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摘要:随着我国经济的迅猛发展，高速公路的建设在全国各地也迅速展开，随之而来的则是高速公路使用中不断出现的各种病害。其中，长期困挠广大工程技术人员的桥头跳车这一难题也越来越突出。如何有效地控制桥头跳车，保证高速公路运营的安全性和舒适性已越来越引起人们的广泛关注。本文简要地分析了桥头跳车产生的原因及其对道路和行车的一些不利影响，同时以气泡混合轻质土应用于台背填土为例,详细地分析了路基的沉降及桥台所承受的土压力的减轻效果。
关键词:公路 软基 桥头跳车 气泡混合轻质土
高等级公路(包括高速公路)在使用后不久,普遍存在一个问题:路面在台背回填处出现不同程度的沉降断裂(沉降值一般为10～30 cm,有的甚至超过60cm),使车辆通过时产生跳跃和冲击,从而对桥涵和路面造成附加的冲击荷载,使司机和乘客感到颠簸不适,甚至造成车辆大幅度减速,严重的可导致交通事故(特别是车辆机械事故)。因此,桥头跳车问题已成为高等级公路的工程质量和造价的重要影响因素。本文将在简要分析引起桥头跳车原因的基础上,提出一种全新的解决办法。
1、桥头跳车产生的原因
软土地基上的桥头跳车是一个比较复杂的技术问题,通常受许多不确定因素的影响,如软土厚度及其性质、软基处理的效果、路基的填筑高度、台背填料的施工质量、设计参数、计算方式等,其计算沉降量与实际沉降量常常不太相符,有时甚至出入较大。通常可将桥头跳车产生的主要原因概括为以下几个方面。
（1）地基土质不良造成的沉降
土质不良产生沉陷是桥头跳车的最主要原因。桥涵通常位于沟壑地段,地下水位较高,且多为软基,此类土具有天然含水量往往大于液限、天然孔隙比大、常含有机质、压缩性高、渗透系数小、灵敏度高、抗剪强度低等特点,多属于饱和的正常压密软粘土,一旦受到扰动,天然结构易受破坏,强度便显著降低;加上桥头路基填筑高度较大,基底所承受的附加应力相对较大,在车辆荷载作用下,更容易引起地基沉陷,且沉降稳定历时往往持续数年乃至数十年。
（2）台背填料压缩引起路基的沉降
压缩沉降主要取决于填料性质、施工条件及台前台背的防护排水工程的设置等情况。为了减少台背自身的工后沉降,一般采用多孔隙的渗透性填料,但由于桥台附近地方狭窄,施工时压实机具不能紧靠台背,填料颗粒间孔隙无法完全消除;或填料质量差,达不到设计要求和规范标准等;在公路自重及车辆的垂直与振动荷载作用下,填料会不可避免地产生压缩沉降,造成跳车。
（3）刚柔突变引起的沉陷跳车
刚性不同的路面在跳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的大。由于桥梁通常是支撑在岩层上的刚性结构,具有较大的整体刚度;而与结构物桥台相连的道路相对属于柔性体,具有刚性较小柔性较大的特性,属弹塑性体。显然,道路与结构物桥台之间存在着较大的刚度差,这个刚度差的存在必然引起道路与结构物桥台之间产生较大的塑性变形差异及较大的刚度突变,加重了桥头跳车的振动效果。
综上所述,桥梁是支撑在岩层上的刚性结构,几乎不产生沉降,而与结构物桥台相连的路堤相对属于柔性体,工后沉降大,两者在连接处出现较大的沉降差(如图1),传统的设计、施工方法很难解决这一问题,其结果导致路基沉陷、路面破坏、桥台桩基侧移甚至破坏,从而增加了工程建设及维修费用。
2、桥头跳车对道路及行车的影响
为了减少桥头跳车对路面结构的破坏,降低对行车的影响,高速公路桥涵两端通常都设有5～10m长的搭板。由于搭板两端沉降量的不同,在搭板两端形成一纵坡转折(图2,以纵坡I=1.5%为例)。汽车在这种桥头路段的行车机理极为复杂,不同的搭板长度、不同的沉降值及不同的车型车速的影响程度各不相同。为了方便,本文把汽车轮胎经过桥头2个纵坡转折时的行车线形近似地按2个相切的反向竖曲线来考虑。当汽车行至A、C点间凸曲线路段时,形成的离心力为F=mv2/R。当汽车缓行时,大部分离心力F可由自重抵消,而当F大于自重时,汽车就会发生离心运动而沿着凸曲线的切向腾空,形成跳车和颠簸。车辆通过桥头时腾空产生的跳动和冲击,又造成对桥梁和道路的附加荷载,加速了对路面、桥头搭板、支座及伸缩缝的损坏,同时也加剧了车辆机件的磨损,降低其使用寿命。此外,跳车时车辆颠簸,引起驾驶员和乘客的身体和心理不适,严重时会影响驾驶员的正常操作,造成行车事故。可见桥头跳车危害之大,必须高度重视。
图2 桥头行车机理分析
3、气泡混合轻质填土技术解决桥涵跳车问题
由以上分析可知,桥涵跳车的直接原因是桥涵与路基连接处附近的沉降发生了突变。缓解桥头跳车的最好方法就是要使桥涵与路基连接处附近的沉降曲线的梯度变化缓慢、均匀,为此,必须解决以下三个方面的问题:①消除台背填料自身的压缩沉降;②缓解桥涵与路基连接处附近填料的刚性突变;③减少桥涵背软土地基的沉降。这就要设法使处于正常压密状态的软土地基处于超固结状态。
为更好地解决以上三个问题,目前处治桥涵跳车问题的有效方法之一为运用气泡混合轻质填土技术。
气泡混合轻质土具有轻质性(容重:5～13kN/m3)、良好的流动性(泵送距离1500m)、施工性(无需振捣和机械碾压)、强度的可调节性(300～1500kPa)、固化后的自立性(可垂直填土)及耐久性等优点。这种填料的自身不存在压缩沉降问题,刚性比一般的填土路基要好得多,可大大地减轻路堤的填土荷载,降低地基应力,抑制软基的沉降、侧移和破坏;通过在桥台背部填充恰当形状的楔形轻质土体,可大大缩减桥台与路基连接处附近的差异沉降,使沉降曲线连续、缓慢而均匀地变化,从根本上消除高速公路中的桥涵跳车问题。此外,这种技术还可缩短施工工期,抑制软基的侧向挤压,对桥台几乎没有推挤力,可提高结构物的使用寿命。
采用气泡轻质填土比目前常用的桥涵背回填中粗砂的直接施工费用稍高一些,但这种技术可简化桥涵背回填砂之前基础的处理,简化桥台等结构物的挡土结构,可大幅度地缩短施工工期、节省用地、降低由于软基的工后沉降所需要的高昂维护费用、降低车辆损耗,提高行车的舒适性和安全性等。
关键词:公路 软基 桥头跳车 气泡混合轻质土
高等级公路(包括高速公路)在使用后不久,普遍存在一个问题:路面在台背回填处出现不同程度的沉降断裂(沉降值一般为10～30 cm,有的甚至超过60cm),使车辆通过时产生跳跃和冲击,从而对桥涵和路面造成附加的冲击荷载,使司机和乘客感到颠簸不适,甚至造成车辆大幅度减速,严重的可导致交通事故(特别是车辆机械事故)。因此,桥头跳车问题已成为高等级公路的工程质量和造价的重要影响因素。本文将在简要分析引起桥头跳车原因的基础上,提出一种全新的解决办法。
1、桥头跳车产生的原因
软土地基上的桥头跳车是一个比较复杂的技术问题,通常受许多不确定因素的影响,如软土厚度及其性质、软基处理的效果、路基的填筑高度、台背填料的施工质量、设计参数、计算方式等,其计算沉降量与实际沉降量常常不太相符,有时甚至出入较大。通常可将桥头跳车产生的主要原因概括为以下几个方面。
（1）地基土质不良造成的沉降
土质不良产生沉陷是桥头跳车的最主要原因。桥涵通常位于沟壑地段,地下水位较高,且多为软基,此类土具有天然含水量往往大于液限、天然孔隙比大、常含有机质、压缩性高、渗透系数小、灵敏度高、抗剪强度低等特点,多属于饱和的正常压密软粘土,一旦受到扰动,天然结构易受破坏,强度便显著降低;加上桥头路基填筑高度较大,基底所承受的附加应力相对较大,在车辆荷载作用下,更容易引起地基沉陷,且沉降稳定历时往往持续数年乃至数十年。
（2）台背填料压缩引起路基的沉降
压缩沉降主要取决于填料性质、施工条件及台前台背的防护排水工程的设置等情况。为了减少台背自身的工后沉降,一般采用多孔隙的渗透性填料,但由于桥台附近地方狭窄,施工时压实机具不能紧靠台背,填料颗粒间孔隙无法完全消除;或填料质量差,达不到设计要求和规范标准等;在公路自重及车辆的垂直与振动荷载作用下,填料会不可避免地产生压缩沉降,造成跳车。
（3）刚柔突变引起的沉陷跳车
刚性不同的路面在跳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的大。由于桥梁通常是支撑在岩层上的刚性结构,具有较大的整体刚度;而与结构物桥台相连的道路相对属于柔性体,具有刚性较小柔性较大的特性,属弹塑性体。显然,道路与结构物桥台之间存在着较大的刚度差,这个刚度差的存在必然引起道路与结构物桥台之间产生较大的塑性变形差异及较大的刚度突变,加重了桥头跳车的振动效果。
综上所述,桥梁是支撑在岩层上的刚性结构,几乎不产生沉降,而与结构物桥台相连的路堤相对属于柔性体,工后沉降大,两者在连接处出现较大的沉降差(如图1),传统的设计、施工方法很难解决这一问题,其结果导致路基沉陷、路面破坏、桥台桩基侧移甚至破坏,从而增加了工程建设及维修费用。
2、桥头跳车对道路及行车的影响
为了减少桥头跳车对路面结构的破坏,降低对行车的影响,高速公路桥涵两端通常都设有5～10m长的搭板。由于搭板两端沉降量的不同,在搭板两端形成一纵坡转折(图2,以纵坡I=1.5%为例)。汽车在这种桥头路段的行车机理极为复杂,不同的搭板长度、不同的沉降值及不同的车型车速的影响程度各不相同。为了方便,本文把汽车轮胎经过桥头2个纵坡转折时的行车线形近似地按2个相切的反向竖曲线来考虑。当汽车行至A、C点间凸曲线路段时,形成的离心力为F=mv2/R。当汽车缓行时,大部分离心力F可由自重抵消,而当F大于自重时,汽车就会发生离心运动而沿着凸曲线的切向腾空,形成跳车和颠簸。车辆通过桥头时腾空产生的跳动和冲击,又造成对桥梁和道路的附加荷载,加速了对路面、桥头搭板、支座及伸缩缝的损坏,同时也加剧了车辆机件的磨损,降低其使用寿命。此外,跳车时车辆颠簸,引起驾驶员和乘客的身体和心理不适,严重时会影响驾驶员的正常操作,造成行车事故。可见桥头跳车危害之大,必须高度重视。
图2 桥头行车机理分析
3、气泡混合轻质填土技术解决桥涵跳车问题
由以上分析可知,桥涵跳车的直接原因是桥涵与路基连接处附近的沉降发生了突变。缓解桥头跳车的最好方法就是要使桥涵与路基连接处附近的沉降曲线的梯度变化缓慢、均匀,为此,必须解决以下三个方面的问题:①消除台背填料自身的压缩沉降;②缓解桥涵与路基连接处附近填料的刚性突变;③减少桥涵背软土地基的沉降。这就要设法使处于正常压密状态的软土地基处于超固结状态。
为更好地解决以上三个问题,目前处治桥涵跳车问题的有效方法之一为运用气泡混合轻质填土技术。
气泡混合轻质土具有轻质性(容重:5～13kN/m3)、良好的流动性(泵送距离1500m)、施工性(无需振捣和机械碾压)、强度的可调节性(300～1500kPa)、固化后的自立性(可垂直填土)及耐久性等优点。这种填料的自身不存在压缩沉降问题,刚性比一般的填土路基要好得多,可大大地减轻路堤的填土荷载,降低地基应力,抑制软基的沉降、侧移和破坏;通过在桥台背部填充恰当形状的楔形轻质土体,可大大缩减桥台与路基连接处附近的差异沉降,使沉降曲线连续、缓慢而均匀地变化,从根本上消除高速公路中的桥涵跳车问题。此外,这种技术还可缩短施工工期,抑制软基的侧向挤压,对桥台几乎没有推挤力,可提高结构物的使用寿命。
采用气泡轻质填土比目前常用的桥涵背回填中粗砂的直接施工费用稍高一些,但这种技术可简化桥涵背回填砂之前基础的处理,简化桥台等结构物的挡土结构,可大幅度地缩短施工工期、节省用地、降低由于软基的工后沉降所需要的高昂维护费用、降低车辆损耗,提高行车的舒适性和安全性等。