高等级公路桥台跳车处置技术

陈 刚

0 引言

随着高等级公路的迅猛发展,公路桥梁的修建越来越多,每年国内完成的高等级公路中,大、中、小桥成千上万座。但是由于桥台结构物与路基的刚度差异,在路基、路面自重荷载与车辆荷载作用下,台后填料的压缩变形与地基的固结变形随时间而增大,而桥台基础产生的沉降变形相对较小,当二者的差异沉降差达到一定程度时就会造成跳车现象。经调查,处于营运中的桥梁普遍存在桥台跳车现象,尤其是在软基上该问题更加突出[1]。桥台跳车不仅损失车速、加大油耗、损害车辆、给乘客带来不适,而且还容易引发交通事故,影响桥梁结构安全,需要花费大量的精力和财力进行养护维修,已成为高速公路亟待解决的主要技术难题之一。本文针对形成桥台跳车的原因,根据过渡差异沉降、减小路基沉降、控制同步沉降的处理原则,将其处置技术分为过渡段设置、地基加固与填料处理、路桥整体设计三大类,为解决桥台跳车问题提供借鉴。

1 过渡段设置

在桥梁的设计和施工中,往往需在台后设置过渡段,将柔性路基产生的较大沉降逐渐过渡至刚性桥台上,以消除或减轻桥台跳车,达到行车舒适的目的。过渡差异沉降的技术包括桥台搭板、过渡性路面、路堤预抛高等。

目前在工程中设置桥台搭板的方法最为普遍,其对解决错台和跳车较为有效。搭板的一端搁置在桥台前墙顶面或其牛腿上,另一端搁置在路面基层或特制的枕梁上。搭板长度根据路基的工后沉降值和容许坡度计算确定,常取3 m～12 m。在一定时间内效果尚好,但是在搭板的集中荷载作用下基层或枕梁处易形成凹陷,从而形成二次跳车。而且搭板设置太高或纵坡太大,将会出现搭板开裂、脱落等不同程度的病害。对于差异沉降较大的桥台只用搭板处理是不够的,故需要与其他方法结合使用,以控制过渡段沉降差。

过渡性路面是在桥涵两端路基的施工中,在一定长度范围内铺设的临时性路面,待路基沉降基本完成以后再改铺原设计的路面。常用的过渡性路面有预制水泥混凝土块、半刚性过渡层及沥青过渡层。该方法具有根据路基工后沉降二次调节的功能,但施工周期较长,常难以满足工期要求。

路堤预抛高为在台后一定长度内预先提高路基标高,用以部分抵消路基的工后沉降,减小路面的纵坡变化,从而减轻桥台跳车。抛高量由工后沉降量和纵坡差确定。由于每座桥梁的地质条件、路堤高度、填筑材料等不同,实际工后沉降量存在差异,故需在理论计算基础上加强对高等级公路台后路基沉降的实测与分析,掌握台后路基沉降规律。

2 地基加固与填料处理

台后路基沉降主要包括填料的压缩变形与地基的固结变形,故减小路基沉降的技术可分为填料的选择与处理和地基加固两类。

2.1 填料选择及处理

由于高等级公路的路基通常较高,在其较大的自重荷载作用下,必然会造成路基填土明显的竖向压缩变形,故需通过合理的选择填料并加以一定的处理,以减轻路基自重,提高路基刚度。

路基应选择强度高、压实快、透水性良好的填料,如卵砾土、碎石土、中粗砂以及强度较高的工业废渣等。如受条件限制需选用改良土时,应在最佳含水量条件下严格控制其压实度。近年来泡沫聚苯乙烯、泡沫混凝土等轻质材料在工程中亦有应用。其质量轻、强度高,可有效降低地基附加应力、减小自身压缩量、缓解桥台跳车问题,但往往造价较高,难以广泛使用。

土工材料因其优良的力学性能和抗变形能力,常用来处理路基填料,以约束土体侧向变形、提高土体抗剪强度、分散路基荷载,从而减小了台背填土的总沉降和差异沉降。国内外的工程实践证明,加筋技术是解决桥台跳车问题的有效手段。

2.2 地基加固

由于软基具有高压缩性、高含水量、高灵敏度、低强度、低渗透性等特点,在路基荷载和车辆荷载作用下变形量大,固结时间长,需要对其进行有效的处理。常用方法包括换填法、排水固结法、复合地基法等。

换填法常采用与台背回填相同的材料置换表层软弱土,并充分压实,以提高地基承载力、减少沉降量。其施工简单,能在较短时间内达到所需要求。

排水固结法是利用天然地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体,通过地表预先施压或利用路基自重逐渐排出孔隙水,提高地基强度的方法。堆载预压和真空预压利用天然地基作为排水系统,其施工工期较长,工后沉降也较大。可通过在地基中设置砂井或塑料排水板,以缩短工期,提高加固效果。

桩土复合地基受路基高度、堆载速度限制较小,且易于控制总沉降与差异沉降,故常用于处理桥头软土地基[2]。常见的路堤桩包括砂桩、木桩、碎石桩、石灰桩、粉喷桩、水泥土搅拌桩、灌注桩、预制桩等。在国内外的高速公路桥头软基处理中已有较广泛应用,如在沪杭高速、沪宁高速上采用粉喷桩,申苏浙皖高速采用预应力管桩,佛开高速采用搅拌桩[3]。

3 路桥整体设计

桥台跳车是一个既与路基又与桥台密切相关的问题,其解决之上策是将桥台与路基作为整体进行设计,实现同步沉降,以从根本上解决桥台跳车问题。

柔性桥台,是在保证处理后的加筋路堤具有足够的承载力和稳定性的前提下,将桥梁梁板垫梁直接置于加筋土体上,使桥台与路基同时变形,从而达到消除桥台跳车的目的[5]。相比于刚性桥台,其具有经济、占地少、施作方便、对回填土质量要求低和抗震能力强等优点,且桥台与路基支承刚度基本相同,从而在根本上避免错台的出现和桥台跳车的产生。但柔性桥台一般只适用于结构简单的梁式桥,对于水平推力较大的拱桥却不适应。

4 结语

国内外学者已深刻认识到了公路桥台跳车问题的普遍性与严峻性,并进行了较为广泛的试验和理论研究。从设置过渡段,减小地基沉降、路基压缩,到控制桥台与路基同步变形,桥台跳车处理的方法众多,效果亦较为明显,但各种方法各有利弊,无法圆满解决各种工况下的桥台跳车问题。

本文依据桥台跳车的不同控制原则,对各种处置方法进行了分类,并总结了各自特点,为桥台设计和施工提供了一定参考价值。

[1]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.

[2]Lin,K.Q.,Wong,I.H.Use of deep cement mixing to reduce settlements at bridge approaches[J].Journalof geotechnical and geoenviromental engineering,1999,125(4):309-320.

[3]黄瑞强.复合地基在解决桥头跳车问题中的应用[J].中外公路,2007,27(4):188-190.

[4]宋利强,唐 寻.高等级公路桥头跳车的原因及处治对策[J].山西建筑,2009,35(9):269-270.

[5]Wu,J.T.H.,Lee,K.Z.Z.,Pham,T.Allowable bearing pressures of bridge sills on GRS abutments with flexible facing[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2006,132(7):830-841.