公路桥头沉降的成因及处理方案.docx

浅析公路桥头沉降的成因及处理方案摘要：本文就桥头沉降的成因进行了分析，包括软土路基处理不当、台背填料压实不足、桥头搭板设计欠妥、刚柔突变引起沉陷等，同时就不同的处理方案进行了阐述。关键词：公路桥头；沉降；成因；方案1 前言公路和桥梁在国民经济发展中扮演着重要的角色，但同时也有一个常见的道路病害依旧未得到彻底解决：公路桥头不均匀沉降。沉降后路面在台背回填处出现沉陷或断裂，容易引发桥头跳车现象。而且随着高速公路的迅速发展，人们对行车的快速、安全和舒适的要求越来越高，即对公路的质量要求越来越高。公路桥头沉降严重影响公路使用性能和运输效益的发挥，不仅影响人们行车的舒适性，甚至还有可能造成严重的交通事故。因此如何防治公路桥头不均匀沉降问题，已引起公路建设行业的重视。本文将分析公路桥头沉降的原因，并提出相应的防治措施。2 桥头差异沉降的成因分析桥头差异沉降的产生和行成的原因是多方面的，包括地基地面条件、填料、施工材料以及设计、施工等多方面的原因。2.1 桥头及台后填方地基的受力与沉降变形分析不同的区域地质情况有着较大的差异，作为桥台及台后填方地基的地层岩性状况也千差万别，如基岩（岩浆岩、沉基岩、变质岩）地基、黄土地基、软土地基、冻土地基、盐渍土地基、膨胀地基等等，除基岩（指次坚石以上的岩类）地基外，其他类型的地基一般情况在桥台及台后填方的作用下，均要发生不同程度的沉降或竖向固结变形，所以设计对地基必须进行加固处理，如采用扩大基础或桩基础等，以保证地基的稳定性。桥台及台后填方的地基一般情况为同一性质或同一类型的地层，但从目前情况看，仅对桥台地基进行加固处理设计，而对台后填方路段下的地基一般不进行加固处理设计。桥台和台后填方是两个性质不同的结构体，虽然桥台作用在地基上的压力大于台后填方，但由于桥台基础一般都进行了加固处理，所以一般不发生竖向沉降变形。而台后填方的基础一般不作加固处理，其竖向沉降变形都远大于桥台下的地基变形，由于地基的这种差异变形，反映到上部，就出现了桥台顶部和台后填方段的差异沉降。2.2 台后填料受水浸侵蚀及变形分析桥台一般由浆砌片石和钢筋砼砌筑，在桥台和台后填料之间或者锥坡部位，大气降水易沿路面锥体下渗，下渗水对桥台一般不产生破坏作用，但对土体填料易产生侵蚀和软化，特别对于填方体压实度不够，产生侵蚀和软化，降低强度，从而导致填方体变形。对砂砾石类填料，从填方横断面看一般填方体中部为砂砾石，两侧为土类，这种结构只利于水的下渗，而不利于水的横向排泄。对未加固的地基来说，填方体中部压力大，向两面侧边坡的压力逐渐减少，从而使地基产生凹形沉降变形。当水沿砂砾石下渗到地基后，下渗水不易快速排泄，从而软化地基，并加速地基的变形。2.3 台后填料压实度分析靠近桥台处填方体的压实度很难达到设计规范要求，这也是一直困扰设计和施工的难点。目前在设计上和施工中主要采用强夯、人工夯实、填筑砂料等方法和措施。对于轻型桥台，重型压路机靠近桥台进行压实，但振动压路机可能破坏桥台的结构；而对于“U”型桥台，重型压路机难以靠近，从而使靠近桥台部位的填方土体不易达到设计和压实度要求，造成桥台与台后填方差异沉降。3 桥头差异沉降的主要原因通过以上分析，可得知桥头产生差异沉降的主要原因有：3.1 软土路基处理不当桥头沉降很大部分原因是由地基土质不良造成的。桥涵通常位于沟壑地段，土基常年浸泡在水中，此类土天然孔隙比和含水量较大，而且压缩性高、渗透系数小、抗剪强度低，在此类软土上填筑路基，极易产生沉降。而且桥头路基的填筑高度通常都较大，使得基底所承受的附加应力也较大，再加上车辆荷载作用，更容易产生地基沉陷，且沉降会持续较长时间。在施工图的设计上也易出现问题，如对地基的探测以及物理力学性质研究出现偏差，导致软土路基处治方法不当或处治遗漏。3.2 设计考虑不周在设计方面，通常存在两个考虑不周的地方：3.2.1 压实度设计设计人员有时对施工过程中如何便于碾压考虑不周，对于填料的要求不严格，台背排水考虑欠佳。桥涵结构物两端的路堤，由于过水、跨线或通道的要求，一般填土都较高，低的3m 左右，高的可达10m 或更高，除了过水的桥涵两侧路堤往往浸淹，地基条件也较差，设计上对路基断面结构和边坡防护上有所考虑外，其它多数情况对高路基设计上并无特别的要求，如压实指标均与一般路基无异。但由于路基较高，在填筑以后受到自重和行车荷载的作用，路基土必然要产生竖向变形。3.2.2 搭板设计搭板结构常用于桥头过渡段，若搭板设置不当也易造成桥头沉降现象。这主要有两方面原因：（1）搭板强度不够，载荷作用使其断裂而引起桥头线形突变，造成局部沉降。（2）根据桥梁的长度，通常设置搭板长度为：大中桥8m，小桥及涵洞5m。而在施工中路桥间填土高度不一样，产生较大的相对沉降量，使得搭板长度不足以起到顺接作用。3.3 台后填料不当及压实不足台背填料选取不当和压缩不实也易引起路基的沉降。若选取的材料的强度不够或摩擦角过小，使得路基的承载力和抗剪切能力不够，在自身重量和外界载荷的作用下容易造成沉降。而台背填料又位于台背这个特殊位置，在筑路施工过程中不易被机械碾压到，很难将填料颗粒间的孔隙完全消除，很难使土基的压实度达到95%以上。这样一旦在公路自重及车辆的垂直荷载与振动作用下，便在一定期限内时填料逐渐被压缩，密实度逐渐增大，产生路基沉降。3.4 刚柔突变引起沉陷若路面的刚度不同，其在跳车处所产生的振动效果也不同，刚性材料对能量的吸收要比柔性材料小。由于结构物桥台是由钢筋混凝土浇注而成，整体刚度非常大，属刚性体；而与其相连的道路刚性较小，属柔性较大的塑性体。二者之间显然存在着较大的刚度差，这必然引起它们间产生较大的刚度突变和较大的塑性变形相对差，即引起明显的沉降现象。综上所述，桥头差异沉降形成的原因很多。而结构差异、设计考虑不周和施工控制不严等综合因素，导致了差异沉降的发生和发展。4 桥头沉降的防治措施4.1 对地基加固进行处理公路桥头沉降大多是由软土地基引起的，因此地基加固是处治地基的不均匀沉降最有效也是最关键的方法。对软粘土而言，可采用排水法来使其固结，如通过设置塑料排水板来改善地基的排水条件，使地基承受附加荷载后，大大加快排水固结过程，进而提高地基强度。对于软弱地基而言，除了常规的排水固结措施外，目前国内已有换土法、超载预压法、注浆加固法、深层搅拌桩法、振动碎石桩法和挤密砂桩法等方法。下面主要介绍深层搅拌法和注浆加固法在加固桥头软基中的应用。4.1.1深层搅拌法深层搅拌法常用来加固饱和黏性软土地基。目前应用最多的为粉喷桩，它采用专门深层搅拌机械设备，并借助于压缩空气，从中心轴处向四周的土体喷出浆体或其他粉体固化剂，土体与浆体经叶片搅拌结合并吸收周围水分，最后在深层软土中发生一系列物理变化和化学反应，形成一个整体的具有一定强度的优质复合地基，因而大大提高地基的承载力，减少工后沉降量。采用石灰粉喷桩加固软黏土时，石灰能吸收软土中的水分使土体中水分降低，并使土颗粒凝聚而形成较大的团粒，同时发生化学反应生成复合水化物，逐渐硬化后黏结在一起从而提高了地基的整体强度和抗剪切能力。水泥搅拌桩加固软黏土时，水泥在加固过程中会发生水解和水化反应，水化后生成的钙离子能与土粒中的钠离子交换，这些反应使土颗粒形成不溶于水的、并且具有一定强度的含钙化合物，从而提高软土强度。搅拌桩的设计内容主要包括：确定桩长，选择粉体固化剂类型及其掺入量；下卧层地基的验算；置换率和桩数的计算；桩位的平面布置。当利用深层搅拌法处理台后路基时，桩长及置换率应重点考虑。工程中通常路中央处的桩较长，路肩处较短，近桥台处较长，一般路段较短。经验表明，桩长在10m 左右较宜，置换率以15%-25%最佳。粉喷桩固结法适用于深层淤泥烂黏土地基，能明显的减少工后沉降，并且此工艺施工过程无振动、无污染，不会对对周围环境和建筑物产生影响，在软土路基处理中得到广泛应用。但此方法不适合处理有机质含量较高的软黏土，尤其是地层中含有硫酸的区域，而且在冬季施工时易受气温的影响。4.1.2注浆加固法注浆加固法就是将拌制好的注浆液用注浆泵压进需加固的回填体中, 把回填体空隙中的空气、水挤出, 注入的浆液通过充填、渗透、压密等作用进入回填体空隙中, 对回填体进行胶结; 同时在注浆液中加入一定量的微膨胀剂( 参量为1% 3% 水泥用量) , 通过微膨胀剂的膨胀对回填体进行挤实, 从而达到改善回填体的物理力学性能、提高其密实度和承载力的目的。注浆孔应按照位置的不同设置间距，边缘孔间距可稍小，中间孔间距可稍大。同时应按照填料种类、压实状态、浆液浓度等因素，按照渗透压密浆来计算浆液的扩散半径，确定合适的孔间距。当注浆成孔后, 将管壁交错开孔的内径为2cm的镀锌钢管放入注浆孔中, 管口周围用水泥封闭, 留出管头连接注浆管。注浆施工采用注浆泵进行静态注浆, 注浆时采用少量多次的方法, 密切注意观测路基周围是否有冒浆, 如果有应立即停止注浆,换一个较远的孔继续注浆, 并根据室内标准试验配合比试验浆液的初、终凝时间选择合适的间歇时间, 再回来注原来这个注浆孔。注浆采用注浆压力和注浆量进行双控, 注浆压力一般控制在0.20.5MPa; 注浆量应根据不同回填材料情况、注浆范围、浆液扩散、浆液配比等因素,估算出每孔的注浆量。当注浆量超出估算量较大时,应分析原因, 如果没有跑浆, 应继续注浆直到压力表读数很快上升时才停止注浆, 并补浆23次。正常注浆一般采用先稀浆后浓浆的注浆方法。注浆顺序先边缘后中间的方法, 并采取跳孔方式注浆。4.2 选择合适的台后填料若在台背回填区范围内使用土作为填料，由于其内摩擦角较小，若压实质量不好，易引起所填路基产生较大的沉降。在此范围内宜选用摩擦角大、强度高的填料，如岩渣、砾石、碎石、砂砾、石灰稳定土、水泥稳定土等，这些填料不仅压实速度快，通常还具有较好的透水性，能减轻雨水的危害，使从台背缝隙中渗入的雨水顺利的沿排水管或盲沟排到路基外，这样也有利于改善压实性能，使路基达到较理想的密实度。此外，为了减轻路堤自重以降低地基应力，可采用如粉煤灰等轻质材料，用粉煤灰填筑桥涵台背，可以有效降低地基的荷载，从而减少地基沉降以及路基对桥台的侧压力。4.3 提高台背材料的压实度选择好填料之后，对填料的压实也很重要。压实效果主要受这些因素的影响：含水量、碾压层的厚度、地基的强度以及压实机械的类型、碾压遍数等等。首先要测定填筑材料含水量，压实在最佳含水量的情况下进行以取得最好效果；如果土的含水量过大，可掺入适量的石灰或采用翻松晾晒来降低含水量；如果含水量过小，则可浇撒适量的水后再进行压实。其次，压实机械对一定含水量填筑材料的压实状态有很大影响。压实机械类型、压实遍数以及填土分层的压实厚度是由土的种类和压实度要求决定的，应通过具体试验来确定。施工过程中尽可能扩大施工场地，以便充分发挥一般大型填方压实机械的使用，认真施工，给予充分压实，在不能用大型机械压实的情况下，要用小型振动压路机或蛙式打夯机进行压实或进行强夯。4.4 设置完善排水设施排水设施对填方的稳定极为重要特别对靠近构造物背后的填料，施工前应做好排水使原地基排水固结必要时进行换填或打桩排水固结。4.5 土工格栅处理桥台涵背的填方土工格栅是一种抗拉强度较高的材料，具有良好的水稳性，对路基土粒间存在一定的约束作用。在土基中间加土工格栅形成加筋土，增强其抗拉强度，从整体上提高土体承载力和抗剪强度。加筋土的作用有：加筋土在承受荷载时，它与土体之间产生的摩擦作用能约束土体的侧向变形，增强承载力；加筋土能提高抗剪强度，相应的剪切变形较素土小；土工格栅使作用荷载均匀地分布在整个加筋土土层上，受力均匀，减小单位土体面积上压强，从而降低沉降的可能性。由此可见，在台后填筑中应用土工格栅能够有效降低土体受荷压缩变形，很大程度上缓解桥头沉降的程度。在施工土工格栅时，应首先挖开基坑砌筑构造物（桥台、通道、涵洞），将构造物砌到一定标高（至少高于地面线）。然后用砂砾或者其他材料把构造物两端场地整平，并充分压实并分层填筑砾石至构造物的砌筑标高。在构造物两端510mm范围内，铺一层土工格栅，把3080mm长的格栅伸入构造物内，然后再砌筑一层，把格栅的一端压入构造物中，压入长度至下而上逐渐减少即层与层之间剪切齿缝。砌筑时，压入层的砂浆一定要充分，背包石压紧格栅末端，不能留缝，以免影响层与层之间的粘结力，其余土工格栅用U型钉锚固在压实好的路基上，格栅最好用双向抗拉格栅，每层格栅的间距根据填土高度或按设计意图施工。在进行土工格栅施工时应该注意控制土工格栅的各项性能指标，由于它通常是由高密度聚乙烯材料挤压成型，在20以下时，其抗拉强度应满足横向不小于5kN/m，纵向不小于6kN/m，拉伸模量不小于100kN/m ；格栅层满足填土1.5m以内间距为40cm，1.5m 以外间距逐渐加大，下疏上密，长度由下而上按1:1的坡率增加。4.6 台后回填采用刚柔过渡段法结构物台后是用刚性很大的石块或钢筋砼浇筑而成，是刚性体，而路基一般是用柔性较大的土填筑而成，是强塑性体，显然路基体与结构物之间存在着较大的刚度差，这个刚度差的存在必然引起路基与结构物之间产生较大的相对变形差和较大的刚度突变。所以台后回填物应使用刚度介于路基土和结构物材料刚度之间的某种材料，并沿长度方向变化其厚度，也即台背回填与路基接头采用一定的倾斜角相连接，台后回填远薄近厚，使台后回填整体刚度沿路长度方向逐渐变化，从而实现台背回填的刚柔