高等级公路桥头跳车原理分析与预防措施

刘 秀，冯德成，曹一翔

(哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，哈尔滨 150090)

高等级公路修建，除了同低等级公路一样，需建造一定数量的跨越河流的桥涵构造物，此外，为了控制出入车辆，免除侧向干扰，还要设置相当数量的立体交叉，包括大型的桥跨结构物和通道涵，从而组成了复杂的结构物群。桥梁与路堤是两种性质不同的结构物，尽管桥梁与路基大都是同时施工，但由于对基底作用不同，导致结构物本身变形出现差异，随着时间的增长，桥梁构造物两侧与路堤填土衔接处将产生很大的沉降差。桥梁构造物的沉降很小，但是路基的沉降在很长一段时间内都将不断增加。对一些已经竣工通车的高等级公路的桥头路堤进行调查，这个差异沉降在路桥衔接处会形成几厘米甚至十几厘米的台阶。当车辆高速度通过时会产生颠簸跳跃，不但影响车辆行驶的舒适性，严重时还会造成车辆事故[1]，由于颠簸跳跃产生的冲击力也将对桥梁构造物造成不利影响。

1 桥头跳车产生的原因分析

目前国内修建的高等级公路中，桥涵、通道等构造物在公路里程中所占比例越来越大。如果构造物桥头跳车现象严重，那通行能力势必受到较大影响。表1是黑龙江省高等级公路桥头跳车现象调查结果。由表1可见，公路上普遍存在桥头沉降情况，而且沉降大体随着建成时间的增长而增加。桥头台阶原因的复杂，包括设计方面和施工方面的问题。但其根源就是桥梁构造物与两侧的台背回填土的沉降差异造成的[2]。根据这一认识，分析桥头台阶形成的具体原因有如下几个方面。

表1 高等级公路桥头跳车情况

1.1 桥头地基的沉降

桥梁构造物多为跨越河流沟渠，其桥头两侧地基软弱，回填处天然地基承载力低，在高路堤重量的作用下，地基产生较大的沉降[3]。桥头差异沉降主要是由路堤本身的塑性变形和地基的沉降所构成的，如果修建在软土地基上，将产生更大的沉降。对某高速公路桥涵地基地质资料的统计分析可知，考虑行车荷载和路基路面结构自重的作用，路堤的沉降量约为2～4 cm，而路堤的压缩变形仅占总沉降变形的11%，而地基的沉降变形约占89%，当地基软弱时，地基沉降所占的比例还要更大一些。由此可见，桥头路堤的沉降是以地基沉降为主的。根据理论计算，约有65%的结构物的地基在20 a内基本完成沉降，有35%的结构物超过了20 a，最大的达到了100 a[4]。路堤本身完成沉降量一般只需几年时间。为减少工后沉降差异，设计上用一定长度的搭板，保证沉降差异的平顺过渡。除此之外，还对桥头地基进行处理，使之在一定范围内形成复合地基的过渡段，保证桥头路基基底沉降较小或不沉降的目的。

1.2 结构物刚度差异

桥头沉降差异发生在桥涵结构物与路堤的衔接处，而桥涵结构物与路堤二者刚度差异很大[5]。桥涵是刚性结构物，基本上是不可压缩的，桥涵结构物所产生的沉降是地基在其重量作用下的沉降。桥涵结构物是通过墩台基础将重量传递给地基的，高等级公路上桥涵构造物的基础多为桩基础，而桩基础的沉降量非常小，所以桥涵结构物整体沉降也就非常小。道路结构物由路基和路面两部分组成，属于柔性结构物，即使对某些半刚性基层、刚性面层的道路来说，也只能认为是具有有限刚度，桥涵结构物与路基路面的刚度相比，根据计算，其值可达到100倍甚至更大，因此，在二者的衔接处就容易产生差异沉降。如果桥头引道路堤基底未经处理，就会产生大的差异沉降。

1.3 桥头路基的压缩变形

在高等级公路设计中，对桥头路堤填土的压实度提出了较高的要求，公路路基设计规范对高等级公路路堤与桥台连接处压实度的要求不应小于96%，并注意填料强度、地基处理等综合设计。台背回填材料的压实度问题，是造成沉降差异的主要原因。路基不可能完全压实，在行车荷载和填料自重的作用下，会产生一定程度的压缩变形，当桥头路堤填土较高时，其变形量也较大。竣工后路基填土材料在荷载作用下还会发生变形，其所产生的次固结沉降可能达到总沉降的10%左右，这是造成竣工后沉降的重要原因。另外，回填材料的选择也影响桥台后路基沉降，在桥台后一定范围内应选择强度较高、容易压实、固结快、透水性好、后期压缩变形小的材料，如级配良好的卵石土、碎石土、中粗砂等。这些材料透水性好、抗压强度高、易压实，且排水性能好，不易产生冻害。也有的地区常采用石灰土进行回填，石灰土强度高，使整个台背形成板体结构，减少工后沉降。

1.4 设计施工的不完善

由于桥头路堤的特殊性，在设计和施工时，应有特殊的考虑。但目前的路基设计填土材料多为与普通路段一样采用细粒土，压实度及其检测标准也基本相同，没有进行专门的设计。施工中，通常是在完成桥涵结构物以后再填筑两端路堤，在桥涵两端的作业段填土较高、土方量集中而施工面比较狭窄、工期紧迫，给施工带来很多困难。由于台背回填属于路基施工中的隐蔽工程，如果施工控制不严格，容易造成压实不足的问题。此外，台后回填范围较小，台背处外形不规则，大型压实机械的作业面狭小，这就不可避免地形成一定的压实盲区。为解决此问题，应扩大桥头回填范围，保证大型机械设备能够充分利用。根据不同的压实机具，填筑的厚度应也不同，一般不应该大于15 cm，当选用小型压实机具时应不超过10 cm，即薄层碾压，保证回填材料的压实度。

1.5 环境因素的影响

北方地区湿度、负温度形成的冰冻对桥头路堤的影响十分明显。桥头路堤处于两种结构物结合部位，不论是采用柱式或肋板式桥台以及相应的锥形护坡，还是轻型的薄壁桥台，都使该处的路堤处于三面临空的条件，在北方冰冻地区，冬季时就会产生一定数值的冻胀以及春季的融沉，这些也会加剧沉降的形成。桥头锥形护坡受水冲刷而使路堤产生水平位移导致沉降；雨和雪水由伸缩缝经盖梁流入锥体和台背填土中造成冲刷等诸多原因，都会产生桥涵与引道路堤结合处的差异沉降，从而形成桥头台阶。

2 桥头跳车的防治措施

为减少路基在构造物两侧产生不均匀沉降，减轻跳车现象，提高车辆行驶的舒适性，应采用包括基底处理、填料选择、施工压实、排水处理等各种措施，并对桥台和路堤进行整体设计。

2.1 台背地基的处理

桥头路堤的沉降主要是由地基产生的，而地基处理的目的就是要减小沉降量或加速其沉降的完成。解决桥头跳车问题应重视桥头地基加固处理，改善地基强度，提高地基承载力[7-10]。首先要彻底清淤，将桥头所有含量超标准的土壤完全清除，直到符合强度要求为止，消灭填料地基隐患。处理时根据地基的状态不同，采取的方法也应不一样，可以采用挤密、排水、超载预压、反压护道等多种措施，以便获得减小沉降和加速沉降完成的效果。其处理原则是在保证工程质量的前提下，因地制宜，比如软土地基加固处理方法中粉喷桩、挤密桩获得了较多的应用[6]。当地基土为淤泥质土、粉质土、粘质土时，可以在桥头0～30 m范围内采用水泥搅拌桩处理，先清除表层腐殖土、泥炭层(高压缩性土质)后回填中粗砂，其上做水泥搅拌桩，然后再填筑30 cm中粗砂。水泥搅拌桩桩长穿越不良土层2～3 m，桩径0.5 m，桩距1.5 m，采用梅花形布设，如图1所示。实践证明，水泥搅拌桩的应用可以取得减小沉降、加速固结的效果。

图1 水泥搅拌桩处理桥头路基布置图

2.2 台背路基的填筑

路堤是与桥涵结构物衔接的主体，同时又对地基加载。为了减小路堤本身沉降，可采用压缩量小、透水性好的材料，如砂砾、碎石、碎石土等。如果采用非透水性土时，要在土中掺加石灰、水泥等，填料的最大粒径不得超过5 cm。加强台背回填碾压，提高桥头路基压实度，使其不小于96%，在一定程度上能减少沉降差异量。在靠近桥台边缘，大型机械无法碾压处，可使用小型冲击夯或小型压路机单独压实。这样就使台后各处都得到较好的碾压，达到充分压实。如图2所示，从桥台路基填筑地面5 m范围内开始，纵向采用1∶1的坡度与路基衔接，按照一定宽度挖台阶，分层填筑，厚度不应大于15 cm，能有效的控制填筑路基的质量。铺设土工织物也能加大路基整体强度而使其沉降减小[11-14]。

图2 桥头路基填筑方式

2.3 设置搭板或其它过渡措施

设置搭板，使形成台阶的差异沉降在一定距离内以坡度形式从路堤过渡到桥台上，已在桥头的设计中得到普遍采用。搭板一端放置在桥头上，另一端设置在引道路堤的结构层上，当产生沉降差时，搭板将在桥头和引导路堤间形成一个坡度，从而使车辆可以平顺地在搭板上行驶，避免了在路堤衔接处的跳车。确定搭板截面尺寸的因素很多，主要为桥头路堤容许工后沉降值、搭板的构造型式和台后路堤的填土高度等。从受力角度分析，一块搭板长一般不宜超过10 m。表2列出了主要根据桥头路堤填土高度，以及桥梁跨径的搭板的建议值。

表2 高等级公路搭板长度建议值

桥头搭板是一端简支在桥台上，另一端搁置在桥头引道路基或路面结构蹭上的钢筋混凝土板，由于紧靠近桥台的一段引道填土往往难以达到压实标准和桥台后排水不良的影响，会造成搭板下局部脱空。因此，设计和施工中应予以充分注意，采取相应措施，当测定评定板下有脱空时，应及时采用板下封堵措施，以便恢复地基的支撑，防止或减少水分的进入和浸湿。

3 防止桥头跳车处理的工程实例

建三江至虎林高速公路位于三江平原腹地，沿线沟渠多，水系发达，为避免桥台后出现不均匀沉降，解决桥头跳车问题，采取了如下的处理方式。

桥涵两侧地基常年受水浸湿，多呈淤泥质土、粉质土、粘质土且厚度达到1～3 m，设计时对于桥头路基地基，按照大中桥台后0～20 m、小桥和明涵台后0～15 m范围内采用水泥搅拌桩处理，先清除表层腐殖土、泥炭层(高压缩性土质)后回填中粗砂，其上做水泥搅拌桩，然后再填筑30 cm中粗砂。水泥搅拌桩桩长穿越不良土层2～3 m，桩径0.5 m，桩距1.5 m。

桥头路堤填筑材料，采取分层填筑风化碎石、风化砂及中粗砂的处理措施，每层压实厚度不大于15 cm，并达到96%的设计压实度要求，风化碎石最大粒径不应大于5 cm。桥头路堤填筑范围，按照桥及明涵底面填筑长度采用5 m，纵向采用1∶1的坡度与路基衔接；暗涵填筑高度为涵洞顶面标高，底面填筑长度采用3 m，纵向采用1∶1的坡度与路基衔接。为保证换填材料的稳定，沿路基纵向做成阶梯形。搭板按照表2进行结构设计，同时要求搭板下结构层采用与路面基层相同材料填筑，避免搭板脱空现象。

建虎高速自2011年竣工通车两年来，桥头两侧路基稳定平顺，行车顺畅，桥头路基工后沉降满足规范要求

4 结束语

(1)桥头差异沉降是由于桥台台背填土在行车荷载作用下塑性变形和地基的沉降所导致的，路基处理的质量、台后路堤的填筑材料、压实度、设计施工的控制、以及自然环境都直接的影响桥头差异沉降的发生及发展。

(2)对于桥头两侧软土路基，一定范围内采用搅拌桩、碎石桩等进行加固挤密处理，可有效地防止路堤沉降。

(3)台背填筑材料应选择透水性材料，提高压实标准，并且控制填筑厚度，加大填筑范围，严格控制施工质量，能有效的防止桥头差异沉降的发生。

(4)桥头搭板是一种将桥台和路堤的差异沉降进行缓和过渡的措施，应根据路堤填筑高度合理的进行桥头搭板的设计。

【参 考 文 献】

[1]潘晓东，杜志刚，杨晓光.桥头跳车对行车安全影响评价指标的研究[J].同济大学学报(自然科学版)，2006，34(5)：634-637.

[2]冯忠居，方贻立，龚坚城，等.高等级公路桥头跳车的危害及其机理的分析[J].西安公路交通大学学报，1999，19(4)：33-35.

[3]鲍明伟.路基工程[M].北京：人民交通出版社，2005，3

[4]肖念婷，杨有海，师 歌.桥头跳车及防治措施研究综述[J].公路交通技术，2008(2)：94-97.

[5]赵 衡，刘晓明.桥头跳车引起的路面受力计算分析[J].公路交通科技，2005，22(5)：59-62.

[6]周 健，曾庆有，王 浩.沉降控制复合桩基在桥头跳车问题中的应用[J].土木工程学报，2006，39(1)：83-86.

[7]田小革，应荣华，张起森.应用土工格栅处理软土地基上的桥头跳车问题[J].岩土工程学报，2000，22(6)：744-746.

[8]李仁平，陈云敏，陈仁明.软基中桥头路基对临近桩基的影响分析[J].中国公路学报，2001，14(3)：73-77.

[9]周 建，龚晓南，循环荷载作用下饱和软粘土应变软化研究[J].土木工程学报，2000，33(5)：75-78.

[10]黄 庆，王桂饶.桥头跳车的几种处理方法及适用条件[J].中南汽车运输，2000，81(3)：27-29.

[11]孟 杰，赵明华，邵旭东.砂桩复合地基防止桥头跳车的研究[J].西安公路交通大学学报，2001，21(2)：41-43.

[12]申建伟.桥头搭板的特殊设计计算[J].广东公路交通，2001，67(1)：18～19.

[13]柏松平，桥头跳车及其处理措施[J].云南交通科技，2000，12(6)：37-40.

[14]徐永丽，程培峰，孙志明.水泥混凝土桥面铺装层最不利荷载位置的确定[J].森林工程，2013，29(2)：94-96.