异沉降外，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 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。 1 2 2 桥头跳车的处治措施 针对引起桥头跳车的几个主要原因，国内外研究人员通过多年的研究，已经找到了 一些解决桥头跳车问题的思路和方法。 从桥台材料的角度来看，台墙是用刚性很大的坚石砌筑或钢筋混凝土浇注而成，属 ， 刚性体；而路基一般是用柔性的土填筑而成，是弹塑性体。显然，路基与桥台之间存在 着较大的刚度差，为克服此刚度差引起的变形差，使路基与台墙之间部分的变形为渐变 形式，即路堤填土塑性变形相对差在这一范围内以逐渐变化的方式过渡，使得任一点的 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。 从理论上讲，实现台背回填的“刚柔过渡 有两种方法，第一种方法是台背回填范 围内使用能从路基土刚度渐变到台墙刚度的变刚度材料，实际工程中这种方法的可操作 性较低：第二种方法是使用刚度介于路基土与台墙材料之间的某种材料，但沿长度方向 变化其厚度，即使台背回填远薄近厚，从而实现台背回填的“刚柔过渡。 由于桥头处结构突变是造成桥头路面错台和剪切破坏以至引起跳车的主要原因，因 此，为消除和减少结构突变的影响，应使两种性质不同的体系在抗垂直变形能力上平滑 过渡。为达到该目的，在结构设计上使路面面层下的结构由间断的对接形式变为过渡性 的局部搭接形式，从而增加邻近桥台处的路面结构厚度，降低应力值，提高路面抗变形 能力。 如何减小台背处塑性变形相对差是解决台背处路面沉陷或断裂的关键。台背回填的 压实度要求只是缩小台背处塑性变形相对差的一个方面，压实度相同的不同材料，在同 一荷载作用下的塑性变形不同，强度小、刚度低的材料塑性变形大。即使采用强度小、 刚度低的材料，并达到了规范规定的压实度要求，在较大荷载作用下仍可能产生较大的 塑性变形，而当这个塑性变形相对于台墙的变形差值达到一定程度时，路面即出现沉陷 3 第一章绪论 或断裂。因此，除保证台背回填的压实度要求外，还应对台背回填材料进行有针对性的 设计，选用强度较高、压缩性小、刚度较大的材料，以缩小台背回填与台墙的塑性变形 相对差。 国内外的相关文献资料显示，工程上尝试过在路桥过渡段中采用土工合成材料，以 降低过渡段回填物的总沉降和不均匀沉降。实践表明，使用土工加筋材料使过渡段的填 土形成一刚度较大的复合体，能够将土体自重和交通荷载分散在较大面积上，其目的一 是减少过渡段的沉降；二是将台背与路堤交界面处的台阶或跳跃沉降，变成为连续的斜 坡式沉降；三是通过降低台背处路堤的剪应力，限制剪切区域的变形。 挪威国家道路研究室经过二十余年的试验研究和十余年的使用实践，在解决桥涵台 背填土问题上，采用一些轻质填料，如成块膨胀聚苯乙烯( 泡沫塑料) ，对降低桥台背 路基沉降取得了显著效果。同时还有采用泡沫混凝土、陶土颗粒以及泡沫苯乙烯等工程 塑料作为桥头填料的，与轻质材料具有相似的优点。 有文献表明，在多种土质条件下，只要精心施工，浅桩基础或扩大基础也可有效缓 解桥头跳车问题的影响。 国内曾提出将桥与路基作为一个工程，设想不设置桥台，将桥梁系统的悬臂梁置于 可随路基一起下沉的枕梁上，边墩上设可降调式支座。当桥头地基发生沉降时，枕梁亦 随之沉降，在桥头地基沉降达到悬臂梁的最大挠度之前，调整边墩的支座高度，以达到 路沉桥也沉的目的。 杭甬高速公路等工程中，采用了先进行路堤填土预压，待达到设计固结度后再开挖 土方、修建桥涵通道的方法，以减小差异沉降。这种做法的效果较好，但工程耗资较大， 施工周期较长。 在一些低等级的道路上，为防止桥头跳车，也有采用预沉法两次铺筑路面，分期修 建和采用不等厚式路面，使桥与路连接处尽量平顺。 当然，在台后设置桥头搭板，也是常用的防止桥头跳车的有效措施。在我国高等级 公路的发展过程中，桥头搭板得到了广泛的应用。桥头搭板是连接桥梁与路基的一种构 造物，它一端支承于桥台上，另一端通过枕梁( 或直接) 与路基相连。设置桥头搭板， 是使刚性桥台向柔性路基逐渐过渡的一种有效措施。国外对此也有研究。h w | o n g 和j s m a l l 专门做了模型试验分析路桥过渡段倾斜搭板对路面变形的影响。 1 2 3 沉降计算和预测方法 地基的沉降是土力学研究的一个重要对象，以太沙基的一维固结理论为始，关于地 4 长安大学硕士学位论文 基沉降的计算方法可谓层出不穷。把所有这些以获得地基最终沉降量为目的的方法进行 分类，可以分成三类：一是基于理论假定、公式推导的解析方法；二是基于单元划分、 程序计算的数值方法：三是基于实测沉降资料的推算方法。 ( 1 ) 解析解法 分层总和法是最常用的解析方法，这种沉降计算方法参数很少，计算方便，在实际 工程中运用最多。由于其假定土体为均质弹性体，所以其精确度不是最好。 计算地基最终沉降量s 的分层总和法公式为： s = 丛。= ，日， ( 1 1 ) 式中：蜗一第i 分层土的沉降量，m ： e 一第i 分层土的压缩应变： 珏一第i 分层土的厚度，m 。 分层总和法有多种表达形式，其核心就是将计算深度范围内各土层的压缩量进行叠 加而成。分层总和法中的应力计算一般采用b o u s s i n e s q 解来求解。 固结沉降理论是太沙基在1 9 2 5 年提出的，适用于饱和软土。其计算公式为： & l = 砩& ( 1 2 ) 式中：一地基在某一时刻的沉降量，m ； u 卜地基在某一时刻的固结度； & 一最终固结沉降，m 。 地基最终沉降量为： 孓咯一& + s z ( 1 3 ) 式中：一瞬时沉降，m ； & 一主固结沉降，m ； & 一次固结沉降，m 。 可以直接用弹性力学公式进行计算。& 相对于& 一般很小，可忽略。不过对于软 土地基，其所产生的工后沉降不可忽略。固结沉降量计算中要考虑排水路径、固结系数 及时间等参数的影响。 ( 2 ) 数值解法 有限单元法是工程界运用最多的数值解法。该法将计算结构划分成多个单元，保证 变形协调和连续，计算方程式为 k 】 6 ) = r 。采用虚功原理或变分方法由单刚矩阵形 成总刚度矩阵 k 】，边界条件的处理形成荷载矩阵 r ，从而求解结构变形。这种方法计 5 第一章绪论 算参数较多，计算量大，一般在计算机上予以实现。近些年来三维有限元方法在工程计 算中应用比较广泛。 边界元法、神经网络法及遗传算法是近几年发展起来的新兴科学方法。边界元法与 有限元法相类似，但形式及计算处理方法上不同，在地基沉降计算中的运用目前还不多。 神经网络法和遗传算法都是模仿人类神经网络的分析、继承和传递功能以及生物进化中 的遗传、变异功能来进行数据处理和计算的。 ( 3 ) 推算方法 所谓推算方法就是指根据现场实测沉降资料对地基的最终沉降量进行预测的方法。 公路软基技术规范推荐的方法有四种：双曲线法、沉降速率法( 指数法) 、星野法及 三点法。在实际运用中，二次多项式法适用性较好，该法和三点法都只需要路堤恒载后 的三个实测点即可。无论哪一种预测方法，都需要实测沉降值准确以及选用推算的沉降 点合理。这几种方法的表达式如表1 1 所示。 表1 1 沉降推算方法汇总表 方法公式 备注 双曲线法 耻趾盎 仅、彳、k 、彳0 、彳t 、彳2 均 为待定参数；埘为综合修正系 指数法 s ，= 卜，扣 s 。 数；阢为f 时的固结度。 星野法 弘瓯等 三点法 s 。= 如若誊篙产 二次多项式法 s ，= 彳o + 彳l f + 彳2 f 2 ( 4 ) 沉降计算方法概述 目前为止，对于路堤沉降问题已形成的计算方法中，分层总和法、太沙基一维固结 理论、比奥固结理论非线性本构模型的有限元计算以及实测沉降过程线推算沉降量等方 法均已获得了较大的发展。其中分层总和法作为各种规范推荐的方法用于计算地基总沉 降量具有计算概念明确、方法简便易用的优点：比奥固结理论作为反映饱和土体固结问 题的真三维固结理论能较为准确的表达土体的变形一时间特征；邓肯一张非线性本构模 型对于反映土体变形一荷载特征也具有较好的模拟性。利用实测沉降一时间过程线推算 最终沉降量及工后沉降量，当观测时间充分时，也有较大可靠性。 6 长安大学硕士学位论文 以上几种方法互为补充，己成为软土地基路堤沉降计算的较为常用的方法。而且随 着工程实践的发展，这些方法都有所创新。 然而由于软土自身特有的复杂性质，这些沉降计算方法至今还有许多问题有待研 究。例如分层总和法计算总沉降量时，修正系数的考虑；各种土体本构模型运用时，土 体性态参数的确定；实测沉降过程线推算沉降时其随机性所依据的理论依据等。这些问 题得路堤沉降估算的准确性尚无法得以较好的解决，更使得动态设计方法无法在工程实 践中得以很好的运用。因此在工程计算中，各种分析计算和推测方法的综合运用、相互 对照补充是非常必要和可行的方法。 本文用分层总和法为基础，利用割线模量来计算桥头处引道路堤的沉降。 综上所述，路桥过渡段的差异沉降问题得到了工程技术人员的广泛关注，开展了大 量的研究工作，并取得了许多研究成果和宝贵经验。但由于该问题的性质和各地实际情 况不同以及其他各种原因，桥头跳车问题还影响着公路建设和运营，存在着迫切需要解 决的问题。结合当地实际情况，开展相关研究，有效减轻差异沉降和桥头跳车的影响， 具有重要的现实意义。 1 3 主要研究内容和技术路线 台背填土质量的好坏，直接影响到整个路桥过渡段的使用性能，由于工程实际中， 路桥过渡段的设计、施工受到许多因素的影响，应考虑到具体工程中桥头跳车问题的一 般性和特殊性。论文在理论分析的基础上，结合工程实践及室内试验，对台背填土的沉 降规律进行研究分析。通过对已有资料、现场调查资料的归纳分析，对路桥过渡段的设 计方法和施工质量控制进行了分析和总结。另外，对石灰土的静、动力学特性进行了试 验研究，为工程实际应用提供了依据。 论文的具体研究内容和技术路线如下： ( 1 ) 路桥过渡段沉降分析 结合实体工程，采用固结试验对素土和石灰土的压缩性进行分析和对比。针对素土 和石灰土的压缩曲线均符合双曲线的情况，以分层总和法为基础，采用割线模量法计算 土体压缩量。 ( 2 ) 路桥过渡段沉降调查与现场测试 对济荷高速公路全段路桥过渡段的沉降状况进行全面细致的现场调查，并分析路堤 沉降产生的原因。对试验工点的原地基、路面项部和桥台进行长期的沉降观测，以得到 7 第一章绪论 研究引道路堤工后沉降沿纵横向的分布规律及验证用石灰土进行换填对减小工后沉降 的有效性。 ( 3 ) 路桥过渡段路基路面结构设计与施工技术研究 通过归纳分析国内外文献，并结合工程实践，对路桥过渡段路基路面结构设计和施 工技术进行研究；并分析轻型填料换填、力学加固路堤、石灰土换填和设置过渡段路面 等减轻桥头跳车的措施。 ( 4 ) 石灰土静、动力学特性试验研究 由于石灰土是进行桥头引道换填的重要材料，通过静三轴试验获得其应力应变曲 线，并推导其本构方程：另外，还通过动三轴试验对压实石灰土的动模量、动阻尼比和 塑性累积变形进行研究，以为工程实际应用提供依据。 长安大学硕士学位论文 第二章路桥过渡段路基沉降分析 为了分析研究桥台台背后不同填料对路基沉降量的影响，论文结合实体工程，采用 固结试验对素土和石灰土的压缩性进行了分析和对比。针对素土和石灰土的压缩曲线均 符合双曲线的情况，提出计算土体压缩量的新方法。 2 1 用侧限割线模量法计算土体压缩变形 许多行业设计规范和教材中对于土体变形的计算，仍按照基于常规压缩试验的传统 方法进行，但传统方法的计算模型是以e 尸或p 。培p 曲线形式表示的，限制了其在计算 机上的应用。 根据土力学原理，在一般工作荷载作用下，土的变形主要是土孔隙体积的减小。传 统土力学用孔隙比p 和垂直荷重p 的关系表示土的侧限压缩特性，物理概念十分明确， 在科研分析和一些工程计算中也十分方便，例如采用孔隙比表示土体的密实程度和渗透 特性等，具有独特的优越性。但是在土体变形计算中却显得不十分方便，主要是因为侧 限压缩时量测的是土的垂直变形和垂直压应力，但资料整理时却换算成土的孔隙比e 和 垂直压应力p 的关系。换算环节中需用到土的天然密度，天然含水量纨和起始孔隙比 等物性参数。而这几个参数本身带有测试误差，换算中又会带来计算误差，尤其是 对压缩资料的整理影响最大，而且在土体变形计算中，还必须把已转换成p ，p 曲线的关 系，再还原为垂直压缩应变和垂直压应力的关系，对变形计算来说，是进行了一次不必 要的转换，增加了测试和计算误差。影响常规变形计算的原因还在于e p 曲线无确定的 数学模式表达，仅以图表形式提供的资料，限制了其在计算机上的应用。另外，p 。k p 曲线虽可用数学模式表达，但一般工程的荷载又难以全部在其应用范围内，从而也限制 了它在计算机上的应用。 因此，解决常规变形计算问题，应首先从实验数据分析方法考虑。 2 1 1 侧限压缩割线模量分析法 侧限压缩条件下土样在某级荷载作用下的稳定变形为墨，若土样未加荷载时的高度 为日0 ，定义2 击为土样在级荷载作用下的侧限压缩应变。常规试验资料分析法将 不同只作用下的土样变形整理为相应的孔隙比 第二章路桥过渡段路基沉降分析 q = 一s 盯( 1 + ) ( 2 1 ) 本文根据大量试验资料分析，将同样的试验资料直接整理成钆p 。关系曲线，且用 双曲线函数模拟，即s 酊p ，关系为 铲忐 ( 2 2 ) p 定义e ，耐= 为土侧限条件下垂直变形的割线模量，则式( 2 2 ) 可转换为e ，耐只 ，盯 的直线方程，即 p e 吖= l = 彳+ 础 ( 2 - 3 ) 6 酊 式中：s 为侧限压缩条件；f 为荷载等级数；d 为割线模量的割线起点( 为p = 0 时 的只曲线原点) ，以区别p p 曲线中的割线斜率位于任意只两点间的情况；彳 和b 为试验参数。 2 1 2 使用，硝的土体分层沉降计算法 当在任意荷载只、只( 最 _ 只：p = 只一只) 作用下，相应的应变为s ，。和g ，：，且 令s ，= 占，2 一s j l ，又根据式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可知占j f = 争，综合上述关系有 峨弘：_ 一= 去一丢= 警 眨4 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 4 ) ，经推导可得 s ：型坐坐刍! 丝丝! 。 e 叫巨d 2 ：墨丝墨丝二墨丝二生丝 e 。l e m ( 2 5 ) ：掣：蚴：l p e s 叭es 0 2 e s 叭es 0 2 e s 叭es 0 2 根据土力学计算土体变形的分层总和法思想，若某一土层的厚度为皿，附加应力 为p ，则该土层的沉降为 越她弘r = 去蝴， c 2 刖 长安大学硕士学位论文 总沉降为各分层沉降之和。式中：瓦。为相应于自重应力为鼻时的割线模量，e 。：则 取相应于自重应力加附加应力为只时的割线模量。 很明显，由于式( 2 3 ) 为用试验参数彳和召表达的数学关系式，用式( 2 6 ) 计算 变形是非常方便的，尤其对于电算。通过本文的方法与传统分层总和法计算土体变形的 比较发现，本文所提的方法计算简单，速度较快，而且其计算结果不受初始孔隙比的 影响。 2 1 3 新参数与传统压缩系数的关系 在新模型中，可以定义口为准压缩系数 万：刍! 二垒：堡( 2 7 ) 最一日 p 将式( 2 5 ) 代入式( 2 7 ) 可得 石：堡：丝( 2 8 )口= = = k 厶6 ， pe s 口1 es 0 2 根据式( 2 1 ) 有气：阜三鱼，则 i + p 峨2 嚣一薏2 嚣嵩 旺” 将式( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) ，式( 2 7 ) 变为 p 万：堡：生鱼 ( 2 1 0 ) 醋醋 而传统的压缩系数口= 一盖，去掉负号时 口：竺 ( 2 1 1 ) 口= 一 k z 1 l ， 断 比较式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可得 口= 石( 1 + e o ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 即为新参数万和传统参数口的关系。该式非常重要，因为按传统的p 尸 资料分析法，工程上常用口来评价某土压缩性的大小，用口。一：反映土压缩性大小的数值 范围已写入有关规范。启用新参数后，需有和传统观念的衔接问题，则用式( 2 8 ) 计算 出的万，用( 1 + p o ) 修正后在数学概念上和口是等价的，但因为的测试和计算误差的影 第二章路桥过渡段路基沉降分析 响，在数值上并不一定完全相等。 2 2 石灰土和素土压缩试验研究 压实石灰土不仅广泛应用于路基处理，还常用作公路的基层和垫层。另外，用压实 石灰土来换填路桥过渡段的路堤，以减少桥头的差异沉降已成为预防和减轻桥头跳车的 一项有效措施。计算路堤的压缩，必须用到压实石灰土的压缩曲线；但是目前对压实石 灰土的研究仅局限于加固机理方面，尚未见压缩试验方面的报导，更不要说压实度、石 灰掺量和龄期等对压缩变形的影响了。 本文通过击实试验求得各种石灰掺量石灰土的最大干密度和最佳含水量，并对不同 压实度、石灰掺量和龄期的压实石灰土进行压缩试验，为压实石灰土路基的设计和沉降 计算提供了理论依据。 2 2 1 试验简介 试验用土取自济荷高速公路，其主要物理指标见表2 1 。采用熟石灰，灰土比为干 灰与干土的质量比；压实度分别取9 0 、9 3 、9 5 、9 8 和1 0 0 ；石灰掺量( 质量 比) 分别取o ( 素土) 、6 、1 0 、1 4 、1 8 和2 2 ；龄期分别取7 d 、1 4 d 、3 0 d 、 6 0 d 和9 0 d 。 经电动击实试验确定素土和不同石灰掺量的石灰土的最佳含水量、最大干密度，如 表2 2 所示。 从表2 2 可以看出，随石灰掺量增大，最大干密度减小，最佳含水量没有明显的规 律性。采用最佳含水量，按照不同的压实度，在压力机上成型压实石灰土试件( 为保证 上下均匀，分五层进行压实) ，然后将试件置于恒温、恒湿养生箱中进行养生，达规定 的龄期后进行压缩试验。 表2 1 试验用素土主要物理指标 颗粒比重 液限塑限塑性指数各粒组含量 o 0 5 o 0 5 o 0 0 5 3 0 时，对于一般土来说是不可能的，因而要求c 。 3 0 时， 应对地基进行特殊处理，如换填土、粉喷桩技术等。 ( 2 ) 土基 桥头过渡段土基必须密实、稳定和均质。对影响土基强度和稳定的地面水和地下水， 必须拦截或排出路基以外。一般要求填土处于干燥或中湿状态，过湿状态或强度与稳定 性不符合要求的潮湿状态的填土，必须经过处理。 填土必须有足够的压实度，其压实标准应符合现行规范的规定，考虑台背回填的重 要性，建议填土压实标准与基层压实标准相同，即为9 5 。 3 3 第四章路桥过渡段路基路面结构设计与施工技术研究 表4 1 地基土不排水抗剪强度指标 。相应的路基高度而( m ) 、c 。( k p a ) 而67891 01 11 2 5 0 c h 3 1 13 6 34 1 54 6 75 1 95 7 16 2 3 67891 01 11 2 1 0 0 c h 2 3 82 7 83 1 73 5 73 9 64 3 64 7 6 67891 01 l1 2 1 5 0 c u 1 7 72 0 62 3 62 6 52 9 53 2 43 5 3 ( 3 ) 垫层 垫层材料应以就地取材为原则，一般可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等粒料 以及水泥或石灰煤渣稳定粗粒土、石灰粉煤灰稳定粗粒土等。为防止软弱路基污染粒料 底基层、垫层或为隔断地下水的影响，可在路基顶面铺设土工合成材料隔离层。 垫层最小厚度为1 5 c m 。其宽度应比基层每侧至少宽出2 5 c m ，或与路基同宽。 ( 4 ) 基层和底基层 基层、底基层应具有足够的强度和稳定性，在冰冻地区还应具有一定的抗冻性，半 刚性基层应具有较小的收缩变形和较强的抗冲刷能力。 基层、底基层材料原则上应与正常路段所用材料相同，以方便设计和施工。基层材 料一般可选用水泥稳定级配碎石、水泥稳定砂砾、二灰稳定碎石、二灰稳定砂砾以及水 泥粉煤灰等综合稳定集料。底基层材料一般可选用石灰稳定集料、水泥土、二灰土、石 灰土、水泥石灰土、级配碎石、砂砾等。 ( 5 ) 搭板 路面与桥梁相接处，可根据公路等级、使用要求和经验选用设置搭板或不设置搭板。 桥头设置搭板时，搭板的埋置深度、坡度、厚度与长度，搭板与桥台的连接方式， 搭板的配筋，是否设置枕梁等均应根据工程具体情况认真设计。 搭板下加强层的厚度一般不小于2 m ，长度一般超过搭板1 m ，加强层材料同底基层， 对高填方路堤应适当提高。实践证明，对整个台背填方作加固处理是防止桥头路基沉降 的有效措施之一，建议从土基到基层的压实度均按9 5 要求。 如果不设置搭板，桥头可铺筑过渡性的混凝土预制块或沥青路面。同时，对台后填 筑作周密设计和认真施工，对填料和压实应有更高的要求。 ( 6 ) 面层 3 4 长安大学硕士学位论文 沥青层只起平顺路表及磨耗层的作用，因此，面层与正常路段结构及厚度相同。 4 1 3 搭板设计 从国内外高等级公路的修筑经验来看，设置搭板是防止和减少桥头跳车的有效措施 之一。 ( 1 ) 搭板型式和埋置深度 搭板分为等厚、变厚度和台阶型三种型式。 搭板埋置深度可分为高置式、中置式和低置式。高置式时搭板顶面与桥台顶面齐平； 低置式时搭板的远台端顶面在路面基层之下，有利于路面铺设；中置式时远台端搭板顶 面在路面面层与基层之间。 三种埋置深度主要应根据路面结构来选择，高置式钢筋混凝土搭板象水泥混凝土路 面那样直接承受车辆荷载，故适用于沿线为水泥混凝土路面时的情况。当引道为沥青混 凝土路面时也可以使用高置式搭板，但此时影响行车舒适性的主要是搭板与沥青混凝土 路面衔接部位存在的局部凹陷和错台。因此，沥青路面宜采用中置式或和低置式。由于 中置式施工便利，故采用较为普遍。 ( 2 ) 搭板长度 搭板长度的确定考虑以下四个条件：沉降后搭板纵坡变化值小于最大容许值； 搭板长度应跨越台后破坏棱体的长度；搭板长度应跨越填土前预留缺口的上口长度： 搭板受力有效长度必须保证。一般地，前面的和条件比其余两个条件对搭板长度 的要求更严格，故建议从搭板沉降纵坡变化值和跨越填土前预留缺口两方面来确定搭板 长度。另外，由搭板的动力响应分析可知，板长越长，对搭板的受力就越有利。一般来 说，搭板长度不小于5 m ，中小桥为6 8 m ，大桥为8 1 2 m 。 ( 3 ) 搭板宽度 在日本、原联邦德国和加拿大等国，搭板的两侧与缘石边缘相齐，并用柔性材料隔 离。国内做得较窄，一般搭板边缘距缘石边缘约o 5 m 。由前面的搭板动力响应分析可 知，随板宽的增加，位移虽略微增大，但两方向板底最大弯拉应力减小。另外，当搭板 较窄时，车轮有可能行驶在搭板的纵向边缘，对搭板的受力极为不利。因此，建议搭板 宽度与桥面宽度相等。 ( 4 ) 搭板厚度 由前面的搭板动力响应分析可知，随着板厚的增大，位移略有减小，但两方向板底 最大弯拉应力略有增大。具体地可以根据板顶的位移反算确定板厚，板底弯拉应力可由 3 s 第四章路桥过渡段路肇路面结构设计与施工技术研究 板底配筋解决。考虑国内实际情况，推荐小桥搭板厚度为2 0 3 5 c m ，大、中桥搭板厚 度为3 0 4 0 c m ，且板厚应与板长相协调，即随板长的增加，板厚亦相应加大，有条件 应根据搭板顶面位移计算确定。 ( 5 ) 搭板与桥台连接 搭板的近台端置于桥台上，搭板与桥台通过锚筋连接，并在搭板与桥台接缝中填入 沥青玛蹄脂防止水分渗入。搭板的远台端搁置在路基上，路基沉降后搭板会产生纵向滑 移。因此，必须在台顶与搭板之间设置锚栓，并对远台端处地基进行加强处理，减小局 部沉降。为了方便维修，在搭板的近台端设置检查孔和灌浆孔。 ( 6 ) 枕梁 对于是否设置枕梁，国内曾有人研究后认为枕梁布置在搭板尾端对于搭板受力没有 影响。但王秉纲、胡长顺研究认为，枕梁设在搭板尾端对于控制板底弯拉应力是不利 的，它可使板底最大弯拉应力增大约三分之一，如果板端枕梁附近一定范围内板下地基 处理不当，将发生局部下沉，造成二次跳车。但是，枕梁可以将搭板传递下来的荷载分 布到较大面积的地基上，还可以增加搭板的横向抗弯刚度，故加设枕梁却是有利的。有 关资料表明，枕梁下的路基内设置碎石桩或水泥石屑桩，可以改善枕梁及其下部路基土 承载能力，减少该处沉降。经实践检验，这种处理方法效果显著，而所需费用不大。因 此，搭板可做成不设枕梁和设枕梁两类。若设枕梁，将其分为设和不设碎石桩或水泥石 屑桩两类。对上述三种情况应在实践中进一步检验其优劣。 ( 7 ) 搭板配筋设计 根据搭板底面的最大弯拉应力进行搭板配筋设计。考虑构造要求、搭板实际受力状 况的复杂性、重载交通的作用及路基的不均沉陷等因素，建议在实际设计中，应结合工 程要求，适当加大主筋的直径和减小主筋间距，并采用双层配筋。 4 1 4 不设置搭板时桥头路基设计 目前，国内高等级公路在大中桥处均设置搭板，但若搭板一旦破坏，不仅严重影响 车辆的正常通行，而且施工难度大、维修费用高。从上个世纪七、八十年代，以来德国、 意大利等国在桥头处不设置搭板。由于引道和桥台两者的刚度的差别是造成桥头跳车的 一个主要原因，因此一种有效的处治方法就是改善桥台后路基的整体刚度，使其尽量向 刚柔过渡，故所用的材料经常为柔性向刚性过渡的过渡材料，半刚性材料最合适，粒料 次之。陕西境内的西三公路、机场东线、西阎高速等均将桥头引道用半刚性材料进行了 换填，经过长期的使用观测证明效果良好，有效地减少了差异沉降。当然，在这种情况 3 6 长安大学硕士学位论文 下，必须采取有效的措施保证台后的压实度，完善台后的排水设施。 若忽略桥台边界条件的影响，则进行结构分析时引道和普通路段没有区别。但引道 还需考虑沉降问题，由路基沉降分析可知，压实度的提高能有效地提高素土的压缩模量， 但由于其基数太小，所以，素土压实度纵然达到9 5 ，其最终沉降量也较灰土大得多， 因此，对高填方桥头路基不宜过多采用素土填筑。同时，在轮重所引起的应力与路基土 自重所引起的应力的比值为1 5 时，某些重车荷载作用下的路基工作区深度最大可达 2 9 m 。故考虑到因路基沉降引起桥头跳车的严重性，建议在不设置搭板时，桥头高填方 路面结构采用无机结合料，其底基层厚度应不小于3 m ，底基层及素土压实度均要求为 9 5 。 4 2 路桥过渡段路基路面施工技术研究 4 2 1 搭板设置 ( 1 ) 搭板设置方法 搭板的设置方法一般有四种：方法一( 图4 1 ) ，在搭板长度范围内，在车辆荷载作用 下，路面的厚度逐渐变化即刚度渐变，但这种方法给实际施工带来很大困难。方法二是 将图4 1 中搭板与面层顶面平行，搭板顶面标高可以与桥面面层底标高相同，或与正常 路段基层项面标高相同。它的特点是克服了方法一的不足，而且又有效地解决刚柔过渡 的问题。方法三( 图4 2 ) ，具有方法一和方法二的优点，图中的b 值应根据实际情况经 计算而定，一般不小于8 c m 。第四种方法是预留反向坡度，即搭板与桥台连接处标高一 致，而与路面连接端则高于设计标高，形成一个预留的反向坡，坡度大小根据路桥之间 的沉降差而定，此法的关键在于考虑路线纵断面平顺的前提下，确定沉降差和预留反向 坡度。 图4 1 搭板的设置一 3 7 第四章路桥过渡段路基路面结构设计与施工技术研究 图4 2 搭板的设置三 ( 2 ) 搭板与桥台的连接 锚栓 搭板的近台端置于桥台上，为了防止搭板沿纵向滑移，造成桥头处凹陷，通常在搭 板与台背之间布设竖直锚栓( 图4 3 a ) 和水平拉杆( 图4 3 b ) ，一般采用巾2 2 钢筋， 间距7 5 8 0 c m 。前者有时易造成搭板或牛腿被拉裂而破坏，后者与限制位移的方向一 致，故效果较好。 支座 搭板近台端的下面，常铺设