路桥过渡段差异沉降处治技术研究

王　杰

摘要:随着公路建设的发展,路桥过渡段差异沉降所造成的桥头跳车已成为主要危害,也是摆在各国工程技术人员面前的一大难题。文章对过渡段的差异沉降的表现形式和处治技术作用性状进行了阐述,介绍了柔性搭板处治技术。

关键词:差异沉降;桥头跳车;柔性搭板;柔性搭板处治技术

中图分类号:TU434

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2009)19-0193-02

改革开放以来,我国的公路建设取得了飞速发展,但从已交付的高等级公路特别是高速公路来看,存在着一定问题。其中较为普遍的是,在桥台构筑物与台后填土衔接处存在差异沉降,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舒适和快速,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。

一、桥头差异沉降的表现形式

1.桩柱式桥台和肋板式桥台常应用于地基较为软弱的地段,而重力式桥台常应用于地基较好的地段,因此,桩柱式和肋板式桥台台后路堤的地基加工后沉降远大于重力式桥台,这是导致几种不同类型桥台差异沉降的主要因素。

2.由于锥坡填土自重的作用,桥头地基所受附加应力增大,地基将产生较大的侧向位移,从而提高桥头路堤的沉降变形。随着地基模量的增大,锥坡的这种影响减小。同时,有锥坡时,台前地基模量的减小对桥头路堤沉降的影响也明显大于无锥坡的情况。因此,锥坡填土的重力作用也是引起桥台类型对差异沉降影响的重要因素。

3.锥坡由于施工空间的限制,压实度相对较低,随着锥坡土体模量的减小,桥头路堤的沉降也将增加。

4.锥坡渗水将引起局部滑塌,从而增加桥头路堤的沉降,因此,对锥坡应做好防护措施。

二、路桥过渡段差异沉降的处治技术作用性状分析

根据土工合成材料类型的差异,目前路桥过渡段常用的加筋处治方法包括两种:格栅加筋和土工格室柔性搭板加筋。与常见的加筋类型如支挡结构、加筋陡坡、软土地基加筋等相比,路桥过渡段路基加筋的目的有较大差异,前者加筋之目的主要是为了提高稳定性和承载力;而桥头路堤使用加筋技术则是为了协调桥台与桥头路堤沉降差,从而消除桥头跳车。

(一)土工格室柔性搭板作用性状

土工格室柔性搭板能够较好地消化地基的沉降变形,协调和控制桥台与路堤的沉降差,从而达到消除桥头跳车的目的。其作用性状主要表现为以下几个方面:

1.土工格室较大的限制侧向变形的能力不仅限制了其中填料的侧胀,同时其构成的复合体由于具有较大的刚度和拉伸强度,通过界面的摩擦阻力和粘附力也限制了周围土体的侧向变形,提高了土体的抗剪强度,从而减小了路堤本身的压缩变形。

2.由于土工格室复合体具有较大的压拉强度、抗剪强度和一定的弯拉强度的特性,通过其一端锚固于桥台,一端伸入路基中,能有效地阻止上层土体的向下沉降,从而在复合层下面产生了松动区。同时由于土工格室的多层连续布置,使得路堤的沉降在每一层中都得到消减,使得桥台与路堤之间的沉降差在较长的范围内得到平缓过渡。

3.由于松动区的存在,路基竖向应力明显减小。桥台附近一定范围内地基的附加应力也得到减小,从而不仅减小了路基的压缩变形,也减小了地基的沉降变形。

4.格室变形后产生的“网兜支承效应”使荷载分布趋于均匀。

(二)土工格栅加筋的作用性状

1.土工格栅利用其较大的拉伸模量,通过其与土体的界面摩擦和咬合作用,限制了路堤填土的侧向位移,提高了土体的抗剪强度和抗变形能力,从而减小了路堤的压缩变形值。且随着路堤变形模量的减小,其作用更显著。

2.土工格栅变形后也存在“网兜效应”,从而使荷载的分布趋于均匀。

3.土工格栅由于一端锚固定于桥台上,利用其抗拉伸能力,阻止了桥台附近土体的向下沉降,同时,也减小了桥头路基和地基的竖向应力。

同时,基于以上的分析,针对桥头路堤平面加筋处治技术提出建议:一方面要求平面加筋材料应选用具有较大拉伸刚度的筋材,同时,桥头应换填内摩擦角较大的填料。另一方面要求平面加筋材料对于减小路堤自身的压缩变形较为有效,但由于其不具有抗弯刚度,故消化地基沉降变形的能力较差,因此,土工格栅加筋技术适用于处治地基条件较好的桥头过渡段。当地基较差时,应结合其它方法进行综合处治。

三、土工格室柔性搭板处治技术

通过上文的处治方法的作用现状的分析,针对很多现场的实践,本文主要阐述下柔性搭板的处理方法,柔性搭板处治桥头跳车的方法已应用于很多高等级公路。通过这些工程的实践,对柔性搭板的进行了优化设计,初步总结了楔形柔性搭板的施工方法和经验,简述如下:

(一)柔性搭板的优化设计

1.地基沉降影响。以不同的桥头地基沉降变形作为柔性搭板设计优化的出发点,分别选取三种简化的地基沉降模式来模拟地基情况,以此筛选出能满足不同地基条件下协调桥台与路堤沉降差的目的,又能满足经济性要求的柔性搭板型式。

通过对不同地基沉降模式下加格室与不加格室时桥头路基顶面沉降关系进行研究得出,不加格室时桥头路堤顶面沉降曲线形态与地基沉降形态基本相似,均匀沉降时为一直线,非均匀沉降模式下由于路堤填土颗粒之间的摩擦和粘着作用,路基顶面的沉降变化区域扩大,沉降值相对趋于均匀;但三种不同地基沉降模式下桥台与路堤衔接处均存在较大的沉降错台,从而导致桥头跳车产生。而经土工格室柔性搭板处治后,桥头路基顶面的沉降曲线得到明显改善。在一端锚固的层状柔性搭板作用下,桥头地基的沉降变形得到消化,不仅消除了桥头的错台现象,而且桥台与路堤的沉降差得到很好的控制和协调。但不同的地基沉降模式下路基顶面沉降曲线有所差异。均匀沉降模式下沉降曲线呈抛物线形,但路基顶面的沉降受地基沉降的影响较大,过渡曲线相对较短;倒三角形沉降模式时,路基顶面沉降曲线呈马鞍形。柔性搭板一端锚固于桥台,另一端搭在沉降较小的路基中,由于土工格室柔性搭板具有较大的弯拉强度,形成“桥跨效应“,从而对上部土体产生向上的托举力,有效地阻止上部填土的沉降,故路基顶面的沉降值最小,桥头过渡曲线较缓,且受地基沉降变形的影响较小;三角形地基沉降模式时,桥头的地基沉降小,远端的沉降大,故柔性搭板需消化的地基变形较小,其沉降曲线呈近似的线性,路基顶面沉降值介于上述两者之间。故可以认为,在地基最大沉降值相同的情况下,柔性搭板消化倒三角形地基沉降的能力最大,三角形沉降次之,对均匀沉降稍弱。

2.路基填料影响。随着路堤填料的增大,一方面表明路堤的刚度增大,自身的压缩变形减小。另一方面,路堤填料的强度也相应得到提高,从而与一端锚固的土工格室结构层更能形成具有一定整体性的加固体,其消化地基沉降变形的能力更强。当路堤填料取不同模量时的路基顶面沉降比较明显。因此路基填料的模量对路基顶面沉降影响较大。在处理区以外,路基沉降值的减小主要体现在路基自身压缩变形的减小。而在桥头,填料模量的增大还体现在其消化地基沉降变形能力的增强。随着填料模量的增大,桥台与路堤沉降差的过渡区变长,过渡曲线变化趋缓。桥头过渡段换填模量大、抗剪强度高、具有一定整体性的填料更能起到消化地基沉降变形,缓和过渡桥台与路堤沉降差的目的。

3.柔性搭板布置的间距与厚度。在相同布置层数下,柔性搭板布置的间距对桥头路基的作用表现在:一方面随着间距的增加,桥头路基顶面的沉降值减小,沉降曲线变化趋缓;另一方面,随着间距的增大,路基底面的竖向应力大大减小。因此,柔性搭板以分散布置于桥头路堤中为宜。柔性搭板布置层数对沉降有较大影响,设计时应考虑具体的地基条件进行选择。当地基条件比较好时,可以布置2～3层土工格室。当地基条件较差时,布置3～5层。

柔性搭板顶层布置厚度的增加可以改善柔性搭板的弯拉强度和刚度。第一层厚度越大,桥头路基顶面沉降值越小。而布置长度的增加,一方面土工格室变形后产生的“网兜支撑效应”,尤其是路基顶面的几层,可以有效地分散汽车荷载的作用力,使荷载分布更均匀。另一方面,通过与周围土体的摩擦和粘着力,提供土工格室弯拉变形所需拉伸力。因此,柔性搭板顶层布置长度以8～12m,厚度以布置2～4层土工格室为宜。建议在地基条件较差的情况下,最底层柔性搭板布置两层土工格室。

(二)柔性搭板施工要求与流程

1.施工设备要求。为了保证台背填料的充分夯实,施工单位除应准备一般路堤填筑所必需的压实机械外,还应准备足量和性能适宜的小型振动压实设备和打夯设备,以保证边角的压实度达到设计和规范要求。

2.填料要求。台后填料与路基填料一致;施工中,山于填料含水量较低,必须进行撒水处理。撒水量须按计算所需要求严格控制,并撒水均匀,撒水后,经过一段时间放置后才能被用于填充格室和进行压实。填料中应捡去直径大于20cm的颗粒和杂草、树根等。

3.上工格室材料检查验收。施工前必须对购进的土工格室材料进行检查验收,材料必须有出厂合格证和测试报告,每2000m应随机抽样并测试,结果必须达到设计对材料规格和性能的要求。

4.施工方法。(1)整平地面并振压。铺设土工格室前,台背的地基应进行整平振压,其压实度要达到施工规范的要求。桥台附近的路基填土稍高于设计标高,防止土工格室固定于桥台后,当发现设计标高不够而加填土或土工格室被浮于土墓之上而在土工格室之下形成一层没有压实的虚土而影响土工格室压实效果。(2)固定件安装。土工格室与桥台连接的质量直接影响着土工格室柔性搭板的使用性能。固定件安装前必须精确定位,施工时先用墨汁线按设计标高要求在桥台上弹出一条水平线,然后用钢卷尺以20cm间距在水平线上划出字标志点,然后用射钉枪把锚钉或同样尺寸的膨胀螺栓打入桥台中,再安装固定件。全部安装完以后,检查安装质量。(3)张拉并铺设土工格室。铺设土工格室前,应根据布置区域的大小对土工格室的不同规格尺寸进行合理配置。首先,采用中6的钢纤(须采取一定的防腐措施)或合叶式插销将土工格室连接在固定件上,把土工格室一侧拉到指定尺寸,用钢钎或填料固定,再用力张开整块土工格室,相邻土工格室板块采用合页式插销整体连接。完全张拉开土工格室后,在四周用钢钎或填料固定,否则,严禁进行下一工序施工。(4)格室填料.土工格室柔性搭板按现有路基施工规范施工。首先检查填料,铺料采用人工和机械相结合的方式,用推上机把含水量均匀的填料逐渐填充格室,机械虚填厚度到达25cm左右时,用人工填充桥台附近死角,然后整平。格室未填料前,严禁机械设备在其上行驶。(5)压实。台背路荃压实与现行规范要求基本一致;施工中采用振动压路机压实。台背附近,采用小型振动压实机和打夯设备压实,格室层机械压实次数应稍高于其它层l～2遍。(6)检查验收。桥台柔性搭板以压实度标准进行检查验收,其结构压实度与该部位路基夯实度相同。桥台固定锚钉按锚钉总数的2%进行检查,要求锚钉锚固力大于1kN。配合施工进度,对各桥台进行沉降、回弹模量、变形模量等项目的现场测试,获取了必要参数。

参考文献

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