桥头跳车处治技术研究 作者：杨晓华谢永利康佐 摘要：本文主要介绍桥头.doc

桥头跳车处治技术研究作者：杨晓华 谢永利 康佐摘要：本文主要介绍桥头跳车的处治技术研究成果0引言 改革开放以来，中国的公路建设取得了飞速发展，到2006年底，全国公路通车总里程已达348万公里，高速公路454万公里。其中在桥台构筑物与台后填土衔接处普遍存在差异沉降，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速度与舒适性，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。目前针对桥头跳车的研究多注重于工程实践，较少进行系统的研究，对处治方法的作用机理和适应性没有搞清楚，即使立题研究，也往往投入较少，只有宏观调查资料，而缺少试验分析结果，现场测试分析较少。因此，方法的推广应用就必然受到限制。 笔者协同其他研究人员依托交通部西部交通建设科技项目针对这些情况，由路桥过渡段的病害机理人手，深入剖析，对比了各种既往处治措施及其适应条件。并通过研制地基沉降模拟系统和动力加载模拟系统，利用大规模足尺模型试验等手段对路桥过渡段路基修筑技术进行了深入研究，提出了楔形柔性搭板处治新技术，归结了该新技术的适应性，展示了其工程实际应用情况。这些成果对路桥过渡段路基的设计、施工和病害治理具有重要的理论意义和工程实用价值。 1桥头跳车作用机理 11桥头差异沉降 桥头跳车现象产生的直接原因是刚性桥台和柔性路堤在荷载的作用下由于刚度的较大差异而引起的显著差异沉降。桥头跳车的表现形式主要有2种，一是桥头不设搭板时桥台与路堤衔接处的错台现象；二是桥头设置搭板时由于搭板路基端沉降引起的路桥过渡段纵坡变化。 虽然国内外对引起跳车的桥头纵坡变化率的认识有所差异，但一般可以认为，当桥头纵坡变化率大于36时，就会产生桥头跳车。 1.2桥头地基及路堤填土不均匀沉降 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2个方面。 121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。 122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95时，每米填土工后的沉降为05-10 cm。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。 2桥头跳车处治对策 2.1地基处治对策 地基处治的目的是改善地基性能，提高承载力和抵抗自然灾害的能力，增强地基稳定性，减少或消除路桥过渡段的不均匀沉降，缩小桥台与路堤的沉降差。从机理方面看，对软基进行处理就是要迅速消散下部软弱土层中的超静水压力，提高土颗粒间的有效应力，完成土体的二次固结过程。 针对不良地基的预防措施目前已有换土法、超载预压法、排水固结法、高压喷射注浆法、振动碎石桩法、深层搅拌桩、挤密砂桩等方法，但针对已有病害的地基处治缺乏比较系统的研究。而且很多预防措施在施工中没有严格按要求实施，例如抛填块石挤淤法碾压不密实、软土换填的厚度不够，经过多年运营之后由于块石的重新排列、软土的固结沉降，路基出现各种病害。 211常用的处治方法 (1)静压注浆法； (2)旋喷桩法； (3)树根桩托换法； (4)换填法； (5)混凝土挤密桩法。 212处治方法的适应性分析 地基处治的对象是岩土体，其最大的特点是复杂多变，没有一种方法是万能的，而且每种处治方法也有其优点和缺点，因此只有具体问题具体分析，才能对症下药，达到治理病害的目的。下面分别对不同土质地基的作用机理进行分析，从而选择合理的处治方法。 (1)软粘土地基 由于粘土相对来说没有较大的孔隙，因此可以利用劈裂注浆使浆液沿垂直于小主应力平面发生劈裂，浆液充填劈裂面，同时引起土体固结及挤出，可以大大提高土体的固结度，从而提高土体的抗压强度。也可以用压密注浆通过钻孔向土层中压人浓浆，在压浆点周围形成泡形空间，使浆液对地基土起到挤压密实作用。还可以使用电动化学注浆法，促使在通电区域的土中以高价金属离子代换钠离子，使土的含水量显著降低，并可使土内形成渗浆“通道”。若在通电的同时向土中灌注硅酸盐浆液，就能在“通道”上形成硅胶，并与土粒胶结成具有一定力学强度的加固体；对于含水量较高，且没有排水条件的软基，还可以采用置换法，如旋喷桩法、混凝土挤密桩法、电动化学法等。 (2)湿陷性黄土地基 凡天然黄土在上覆土自重应力作用下，或在上覆土自重应力和附加应力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的，称为湿陷性黄土。发生显著下沉的现象是湿陷性黄土地基的特性，然而这种特性会给结构物带来不同程度的危害，使路基及结构物大幅度沉降、路基纵向开裂，甚至还会引起路基边坡的滑坡和坍塌。随着中国西部开发战略的逐步实施，西北地区将成为大规模经济建设战略要地，黄土地区的工程建设将越来越多，对黄土，特别是湿陷性黄土地基处理技术的研究就显得尤为重要。当黄土作为结构物地基时，首先要判断它是否是湿陷性黄土，由于湿陷性黄土受水浸湿后土的结构迅速破坏，因此在处治上应以防水和改善土体的抗水能力为主。 (3)冲填土地基 冲填土的性质与所冲填泥沙的来源及淤填时的水力条件有密切关系。含粘土颗粒较多的冲填土往往是欠固结的，其强度和压缩性指标都比同类天然沉积土差。冲填土地基一般要经过人工处理才能作为建筑物地基。粉细砂含量为主的冲填土，其性质基本上和粉细砂相同或类似，因此在病害处理时可选用提高地基强度的方法。对于路堤填土较厚的冲填土可地基选用劈裂注浆、压密注浆法使浆液对地基土起到挤压密实作用；对于路堤填土较薄的冲填土，可开挖路堤后按一般的方法处理，如换填、强夯等。 (4)卵砾和块石地基 卵砾和块石地基多位于山区的河谷地段和断层破碎带，具有大空隙结构，随着上部振动荷载的重复作用以及地下水位的不断变化，卵砾及块石有可能发生重新排列从而引起地基的不均匀沉降。针对其具有大空隙性，可以采用渗透注浆法，通过浆液的填充和胶结作用来提高地基的承载力。 (5)膨胀土地基 膨胀土吸水膨胀、失水收缩，具有较大胀缩变形性能，且有变形往复的高塑性粘土。利用膨胀土作为结构物地基时，如果没有采取必要措施，进行人工处理，常会给结构物造成危害。处治时应与湿陷性黄土类似，以防水和改善土体的抗水能力为主。通常采用劈裂注浆、压密注浆、旋喷桩来提高土体的密实度，改善土体的抗水能力结合加强地面排水设施的处治方法，只在浆液的选取上略有差异。 路堤是承受和传递上部结构、汽车荷载的载体。路堤的沉降和变形直接关系到公路的正常运营，一旦发生破坏后维修比较困难。由于在施工中受构造物的影响，大型的压实机械工作面较小，难以展开压实工作。即使有足够的工作面可供大型压路机开展工作，也因压实过程中大吨位机械振动力太大，出于对桥台的安全考虑，一般也不允许在桥台背部位使用大型的压实机械进行压实。 因此，台背部位回填土的压实质量难以保证，加之该部位路堤施工又晚于其他正常路段路堤施工时间，相比较没有足够的时间完成固结沉降，因而在自重的作用下路堤的压缩沉降一般就比较大，这是引起路桥过渡段不均匀沉降的主要原因之一。过渡段处病害处治目的就是使路基与桥台间实现平稳过渡，由于考虑到公路的运营和地段的特殊性，在处治方法的选择上就会有一定的限制，总的原则是减少对周围稳定结构的破坏，工期要短且要快，尤其是对于高填路堤万不得已一般不会采用大开大挖，而小的填补又不能从根本上解决问题。那么针对目前的路堤病害具体应采取什么样的措施是本节所要论述的问题。 2.2.1路堤常用处治方法 (1)注浆法； (2)换填法： (3)托换法： (4)土工织物(图1)： (5)设置柔性桥台(图2)。 222处治方法的适应性分析 中国由于地质、地形变化较大，台背填土的材料和处治方法也较多，因此在病害处治时应对不同填料的路堤和施工方法采用不同的处治对策。 (1)对于山区公路的台背回填通常采用强度较高、透水性较好的块石或片石夹土回填，虽然块石和片石的强度较高，而且透水性也较好，但其不易压实，由于工期和资金的限制，多数路基未经过特殊处理，而且大量的资料表明，台背填土存在局部的大空隙结构。 在车辆荷载和自重压力作用下易发生重新排列，从而引起路基的不均匀沉降。因此对于可能具有大空隙的材料宜采用渗透注浆法，利用浆液充填大空隙，同时产生一定的胶结作用，从而达到限制路堤的沉降变形和增加其整体性，提高路堤强度的目的。 (2)对于孔隙较小的一般粘性土、粉质土路堤，根据其颗粒小，容易压密的特点，可采用压密注浆法、劈裂注浆法、树根桩托换法和旋喷桩法。但在方法选择的原则上又略有不同，对于路基发生了不均匀沉降的情况通常可采用压密注浆法和树根桩托换法，这样不仅可使路堤填土的密度增大，还可使局部下沉的路堤得到抬升。 (3)对于湿陷性黄土和膨胀土路堤可选用劈裂注浆法、旋喷桩法，因为该法不仅可以压密土体还可通过注人化学浆液改变土的物理化学性能。 3桥头跳车新型处治技术楔形柔性搭板 楔形柔性搭板是利用土工格室加固层新颖的立体结构和独特的加固机理，形成整体性好、刚度较大的柔性结构层，采用模量渐变原理：同时考虑地基和路基2个部分沉降因素，在路桥过渡段设置楔形加固区，柔性结构层一端固定于桥台，另一端与路基相连，实现刚性桥台与柔性路基模量的平稳过渡，消除过大的差异性沉降，形成平缓的沉降过渡段，达到防治桥台跳车的目的。 31楔形柔性搭板的结构型式 柔性搭板布置按桥台类型(重力式、桩柱式、肋板式)的不同而分为3种基本型式，见图3。 3.2楔形柔性搭板大比尺模型试验系统 路桥过渡段小比尺模型试验虽然也能部分揭示处治方法的作用机理和适应性，但由于受模型比例的限制，其边界条件、加载方式、路基填土特性、地基沉降规律及材料特性往往与现场实际相差较大。因此，小比尺模型试验很难定量分析处治方法的适应性。为了有效地模拟不同工况下的路桥过渡段，对比和分析不同处治方案对地基沉降的适应性，开展大比尺模型试验很有必要。地基沉降模拟和动荷加载模拟的研制是开展大比尺模型试验的关键环节，也是难点。要实现以上2项功能，必须要设计1个集合地基沉降系统、动力加载系统、控制系统及配套系统在内的大规模试验平台，对此，国内外尚无先例，其设计方案无成熟经验可资借鉴。因此，笔者协同课题组其他研究人员集合了多个相关专业的研究人员开展了联合攻关，在多方努力下不断探索，成功地克服了困扰大比尺模型试验平台的多个难题。模型试验的结果表明，大比尺试验平台各个子系统运行良好，完全达到了预期的目标和要求。 321系统规模及布设 大比尺模型试验采用1：1足尺模型，路基顶面宽为34 m，桥台填土高6 m，边坡坡率1：15，试验系统底面面积300 m2(15 m20 m)。其试验平台概貌见图4。 322试验系统组成 大比尺试验系统根据地基沉降和动载模拟的需要，由4大系统组成，包括沉降系统、支撑系统、加载系统和控制系统，见图5。 3.3楔形柔性搭板作用机理 土工格室加筋土不同于一般意义上的加筋土，在土工格室加筋土结构中，筋材面与大主应力作用方向是重合的：即土工合成材料面不垂直于大主应力方向。在土工格室中充填砂石或其他材料，则土工格室与填料所构成的这种复合体，其抗拉、抗剪强度和整体性远远高于无筋土。若将这种复合体视为传统意义上的加筋材料，则加筋面即为水平面，土与“加筋”的接触面也为水平面，这种加筋土结构与一般意义上的加筋土结构相同，而土与“加筋”的接触面即为土与土的接触。因此，在这种加筋土结构的受力变形过程中： (1)土与土的摩擦与粘着提供了较大的摩擦系数与粘着力，产生了较大的摩擦力和抗拔力。 (2)土工格室提供了较大的抗拉强度，以满足防止发生拉力破坏的需要。 (3)土工格室与充填于其中的填料共同工作，相互作用，土工格室对填料提供了较大的侧向约束作用，格室侧壁对其中的填料产生了向上的摩擦支承力，从而形成一个具有较大抗拉强度与抗剪强度的复合体。 3.4楔形柔性搭板适应性分析与工程应用 341适应性分析 土工格室柔性搭板处治措施，其适应范围较土工格栅更为广泛。由于土工格室本身就能对所填材料施加一定的侧限，所以对填筑材料没有过多的要求。 此外，土工格室具有“网兜支撑效应”，对地基附加应力有一定的消减作用，因此其对地基的要求也较土工格栅低。土工格室处治效果与其和填料组成的复合体的模量有很大的关系，一般来说，填料的模量越大，复合体的模量也越大。 342工程应用 大量调查资料和文献表明，目前中国已建高等级公路桥头跳车病害十分普遍。随着高等级公路建设的加快，桥头跳车带来的潜在危害、经济损失及不良社会影响，已引起公路建设单位和技术人员对此问题的高度重视，并开展了不少研究，提出了很多新方法和新措施。 但常见的处治方法由于作用机理的差异，都存在一定的适用范围和局限性，故目前桥头