路桥过渡段差异沉降分析及处理

公路是国民经济的重要命脉，从已投入使用的高等级公路特别是高速公路来看，常见的道路病害是：路面在台背回填处出现沉陷或断裂，车辆通过台背回填处跳车。文章对路桥过渡段的差异沉降进行了分析，并初步提出一些处理措施。
一、前言
公路是国民经济的重要命脉，由于其特有的优越性和灵活性，发挥着其他运输方式所不可替代的作用。公路建设又是国家最主要的基础产业之一，公路交通事业的迅速发展，为经济的持续发展注入了强大的活力。
但是，从已投入使用的高等级公路特别是高速公路来看，存在着不少问题，其中比较常见的道路病害是：路面在台背回填处出现沉陷或断裂，车辆通过台背回填处跳车。而且随着高速公路的迅速发展，车辆快速、安全、经济和舒适的要求越来越高，这个问题越来越突出，影响公路使用性能和运输效益的发挥。因此如何解决台背回填处的跳车问题，已引起公路建设行业的重视，但并未获得满意的解决办法。汽车驶过桥头时，由于沉降差异的台阶会激起汽车的振动，使司乘人员处于振动环境之中。车辆振动会影响着人的舒适性、工作效能和身体健康。因此本文对路桥过渡段的差异沉降进行了分析，并提出一些处理措施。
二、过渡段沉降差异产生的原因分析
目前的路桥过渡段常采用设钢筋混凝土搭板和不设搭板两种情况。本文就这两种情况下过渡段的沉降机理进行分析。
（一）设搭板时的沉降分析
对于使用钢筋混凝土搭板的桥头过渡段，桥头搭板的一端搁置在桥台背上，另一端通过枕梁设在引道土体上。为了便于分析沉降差产生的过程，我们做出如下假设：
（1）竣工时桥面和搭板面的纵坡相等，均为i1；
（2）桥头沉降过程中，搭板绕简支端转动，且可以被视为平直的刚体；
（3）搭板上和桥面上的面层结构和厚度相同，不产生沉降差。
1、桥头过渡段沉降差产生的过程
由于影响因素较多，为了便于分析问题，假设在沉降过程中存在桥面纵坡i2b等于搭板面纵坡i2a的情况，这样可以将桥头沉降过程分为以下两个阶段。
第一阶段是竣工后至桥面纵坡i2b等于搭板面纵坡i2a时这一过程，主要是桥面由于墩台产生沉降凡造成纵坡变化(Δ1=i2a－i1)控制，其值不能过大，否则将造成桥面破坏，伸缩缝挤坏及支座条件变差。因此，各国的桥梁设计规范均有限制。
第二阶段是桥台沉降趋于稳定后至整个引道土体趋于稳定。此时的主要特点是桥面纵坡i2b与搭板纵坡i3不相等，两者之间称为纵坡差△2，即△2=i3一i2b其大小对过渡段的行车舒适性影响很大。
2、沉降差异的表示
为了进一步分析差异沉降的危害，需对沉降差异用某一数学表达式来表示。通过对沉降差异的形成过程的分析，我们可以将搭板远台端部沉降趋于稳定时的总工后沉降量Sa分成两个部分，即Sa＝Sb+△S
式中，Sb一桥台基础的预期工后沉降量；
△S一桥台与搭板远离台端下土体之间的差异沉降量。
桥台基础预期工后沉降量可以用如下公式计算，即Sb=α1α2L
式中，α1一桥台基础工后沉降值占基础总沉降值的比例系数，主要与地基土类型有关。对于低压缩性饱和粘土，α1＝0.40；对于中压缩性饱和粘土，α1＝0.70；对于高压缩性饱和粘土，α1＝0.85。
α2一考虑桥台基础形式的系数，一般地，对于摩擦桩基础，α2=1/500；对于扩大基础，α2=1/300。
L 一桥梁边跨跨径(m)
以L表示搭板长度，以△S表示桥台基础与搭板远离台端下土体的工后沉降差，α2表示桥面纵坡和搭板面纵坡的差异值。如图1所示，得到以下关系式
△S＝（△1＋△2）×L
由此可见，桥台与引道土体容许沉降差并不是一个常数，而是与纵坡差和搭板长度均有关系。
（二）未设桥头搭板时的沉降分析
未设置桥头搭板的水泥混凝土路面、沥青混凝土路面，由于桥台和引道土体沉降差异在桥头形成一个陡坎或台阶。从行车安全和舒适性来看，台阶对行车的影响比设置搭板时的影响要大。
未设置桥头搭板时，由于桥台和引道土体沉降差异在桥头形成一个陡坎或台阶。为了便于分析，也将工后引道土体沉降趋于稳定时的总沉降量Sa分成两个部分，即
Sa＝Sb+△S
式中，Sb一桥台基础的预期工后沉降量；
△S一桥台与引道土体之间的差异沉降值；
△S就是台背产生的台阶高度，对行车舒适性的影响很大。
三、路桥过渡段沉降病害处治的措施
台背过渡段的差异沉降是众多因素的影响而形成的。要解决这个问题，就必须从多个方面入手，对于不同的影响因素采用相应的方法解决。
（一）台背地基处理
地基可以分为天然地基与人工地基。直接放置基础的天然土层称为天然地基。如果天然地基土质过于软弱或有不良的工程地质情况，需要进行人工加固或处理后才能修筑基础，这种处理过的地基称为人工地基。
对于软土地基处理，目前国内已有换土法、超载预压法、排水固结法、高压喷射注浆法、振动碎石桩法、深层搅拌桩、挤密砂桩等方法，下面介绍采用深层搅拌法加固桥头软基的方法。
深层搅拌法是用于加固饱和粘性软土地基的一种方法。深层搅拌法是20世纪60年代由日本和瑞典分别开发的软土加固技术。目前应用最多的为粉喷桩，一般借助于压缩空气，采用专门深层搅拌机械设备，从不断回转的中心轴端向四周被搅松的土体喷出浆体或粉体固化剂(如水泥等)，经叶片搅拌并吸收周围水分，在加固的深层软土中进行一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性和一定强度的优质复合地基，从而提高桥头软土地基的承载力，减少沉降量(特别是工后沉降量)，缩短固结期，提高边坡稳定性。
采用石灰粉喷桩加固软粘土，其原理与公路常用的石灰加固土基本相同。石灰与软土主要发生以下作用：石灰的吸水、发热、膨胀作用；离子交换作用；碳酸化作用(化学胶结作用)、火山灰反应以及结晶作用。这些作用使土体中水分降低、土颗粒微聚而形成较大的团粒，同时土体化学反应生成复合水化物在水中逐渐硬化而与土颗粒粘结一起从而提高了地基的物理力学性质。水泥搅拌桩加固软粘土地原理是在加固过程中发生水泥的水解和水化反应；水泥水化生成钙离子与土粒的纳离子交换使土粒形成较大团粒。这些反应使土颗粒形成凝胶体和较大颗粒；颗粒间形成峰高状结构；生成稳定的不容于水的结晶化合物，从而提高软土强度。
一般对搅拌桩的设计主要从以下几个方面考虑：
1、搅拌桩的设计，包括确定桩长和选择粉体固化剂(如水泥或石灰)的掺入量；
2、置换率和桩数的计算；
3、桩位的平面布置；
4、下卧层地基的验算。
对于利用深层搅拌法处理台后路基时，应当特别考虑桩长及置换率。据资料表明，一般认为桩长在l0m左右比较有效，置换率以15%～25%最佳。工程中通常路中央处的桩较长，路肩处较短；在近桥台处桩长些，在一般路段处桩短些。
粉喷桩固结法适用于深层淤泥烂粘土地基，加固效果明显，工后沉降少。施工过程中路基填土速率不受限制，且无振动、无污染，对周围环境和建筑物无不良影响，近年来已得到广泛应用。粉喷桩对加固有机质含量较高的软粘土效果较差；不适应在地下中含有硫酸区域内施工；冬季施工时易受气温的影响。缺点是一是造价较高，二是设计计算方法不成熟，尚待进一步完善，另外，搅拌桩的质量检测也缺少全面的规范，而且影响搅拌桩质量问题的关键因素(粉体的计量问题)目前还未得到很好的解决。
（二）桥头路基设计
桥头过渡段路基必须密实、稳定而均质。影响路基强度和稳定的地面水和地下水，必须从采取拦截或排出路基以外的措施。一般要求填土处于干燥或中湿状态，过湿状态或强度与稳定性不符合要求的潮湿状态的填土，必须经过处理。
在台背回填区范围内宜选用摩擦角大、强度高、压实快、透水性好的填料，如岩渣、砾石、砂砾等。同时选用内摩擦角较大的填料也有利于从台背缝隙中渗入的雨水沿盲沟或泄水管顺利排到路基外，从而减缓雨水的危害，而且也有利于改善压实性能，使路基容易达到设计要求的密实度。同时考虑到减轻路堤自重，有效降低地基应力，减少沉降并增大安全系数，可采用轻质材料如粉煤灰等，用粉煤灰填筑桥涵台背，可以大大降低路堤对地基的荷载，有利于减少地基沉降以及路基对桥台的侧压力。近年来，有采用泡沫苯乙烯等工程塑料作为桥头填料，可大大减轻路堤体的重量，能成功的遏止桥涵连接路堤的过度沉陷，其缺点是在汽油或柴油作用下有溶解倾向，并且价格昂贵。
台背回填位于台背这个特殊位置，压路机难以碾压到位，且机械振动力太大时，对台墙会造成影响，因此台背回填料的压实质量是影响台背回填沉降及跳车的一个重要因素。高速公路桥台、涵身背后和涵洞顶部的填土压实度标准，从填方基底或涵洞顶部至路基顶面均为95%，填料分层松铺厚度宜小于20cm，当采用小型夯具时，松铺厚度不宜大于15cm。
（三）路面处理
路桥连接处设置桥头搭板，可以使在柔性路堤产生的较大沉降逐渐过渡到刚性桥台上。搭板的近台端至于桥台上，搭板与桥台通过锚筋相连，并在搭板与桥台接缝填入沥青玛蹄脂防治水分渗入。搭板的远台端搁置在路基上，路基沉降后搭板会产生纵向滑移，为此，必须在台顶与搭板之端间设置锚栓。搭板形式分为等厚、变厚度和台阶形三种。桥头搭板长度设计应根据路基的容许工后沉降值计算确定，常取3m～15m(当超过8m时，宜设计成两段式或三段式搭板)。由于在枕梁处发生局部下沉造成这一部位的跳车，搭板和路堤的衔接处也会有二次跳车产生，为避免二次跳车，可以在搭板尾端加设一段浅埋的变厚式埋板，其长度一般取3m～5m，对于水泥混凝土路面，也可将与搭板连接处的路面板改为变厚式板。
（四）其他处理
在设计和施工中，应保证施工中的排水坡度，设置必要的地下排水设施。在台背回填土时可沿整个台背竖直面用间断级配碎石或砾石材料做透水层，以利于排除渗入土体的积水或因冻融产生的游离水，使土体保持永久性干燥状态，防止塑性变形和地基下沉。
为了使填方压实度达到要求，必须完善施工工艺、方法和强化施工质量管理，严格按照操作规程施工，加强建设监理工作，对台背施工的填土材料、压实机具、填土厚度进行检查，分层验收，层层把关，严格执行工序验收制度，这样才能确保桥涵两端填土和路堤施工质量。