软土地基桥头跳车成因及工程防治措施研究.doc

软土地基桥头跳车成因及工程防治措施研究奚健 肖志荣（杭州市城建设计研究院有限公司 杭州 310001）（浙江科技学院建筑工程学院 杭州 310000）【摘要】本文从软土地基的基本定义着手分析了高等级公路产生桥头跳车的主要原因，并详细叙述了软土地基处理过程中采取的一些方法，包括，换填法、超载预压、袋装砂井排水法、塑料排水板、水泥粉喷桩复合地基等常用方法。最后通过工程实例介绍了各种处理桥头跳车方法的实际应用。本文所介绍的桥头跳车的防治措施及具体工程应用实例,可为类似工程提供有益参考。【关键词】软土地基桥头跳车软基处理 处治措施0 引 言公路、铁路都是线形带状的特殊人工建筑物，不可避免地经过不同的地质地区，特别是在沿海地区，由于软土地基分布广泛，在公路、铁路桥涵施工使用中，普遍存在一个问题，即路面在台背回填处出现不同程度的沉降断裂(沉降值一般为1030 cm，有的甚至超过60 cm)，使车辆通过时产生跳跃和冲击，形成桥头跳车问题，它一直是困扰桥梁工程技术人员的难题之一，既直接影响行车速度，也影响了行车的舒适与安全，甚至造成行车事故，而且由于车辆的高速行驶在桥头产生跳动和冲击，对路面和桥梁产生附加的冲击荷载加速桥台、桥头路面及桥梁伸缩装置的破坏，也加快了车辆本身的损坏，直接影响了公路的使用寿命和社会效益，因此如何解决高等级公路桥头跳车问题已成为刻不容缓的大事。1 软土地基的基本概念 所谓软土是软弱粘性土的简称，是第四纪后期形成的海相、泄湖相、三角洲相、溺谷相和湖沼相的粘性土沉积物或河流冲积物，有的属于新近淤积物。它一般是在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物、化学作用形成的。其中最为软弱的是淤泥和淤泥质土。 这类土的特点是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小。在荷载作用上，软粘土地基承载能力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，而且沉降稳定历时比较长。在比较深厚的软粘土层上，结构物基础的沉降往往持续数年乃至数十年之久。软粘土地基是工程实践中遇到最多而需要进行人工处理的地基，它广泛地分布在我国东南沿海及内地。2 软土地区桥头跳车原因分析2.1地基土质不良造成的沉降桥涵通常位于沟壑地段，地下水位较高，且多属软土。此类土天然含水量大于液限，天然孔隙比大，常含有机质，压缩性高，抗剪强度低，在软土上填筑路基，便极易产生沉降(包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降)。同时，桥头路基填筑高度较大，产生基底应力相对较大，在车辆荷载作用下，更容易引起地基沉陷，且变形稳定历时往往持续数年乃至数十年。就是在一些稳定地基，在外荷作用下，也不可避免出现这个问题。 2.2台背填料压缩引起路基的沉降 台后填料一般为渗透性材料，存在着多孔隙，施工中采取任何措施也难将填料颗粒间的孔隙完全消除。在车辆荷载和自身重力作用下，填料迅速压缩，孔隙率降低，便在短时间内产生压缩沉降，造成跳车。因此，压缩沉降主要取决于填料性质、施工条件及台前台背的防护排水工程的设置等情况。在工程实践中，就是施工时工序符合要求，压实度达到要求，但台后填土较高，随着时间推移，也会产生不可避免沉降。有时台后填土荷载对基底产生附加压力，严重时会使桥台向后倾斜，发生不均匀下沉，危及行车安全。2.3 施工措施不当 当前一些施工队盲目追求高速度，没有严格按施工规程作业，台背填土速度过快，对地基造成扰动和破坏，没有充分时间固结，对台背挡土墙等构造物挤压力大，施工时没有按分层填筑、分层碾压、分层检测“三分法”施工。用料没有把好质量关，排水措施没有做好，压实度没有达到要求。这些人为因素使高填土引道不稳定，工后沉降大，且不均匀，也是造成跳车现象主要原因之一。2.4 刚柔突变引起的沉陷跳车刚度不同的路面在跳车处所产生的振动效果不同，柔性材料对能量的吸收要比刚性材料大。而桥台由于巨大建筑作用，加上基础处理较好，一般认为沉降已经完成，相对于路基而言，沉降可视为零，而铺装层压缩也不大，属刚性体；而与结构物桥台相连的道路，具有刚性较小柔性较大的特性，属弹塑性体。显然，道路与结构物桥台之间存在着较大的刚度差，这个刚度差的存在必然引起道路与结构物桥台之间产生较大的塑性变形相对差和较大的刚度突变，势必增强桥头跳车的振动效果。2.5 桥台结构与引道衔接设计不周 在基底未作彻底处理，而沉降还未稳定时，应周详考虑桥台结构与引道衔接，在没有质量保证情况下，不应该直接浇砼板。大桥两侧引道，通车后两侧引道沉降是长期的，如先设过渡性路面，使路堤沉降基本完成后再改铺原设计路面，情况会好一些。设计时也应处理好桥梁与引道路面接缝问题，避免接缝损坏而造成跳车3 桥头跳车病害防治措施探讨3.1 地基处理处理好台后软弱地基是控制桥头跳车重要措施。目前对桥头软弱地基处理，现在国内有换填法、超载预压、袋装砂井排水法、塑料排水板、水泥粉喷桩复合地基等常用方法。就目前情况看，水泥粉喷桩复合地基加固软土效果明显，施工工期短，但费用高；超载预压一般可利用施工荷载作为软基预压荷载，但施工工期较长，剩余沉降量也大；塑料排水板法加固效果好，工期较短，施工简单，经验较为成熟，是目前处理软基较为常用方法。我们要根据当地实际情况，加以应用，使地基承载能力满足设计要求。受造价约束，一般情况可设置过渡性路面，加强养护补强措施，待沉降后再改铺原设计路面，常用过渡性路面有预制水泥砼块、沥青过渡层等，都是解决好桥头跳车有效办法。3.1.1置换及拌入法（换填法） 如果软土层排水条件差，厚度不大于1M，土质为淤泥或含水量较高时，可将软土层挖除一定厚度，换填渗水性好的材料如砂、砾石、片石、卵石等，并可参加一定剂量的水泥、石灰等，提高软土地基强度，也就是我们经常采用的换填石灰稳定土，片石混凝土等方法，一般换填的厚度为30-100CM，石灰稳定土时，白灰的剂量应不低于6%；掺加水泥的剂量应不低于4%。换填土相对来说造价高，但可以节省工期。这种方法是我们平原地带经常应用的，同时相对来说在技术指标上也比较保守。3.1.2 堆载预压法该法是在工程建设之前用大于或等于设计荷载的填土荷载，促使地基提前固结沉降以提高地基的强度。当强度指标达到设计要求数值后，缺陷去荷载，修筑公路路面。经过堆压预处理后，地基一般不会再产生大的固结沉降。堆载物一般用填土或砂石等散粒材料。施工填筑时采用分层分级施加荷载，从而控制加荷速率、避免地基发生破坏，达到地基强度慢慢提高的效果。该法施工简单，不需要特殊的施工机械和材料，但软土的排水固结时间较长，因此工期一般较长。公路工程上常先期对路基进行堆载预压，再利用修筑桥梁的时间使其慢慢固结。如施工时间允许，可单位使用；如工期紧，可结合其它方法一起使用。3.1.3采用袋装砂井排水法加固桥头软基袋装砂井排水法是在普通砂井的基础上发展起来的一种软土地基处理方法，它是普通砂井的发展和提高。相对于普通砂井，此法用砂量少、施工方便、快捷。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，它的布置一般采用梅花形。理论和实践表明，袋装砂井的间距是影响固结速率最重要的因素之一。在附加荷载一定的条件下，井距愈小，固结愈快，井距愈大，固结愈慢。所以，在用袋装砂井处理软土地基时，原则上采用“细而密”的方案。主要施工工艺程序：整平原地面机具定位桩管沉入加料压密拔管机具移位。由于施工机械的影响，井距也不宜太小。井距太小，易使砂井周围的土受到扰动，地基土强度受到一定程度的削弱，并增加一定数量的沉降，而且还会使土固结系数降低，一般袋装砂井的间距以1.0-1.5m为宜。当然具体工程要根据软土的特征和施工期限的要求，计算确定。目前，袋装砂井排水法在公路工程中应用得最广泛的一种方法。这种方法一般不单独使用，往往结合砂垫层、土工布、堆载预压或其它方法一起使用，效果更好。对于砂源丰富的地区，使用袋装砂井法处理软土地基，易于保证质量，费用也较低。3.1.4 塑料排水板法 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。作用原理与袋装砂井相同，设计方法也基本相同，只是所用材料不一样而已。塑料排水板是由芯体和滤套组成的复合体，或是由单一材料制成的多孔管道板带，目前国内厂家生产的多为宽10mm，厚4mm的带状有横槽的塑料板，其外包有土工布。其主要施工工艺程序：整平原地面摊铺下层砂垫层机具就位塑料排水板穿靴插入套管拔出套管割断塑料排水板机具移位摊铺上层砂垫层。与袋装砂井比较，塑料排水板具有施工速度较快，效率高，施工机械轻便，对软土地基的扰动较小，可工厂化生产，抗折能力较强等优点。因此近年来在软土地基中得到广泛应用。该法可单独使用，但为加速排水固结，减少后期沉降，一般都配合堆载预压或超压施工，使地基土的有效应力增大、抗剪强度和承载力及稳定性都得以提高。其特点是施工简便快捷，造价较低，但效果比上述两种类型略差，仍存在少量工后沉降。3.1.5 采用水泥粉喷桩复合地基加固桥头软基该法属加固土桩类型，主要适应于软弱粘性土。喷粉桩法的正式名称为粉体深层喷粉搅拌法，是胶结法处理软土地基的一种。它利用水泥或石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，就地在软土中利用压缩空气喷射石灰或水泥干粉，与软土强行搅拌，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理-化学反应，使软土固结成具有整体性、水稳定性和一定强度的地基，以达到提高地基承载力、减少地基沉降量的目的。该法是本世纪60年代由日本和瑞典分别开发的软土加固新技术，其主要施工工艺程序：整平原地面钻机定位钻杆下沉钻进上提喷粉(或喷浆)、强制搅拌复拌提杆出孔钻机移位。它具有施工速度快，设备轻便，便于移动，方法容易掌握，处理深度较大等优点，具工后沉降较小，排水固结时间短，尤其可较好地解决桥头跳车现象。同时施工过程中路基填土速率不受限制，且无振动、无污染，对周围环境及建筑物无不良影响，近年来已在各地高等级公路得以广泛应用。其最大优点是工后沉降小，缺点是造价较高。3.2 桥头路面处理考虑桥台与台背路面在结构、材料、刚柔、胀缩等方面存在的差异，为了在其纵、横向都能平顺逐渐过渡，可采取以下措施：3.2.1设置枕梁和搭板枕梁和搭板根据不同情况应采取不同的布设方式：(1)桥梁为正交时，搭板预制安装，板顶浇6cm厚30号钢筋或钢纤维砼铺装层，在搭板与砼路面相接处设置胀缝，在与搭板邻近的23块路面的板缝连续设置胀缝。(2)桥梁为斜交时，除用钢筋砼搭板和铺装层整体现浇完成以外，还另设钢筋砼渐变板。 渐变板的块数视桥梁斜交角度大小而定，大于70 、7045和小于45。时分别设1、2、3块板或以上，并考虑受力关系，其短边应5m，长边10m， 搭板按简支计算配筋，渐变板按构造钢筋位于板面下1/31/2板厚范围。实践证明采用此措施还应考虑到：(a)搭板 的长度确定至关重要，一般采用5m长搭板为佳，且其长度与路堤填高成正比，并与土基状况有关；(b)搭板 按简支板进行内力优化并配筋，面层按构造钢筋配筋，但在荷载作用于搭板时，板下路基会起到一定的 支承作用，尤其当枕梁下沉时，部分搭板更受到路基支撑，使板顶产生局部拉应力，对这种复杂的受力过程 ，设计时难以确定，故配筋与实际会有出入，枕梁按弹性地基梁计算，其关键问题在于确定地基(路基)反力 的分布规律，而截止到目前关于弹性地基结构计算的各种理论都只是部分地、不同程度地反映地基的实际性 质，只在一定范围内比较符合实际，故对于不同计算方法的适用范围应予特别注意；(c)搭板顶面设置何种铺装层，设计时应考虑当其出现沉陷时需要使用的修补材料、修补方法，并结合实际情况及相关问题，进行 处理以达到满意效果。3.2.2 设置变厚式埋板对沥青砼路面，在桥台连接处增设变厚式水泥砼埋板，对水泥砼路面，则将连接处的路面板改为变厚式。在搭板、埋板或变厚式板下，为保证连接部位的刚柔层次在水平和垂直方向均渐次变化，宜采用强度及回到弹模量均高于土基的路面结构层材料，以提高该部位的整体受荷和抗冲能力，利于减小错台幅度，调整不均匀沉陷。3.2.3 路面类型过渡桥头不均匀沉降原因多，且难于根除，为此应根据桥涵的长度和接线填方长度在桥头一定长度范围内铺刚性过渡层或沥青过渡层对桥头路面接缝进行处理。(1)桥梁与水泥砼路面间的接缝处理不好常形成错台，产生桥头跳车，使板局部遭到破坏，可采用图1所示形式连接处理。其可基本消除面板因温度应力挠曲变形而产生局部应力，进而减小板底结构的不均匀沉陷导致的错台，并实现板底由半刚性向桥台刚性过渡的设计要 求，避免了因局部薄弱而产生的病害。图1 桥梁与水泥混凝土路面接缝处理(2)桥梁与沥青路面的接缝，往往由于该处沥青路面难以碾压密实产生沉陷、错台或沥青路 面受推移造成拥包，可采取图2所示处理措施加以解决。图2 桥梁与沥青路面的接缝处理(3)水泥路面与沥青路面间的接缝，亦可采用类似处理措施得到解决。4工程应用实例4.1平阳经济开发区某桥该桥桥头地段，地表1.6m以下有厚约20m的淤泥质粉质粘土，采取以下处理措施，以避免桥头跳车。(1)在路面底至地面垂直距离H1.5m处，采用粉煤灰填筑路堤。因粉煤灰质轻，透水性好，后期强度高，可有效降低地基应力，减少软土地基沉降。同时路堤竣工后沉降量小，使桥头的沉降差减小 。(2)在3m的桥头高路堤地基中做水泥加固粉喷桩。根据地基强度及路堤(或挡墙)完工后容许的剩余沉降量要求，确定桩长915m，间距1.5m。(3)桥头设置搭板，桥头路堤剩余沉降量虽控制在10cm内，但仍出现与桥头错台，因此经在桥头设5.5m长钢筋混凝土搭板。通车三年后营运情况良好。4. 2 温州梧田大道某桥该桥为桩基重力式桥台，摩擦桩长25m，台后路堤设计高度5.5m。施工时台后预留底宽9m，顶宽15m的缺口，架桥后用级配砂砾石填料并经振动碾压回填，其路堤先于缺口56个月填筑完成。当台后路基将填筑到设计高度时，离台面12m处出现有若干0.51.5cm宽、贯通路基并继续发展的横向裂缝。原因是在其地表1.0m以下有新近沉积厚约2.5m的高压缩性淤泥质粘土。因其变形量大，沉降持续时间长，缺口处路堤完工后沉降将超过10cm，遂决定采取处理措施。基于靠近路基下卧软土层的厚度相对不大，填料系属透水性材料，采用超载预压。(1)根据地基、路堤稳定性允许的堆载时间，超载比取50%。(2)由确定的超载比反算地基和路堤的稳定性，得出最小安全系数K=1.18。(3)超载预压设边桩、沉降板进行观测，15h后测得路基堆载总沉降量1213cm，因此采用措施产生了效果。(4)分格计算沉降观测数据，得出剩余沉降量约为2.1cm，确定桥台背设置8m长搭板，可以调整沉降差异。通过上述处理措施该桥通车至今无跳车现象。4. 3 同三线高速公路平苍段某桥梁该桥与路线正交，原设计桥台背采用5m钢筋混凝土搭板一端置于桥台盖梁，另端搁置路基枕梁与水泥路面相接的处理方法，但效果不理想，仍存在跳车。为此先后考虑采用以下方案进行补救。(1)预设枕梁处计算沉降量，抬高枕梁标高、施工，以待其下沉回复，但竣工运营一年未能如愿。分析原因在于沉陷数据计算难于与施工实际中质量控制因素相吻合。(2)拟在枕梁下预设安放千斤顶的空间，搭板按设计标高施工，待其完成后在日后沉陷时将千斤顶置入枕梁下的预留空间顶起填塞，使梁恢复设计标高，但如此实施难度较大，且预计处理后的路面平整度较差。(3)仍按设计标高完成搭板施工，在其上铺筑沥青面层，如此若日后枕梁下