路桥过渡段路基沉降控制对策分析

2010-03-20董军

黑龙江交通科技 2010年6期

董军

(广西铁路投资(集团)有限公司建设工程部)

1 路基沉降机理分析

1.1 地基变形机理分析

通常桥涵结构多位于沟壑地段,地基含水量较高,孔隙比大,压缩性大,强度低,在其上填筑路基肯定会产生较大变形。而且桥头段路堤比一般路段填筑高度要高 5～10m左右,会产生较大基底附加应力,也会引起地基沉降。并且在填土容重相同时,地基沉降变形会随着填土高度的增加而增大。

土体压缩变形主要是由压力使土体孔隙间的水分排出,导致土颗粒相互靠拢所造成的,这一过程称为土的固结。土体压缩变形的速度是由孔隙水分的排出速度决定的,这便是土体变形的时间效应,其导致了台背地基土的沉降变形是一个逐渐发展的过程,而不会立即完成。

由于受河水水位的影响,桥台台背地基大部分为饱和地基,因此可用饱和地基固结理论来说明其压缩沉降过程。建立坐标系如图 1所示。

图1 桥台台背地基示意图

固结度U＞30%时,可用下式近似表示Uz与时间因子Tv的关系

式中

式中:Tv为时间因子;Cv为固结系数;e0为土体初始空隙比; H为土层厚度;k为土体渗透系数;a为土体压缩系数。

由式(1)可见,在一定荷载的作用下,地基固结度变化的速度仅与地基土的初始孔隙比、渗透系数、压缩系数等性质有关。我国高速公路建设期较短,规范对桥头地基的固结度没有要求,常出现台背地基固结不足的情况,为公路竣工后发生沉降留下隐患。

1.2 路堤变形机理分析

(1)土体的附加压缩变形。

土体是非线性材料,外部条件改变时会产生一定的附加压缩变形(如浸水、受压等)。在用击实土作压缩试验时,当土样在某一荷载作用下压缩已趋于稳定后,如果加水使之饱和,土样会出现明显的附加压缩变形,如表 1所示。

表1 不同的填筑含水量时土样的附加压缩量

从表1数据可见,土样在含水量偏高时其附加压缩要大一些。据研究,细粒土的变形模量在饱水状态仅为干燥状态下的10%～90%,而且与土的种类和密实程度有较大关系。台背填土高度越大,本身的模量越小,附加压缩量也越大。台背填土的结构在水和荷载的作用下也随之发生变化,附加压缩变形累计下来,形成桥头台阶,并不会随着土的干燥而恢复。

(2)台背填土在重荷载下累计塑性变形。

路基受土体压缩性和密实程度不均匀性的影响,受力后会产生塑性变形。试验得到的应力应变关系曲线,可见,路基在荷载作用后,回弹变形εev立即消失,而土体产生塑性体应变 εpv不能在卸荷后恢复到原状。土基内产生的塑性累积变形会随着荷载作用次数的不断增加而逐渐增大。重复应力值过高时,则总应变的增长速率会逐渐增长,直到剪切破坏为止。常在土的湿度小于 70%液限时,此重复应力的临界值为 0.45～0.55倍的静载作用强度。低于此临界值的重复应力范围内,总应变的累积规律可表示为

式中:N为应力重复作用次数;a为应力一次作用下的初始应变;b为应力增长率。

从以上分析可知,由于土体具有弹塑性特征,使得台背填土具有较强的柔性特征,与采用混凝土浇筑的桥台的刚性相比,二者存在较大的刚度差异,车辆荷载作用下导致二者产生塑性累积变形的差异。

1.3 设置桥头搭板引起的沉降分析

桥头搭板弹性支承于路基上时,搭板长度范围内的路基土所受竖向压应力,搭板的受力性状与路基土的反力有关。由于搭板简支于牛腿上,靠近桥台处的路基土所受应力较小。路基竖向应力会随着汽车荷载的移动而出现两个峰值,一是搭板支承路基端,二是汽车荷载作用处。当汽车荷载作用于搭板末端时,便会在该处路基产生最大竖向应力集中,从而产生较大的塑性变形,引起搭板末端过量沉降。此外,由于不能完全准确的估计出路基的沉降量,在路基沉降较大时搭板与板后路基间还会产生较大的纵向坡差。

2 桥头过渡段路基沉降的防治对策

2.1 地基处治对策

(1)静压注浆法。静压注浆法是用气压、液压或电化学原理,将水泥浆等浆液注入各种介质的裂缝或孔隙,使其固化后改善地基的力学性能。这种方法适用于杂填土地基、软粘土地基、淤泥以及湿陷性黄土地基等,具有价格便宜、设备简单、施工方便、操作不受时间限制等优点,目前已在路桥过渡段地基处治中得到广泛的应用。静压注浆方法按其依据的理论可分为渗透注浆法、压密注浆法、劈裂注浆法和电动化学注浆法 4种。

(2)旋喷桩法。旋喷桩法是利用旋喷钻机,通过注浆管道将水泥浆液从高压喷嘴中高速喷射,使液流获得巨大能量切削土体,同时钻杆边旋转边缓慢提升,使浆液与土体充分搅拌混合,胶结硬化后便形成一个个柱状固结体,并与桩间土一起形成复合地基,以改善土的变形性质,提高地基的承载力和抗剪强度,减少地基的沉降变形。此法具有机械化程度高、施工速度快、成本低等特点。

(3)树根桩托换法。此法是在套管导向下用旋转方法钻进,进入地基土中至设计标高,钻孔直径 100～300mm,清孔后下放钢筋,再用压力灌注水泥砂浆或细石混凝土,最后成桩。此法能最大限度地保持原有的地基与结构物之间的平衡状态,在不破坏地基土对结构物的支撑作用的情况下对地基进行加固。

(4)换填法。该法是挖去路基底面以下一定范围内的软弱土层,并填上质地坚硬、强度较高、性能稳定的砂、石、灰土、煤渣、矿渣等材料,经分层填筑和压实后成为良好的人工地基。此法工程量大,处理效果一般,目前已不常用。

(5)混凝土挤密桩法。此法是用钻机钻孔至不良地基中,再将干混凝土分层压实,干混凝土在压力作用下对周围的不良土体起挤密作用,并吸收挤出的水分,固结后与周围土体形成改良后的复合桩基础。

2.2 路堤处治对策

(1)注浆法。注浆法不仅可以用来处理软土地基,而且还可用于加固路堤,其基本原理在前面已经论述,但由于路堤经过碾压和换填处理后压实度高,含水量低,故常用压密注浆法、渗透注浆法和劈裂注浆法。

(2)托换法。路堤处治中也常用树根桩托换法,与路基处理不同的是,在处理过渡段路堤时多于搭板相结合。

(3)换填法。在路堤填筑过程中,换填主要是对由于环境变化(如路面破坏后路面水入渗、地表水浸泡等)和在施工中选用不当的填料而引起路基沉降的部分土体进行换填处治。

(4)土工织物。土工格室和土工格栅等土工织物也常用于路堤工程中,其作用原理是:通过在填土中分层平铺土工格栅(室),并将其一端固定于桥台,另一端与台背连接,由于土工格栅(室)具有高强度、高弹性、大变形特性,可将其上部土体自重荷载和车辆荷载部分地传递到桥台,可在一定程度上分层阻止填料沿台背沉降。此外,格栅(室)与土体的相互作用能将荷载扩散到一个较大的范围内,改善土体内部的受力状态,达到减少外部荷载对土体的压缩沉降,使台背与填土交界部位的阶梯状沉降变为连续渐变沉降。

2.3 路面处治对策

(1)桥头搭板。桥头搭板实际上是一种简支梁,其厚度一般大于 30cm,长度根据路堤与桥台预期沉降量、道路等级和车辆荷载而定。它的作用机理是通过设置桥头搭扳,使柔性路堤的沉降逐渐过渡至刚性桥台上,将集中的不均匀沉降量分散在搭板长度内。采用桥头搭板时应先将已发生破坏的路基和路面清除,换填性能良好的土体并压实后,再设置桥头搭板,以便使路基的过量沉降或可能发生的不均匀沉降在搭板范围内实现平稳过渡。

(2)设置变刚度路面结构。此法是先在桥头路面铺设一种特殊的梯形搭板,但为实现路面结构的刚度变化,还要在其上铺设柔性路面材料,这样能有效减少桥头过渡段路基的不均匀沉降。

(3)采用过渡性路面。当台背填土已发生并可能继续发生大量沉降的时候,可采用设置过渡性路面,即在沉降处补充铺设预制水泥混凝土六棱块、半刚性过渡层或沥青过渡层等,便能确保行车畅顺,有效避免跳车现象。