注浆加固技术在桥头跳车病害防治的应用_图文

1、西南交通大学硕士学位论文注浆加固技术在桥头跳车病害防治的应用 姓名:李博申请学位级别:硕士专业:建筑与土木工程指导教师:李远富;唐承平20050901南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1页 摘 要桥头跳车是由于构造物与台背路堤不均匀沉降引起的,是高速公路 “八大”通病之一,如何减轻或者消除桥头跳车,己成为高速公路建设中 亟待解决的课题。本论文首先查阅了大量国内外文献资料,在此基础分析了桥头跳车的 危害性:通过对桥头过渡段病害的调查,分析了桥头跳车的原因,研究了 桥头跳车的机理;在此基础上,从地基处治、台背路堤、路面处治等方面 研究了桥头跳车综合防治技术,并介绍了它们的处置机理和施工要点。 渗

2、透注浆是通过注浆压力,是浆液克服阻力渗入到土体孔隙或岩体裂 隙,就地凝固而达到加固或减少渗漏的注浆方法。本文研究了压力注浆技 术的理论基础及加固机理,对压力注浆的设计内容进行了研究,对目前工 程界的施工进行了总结,并对施工中常见的问题提出了解决方案。最后,结合注浆技术在南充广元高速公路路桥过渡段路堤加固工 程的应用,设计了施工方案,总结了施工经验。在研究加固效果检测方法 的基础上,用钻孔取芯法、复注法和声波检测法三种不同的方法对加固路 堤进行了检测,检测结果表明施工质量达到设计要求。在此基础上提出了 桥头过渡段填料注浆加固效果检测的方法和标准和适用条件。旨在为广大 工程建设者在类似的工程中提供

3、一些参考。关键词:高速公路;桥头跳车;不均匀沉降;台背路堤:压力注浆南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1l页 AbstractAbutment bump iS generated by nonunifonn settlement between structure and embankment of behind abutlnent,itS one of the eight main commonon faults of freeways.How to alleviate or eliminate abutment bump has been a desiderate problem to

4、be settled in freeway construction.Combined with the treatment to behind abutment in NAN.GUANG expresshighway project,and based on a large amount of reference to literatures and data at home and abroad,this paper analyzes the harmfulness of abutment;Throughinvestigations of transition sections at br

5、idgehead,the reason ofabutment bump is analyzed.Longitudinal gradient change,slab staggering and depression, transversal slope are three manifestation of non.uniform settlement;According to the style of non.uniform settlement,mechanism of abutment bump iS analyzed;Theoretical analysis shows that fou

6、ndation deformation settlement and deformation compress of embankment fillings are two parts of emballkment settlement of behind abutment and calculation methods of the two deformation settlement are derivated.The relatonship between degree of compactio,depth of fill and settlement iS researched.On

7、the principles of comport and security control standard of non.uniform settlement is put forward;on this base,integrated control techniques to abutment bump are researched at aspects offoundation treatment embankment andpavement treatment of behind abutment anddrainage measures,etc,foundationtreatme

8、nt measures such as replacement method,heavily ramming method and limefly ash mixed gravel pile method are put forward;Treatment measures to embankment of bridge behind abutment such as geogrid method,heavilyramming method and lineny ash mixture replacement method are presented; Treatment measures t

9、o pavement of behind abutment such as setting bridgehead butt plate and use of transitional pavement are put forward;Improve measures tO drainage of behind abutment are presented.Key words:Express highway:Abutment bump:Nonuniformsettlement:Embankment of behind abutment:Pressure casting南交通大学工程硕士研究生学位

10、论文 第1页 1.1研究背景与现状第1章绪论桥头跳车历来是公路建设中较为常见的一种路基病害问题。桥头跳车 是指道路与桥梁台背的衔接区域出现的路面或搭板变形、断裂,甚至坑 槽,从而影响了高等级公路的正常使用和人们对高等级公路的总体评价, 同时也严重影晌了行车的安全、速度、舒适及其使用寿命【l】。从技术上理论 分析,刚性桥台在车辆和自身荷载作用下其自身可认为无变形产生,只有 少量由于地基固结和压缩变形引起的整体沉降。而柔性路堤除了地基沉降 外,本身在雨水、温度变化、荷载等作用下还将产生较大弹塑性变形。这 样桥头路堤与桥台之间就会产生沉降差异,如果这个沉降差异值超过了某 个极限,就会产生跳车现象【2

11、J。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范 (JTJ01796例规定。高速公路和一级公路桥台与路堤相邻处容许工后沉 降不大于10cm。一般来讲,对高速公路上行驶的车辆来说,按100 120Km/l】的速度,5cm的沉降差就会产生严重跳车并可能引发交通事故, 3cm沉降差行车有明显的不舒适感。桥头跳车成为公路建设与运营中普遍且复杂的问题,它涉及路堤沉 降,引道填筑材料,桥台及其基础类型,桥梁的结构型式,桥梁与路基工 程接缝段的处理,桥头搭板,路面以及施工方法等诸多因素的影响。在我 国,每年修筑的桥梁成千上万座,而经调查,处于运营中的桥梁台后普通 存在着搭板断裂和不均匀沉降,最终导致桥头跳车现象的产

12、生,交通部门 每年为解决桥头跳车的耗费(包括由此带来的高等级公路停止营运或边处理 边营运以及发生交通事故造成的经济损失相当惊人。为此,许多学者对该 问题从不同的角度进行研究,甚至在交通部及多数交通厅都对该问题立项 研究。由美国国家公路合作研究计划委员会、国家公路及运输联合会、联 邦公路管理委员会及国家研究委员会运输理事会联合资助的桥头跳车研 究,在查阅了已有的相关文献(其中包括从48个州的72个公路工程师收回的 调查表后分析并提出了引起桥头跳车的原因。在其它国家,有关行业的学 者及公路交通部门对桥头跳车病害的问题都在积极地采取有效的方法或措南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2页施进行预防或工

13、后整治。“八五”以前,我国的公路建设主要以等级较低的公路为主,由于行 车速度较低,桥梁少,桥头跳车现象并不突出。改革开放以来,我国的高 等级公路建设正以前所未有的速度迅猛发展,至2001年底,国内己建成高 速公路1.9万多公里,今后10年,我国高速公路将突破3万公里,与此同时, 我国的汽车工业也呈现出高档化、高速化的发展趋势。由于高等级公路线 型标准高,桥涵、通道等构造物较为密集,车辆行驶速度高,这样,高等 级公路桥头跳车问题就变得十分突出。1.2桥头跳车的危害性由于结构物与台背的不均匀沉降,致使路、桥过渡段出现不同程度的 台阶,从而使路面平整性受损,严重影响了公路的使用功能,其危害性分 述如

14、下【4】【5】【6】【71。(1影响行车速度当车辆行至桥头台阶处,为防止车辆的剧烈冲击跳动,司机被迫刹车 减速;同时车辆颠簸、跳动也影响了行车驱动力的传递,使车辆的行驶速 度受到不同程度的影响。车速降低幅度视桥面类型、台阶高度、车辆类型 和行驶速度等而异。根据己有的调查,台阶对车速的影响一般呈如下规 律。较小的台阶高度对车辆行驶速度影响不大,只有当台阶达到一定高 度时,对车速才有显著的影响。台阶越高,特别是达到4cm以上时,对车速 影响很大。车速的损失与车辆的行驶速度有关。以较小的车速(低于60kin/h行 驶时,一般减速幅度较小:中速(60-80kin/h行驶时减速幅度较大;而当以 较高速度

15、(高于80hn/h行驶时,减速幅度则相对不大,但跳车比较严重,同 时这与司机行驶时看到台阶和作出反应有关。台阶对不同类型车辆行驶的影响也不相同,如较高台阶对小汽车行 驶的影响较大,而载重车对台阶不如空车敏感。其次,司机的心理状态、 对道路的熟悉程度等都对通过台阶时速度的降低有不同程度的影响。(2影响行车安全当车辆通过路桥过渡段的台阶处时,车辆产生跳动和冲击,使乘客感南交通大学工程硕士研究生学位论文 第3页到颠簸不适,影响行车的舒适性:同时对驾驶人员产生相当不利的心理影 响,严重时则会影响其对车辆的正常操作,造成车辆失控,引起行车事 故。在国内曾多次发生因桥头跳车严重而造成翻车事故。(3影响车辆

16、运营费用因跳车而不得不在桥头频繁减速,以减轻汽车的颠簸,无论减速行驶 还是颠簸现象的发生,都对汽车机件造成不同程度的损坏和轮胎的磨耗; 同时汽车行驶速度的不稳定,无形中既浪费了燃料,又增加了废气的排 放:另外,还增加了车辆的行驶时间。因此,桥头跳车的出现,提高了车 辆的运营成本。(4影响公路养护费用及使用寿命台阶的存在使得车辆通过时产生跳动和冲击,从而对桥梁和路面造成 附加的冲击荷载,加速桥头路面及伸缩缝的破坏。为了维持良好的使用状 况,对路桥过渡段出现的台阶要进行及时的维修与养护。不断的维修养护 不仅花费了大量的人力、物力和财力,而且也产生了不良的社会影响。 国内外资料表明,因桥头跳车而增加

17、的道路准修费用大得惊人。如美 国大约25%的桥涵(约150000座桥涵、通道等构造物受到桥头跳车的影响, 全国每年为此花费的维修费用预计高达1亿美元以上。同样,我国在桥头跳 车的维修治理方面耗资巨大,若按湖北武汉宜昌高速公路统计推算, 全国高速公路年均维修治理过渡段的费用至少在1亿元以上【8】9】【10】。由此可见,桥头跳车病害的发生使高等级公路不能达到高效运营、安 全行驶、节省投资及舒适乘车的目的,在很大程度上降低了高等级公路的 服务水平,损害了公路使用者的效益,从而严重影响了高等级公路的经济 效益和社会效益。因此防治桥头跳车病害势在必行。1.3桥头跳车的常规处理措施桥头跳车产生的原囱是复杂

18、多变的,实际工程中针对具体工程问题采 取防治措施。根据现行的公路路基设计规范(JTJ013-95”和公路路基旌工 技术规范(.JTJ033-95“,桥台台背填料应采用砾(角砾类土、砂 类土等透水性材料填筑,填筑范围为:台背填土顺路线方向长度,顶部为 距翼墙尾端不小于台高;9口2m,底部距基础内缘不小于2m;拱桥台背填土长度南交通大学工程硕士研究生学位论文 第4页不应小于台高的34倍,涵洞填土长度每侧不应小于孔径长度。压实度标 准为高速公路和一级公路从底到顶均不小于95%。此外,据相关研究成果和 工程资料o“,桥台台背般宜设置梯形过渡段,底部距桥台基础宽5m,然 后按l:2放坡并设置错台与一般路

19、堤相接,顶宽为2倍台高iJ1Sm,过渡段采 用级配碎石或砂砾石填筑,压实度不小于95%。但在实际施工中往往达不到上述要求。一方面过渡段的设置范围普遍 较小,比如,成南路和南广路的台背过渡段的范围为:底宽距基础内缘 O.5m,按1:0.5的坡度放坡至顶与路基齐平,顶宽大约就35m。另一方 面,级配碎石或砂砾石等粗粒径材料的压实度目前还没有一个公认合理的 测试方法,其压实质量很难控制。在施工工艺上,由于台后场地条件限 制,大型碾压设备难以使用,施工难度大,难以达到压实要求。解决上述问题的方法有很多种,目前,常规的防治措施主要有三大类, 分别为56“:(1地基加固处理。该方法常采用水泥或石灰土对软土

20、、湿陷性黄 土、冻融土、河流相冲击洪积物等特殊地基进行处理,特殊情况下,则采 用换土、强夯、固结、轻质路堤和粉喷桩等方法,以改善地基承载力并减 少工后沉降。(2桥头设置过渡段。也就是考虑桥台与台后路面在结构、材料、刚 度、胀缩等方面存在的差异而采取的措施,主要有设置枕梁和搭板、设置 变厚式埋板、路面类型过渡等。设置梁和搭板是常规的方法.对沥青混凝 土路面,在桥台连接处设置增厚式水泥混凝土埋板;对水泥混凝土路面, 则将连接处的路面改为变厚式。路面类型过渡则是根据引起桥头跳车的原 因不同且难以根除等特点,根据桥涵长度和接线填方长度在桥头一定长度 范围内铺设过渡性路面,待路堤沉降基本完后再改铺原设计

21、路面,常用的 过渡性路面有预制水泥混凝土块、条石铺砌、半刚性过渡层及沥青过渡层 等。(3台后填料选择及压实。在设计与施工中,台后路堤采用粗粒材料 进行填筑,或设置一定厚度的加筋土结构层,施工过程中扩大施工场地, 以便充分发挥大型填方压实机械优势。另外,还有设置完善排水设施,进 行桥头路面接缝处理及强化工程管理等措施。南交通大学工程硕士研究生学位论文 第5页 1.4压力注浆技术的发展及应用现状压力注浆法就是指利用液压或气压把能凝固的浆液均匀地注入填料地 层中,浆液以填充、渗透和挤密等方式,驱走土颗粒间的水分和空气后填 充其位置,经过一定的时间后,浆液将原来松散的土粒胶结成一个整体,从 而使土基得

22、到加固,减少工后沉降。注浆(也叫灌浆技术是土建行业常用的和重要的工程措施,应用至今 已有200多年的历史了。据有关资料记载,注浆技术的最早使用可以追溯到 1802年,当时,法国工程师G.Berigny首次使用这种方法对Diepe闸基进行 了加固“。他利用木制冲击筒,以人工锤击方法向地层灌注粘土浆液,被 称为注浆的开始。发展到现在。国内外在注浆材料、注浆方法和注浆工 艺、注浆机具和设备,注浆效果检查及技术标准等诸多方面都取得长足的 进步。瑞士开发的灌浆强度值工法“”(Grouting Intensity Number, GIN,日本开发的的裂隙定向控制工法”“(Fracture Directio

23、n Controlled Method,FDC,尤其引人注意。特别值得提出的是:国际岩石 力学学会于1989年初成立了岩石灌浆专业委员会(Commission ok Rock Grouting。在专业委员会主席维德曼(R.Widman教授(奥地利主持 下,先后召开了6次国际学术会议,于1995年出版了权威性著作世界最新 灌浆技术总结。报告对岩石特性,注浆材料,注浆设计,注浆施工和效 果检查等方面进行了全面、系统的分析和总结。我国的注浆技术在解放以前,基本上是空白。解放以后,上世纪50年 代,注浆技术逐渐引入我国,水利水电行业1953年开始研究用水玻璃作为 注浆材料。经过近半个世纪的努力,注浆技

24、术己在我国获得长足进步,被 广泛应用于国民生产的各个领域,一些行业还编制了专门的技术规范。 1985年水电部颁发了水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范2lJ, 1986年国家颁发了锚杆喷射混凝土支护技术规范1221,1994年水电部颁 发了水工预应力锚囤施工规范【23,1994年水电部颁发了水工建筑物 水泥灌浆施工技术规范124J等。从20世纪80年代开始,随着高速公路在我 国大规模建设,注浆技术也广泛用于公路地基病害的处理,如地基的加 固,边坡的处治等。特别是近几年,随着高速公路桥头跳车问题的日渐突 出,采用注浆技术处治桥头过渡段已逐渐在国内多条高速公路上得到应南交通大学工程硕士研究生学位论

25、文 第6页用。四川省国道108线广北路2002年开始对部分沉降较大的地段进行了注浆 处治,达渝高速公路二期工程完工后也对桥头路堤进行了注浆处治,从后 期营运观测来看,与同期建设的其他项目相比,路基的不均匀沉降明显减 少。压力注浆加固桥头过渡段填料在公路建设上得到了较为广泛的应用, 但公路部门至今没有相应的技术规范和检测标准,一些一些工程的应用还 处于边摸索边实践的阶段,使得该项技术在实施中受到较多的限制。 因此进行压力注浆加固的研究,既具有迫切性,也有理论价值和实际意 义。1.5本文的主要工作解决桥头跳车问题是一项比较复杂的系统性工程,涉及到设计、施 工、养护等各个方面,其中重要的一点就是如何

26、减小桥头的沉降差异。根 据“刚柔过渡”的形变原理,在桥头设置过渡段,使桥台与路堤之间的沉 降差异在一定范围内渐变,确保渐变后的沉降差异不致使路面纵坡发生突 变,桥头跳车问题就能得到一定程度的解决。本文结合四川i省广安至南充高速公路桥头过渡段的工程实施情况,围 绕如何减小或者消除公路桥台与台背填土的不均匀沉降,主要开展了以下 方面的研究:(1桥头跳车病害的成因分析在对桥头过渡段实地调查和大量整理研究国内外相关研究资料的的基 础上,从路桥过渡段工程结构自身特点、过渡段设计和施工等因素出发, 对桥头跳车病害的成因进行分析。(2桥头跳车的机理分析根据不同的不均匀沉降形式,分析桥头跳车的机理,为路桥过渡

27、段处 治技术的研究提供理论基础。(3桥头跳车防治技术研究消除或缓解桥头跳车关键是减少不均匀沉降和延长沉降特征长度,减 缓不均匀沉降梯度,从而起到匀顺纵坡的目的。总结研究了目前工程中应 用应用较广的桥头跳车处置技术,分别从地基处治技术、台背路堤处治技 术以及过渡段路面处治技术等三个方面进行了阐述,以期较好解决桥头跳南交通大学工程硕士研究生学位论文 第7页车问题。(4压力注浆技术的理论基础及加固机理注浆技术技术目前在加固软弱地基、减小沉降等方面应用较高,本文 研究了其加固土体的理论基础和加固机理。(5压力注浆的设计和施工内容对压力注浆的设计内容进行了研究,对目前工程界的旌工进行了总 结,并对施工中

28、常见的问题提出了解决方案。(6压力注浆技术在南广高速的应用在前面分析研究的基础上,结合注浆技术在南充广元高速公路路 桥过渡段路堤加固工程的应用,设计了施工方案,总结了施工经验,在此 基础上提出了桥头过渡段填料注浆加固效果检测的方法和标准和适用条 件,旨在为广大工程建设者在类似的工程中提供一些参考。第2章桥头跳车的成因机理及防治技术 2.1桥头跳车的主要成因桥头跳车产生的直接原因是刚性桥台结构物与柔性路堤连接处所产生的 刚度差,以及在桥台台尾连接地段(过渡段因行车荷载的反复作用,填土 在固结沉降过程中产生了较大的差异沉降。过渡段区域所存在的刚度差及 沉降差问题是导致桥头跳车的根本原因。刚度差的产

29、生桥台与台后填土连接刚度不同。由于桥涵结构物具有较大的刚性,而台 后路基和路面组成的道路属于刚性或柔性结构;公路建成后,随着时间的 推移,台后填土产生较大的固结变形,与其相比,桥台基础产生的降变形 相对小得多。当二者的相对沉降差达到一定程度时,搭板出现沉降或断 裂,在在台后便出现跳车现象。沉降差的产生由于路基与桥涵在施工及运营过程中的不均匀沉降,致使路面不平 顺。在车辆经过时,桥头产生“跳车”现象,影响行车的安全舒适性,严 重时将限制运行速度,危及行车安全。在松软及软土路基地段的路桥(涵过渡段,因较大沉降差使过渡段的问 题更为突出。2.2桥头不均匀沉降类型及成因分析引起桥头跳车主要有不均匀沉降

30、、刚度突变和车速与车辆本身的抗振性 能等因素。而就公路路况而言,主要是台背填土与构造物的不均匀沉降 。本节根据对己建高等级公路路桥过渡段的调查,对不同不均匀沉降表 现形式进行了归类。在此基础上,主要从引起不均匀沉降的因素出发,对 桥头跳车成因进行简要分析。(1纵坡变化当台背与构造物不均匀沉降较大时,有可能造成如图2一I所示的引道纵 坡变化。当纵坡变化较大时,高速行驶的车辆的前轮会出现瞬间跳离路(桥 面的情况,造成旅客的不舒适和不安全。-1桥台L二沉降图21路桥过渡段纵坡变化示意图(2局部沉降局部沉降指在构造物台背的一段过渡段上发生局部高低差的现象。据其 发生的位置又分为两种形态:垂直错台(如图

31、22:局部沉降发生在台背与过渡段结合处,即最 大沉降深度Dmax距离桥台背很近,形成错台。在桥台引道施工中,由于紧 靠台背的填土难以夯实,极易发生垂直错台。当然,有时过渡段路面不发 生局部沉降而是相对路面设计标高整体下沉,这种情况也会在桥台与过渡 段结合处造成垂直错台。9乏.1【I。桥台二图22垂直错台示意图凹陷(如图23:局部沉降的最大深度Dmax距离桥台背有一段距 离,局部沉降范围较错台要大。局部沉降是由于过渡段上局部位置土体与 桥台以及其它位置上过渡段土体之间不均匀沉降较大而产生的。局部沉降 使得行车颠簸,迫使车辆减速,也会引起路面破坏,特别是垂直错台,不南交通大学工程硕士研究生学位论文

32、 第10页但使汽车产生较大的附加冲击和振动作用,而且对桥台也造成水平冲击 力,以致桥台破坏。9r 桥台图23凹陷示意图过渡段横坡变化桥头跳车现象主要是由于构造物与其台背填土路堤的不均匀沉降引起 的。根据各地关于桥头跳车病害的调查,引起路桥过渡段不均匀沉降的原 因主要有以下几个方面跏汹伸m。桥台的沉降公路桥梁构造物本身远较台背填方路堤变形小,所以桥台沉降主要是由 地基沉降引起。出于安全和正常营运考虑,在公路构造物设计和施工中对 于其下地基的沉降和稳定性控制很严格,且设计时一般都考虑桥跨结构对 沉降的限制,所以在正常情况下其工后沉降量都很小,可以忽略不计。因 而,不均匀沉降正是因为桥台基本不沉降而

33、台背填土路堤存在较大沉降引 起的。台背填土路堤沉降包括路堤下天然地基沉降和填土沉降,下面将具 体分析台背填土路堤沉降的原因及影响因素。桥台基础的沉降由于桥涵构造物一般采用刚性很大的坚石砌筑或钢筋混凝土浇注而成, 具有较大的刚性,而台后路基和路面组成的道路属于半刚性或柔性结构; 公路建成后,随着时间的推移,台后填土产生较大的固结变形,与其相南交通大学工程硕士研究生学位论文 第11页比,桥台基础处理较好,一般认为沉降已经完成,相对于路基而言,沉降 可视为零。因此,台背填土沉降量达到一定程度时,路面出现沉降或断 裂,在台后便出现跳车现象。另外,道路与构造物桥台之间存在较大刚度突变,刚度不同的路面在跳

34、 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,这 样势必增大桥头跳车的振动效果。路堤下天然地基的沉降天然地基沉降是引起不均匀沉降的主要原因。假设天然地基在自重作用 下沉降已完成,那么在天然地基土上修筑路堤时,由于路堤填土重量及车 辆荷载作用,尤其是在桥涵台背路基填土高度一般较大,使天然地基承受 除自重以外的附加荷载,导致在路堤重量及车辆荷载作用下天然地基产生 沉降变形,特别是工后沉降较大且变形稳定期长,历时往往持续数年乃至 数十年。这种沉降变形的大小受路堤填土的性质及其填土高度影响,相同填土高 度时,填土的容重越大。地基沉降变形也越大;相同填土容重时,填土高 度越大,地基沉降

35、变形也越大。路堤本体填土的沉降台背填土一般较高,按施工程序,都是在桥涵构造物完成后再填筑两端 路堤,这样就在桥头形成一个填土较高、施工面狭窄、工期紧迫的作业 段,大型机械很难进场操作,即使小型压路机,在台背碾压时也会有死角 碾压不到,给土方压实工作带来很大的困难。而实际施工时,土方往往又 不能达到最佳含水量,且台背一定范围内土方压实往往辅以人工夯实,压 实功较小,局部密实程度很难达到质量要求。因此,在路堤自重和车辆垂 直荷载及冲击振动荷载作用下,路基填料逐渐被压缩,孔隙率降低,密实 度逐渐增大,从而在一定期限内产生路堤本体的沉降。在工程实践中,即使施工时工序符合要求,压实度亦难达到要求,且台

36、背填土较高,随着时间推移,也会产生不可避免沉降。有时台背填土荷载 对桥台基底产生附加压力,严重时会使桥台向后倾斜,发生不均匀沉降, 危及行车安全。台后路堤本体的压缩沉降主要取决于填料性质、旌工条件 及台前台背的防水排水工程的设置等情况。排水不畅南交通大学工程硕士研究生学位论文 第12页在桥涵与路堤的连接部位,由于存在缝隙,雨水会沿缝隙渗透,对路面 结构层和路堤产生冲刷和浸蚀,增加路面各结构层和路堤的含水量,甚至 造成各种细粒土的流失,随着路堤和各结构层的破坏,在外部车辆荷载冲 击作用下,必然造成桥头路堤沉陷,产生跳车现象。其它因素工程结构本身设计方案、施工工艺以及采取的处治措施等对桥头跳车都

37、有较大的影响,例如:桥涵等构造物两端的路堤,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lOm以上,加上桥涵两端 通常地基条件较差,设计上除对路基断面结构和边坡防护上有所考虑外, 其他多数情况下对高路堤设计上并无特殊的要求,如压实度等指标均与一 般路堤相同,因而,在填筑以后受到自重和行车荷载的作用,路堤填土必 然要产生竖向变形:再如当前一些施工单位盲目追求进度,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,施工时没有按分层填筑、分层碾压、分层检测的“三分法”旌工。 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

38、为因素使高填土不稳定,工后沉降大,且不均匀。这些都是引起跳车现象 的原因之一。综上所述,产生桥头跳车的因素是多方面的,一般来说与地质水文条 件、路堤设计和路堤的填筑方式及稳定时间以及各种自然因素等有关,实 际上桥头跳车的产生应按具体情况进行分析。2.3桥头跳车的成因机理分析如前所述,因横坡变化最终也会造成桥台与引道之间的错台,故路桥过 渡段会发生纵坡变化、错台和凹陷三种型式。“。当发生纵坡变化和凹陷 时,其不均匀沉降形式和设搭板的路桥过渡段的不均匀沉降形式基本相 同,此时可以视作设搭板的路桥过渡段,可简化为图24所示模型。当发 生错台时,不设搭板的路桥过渡段可以简化成图26所示模型。它们对行

39、车的影响及车辆在桥头的跳车机理均不相同。无论设搭板的路桥过渡段,还是发生纵坡变化和凹陷的不设搭板的路桥南交通大学工程硕士研究生学位论文 第13页 过渡段,必然在搭板两端形成一转折纵坡,如图24所示。i=O%、-j,图24设搭板的路桥过渡段示意图对高速行驶的车辆来说,转折纵坡对车辆是很不利的。纵坡转折不仅 会加剧汽车的颠簸,影响行车舒适,甚至会出现行车事故。汽车在桥头的 行车机理是十分复杂的,不同搭板长度、不同沉降值及不同车型、车速, 其影响程度均不相同。现把汽车轮胎经过桥头两个纵坡转折时的行车线形 近似地按两个相切的反向竖曲线考虑,如图25所示。 ,T、 I=Uw0、廿A图25引起跳车的线型简

40、化模式图当车辆由桥面方向行驶通过桥头搭板时,车辆行驶的是AC点间的折线 路段,由于该区问纵坡变化一般很小,可以把该段区间近似看作一段凸型 竖曲线路段,当汽车行驶通过时,则会在竖曲线上形成向心加速度,产生 向心力,其值为:F:My2(21R式中:F一汽车产生的向心力,N:南交通大学工程硕士研究生学位论文 第14页M一汽车质量,包括车身自重及所载货物与人的质量,kg:v一汽车通过时的行驶速度,m/sR一凸型竖曲线半径,m。向心力F会使人、车产生部分失重,当车辆行驶经过桥头搭板至连接搭 板的路面后,向心力消失,实际上,在此瞬间人、车会受到大小等于向心 力F的反作用力。据有关资料研究表明,当人体受到相

41、当于自身重量10%左 右的外部力量突然冲击时,乘客稍感到不适,但基本上还比较满意;当人 体受到相当于自身重量20%左右的外部力量冲击时,车辆会形成不同程度的 颠簸或跳动,乘客已感到明显的不舒适,但基本上还可以接受。向心力越 大,乘客感觉越明显。当向心力大于自重时,汽车就会腾空飞跃,可能出 现汽车冲出行车道,甚至造成翻车事故。这里把向心力F=10%汽车重量时 的状态称为临界跳车状态,把向心力F=20%汽车重量时的状态称为极限跳 车状态。由定义可知,临界跳车状态基本上属于比较舒适状态,而极限跳 车状态属于可接受状态,超过这个状态汽车不适合长期运行。汽车在不同车速情况下,分别对应有不同的临界跳车和极

42、限跳车竖曲线 半径。由式(2一1可得:R:Mv2(22f式中:F不同跳车状态对应的向心力。F=,uxMxg则:R:二 (23uxg对于高速公路或一级公路,取设计行车速度V=lOOkm/h(即27.78m/s, 当肛lO%时,即汽车处于临界跳车状态时,竖曲线半径R为:矗:旦:27.782:772m×g当t1=20%时,即汽车处于极限跳车状态时,竖曲线半径R为:R:旦:旦堡:386m。g 2也就是说,当搭板长度L为6m,桥头枕梁处沉降为12cm,即纵坡变化率南交通大学工程硕士研究生学位论文 第15页 为2%时的近似竖曲线半径为R2i蔷2300,这种情况下若汽车速度达到 lOOkm/h,一

43、定会出现跳车现象。由式22以及上例分析可知,临界跳车竖曲线半径为极限跳车竖曲线 半径的2倍,因此,在下述分析中仅取p=10%,即仅对临界跳车状态予以讨 论。如图25所示,搭板长度L,搭板两端A、B点的纵坡变化率为i的近似竖 曲线半径R为:R:丝:丝:一L (2-4嚏竺i/2i2式中:口搭板AB的变坡角度由于口角很小,所以近似取口=i,辔等z等*汽车临界跳车状态在不同的行车速度情况下分别对应有不同的临界跳车 竖曲线半径,而由式(24可知,竖曲线半径与桥头搭板长度和该区间纵 坡变坡率有关,也就是说,不同的行车速度,不同的搭板长度,对应有不 同的临界跳车竖曲线半径和临界跳车变坡率i。由式(2-4可得

44、:f-兰月T,2将尺=二=矿2代入上式得:×gf_三=三 (2-5代 式中:i一临界跳车纵坡变坡率L一桥头搭板长度R一临界跳车竖曲线半径考虑不同的行车速度、不同搭板长度,由式(25计算可得临界跳车纵 坡变坡率,结果如表2一l所示。表2一l 临晃跳车纵坡变坡率南交通大学工程硕士研究生学位论文 第16页 4061244.846062782.168064941.2l10067720.78120611110.54当发生错台时,不设搭板的路桥过渡段由于路基沉降在桥头形成一个陡 坎或台阶,如图26所示。A 桥面B图26桥头未设置搭板沉降示意图从行车的实际情况看,台阶对行车的影响比设置搭板路段的纵

45、坡转折对 行车的影响更大,其一是降低行车速度,二是造成司乘人员更严重不适甚 至行车事故。经试验研究与理论分析,车辆经过台阶后,行车速度降低值v与台阶 高度h及行车速度v的关系为:v=0.145h109vo 21(2-6式中:v一行车速度降低值,km/h;h一台阶高度,cm;v一行车速度,km/h。资料表明,采用桑塔纳轿车、东风一140载重车等典型车辆在二级以上 公路桥头台阶路段实地行驶侧试,结果表明,车速在60140km/h范围,台 阶高度1.5cm以下,对车辆行驶无明显影响;台阶高度在1.53.5cm范围 内,车辆行驶速度将受到一定定影响,同时产生较明显的颠簸:台阶高度 台阶高度h南交通大学

46、工程硕士研究生学位论文 第17页为3.55.Ocm,车速将明显降低,同时产生明显颠簸,台阶高度大于 5.Ocm,当行车速度超过80km/h时,则不仅减速与颠簸现象更明显,驾驶人 员开始有掌握方向盘困难的感觉,对行车安全也将造成不利影响,尤其是 两端均有台阶的小桥(总长58m情况更为明显。由以上分析可看出,桥头跳车对行车的影响既涉及道路(包括桥头线 形,又涉及车型、车速,同时也与司机心理因素有关,因此,在解决桥头 跳车这一技术性难题时,必须同时考虑相关因素的研究技术路线才是合理 的,由此方可提出切实可行的防治桥头跳车病害的方法。2.4地基处治技术研究如前所述,消除或缓解桥头跳车关键是减少不均匀沉

47、降量和延长沉降 特征长度,减缓不均匀沉降梯度,从而起到匀顺纵坡的目的。本章主要从 地基处治技术、台背路堤处治技术以及过渡段路面处治技术等方面研究总 结了桥头跳车现有防治技术,以期能为较好解决桥头跳车这一课题提供参 考。为减少或消除路桥过渡段的不均匀沉降、有效控制桥头跳车,对台背 地基进行加固处理是非常有必要的,尤其是特殊地基如软土地基、湿陷性 黄土地基、河流相冲洪积物地基等更需要进行特殊处理,以改善地基性 能,提高承载能力,减少地基沉降,从而缩小桥台与路堤的沉降差f32】。 在对台背地基进行处治时,要考虑路堤的纵向与横向两方面的变形协 调问题。在详细了解桥头地基的地质情况前提下,选用处治措施时

48、要注意 以下两点:纵向上保证桥台沉降与路堤地基沉降的平衡过渡;横向上维持路堤中央变形和坡脚路肩处变形的协调稳定。具体工程应用中,应综合考虑土质、经济、安全等实际情况,选择合 适的处治方法,以有效地减少地基的沉降。在填筑路堤时,如地基没有足够的强度,路堤的第一层是难以达到较 高的压实度的。因此在台背回填前,必须先充分碾压台背地基,使其具有 足够的压实度和承载能力。在台背地基较软弱时,即使充分碾压,仍会出南交通大学工程硕士研究生学位论文 第18页现“弹簧”现象,即承载力仍满足不了要求,而填土高度又不大时,台背 基底可作浅层换填处理,如换填当地砂砾、或中、粗砂,条件许可时也可 换填石渣、块石,当缺乏

49、上述材料一时,可采用石灰或水泥作浅层加固处 治。然后进行适当的碾压,再进行台背的回填。以成南路南充段桩号为K5+689的通道桥桥台基底处理为例。该桥台在 基底开挖后,发现基坑底部的含水量较大,承载力达不到设计要求,决定 采取换填的办法进行处理。鉴于当地的砂砾石较为丰富,故采用砂砾石进 行换填处治。对于台背处地基,为避免工后沉降量过大而出现桥头跳车现 象,同样对地基采用了天然砂砾换填处理,换填厚度为50cm。施工时,先 将需要处治的软基路段表土清除,由于然后将砂砾石层分层摊铺,每层摊 铺厚度不超过30cm,然后进行碾压。换填法的处治深度宜控制在0.52m以内,换填层太薄,效果不显著:换填层太厚,

50、处治费用太高,且工期较长。强夯法广泛的应用于地基沉降处治工程中。强夯法一般采用100.400kN 的重锤,从640m的高处自由落下,对地基土施加强大的冲击能,在地基中 形成冲击波和动应力,将地基土压密、振实,以加固地基土,达到提高强 度、降低压缩性133】。对地基的强夯处治,一方面是对地基产生压实和挤密作用;另一方面 是通过强夯对地表下一定深度土层施加动力荷载,达到破坏土体结构强 度、结构性大孔隙的作用。根据公路试验段的研究及其它工程应用来看, 且路基填土高小于5.0m的情况,采用100t.m夯击功对地基按8击满夯一遍, 然后将表面松散土整平。经过强夯处治地基的工后沉降一般小于5.0cm,且可

51、以在3个月内完 成,基本不影响路面铺筑以后的地基稳定性。(1强夯处治的作用提高承载能力对于天然地基采用强夯处治后,地基承载能力将会成倍提高。对于粘 土,承载力可提高13倍;对粉质砂土,承载力可提高4倍以上;对砂土及 泥灰岩土,承载力可提高2-4倍。南交通大学工程硕士研究生学位论文 第19页减少不均匀沉降通过一系列均匀的夯击及严格的施工控制,地基土体压缩性可降低 210倍,大大改善了地基的均匀性。能使施工加荷后的地基不均匀沉降值 控制在规定限度以内。在工程使用上可以忽略不计地基的不均匀沉降。 缩短工期经验表明,经强夯一遍,可使512m厚的砂质冲击层产生瞬间沉降 1550cm;再夯遍,又可产生瞬时

52、沉降约为初始沉降的60%。这种强迫沉 降的速度是一般其他方法所不能比拟的。每台设备加固地基的效率平均每 天为300600m2(根据土质及处治深度而异。当强夯设备退场时,地基上各 种路基工程和结构工程可立即开始,无须等待,因而较其它方法缩短工 期。(2强夯施工步骤清理并平整施工场地;标出第一遍夯点位置,并测量场地高程:起重机就位,使夯锤对准夯点位置;测量夯前锤顶高程:将夯锤起吊到预定高度,待夯锤脱钩自田下落后,放下吊钩,测量 锤顶高程,若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时,应及时将坑底整平; 重复步骤5,按设计规定的夯击次数及控制标准,完成一个夯点的夯 击:重复步骤36,完成第一遍全部夯点的夯击;用

53、推土机将夯坑修平,并测量场地高程;在规定的时间间隔后,按上述步骤逐次笼成全部夯击遍数,最后用 低能量满夯,将场地表层松土夯实,并测量夯后场地高程。(3强夯施工要求和检测开夯前应检查夯锤重和落距,以确保单击夯击能量符合设计要求; 在每遍夯击前,应对夯点放线进行复核,夯完后检查夯坑位置,发 现偏差或漏夯应及时纠正;按设计要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量:一遍夯击完成后,应检测夯坑深度、夯点间距和处治宽度。检查强 夯施工记录,基础内每个夯点的累计夯沉量,不得小于试夯时各夯点平均夯沉量的95%,合格后方可填平:满夯后,对场地进行平整和压实,应达到规范要求的各项指标,并 测量高程,填写地面标高变

54、化;满夯结束7d后,在每500-1000m面积内任选一处,应从夯击终止时 的夯面起,每隔50100cm取土样测定土的干密度、力学及物理等指标:当需要采用静力触探等方法测定强夯土内承载力时,宜在地基强夯 结束一个月后进行。根据试验和测试结果,应对不合格处进行补夯,或采取其它补救措 施,达到试夯或设计规定的指标。强夯处理原地基与铺筑砂砾、灰土垫层相比,减免了使用砂砾、石灰 等建筑材料:对于处治面积大于50001112的情况,处始费用也较低,一般在 20元/m:以下,处治效果也十分显著。但有时候必须依拒实际情况,从经济 性和处治效果方面相比较后选用处治方法。(4强夯法处治地基注意事项地基的处理范围应

55、大于基础的平面尺寸,每边超出基础外缘的宽度 不宜小于3m。施工前应按设计要求在现场选点进行试夯,在同一场地内如土性基 本相同,试夯可在一处进行,若不均匀明显应在不同地段分别进行试夯。 在试夯过程中,应测量每个夯点每夯击一次的下沉量f简称夯沉 量。最后两击的平均夯沉量不宜大于5cm,或按试夯结果确定。试夯结束后,应从夯击终止时的夯面起,每隔50cm取土样进行室内 试验,测定土的千密度、压缩系数等物理及力学指标。试夯结果不满足设计要求时,可调整夯锤质量、落距或其它参数重 新进行试夯,也可修改设计方案。近年来,复合地基理论的研究和应用发展较快,一些新的桩型、施工 设备和旋工工艺应运而生。CFG桩是在

56、碎石桩基础上发展而来,主要由碎 石、石屑、粉煤灰、掺适量水泥和水拌和而成的一种具有一定粘结强度的 桩。碎石是该桩体的粗骨料,石屑是填充碎石孔隙,改善骨料级配的次骨 架材料,粉煤灰具有填充作用和火山灰作用。通过调整水泥掺量和配合比,桩体强度可达C5C20,一般为C5C10。CFG桩和桩间土一起通过褥垫层(由碎石和石屑组成形成CFG复合地 基,对于CFG桩处治构造物台背地基而言,为了使沉降变形达到递减变化 的目的,可以调节桩进入地面以下的长度来控制地基的沉降量,即采用渐 变桩实现桥台与路堤的刚柔过渡,如图27所示。CFG桩处治台背地基主 要有三方面作用:置换作用:挤密作用;褥垫层作用。桩基桥台柱回

57、填区图27CFG桩处治台背地基示意图(1置换作用CFG桩不同于碎石桩,它是具有一定粘结强度的混合料,在荷载作用 下CFG桩的压缩性明显比其周围软土小,因此基础传给复合地基的附加应 力随地基的变形逐渐集中到桩体上,出现应力集中现象,复合地基的CFG 桩起到了置换的作用。载荷试验结果表明,在无垫层情况下,CFG柱单桩复合地基的桩土应 力比为24.3-29.4,四桩复合地基桩土应力比为31.435.2;而碎石桩复合地 基的桩土应力比为2.2-2.4。可见,CFG桩的桩土应力比明显大于碎石桩复合地基的桩土应力比,亦即其置换作用显著。(2挤密作用CFG桩采用沉管法施工,由于振动和挤密作月使桩间土得到挤密。试 验表明,加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小,密度、 压缩模量均有所增加,说明经加固后的桩间土已挤密。(3褥垫层作用桩和桩间土由于变形模量相差很大,使得它们的变形差别较大。设置 由石屑和碎石等松散体材料组成的褥垫层后,使调整桩上相对变形的问题 从根本上得到解决