路橋過渡段差異沉降處治技術(shù)研究

王　杰

摘要:隨著公路建設(shè)的發(fā)展,路橋過渡段差異沉降所造成的橋頭跳車已成為主要危害,也是擺在各國工程技術(shù)人員面前的一大難題。文章對過渡段的差異沉降的表現(xiàn)形式和處治技術(shù)作用性狀進(jìn)行了闡述,介紹了柔性搭板處治技術(shù)。

關(guān)鍵詞:差異沉降;橋頭跳車;柔性搭板;柔性搭板處治技術(shù)

中圖分類號:TU434

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)19-0193-02

改革開放以來,我國的公路建設(shè)取得了飛速發(fā)展,但從已交付的高等級公路特別是高速公路來看,存在著一定問題。其中較為普遍的是,在橋臺構(gòu)筑物與臺后填土銜接處存在差異沉降,使得路面形成臺階或顯著縱坡變化,高速行駛的車輛通過時產(chǎn)生顛簸跳躍,從而導(dǎo)致橋頭跳車現(xiàn)象的產(chǎn)生,這種現(xiàn)象幾乎在每條高速公路都有,只是數(shù)量多少和程度輕重的差別。橋頭跳車不僅影響了行車的舒適和快速,降低了道路的通行能力,加速了橋臺臺背、橋頭伸縮縫以及接縫路面的破壞,而且是道路交通安全的重要隱患之一,嚴(yán)重影響了高速公路的社會效益。

一、橋頭差異沉降的表現(xiàn)形式

1.樁柱式橋臺和肋板式橋臺常應(yīng)用于地基較為軟弱的地段,而重力式橋臺常應(yīng)用于地基較好的地段,因此,樁柱式和肋板式橋臺臺后路堤的地基加工后沉降遠(yuǎn)大于重力式橋臺,這是導(dǎo)致幾種不同類型橋臺差異沉降的主要因素。

2.由于錐坡填土自重的作用,橋頭地基所受附加應(yīng)力增大,地基將產(chǎn)生較大的側(cè)向位移,從而提高橋頭路堤的沉降變形。隨著地基模量的增大,錐坡的這種影響減小。同時,有錐坡時,臺前地基模量的減小對橋頭路堤沉降的影響也明顯大于無錐坡的情況。因此,錐坡填土的重力作用也是引起橋臺類型對差異沉降影響的重要因素。

3.錐坡由于施工空間的限制,壓實度相對較低,隨著錐坡土體模量的減小,橋頭路堤的沉降也將增加。

4.錐坡滲水將引起局部滑塌,從而增加橋頭路堤的沉降,因此,對錐坡應(yīng)做好防護(hù)措施。

二、路橋過渡段差異沉降的處治技術(shù)作用性狀分析

根據(jù)土工合成材料類型的差異,目前路橋過渡段常用的加筋處治方法包括兩種:格柵加筋和土工格室柔性搭板加筋。與常見的加筋類型如支擋結(jié)構(gòu)、加筋陡坡、軟土地基加筋等相比,路橋過渡段路基加筋的目的有較大差異,前者加筋之目的主要是為了提高穩(wěn)定性和承載力;而橋頭路堤使用加筋技術(shù)則是為了協(xié)調(diào)橋臺與橋頭路堤沉降差,從而消除橋頭跳車。

(一)土工格室柔性搭板作用性狀

土工格室柔性搭板能夠較好地消化地基的沉降變形,協(xié)調(diào)和控制橋臺與路堤的沉降差,從而達(dá)到消除橋頭跳車的目的。其作用性狀主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

1.土工格室較大的限制側(cè)向變形的能力不僅限制了其中填料的側(cè)脹,同時其構(gòu)成的復(fù)合體由于具有較大的剛度和拉伸強(qiáng)度,通過界面的摩擦阻力和粘附力也限制了周圍土體的側(cè)向變形,提高了土體的抗剪強(qiáng)度,從而減小了路堤本身的壓縮變形。

2.由于土工格室復(fù)合體具有較大的壓拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和一定的彎拉強(qiáng)度的特性,通過其一端錨固于橋臺,一端伸入路基中,能有效地阻止上層土體的向下沉降,從而在復(fù)合層下面產(chǎn)生了松動區(qū)。同時由于土工格室的多層連續(xù)布置,使得路堤的沉降在每一層中都得到消減,使得橋臺與路堤之間的沉降差在較長的范圍內(nèi)得到平緩過渡。

3.由于松動區(qū)的存在,路基豎向應(yīng)力明顯減小。橋臺附近一定范圍內(nèi)地基的附加應(yīng)力也得到減小,從而不僅減小了路基的壓縮變形,也減小了地基的沉降變形。

4.格室變形后產(chǎn)生的“網(wǎng)兜支承效應(yīng)”使荷載分布趨于均勻。

(二)土工格柵加筋的作用性狀

1.土工格柵利用其較大的拉伸模量,通過其與土體的界面摩擦和咬合作用,限制了路堤填土的側(cè)向位移,提高了土體的抗剪強(qiáng)度和抗變形能力,從而減小了路堤的壓縮變形值。且隨著路堤變形模量的減小,其作用更顯著。

2.土工格柵變形后也存在“網(wǎng)兜效應(yīng)”,從而使荷載的分布趨于均勻。

3.土工格柵由于一端錨固定于橋臺上,利用其抗拉伸能力,阻止了橋臺附近土體的向下沉降,同時,也減小了橋頭路基和地基的豎向應(yīng)力。

同時,基于以上的分析,針對橋頭路堤平面加筋處治技術(shù)提出建議:一方面要求平面加筋材料應(yīng)選用具有較大拉伸剛度的筋材,同時,橋頭應(yīng)換填內(nèi)摩擦角較大的填料。另一方面要求平面加筋材料對于減小路堤自身的壓縮變形較為有效,但由于其不具有抗彎剛度,故消化地基沉降變形的能力較差,因此,土工格柵加筋技術(shù)適用于處治地基條件較好的橋頭過渡段。當(dāng)?shù)鼗^差時,應(yīng)結(jié)合其它方法進(jìn)行綜合處治。

三、土工格室柔性搭板處治技術(shù)

通過上文的處治方法的作用現(xiàn)狀的分析,針對很多現(xiàn)場的實踐,本文主要闡述下柔性搭板的處理方法,柔性搭板處治橋頭跳車的方法已應(yīng)用于很多高等級公路。通過這些工程的實踐,對柔性搭板的進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,初步總結(jié)了楔形柔性搭板的施工方法和經(jīng)驗,簡述如下:

(一)柔性搭板的優(yōu)化設(shè)計

1.地基沉降影響。以不同的橋頭地基沉降變形作為柔性搭板設(shè)計優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn),分別選取三種簡化的地基沉降模式來模擬地基情況,以此篩選出能滿足不同地基條件下協(xié)調(diào)橋臺與路堤沉降差的目的,又能滿足經(jīng)濟(jì)性要求的柔性搭板型式。

通過對不同地基沉降模式下加格室與不加格室時橋頭路基頂面沉降關(guān)系進(jìn)行研究得出,不加格室時橋頭路堤頂面沉降曲線形態(tài)與地基沉降形態(tài)基本相似,均勻沉降時為一直線,非均勻沉降模式下由于路堤填土顆粒之間的摩擦和粘著作用,路基頂面的沉降變化區(qū)域擴(kuò)大,沉降值相對趨于均勻;但三種不同地基沉降模式下橋臺與路堤銜接處均存在較大的沉降錯臺,從而導(dǎo)致橋頭跳車產(chǎn)生。而經(jīng)土工格室柔性搭板處治后,橋頭路基頂面的沉降曲線得到明顯改善。在一端錨固的層狀柔性搭板作用下,橋頭地基的沉降變形得到消化,不僅消除了橋頭的錯臺現(xiàn)象,而且橋臺與路堤的沉降差得到很好的控制和協(xié)調(diào)。但不同的地基沉降模式下路基頂面沉降曲線有所差異。均勻沉降模式下沉降曲線呈拋物線形,但路基頂面的沉降受地基沉降的影響較大,過渡曲線相對較短;倒三角形沉降模式時,路基頂面沉降曲線呈馬鞍形。柔性搭板一端錨固于橋臺,另一端搭在沉降較小的路基中,由于土工格室柔性搭板具有較大的彎拉強(qiáng)度,形成“橋跨效應(yīng)“,從而對上部土體產(chǎn)生向上的托舉力,有效地阻止上部填土的沉降,故路基頂面的沉降值最小,橋頭過渡曲線較緩,且受地基沉降變形的影響較小;三角形地基沉降模式時,橋頭的地基沉降小,遠(yuǎn)端的沉降大,故柔性搭板需消化的地基變形較小,其沉降曲線呈近似的線性,路基頂面沉降值介于上述兩者之間。故可以認(rèn)為,在地基最大沉降值相同的情況下,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,對均勻沉降稍弱。

2.路基填料影響。隨著路堤填料的增大,一方面表明路堤的剛度增大,自身的壓縮變形減小。另一方面,路堤填料的強(qiáng)度也相應(yīng)得到提高,從而與一端錨固的土工格室結(jié)構(gòu)層更能形成具有一定整體性的加固體,其消化地基沉降變形的能力更強(qiáng)。當(dāng)路堤填料取不同模量時的路基頂面沉降比較明顯。因此路基填料的模量對路基頂面沉降影響較大。在處理區(qū)以外,路基沉降值的減小主要體現(xiàn)在路基自身壓縮變形的減小。而在橋頭,填料模量的增大還體現(xiàn)在其消化地基沉降變形能力的增強(qiáng)。隨著填料模量的增大,橋臺與路堤沉降差的過渡區(qū)變長,過渡曲線變化趨緩。橋頭過渡段換填模量大、抗剪強(qiáng)度高、具有一定整體性的填料更能起到消化地基沉降變形,緩和過渡橋臺與路堤沉降差的目的。

3.柔性搭板布置的間距與厚度。在相同布置層數(shù)下,柔性搭板布置的間距對橋頭路基的作用表現(xiàn)在:一方面隨著間距的增加,橋頭路基頂面的沉降值減小,沉降曲線變化趨緩;另一方面,隨著間距的增大,路基底面的豎向應(yīng)力大大減小。因此,柔性搭板以分散布置于橋頭路堤中為宜。柔性搭板布置層數(shù)對沉降有較大影響,設(shè)計時應(yīng)考慮具體的地基條件進(jìn)行選擇。當(dāng)?shù)鼗鶙l件比較好時,可以布置2～3層土工格室。當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差時,布置3～5層。

柔性搭板頂層布置厚度的增加可以改善柔性搭板的彎拉強(qiáng)度和剛度。第一層厚度越大,橋頭路基頂面沉降值越小。而布置長度的增加,一方面土工格室變形后產(chǎn)生的“網(wǎng)兜支撐效應(yīng)”,尤其是路基頂面的幾層,可以有效地分散汽車荷載的作用力,使荷載分布更均勻。另一方面,通過與周圍土體的摩擦和粘著力,提供土工格室彎拉變形所需拉伸力。因此,柔性搭板頂層布置長度以8～12m,厚度以布置2～4層土工格室為宜。建議在地基條件較差的情況下,最底層柔性搭板布置兩層土工格室。

(二)柔性搭板施工要求與流程

1.施工設(shè)備要求。為了保證臺背填料的充分夯實,施工單位除應(yīng)準(zhǔn)備一般路堤填筑所必需的壓實機(jī)械外,還應(yīng)準(zhǔn)備足量和性能適宜的小型振動壓實設(shè)備和打夯設(shè)備,以保證邊角的壓實度達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求。

2.填料要求。臺后填料與路基填料一致;施工中,山于填料含水量較低,必須進(jìn)行撒水處理。撒水量須按計算所需要求嚴(yán)格控制,并撒水均勻,撒水后,經(jīng)過一段時間放置后才能被用于填充格室和進(jìn)行壓實。填料中應(yīng)撿去直徑大于20cm的顆粒和雜草、樹根等。

3.上工格室材料檢查驗收。施工前必須對購進(jìn)的土工格室材料進(jìn)行檢查驗收,材料必須有出廠合格證和測試報告,每2000m應(yīng)隨機(jī)抽樣并測試,結(jié)果必須達(dá)到設(shè)計對材料規(guī)格和性能的要求。

4.施工方法。(1)整平地面并振壓。鋪設(shè)土工格室前,臺背的地基應(yīng)進(jìn)行整平振壓,其壓實度要達(dá)到施工規(guī)范的要求。橋臺附近的路基填土稍高于設(shè)計標(biāo)高,防止土工格室固定于橋臺后,當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)計標(biāo)高不夠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層沒有壓實的虛土而影響土工格室壓實效果。(2)固定件安裝。土工格室與橋臺連接的質(zhì)量直接影響著土工格室柔性搭板的使用性能。固定件安裝前必須精確定位,施工時先用墨汁線按設(shè)計標(biāo)高要求在橋臺上彈出一條水平線,然后用鋼卷尺以20cm間距在水平線上劃出字標(biāo)志點(diǎn),然后用射釘槍把錨釘或同樣尺寸的膨脹螺栓打入橋臺中,再安裝固定件。全部安裝完以后,檢查安裝質(zhì)量。(3)張拉并鋪設(shè)土工格室。鋪設(shè)土工格室前,應(yīng)根據(jù)布置區(qū)域的大小對土工格室的不同規(guī)格尺寸進(jìn)行合理配置。首先,采用中6的鋼纖(須采取一定的防腐措施)或合葉式插銷將土工格室連接在固定件上,把土工格室一側(cè)拉到指定尺寸,用鋼釬或填料固定,再用力張開整塊土工格室,相鄰?fù)凉じ袷野鍓K采用合頁式插銷整體連接。完全張拉開土工格室后,在四周用鋼釬或填料固定,否則,嚴(yán)禁進(jìn)行下一工序施工。(4)格室填料.土工格室柔性搭板按現(xiàn)有路基施工規(guī)范施工。首先檢查填料,鋪料采用人工和機(jī)械相結(jié)合的方式,用推上機(jī)把含水量均勻的填料逐漸填充格室,機(jī)械虛填厚度到達(dá)25cm左右時,用人工填充橋臺附近死角,然后整平。格室未填料前,嚴(yán)禁機(jī)械設(shè)備在其上行駛。(5)壓實。臺背路荃壓實與現(xiàn)行規(guī)范要求基本一致;施工中采用振動壓路機(jī)壓實。臺背附近,采用小型振動壓實機(jī)和打夯設(shè)備壓實,格室層機(jī)械壓實次數(shù)應(yīng)稍高于其它層l～2遍。(6)檢查驗收。橋臺柔性搭板以壓實度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查驗收,其結(jié)構(gòu)壓實度與該部位路基夯實度相同。橋臺固定錨釘按錨釘總數(shù)的2%進(jìn)行檢查,要求錨釘錨固力大于1kN。配合施工進(jìn)度,對各橋臺進(jìn)行沉降、回彈模量、變形模量等項目的現(xiàn)場測試,獲取了必要參數(shù)。

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