港區(qū)項目部橋梁臺背沉降分析和研究

1、摘 要路基沉降特別是差異沉降是土力學中的重要研究課題，而由臺背路基差異沉降引起的橋頭跳車更是高速公路建設中需要解決的重要問題,因此,研究臺背路基的沉降特點,分析差異沉降形成的原因,了解差異沉降的控制標準,這對有效選擇解決橋頭跳車的臺背處理方法具有重要的理論意義和實際意義。關鍵詞：高速公路；差異沉降；臺背；橋頭跳車最新 精品 Word 歡迎下載 可修改目 錄第一章 緒論11.1引言11.2橋頭跳車產(chǎn)生原因研究現(xiàn)狀1路基本身的壓縮1地基的沉降2地質分布不均勻2支座和防護工程的移動2局部沉陷2橋臺與臺后填土連接處的剛度差異2不合理的施工和設計31.3 橋頭跳車機理分析研究現(xiàn)狀3設搭板路橋過渡段跳車機

2、理分析3未設搭板路段錯臺時跳車機理分析51.4 橋頭跳車處理方法研究現(xiàn)狀6地基處理6填料處理7搭板緩坡處理7找平處理8排水處理8橫向加筋處理91.5本文的研究對象和主要研究內容9第二章 臺背路基的沉降變化規(guī)律及沉降預測方法研究102.1前言102.2臺背路基的應力特征及沉降計算方法102.3臺背路基的沉降變形規(guī)律12一般臺背路基的沉降規(guī)律12臺背路基與一般路基的沉降規(guī)律比較13特殊條件下的臺背路基與一般路基沉降規(guī)律比較132.4 臺背路基的沉降預測方法14曲線模型的建立15Compertz模型參數(shù)的計算16工程實例的比較與分析18計算結果18計算結果比較和分析202.5小結20第三章 臺背路基

3、工后沉降取值標準的研究223.1 概述223.2 臺背路基工后沉降的取值標準22臺背路基容許工后沉降23沉降后橋面與搭板之間的容許坡差24臺背前后的沉降差(即臺階高度)253.3路基工后差異沉降值的取值標準263.4臺背路基工后沉降與結構層施工沉降速率關系的統(tǒng)計分析26路基沉降及穩(wěn)定變化情況的統(tǒng)計分析26路基工后沉降預測的統(tǒng)計分析293.5 小結31第四章 結論324.1 結論324.2有待進一步研究的問題32參考文獻34致 謝36第一章 緒論1.1引言 隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路修建里程不斷增加，道路等級也不斷提高，特別近幾年，為了拉動經(jīng)濟的發(fā)展，我國在公路建設上投入了大量資金，高等級

4、公路發(fā)展迅速。但是，從高等級公路特別是高速公路的運營狀況來看，還存在著不少問題，其中較為普遍的是橋頭跳車問題。橋頭跳車是指道路與橋梁臺背的銜接區(qū)域出現(xiàn)的路面或搭板變形、斷裂，甚至坑槽，從而使車輛行駛經(jīng)過該區(qū)域受到?jīng)_擊后發(fā)生明顯跳躍、顛簸的現(xiàn)象1,2。橋頭跳車不僅會降低行車舒適性，迫使車輛減速，還會對橋梁和道路造成附加的沖擊荷載，從而加速了橋臺、橋頭搭板、支座及伸縮縫的損壞。橋面與引道路面之間過大的不均勻沉降還會造成行車失控，誘發(fā)交通事故。這與高速公路要求車輛行駛快速、安全和舒適嚴重相悖。同時，隨著公路等級的提高，涵洞、通道、橋梁等構造物在公路里程中所占比例越來越大，平均每公里有3座之多，甚至個

5、別線路達45座。因此，橋頭跳車已經(jīng)造成了嚴重的問題。為了防止橋頭跳車，必須不斷地對橋梁兩端出現(xiàn)的沉陷、斷裂等進行及時的維修處理。修補養(yǎng)護難度大，要花費大量的人力、物力和財力。更為重要的是，維修后不久問題就會繼續(xù)出現(xiàn)，長期的修補又會導致更為嚴重的問題，最后只能采取結構性修筑來解決，而且經(jīng)常在兩三年內又需要重新修補，但是仍然很難使路況恢復得完好如初。因此，橋頭跳車己成為高等級公路運營中急待解決的問題。1.2橋頭跳車產(chǎn)生原因研究現(xiàn)狀橋頭跳車主要是由于橋臺和引道路堤之間的差異沉降引起的。一般地橋臺的沉降很小，而引道路堤沉降較大，從而在兩者之間造成差異沉降。造成引道路堤沉降的原因主要有:1.2.1路基本

6、身的壓縮 橋頭路基的施工一般在橋臺工程完成和一般路段的大部分路基成型以后才進行，因此在橋涵兩端的作業(yè)段填方較高、工期緊迫、土方量集中而施工面比較狹窄，給施工帶來很多困難。由于作業(yè)面狹窄和靠近橋臺涵洞端墻的這部分填土平面形狀不規(guī)則，大型壓實機械很難作業(yè)。當缺乏適宜的壓實機具時，常常采用人工夯實，密實度往往達不到要求。同時，由于過水、跨線或通道的要求，橋頭路基一般較高，路堤除承受行車荷載外，還承受較大的自重應力(特別是路基下部土體)，當路基的壓實度不足時，路基就會發(fā)生較大的固結變形。此外，在橋臺與引道之間發(fā)生差異沉降以后，路堤頂部還受到車輛的沖擊荷載作用，導致路基發(fā)生動力固結。1.2.2.地基的沉

7、降橋涵通常位于溝壑地段，與其它路段相比，橋臺背后地物地貌相對較差，通常其地下水位較高，孔隙比大，含水量高，強度低，壓縮性大，多屬軟弱地基。在其上填筑路基肯定會產(chǎn)生較大變形。同時，橋頭路基填筑高度一般較大，產(chǎn)生的基底附加應力相對較大。因此，臺后的地基沉降比一般路段要大。地質分布不均勻在工程地質勘察中，大約每隔100m進行一次鉆孔取樣。而修建高等級公路時，路基寬度很大，通常雙向四車道路堤頂面都在26m以上，坡腳在40m以上；同時，引橋路堤的長度也可達到上百米甚至更長。所以在如此大的范圍內都按照一個點的地質勘察報告進行統(tǒng)一的設計和施工，必然會使橋頭路堤產(chǎn)生不均勻沉降。從另外一個方面看，鄰近橋涵路段地

8、基差且不均勻，地基處理不可能在該路段采用很多不同的處理方法，這樣必然會產(chǎn)生路堤的不均勻沉降。1.2.4.支座和防護工程的移動 在臺后土壓力的作用下，支座和臺前防護工程將或多或少地發(fā)生水平位移，從而造成土體發(fā)生側向變形。1.2.5.局部沉陷 路堤與橋涵構造物的連接部位有的設計了接縫，但經(jīng)長時間使用由于行車荷載和自然因素的影響極易發(fā)生損壞；有的是連續(xù)鋪裝，但在使用中經(jīng)常產(chǎn)生裂縫。接縫和裂縫在豎向往往很深，雨水和融雪水容易沿縫滲漏，對路面結構層和土基產(chǎn)生沖刷和浸蝕，造成各種細料的流失以及增加結構層與土基的含水量，從而造成局部沉陷。1.2.6.橋臺與臺后填土連接處的剛度差異 橋臺與臺后填土連接剛度不同

9、。由于橋涵結構物具有較大的剛性，而臺后路基和路面組成的道路屬于半剛性或柔性結構；公路建成后，隨著時間的推移，臺后填土產(chǎn)生較大的壓縮變形，與其相比，橋臺基礎產(chǎn)生的沉降變形相對小得多。當二者的相對沉降差達到一定程度時，搭板出現(xiàn)沉降或斷裂，在臺后便出現(xiàn)跳車現(xiàn)象。1.2.7.不合理的施工和設計 (1)軟弱地基沒有進行必要的處理，或在基底頂面未設置適當?shù)呐潘O施，從而使路堤在通車后沉降過大。 (2)填料選擇不當，填料的壓實度（特別是鄰近橋臺部分）不符合要求。 (3)施工工序不當。比如在沒有完成橋臺和擋土墻之前就填土，填筑速度過快等。 (4)在橋臺路堤的連接處設計不合理，致使在車輛及雨水作用下產(chǎn)生裂縫，并

10、使該處下部填料及基層受損，形成跳車。 除了橋頭處的差異沉降外，橋臺與引道之間的構造差異也會造成橋頭跳車。橋與路的分界處前后一是剛性體，一是柔性體，在結構剛度上差異很大。柔性材料對能量的吸收要比剛性材料大，故在剛柔突變處必然引起振動的突變，即引起跳車。1.3 橋頭跳車機理分析研究現(xiàn)狀橋頭跳車在不同的路面類型及橋頭連接情況下，表現(xiàn)為不同的跳車形式。高等級公路中路面結構分水泥混凝土路面的剛性結構和瀝青混凝土路面的柔性結構，橋頭連接形式可分為搭板連接及無搭板連接。設置搭板路段由于沉降引起的行車線形為折線，搭板兩端則因縱坡的變化形成一個突變的縱坡轉折；對未設置搭板路段其橋頭形成一臺階式跳坎。它們對行車的

11、影響及車輛在橋頭的跳車機理均不相同。 設搭板路橋過渡段跳車機理分析高等級公路中橋頭搭板的設計是根據(jù)橋頭填土的高度來確定的，現(xiàn)行設計中一般搭板長度取值為3米、5米、6米、8米不等，由于搭板兩端路基沉降量的不同，必然在搭板兩端形成一縱坡轉折(如圖1.1)。以搭板長6米為例，若搭板A端沉降12cm，那么搭板兩端的縱坡改變?yōu)?2/600=2。圖1.1設搭板的路橋過渡段示意圖對高速行駛的車輛來說，轉折縱坡對車輛是很不利的?？v坡轉折不僅會加劇汽車的顛簸，影響行車舒適，甚至會出現(xiàn)行車事故。汽車在橋頭的行車機理是十分復雜的，不同搭板長度、不同沉降值及不同車型、車速，其影響程度均不相同?，F(xiàn)把汽車輪胎經(jīng)過橋頭兩個

12、縱坡轉折時的行車線形近似地按兩個相切的反向豎曲線考慮，如(如圖1.2)所示。圖1.2引起跳車的線型簡化模式當車輛由橋面方向行駛通過橋頭搭板時，車輛行駛的是A-C點間的折線路段，由于該區(qū)間縱坡變化一般很小，可以把該段區(qū)間近似看作一段凸型豎曲線路段，當汽車行駛通過時，則會在豎曲線上形成向心加速度，產(chǎn)生向心力，其值為: （1.1）式中:F汽車產(chǎn)生的向心力，N； M汽車質量，包括車身自重及所載貨物與人的質量，kg； V汽車通過時的行駛速度，m/s； R凸型豎曲線半徑，m。向心力F會使人、車產(chǎn)生部分失重，當行駛經(jīng)過橋頭搭板至連接搭板的路面后，向心力即消失，實際上，人、車在此瞬間會受到等于向心力F的反作用

13、力，據(jù)有關資料研究表明，當人體受到自身重量10%左右的外部力量突然沖擊時，乘客稍感到不適，但基本上還比較滿意；當人體受到自身重量20%左右的外部力量沖擊時，車輛會形成不同程度的顛簸或跳動，乘客己感到明顯的不舒適，但基本上還可以接受。向心力越大，乘客感覺越明顯；當向心力大于自重時，汽車就會騰空飛躍，可能出現(xiàn)汽車沖出行車道，甚至造成翻車事故。這里把向心力F10%汽車重量時的狀態(tài)稱為臨界跳車狀態(tài)，把向心力F20%汽車重量時的狀態(tài)稱為極限跳車狀態(tài)。由定義可知，臨界跳車狀態(tài)基本上屬于比較舒適狀態(tài)，而極限跳車狀態(tài)屬于可接受狀態(tài)，超過這個狀態(tài)汽車不適合長期運行。汽車在不同車速情況下，分別對應有不同的臨界跳車

14、和極限跳車豎曲線半徑。由式(1.1)可得: 式中:F不同跳車狀態(tài)對應的向心力，。則： （1.2）對于高速公路或一級公路，取設計行車速度V為1O0km/h(即27.78m/s)，當時，即汽車處于臨界跳車狀態(tài)時，豎曲線半徑R為:當時，即汽車處于極限跳車狀態(tài)時，豎曲線半徑R為:也就是說，當搭板長度L為6m，橋頭枕梁處沉降為12cm，即縱坡變化率為2%時的近似豎曲線半徑為:，這種情況下若汽車速度達到100km/h時，一定會出現(xiàn)跳車現(xiàn)象。由式(1.2)以及上例分析可知，臨界跳車豎曲淺半徑為極限跳車豎曲線半徑的2倍，因此，在下述分析中僅取，即僅對臨界跳車狀態(tài)予以討論。如圖(1.2)所示，搭板長度L，搭板兩

15、端A、B點的縱坡變化率為i的近似豎曲線半徑R為： （1.3）式中:搭板AB的變坡角度；由于實際角度很小，所以近似取,。 汽車臨界跳車狀態(tài)在不同的行車速度情況下分別對應有不同的臨界跳車豎曲線半徑，而由(式1.3)可知，豎曲線半徑與橋頭搭板長度和該區(qū)間縱坡變坡率有關，也就是說，不同的行車速度，不同的搭板長度，對應有不同的臨界跳車豎曲線半徑和臨界跳車變坡率。聯(lián)立（式1.2）、（式1.3）式可得: （1.4）式中：臨界跳車縱坡變坡率； L橋頭搭板長度； R臨界跳車豎曲線半徑。 未設搭板路段錯臺時跳車機理分析未設置橋頭搭板的水泥混凝土、瀝青混凝土路段，由于路基沉降在橋頭形成一個陡坎或臺階(如圖1.3)。

16、從行車的實際情況看，臺階對行車的影響比設置搭板路段的縱坡轉折對行車的影響更大，其一是降低行車速度，二是造成司乘人員更嚴重不適或行車事故。圖1.3橋頭未設置搭板沉降示意圖經(jīng)試驗研究與理論分析，車輛經(jīng)過臺階后，行車速度降低值與臺階高度h及行車速度的關系為:式中: 行車速度降低值，km/h； h臺階高度，cm； 行車速度，km/h。采用桑塔納轎車、東風140載重車等典型車輛在二級以上公路橋頭臺階路段實地行駛側試，結果表明，車速在60140 km/h范圍，臺階高度1.5cm以下，對車輛行駛無明顯影響；臺階高度在1.5 3.5cm范圍內，車輛行駛速度將受到一定影響，同時產(chǎn)生較明顯的顛簸；臺階高度為3.5

17、 5.Ocm，車速將明顯降低，同時產(chǎn)生明顯顛簸，臺階高度大于5.Ocm，當行車速度超過80km/h時，則不僅減速與顛簸現(xiàn)象更明顯，駕駛人員開始有掌握方向盤困難的感覺，對行車安全也將造成不利影響，尤其是兩端均有臺階的小橋(總長58m)情況更為明顯。 由以上分析可看出，橋頭跳車對行車的影響既涉及道路(包括橋頭)線形，又涉及車型、車速，同時也與司機心理因素有關，因此，在解決橋頭跳車這一技術性難題時，必須同時考慮相關因素，研究的技術路線才是合理的，由此方可提出切實可行的防治橋頭跳車病害的方法。1.4 橋頭跳車處理方法研究現(xiàn)狀橋頭跳車現(xiàn)象在各國普遍存在，美國交通部門曾對36個州以及加拿大的三個省進行了調

18、查3，4表明，橋頭引道路堤沉降是一個普遍性的問題，尤其在橋頭高路堤以及交通量大的公路問題更為嚴重。因此各國在這個問題上展開了一定的研究。目前處理方法研究主要分為以下幾種。地基處理橋頭軟土地基處理的研究是在橋頭跳車問題上一個開展比較多的方面。在西歐的少數(shù)一些國家如芬蘭等國高速公路少有橋頭跳車這類病害，其主要原因有兩個：一是路基高度較低，處理容易；另一個原因是國外非常重視軟土地基的處理，當軟土較厚時，處理不惜成本。西歐、北歐的許多國家在橋頭相當長的一段路段用樁承路堤的方法處理地基，使橋與路連續(xù)平穩(wěn)過渡。我國在這方面開展應用研究較多，在沿海一帶如泉廈、滬杭等高速公路都采用各種地基處理方式對橋頭軟土地

19、基進行了處理，為減小路堤對地基的應力還采用粉煤灰、陶粒等輕質村料回填臺背。我國高速公路二十余年來對橋頭地基的處理取得了豐富的經(jīng)驗但是也有失敗的教訓。總的來說，處理失敗的主要原因是沒有對需要預壓的地基迸行有效預壓，地基沒有在施工期內達到相應的固結度，因此盡管處理后地基的承載力能達到要求，但是竣工后的工后沉降變形往往不能滿足要求。這一點也是由于我國高速公路建設的實際情況造成的，我國各條高速公路的施工期較國外要短，一股建設工期為3年左右，而實際臺背回填開始到路面開始施工的時間大部分不到一年甚至需要趕工，在較短的施工期內，橋臺臺背地基土在上部荷載作用下不能達到要求的固結度，因此與國外相比我國高速公路橋

20、頭跳車要嚴重些。對于橋頭的地基而言，對處理后的地基竣工后沉降的要求要比普通路堤高的多。通常采用砂袋砂井法、塑料排水板堆載預壓法、換土法、深層攪拌法、高壓噴射注漿法、振動碎石樁法、強夯法等，基本上適用于軟土地基處理的地基加固方法都可用于橋頭軟土地基的處理。但是根據(jù)國內的經(jīng)驗，盡管對橋頭軟土地基進行了加固處理，但是仍有不少在通車后出現(xiàn)較大的工后沉降變形，究其原因有兩個：1.過分依賴地基內部的加固措施，在地基上沒有施加荷載系統(tǒng)，在施工期內，處理后的地基沒有在荷載作用下固結?？⒐ず髲秃系鼗诼返獭⒑奢d作用下繼續(xù)固結沉降；2.有些工程盡管進行了預壓處理，但是對預加荷載的大小、作用時間沒有科學的估計，不能

21、保證地基在施工期內完成大部分沉降變形，以至復合地基在竣工后荷載的作用下仍發(fā)生較大固結變形。填料處理臺背填土在自然環(huán)境、荷載的作用下發(fā)生較大的沉降（沉陷）是橋頭跳車的直接原因之一。采用強度低、剛度小的材料即使達到規(guī)范要求的壓實度依然會在荷載、自然環(huán)境的綜合作用下發(fā)生壓縮變形。因此，為保證與橋臺連接部位的剛柔層次在水平和垂直方向均能漸次變化，國內多采用強度及回彈模量均高干其他路段相對應的結構層材料，以提高該部位的整體受荷和抗沖能力，有利于減少錯臺幅度，調整不均勻沉陷。一般首先選擇強度高、壓實快、透水性好的材料，如卵石土、碎石土、中粗砂等粗顆粒材料。用粗顆粒材料作為路基的填料不僅可改善了壓實性能，使

22、其容易達到要求的密實度而且有助于減少臺背水的危害。一般處理長度為沿縱向的填筑長度在基底處不小干2m，并按1：l設置斜坡或臺階，保證在頂面的填筑長度與搭板的長度相對應。搭板緩坡處理導致橋頭跳車的直接原因是臺背填土在各種因素作用下發(fā)生差異沉降變形，在路橋相接處產(chǎn)生臺階式高差，有關研究表明超過2cm的臺階嚴重影響行車舒適。自東南大學 1994年“橋頭跳車防治措施的研究” 5完成，提出橋頭搭板結構構造及設計計算方法后，橋頭搭板在我國得到廣泛應用，其設計意圖就是通過一定長度的剛性板將臺階轉換為一定的坡度使行車在路橋相接處平穩(wěn)過渡。搭板的設置是出于臺背后填士和地基必然發(fā)生沉降的特征考慮的，搭板設計要考慮剛

23、性板下由于填土沉降而導致支撐脫空的特征，因此對于橋頭搭板設計一般采用簡支板設計，搭板的一端支撐在橋臺的牛腿上，另一端擱置在路堤上，為使搭板端部受力均勻，一般在端部設計枕梁。但是搭板長度有限，有時不足以將橋頭臺背發(fā)生的沉降緩和到可以接受的范圍，因此僅僅采用橋頭搭板并不能完全解決橋頭跳車問題，它往往和其他處理措施一起運用。湖南大學（2022）6提出采用半整體式（整體式）橋臺設計解訣橋頭跳車問題，其設計思想的核心是：取消梁與橋臺之間的伸縮縫，通過梁體、橋臺與臺背回填土的共同作用消化梁體的水平位移。采用該型橋臺設計必須設置橋頭搭板，目的是把梁體變形通過搭板傳遞到合背回填材料，回填材料采用碎石等高強材料

24、。2000年4月，在河南省進行了我國第一座半整體式全無縫橋設計與施工。經(jīng)1年的通車運營，梁體及橋面平整完好，沒有橋頭跳車現(xiàn)象。找平處理基于對橋頭剛柔差異的認識，認為橋頭的沉降差異不能消除，而且沉降隨著時間不斷增大。因此，國內有些文獻內提出在施工期對橋頭填土不作特殊處理，在沉降差異發(fā)生后，采用各種材料進行補平，如對干瀝青路面，對原路面表面進行一定處治后加鋪瀝青面層，對于剛性路面則在橋頭搭板預制吊環(huán)，沉降發(fā)生后，將褡板吊起，重新調整基層頂面標高。對橋頭沉降差進行補平的另一種方法是采用在橋頭路堤頂面預留沉降高度的方法。由于工后沉降必然產(chǎn)生，因此在橋頭設一定的預拋高，來抵消一定的工后沉降，從而不致因沉

25、降而產(chǎn)主大于0.30.6的縱坡變化。設置預拋高的關鍵是拋高的量，一般設置的原則是：1.設置的拋高所產(chǎn)主的縱坡變化不能使得行車有不適的感覺。2.預拋高值所能夠抵消的工后沉降應該包括兩部分：施工到竣工通車時期內的沉降，竣工通車后經(jīng)過一定運營期內產(chǎn)主的工后沉降。因為預留沉降值不能影響公路適用初期的舒適性，因此采用這種方法處治的橋頭不均勻沉降差范圍受到限制，該方法應用不多。排水處理填方段的排水措施很重要，對于土體材料而言水的侵入可導致材料的強度、剛度下降，自重增加，造成填方路基和地基的附加沉降。由于橋臺和路堤結合部存在一個界面，水分更容易從界面下滲。因此對干臺背排水應該比普通路堤排水要求要高些。按照公

26、路排水設計規(guī)范（JTJ01897）要求，對于路堤與臺背或墻背結合部，應設有上下貫通的完整排水系統(tǒng)，把橋頭下滲水迅速排出路堤。橋臺和支擋構造物排水，如臺背或墻背回填采用透水性材料，回填料表面應采取措施防止地表水滲入，并在臺身或墻身內設置泄水孔等排水措施。當采用透水性不良的回填料，則需在臺背或墻背與回填料之間，設置由透水性粒料組成的連續(xù)排水層。橫向加筋處理選用士工格柵或格室，提高土體的抗剪強度，使臺背回填土體受剪破壞的荷載增大，相應的剪切變形較素土??；在承受荷載時，土體的側向變形受到格柵的抑制，承載力隨之提高，趨近于彈性范圍內工作，使土體上作用荷載均勻地擴散到整個加筋土層上，單位土體面積受荷減小，

27、有效減緩橋頭跳車。長沙交通學院7采用土工網(wǎng)的復合地基處理橋頭跳車取得了較好的效果。土工格柵鋪網(wǎng)長度距橋臺應大于5m且不小于0.75倍的橋臺高；網(wǎng)格間距越密越好，宜采用50mm較為合適；土工格柵張拉錨固于橋臺背，可進一步限制填土的豎向變形，同時使橋臺附近的填土抗剪強度成倍增加，防止臺背處被拉裂。1.5本文的研究對象和主要研究內容路基沉降特別是差異沉降是土力學中的重要研究課題，而由臺背路基差異沉降引起的橋頭跳車更是高速公路建設中需要解決的重要問題,因此,研究臺背路基的沉降特點,分析差異沉降形成的原因,了解差異沉降的控制標準,這對有效選擇解決橋頭跳車的臺背處理方法具有重要的理論意義和實際意義。為達到

28、以上目的，本論文在汲取前人研究成果的基礎上，主要對以下幾個方面的工作進行研究：1.通過分析臺背路基的應力和變形特點,結合橋頭臺背路基的沉降觀測資料,比較分析臺背路基與一般路基不同的沉降變化規(guī)律；2.基于臺背路基的沉降變形和行車舒適要求的特點,分析研究臺背路基差異沉降的取值方法及取值標準,并通過對湖南省境內幾條高速公路臺背路基沉降觀測結果的分析及預測,分析研究橋頭臺背工后沉降的合理取值標準。第二章 臺背路基的沉降變化規(guī)律及沉降預測方法研究2.1前言由于路基與臺背路堤不均勻沉降使得在兩者交界處路面標高發(fā)生突變，勢必嚴重影響路面的使用性能甚至安全，而臺背路基的沉降變化規(guī)律及沉降預測方法研究已成為高速

29、公路建設中急待解決的問題之一。只有控制好臺背路基施工進程中和施工完成后的沉降，才能從根本上解決橋臺跳車等一系列影響高速公路使用的問題。實際公路建設中采取了一些措施盡可能地減少臺背路基的不均勻沉降，如在臺背處填筑透水性材料；在橋臺與路基之間設置橋頭搭板；在臺背填土中鋪設土工格柵。由于臺背路基的應力形式有別于一般的路基，那么其沉降計算方法與經(jīng)典的路基沉降計算方法會有些許差別。本文從臺背沉降的特點入手，以云南小磨公路為例，分析幾種典型條件下的沉降變化規(guī)律。并在已有的數(shù)據(jù)基礎上研究可行的沉降預測方法。2.2臺背路基的應力特征及沉降計算方法構筑物橋臺、涵洞、通道一般采用剛性較大的鋼筋混凝土澆筑而成，具有

30、較大的整體剛度，而與之相連的道路，則是剛度較小，柔性較大的彈塑性體，在車輛荷載的作用下，這個剛度差引起道路與構筑物之間產(chǎn)生較大的塑性變形和剛度突變，而臺背作為剛柔過渡段，其沉降與路基沉降之間必然存在差異。由于臺背路基的特殊性，決定了臺背路基沉降必定與一般路基有所不同。臺背回填區(qū)的沉降產(chǎn)生主要由天然地基沉降和路堤沉降兩部分組成：天然地基沉降主要是由于臺后填土范圍內原地基承載力低，天然地基未經(jīng)處理完全即進行臺后填土施工，在路堤填料產(chǎn)生的附加應力作用和車輛的反復沖擊作用下土體被壓縮造成了地基的沉降；路堤的沉降主要是由于臺背回填部分材料本身的密實度不高，填土在荷載作用下發(fā)生變形。受到橋臺的標高控制，臺

31、后填土一般比較高，土體在自身重力及車輛反復的沖擊作用下產(chǎn)生沉降變形；同時由于高填土，土體發(fā)生次固結產(chǎn)生沉降。可以從臺背地基與臺背路堤兩方面來分析臺背處的應力分布特征：臺背路堤應力分布特點在路堤深度范圍內臺背與一般路堤比較起來差別不大，土體的自重應力占主導地位，但由于構造物臺背與土體之間的摩阻力存在，使一定范圍內臺背填土應力減小。臺背地基應力分布特點橋、涵、通道等構造物從基礎類型來分可分為深基礎和淺基礎兩類，兩類基礎荷載對地基應力分布的影響不同，假設一般路段地基某深度處應力大小為0，將兩類基礎荷載產(chǎn)生的地基應力與0相比較：1.橋（可看作深基礎），(如圖2.1)：圖2.1 橋臺由于橋梁的基礎埋置深

32、度較大，基礎荷載全部作用于深層地基,因而對壓縮層內的地基沉降影響不大,兩側橋臺不互相影響，因此臨近橋臺的臺背地基所受附加應力僅為臺背一側路堤荷載作用產(chǎn)生的附加應力,此時臺背地基的最小附加應力僅為一般路堤下地基附加應力的1/20；2. 涵、通道（可看作淺基礎），(如圖2.2)：圖2.2涵、通道涵、通道等基礎埋置深度與橋梁比較起來小的多，而且寬度較小，其荷載遠小于路堤填土荷載,由于兩側臺背共同作用，臺背地基的應力在一般路堤填土下地基附加應力的1/20和0之間。綜合兩者結論可知，橋涵通道的臺背地基應力均小于一般路段地基。從公路工程施工實踐可知，幾乎所有橋梁、涵洞、通道都要求對臺背填土進行處治。然而，

33、臺背填土壓實度受施工過程中的多方面影響，在施工圖設計時，往往省略臺背填土施工圖，如基坑、臺背填土尺寸、不同條件下回填填料要求等，使得臺背填土無明確目標，導致施工質量普遍存在問題；另外由于臺背結構不允許路基壓實機械過于靠近獲接觸臺身，作業(yè)面狹小，也導致臺背一定范圍內路基壓實度低于設計規(guī)范要求值。此外，從公路調查結果反映，臺背路堤施工普遍存在壓實不足的問題。通車后，在車輛荷載的振動作用下，臺背附近路堤填土密實度迅速增加，沉降隨即發(fā)生。臺背填土的沉降量和路基沉降量比較起來一般較小，但發(fā)生得早且快，在有其他類型沉降的條件下甚至起了加速路基沉降的作用，這是造成路橋（涵）過渡段與路基不均勻沉降的基本原因之

34、一。由上分析可知，臺背路基的特點是：在填土條件相同的條件下，臺背地基的土中應力小于一般路段的地基應力，其中臺背地基下的土中應力最小，隨距離臺背間距的增加，土中應力逐漸增加，到一定距離后地基應力與一般路基相同，因此臺背地基的沉降也是臺背處的沉降最小，隨距離臺背間距的增加，地基沉降逐漸增加。但臺背路堤的沉降卻由于壓實度較低，沉降量將大于一般路堤，所以臺背地基的沉降與一般路基相比，具有地基沉降較小，路堤沉降相對較大的特點。 2.3臺背路基的沉降變形規(guī)律本文通過對云南小磨公路的沉降數(shù)據(jù)分析，試圖研究臺背路基沉降規(guī)律的特殊性，以及其與一般路基沉降規(guī)律的區(qū)別。云南小磨（小勐養(yǎng)至磨憨）公路公路2021年12

35、月開工，于2008年7月21日正式建成通車，作為交通運輸部和云南省聯(lián)合組織實施的勘察設計典型示范工程，小勐養(yǎng)至磨憨公路全長路線全長約199公里（含聯(lián)絡線），其中，高速公路17公里，一級公路17公里，二級公路149公里，其它等級公路14公里。造價約為63.94億元人民幣。小磨公路主線起于景洪市小勐養(yǎng)鎮(zhèn)北側，與思茅至小勐養(yǎng)高速公路相接，止于勐臘縣磨憨邊境貿易區(qū)中老邊界29號界樁附近，與昆曼國際大通道老撾境內路段相接。全線共有橋梁327座（單幅計算），其中特大橋、大橋151座；隧道34座，橋隧總長72626米。一般臺背路基的沉降規(guī)律選取小磨公路上k162+920（臺背）斷面,從2005年6月1日開始

36、觀測到2007年12月25日的實測沉降值分析, (如圖2.3)可得出如下結論：1.在施工前期,k162+920(臺背)沉降量波動明顯，在施工后期沉降量逐步呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。2.在施工后期沉降穩(wěn)定期間,k162+920(臺背)累計沉降量逐漸增大,未呈現(xiàn)波動狀態(tài).圖2.3 小磨公路k162+920（臺背）斷面實測沉降值 臺背路基與一般路基的沉降規(guī)律比較在小磨公路k162+920臺背附近選取k162+820（一般路基）斷面,從2005年6月1日開始觀測到2007年8月12日的實測沉降數(shù)據(jù)如下(如圖2.4)與k162+920斷面沉降曲線圖2.3進行對比,可得出如下結論: 圖2.4 衡棗高速公路k162+8

37、20（一般路基）斷面實測沉降值1.在施工前期,k162+820(一般路基)沉降量劇增,此后累計沉降量趨于平穩(wěn) 狀態(tài),沉降曲線呈下降趨勢,但變化量不大;2.在施工后期一般路基的沉降量比臺背路基更穩(wěn)定;3.沉降趨勢穩(wěn)定時,在相同的時間間隔內,臺背路基的沉降量明顯大于一般路基. 特殊條件下的臺背路基與一般路基沉降規(guī)律比較選取小磨公路上k105+020（臺背高填方）k105+150（高填方）兩不同觀測點位特征斷面進行實測沉降數(shù)據(jù)比較。由上例中得出累計沉降量在施工后期較為穩(wěn)定，可從2006年12月10日開始觀測到的數(shù)據(jù)進行分析，從2006年12月10日至施工完成,期間兩斷面填土厚度均為零。沉降曲線對比如

38、下(如圖2.5)所示,可得出如下結論: 圖2.5 臺背高填方和高填方沉降值的曲線對比1.在施工后期,k105+020臺背高填方路基處沉降值總體趨于穩(wěn)定,有小幅度波動;2.在施工后期,k105+150高填方路基處累計沉降值增大趨勢明顯,且沉降變化量遠大于臺背高填方路基. 從以上兩種情況的臺背路基和一般路基的沉降變化特點的比較發(fā)現(xiàn)，兩種情況的沉降差異不同，第一種情況的臺背路基沉降大于一般路基的沉降，且沉降穩(wěn)定的時間較長，而后一種情況卻正好相反，臺背路基不僅沉降量遠小于一般路基，而且臺背路基的沉降穩(wěn)定時間也較短，從兩種情況的地基和臺背填土條件分析，出現(xiàn)這種不同差異的原因主要是由地基條件和填土壓實度的

39、差異引起的，第一種情況由于地基條件較好，地基沉降較小，而臺背填土壓實度相對較差，因此路基沉降主要為路基填土的沉降，其結果必然是臺背路基的沉降大于一般路基的沉降，而第二種情況卻是地基條件相對較差，路基總沉降主要以地基沉降為主，因此臺背路基沉降小于一般路基沉降。2.4 臺背路基的沉降預測方法目前對于臺背路基，已有的沉降計算方法比較多，已有的e-lgp曲線法，應力路徑法等；數(shù)值分析中的差分解法、有限元解法等；另外還有概率統(tǒng)計分析法。傳統(tǒng)的沉降預估方法是建立在太沙基等人創(chuàng)立的經(jīng)典土力學基礎之上，其中引入了許多簡化假定，在預估時將地基沉降分為瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降三部分，并按分層總和法分別計算；

40、數(shù)值分析法是近代土力學研究的產(chǎn)物，如有限元法、有限差分法；以上的一些理論方法由于本身的局限性和實際地質條件的復雜性和非均勻性，結果必然與真實值有出入，隨著現(xiàn)場觀測技術的發(fā)展，一些基于實測沉降資料的預估法先后出現(xiàn)8,9,10,11,12,13，如雙曲線法、指數(shù)曲線法、泊松曲線法、灰色預測法、神經(jīng)網(wǎng)絡預測法等.本文利用Compertz曲線模型和雙曲線模型對小磨公路K157+364和K157+541兩個臺后路基沉降板的中后期沉降以及最終沉降進行了擬合預測。 Compertz曲線模型的建立將我們要研究的預測目標用一個定量指標表示。是的微分，它表示的變化速率。則的增長率就等于除以，于是，我們便可用微分方

41、程 （，） (2.1) 來描述的“成長”過程，式中、是模型的參數(shù)。上式的意義是，當很小時（即在初始發(fā)展階段），右邊第二項近似等于零。這時按一固定的增長速度發(fā)展；隨著的逐漸增長，所起的作用逐漸增大。故方程的實際意義是的增長對本身的發(fā)展起著一定的抑制作用，并使增長速度逐漸下降。它體現(xiàn)了外部環(huán)境對發(fā)展的綜合反應。當時，方程右邊等于零，這時增長速度也等于零。通常計，稱為飽和參數(shù)或發(fā)展極限。用分離變量法對微分方程(2.1)求解，有： (2.2)對式(2.2)進行有理式分解，兩邊積分得；或 (2.3)是待定系數(shù)，令，代入上式可以解得：將代入式(2.3)，最后整理得： (2.4)式(2.4)就是邏輯斯蒂(l

42、ogistic)成長曲線方程，也稱泊松曲線或皮爾曲線方程。如果的增長率不與成比例，而與成比例，即 (2.5)則求解式(2.5)可以得到 或 （為常數(shù)） (2.6)式(2.6)稱為Compertz曲線方程。在本文中，代表時刻時的沉降預測值，其單位為長度單位；為時間，其單位為時間單位；、為模型待定參數(shù)；的單位為與相對應的長度單位。式(2.6)代表的是一條非對稱的右偏曲線，這種形式較為符合地基土體沉降變形遞減的特點。 Compertz模型參數(shù)的計算Compertz曲線方程的三個參數(shù)可采用三段估計法求出12。首先，令，它則變?yōu)樾拚笖?shù)形式： (2.7)假設已知一時間序列、，滿足上述方程，即將個數(shù)據(jù)平均

43、分成三段（如果不能被3整除，可以通過增減個別數(shù)據(jù)使其恰為3的倍數(shù)），每段含有個數(shù)，即，對各段求和得 (2.8) (2.9) (2.10)由級數(shù)求和公式，有代入式(2.8)、(2.9)、(2.10)，得： (2.11) (2.12) (2.13)由式(2.11)、(2.12)、(2.13)經(jīng)后式減去前式，有 (2.14) (2.15)由以上兩式，可得： (2.16)故有 (2.17)同時，可解得： (2.18) (2.19)將式a、b代入上式可得 (2.20)由上述方法類推，我們不難得到龔帕斯曲線方程(2.6)式中的參數(shù)計算式為： (2.21) (2.22) (2.23)基于以上算法和思想，作者

44、利用Matlab7.0對模型計算編制了相應程序。 工程實例的比較與分析.1 計算結果本文選取小磨公路K157+364和K157+541兩個臺后路基沉降板各中前期的18組實測數(shù)據(jù)資料(見表2.1)： 表2-1小磨公路K157+364、K157+341觀測時間以及沉降量K157+364時 間(d)121138149163179194211223235沉降量(mm)24.934.234.332.835.436.938.238.639.1時 間(d)247261298323352409436484505沉降量(mm)40.3140.540.641.939.341.242.445.546.3K157+3

45、41時 間(d)129144159174191207222234245沉降量(mm)46.4246.850.158.963.865.466.767.767.7時 間(d)258284302334367406425453495沉降量(mm)68.3871.272.172.773.975.376.476.176.7利用Compertz曲線法對臺背路基進行長期以及其最終沉降的預測，并與雙曲線法預測沉降值以及實測結果進行對比分析比較(見表2.2)。表2-2小磨公路K157+364、K157+341各模型長期預測比較測 點天 數(shù)600650700750800850890位 置實 測 值49.2649.8

46、750.7250.6451.1251.9851.98K157+364compertz 曲 線預測值49.545050.350.4950.6250.750.75殘 差0.280.13-0.42-0.15-0.5-1.28-1.23誤差(%)0.56%0.21%-0.83%-0.30%-0.98%-2.46%-2.37%雙曲線預測值46.4346.847.1247.4147.6647.8848.05殘 差-2.83-3.07-3.6-3.23-3.46-4.1-3.93誤差(%)6.00%6.00%7.00%6.00%7.00%8.00%8.00%K157+541天 數(shù)60065070075080

47、0850900實 測 值77.0977.9478.4678.6479.180.1880.11compertz 曲 線預測值76.5476.5977.6277.6378.6479.6579.65殘 差-0.55-1.35-0.84-1.01-0.46-0.53-0.46誤差(%)-0.70%-1.70%-1.10%-1.30%-0.60%-0.70%-0.60% 雙曲線預測值78.4179.0779.6480.1580.6181.0181.31殘 差1.311.510.831.2誤差(%)1.70%1.40%1.50%1.90%1.90%1.00%1.50%根據(jù)兩種方法預

48、測結果和實測數(shù)據(jù)，繪出兩沉降板的實測沉降時間曲線與各模型預測沉降時間曲線(如圖2.6、圖2.7所示),為使提高顯示效果，便于比較分析，只畫相應時段內的實測以及模型擬合曲線。圖2.6小磨公路K157+364沉降板實測曲線與預測曲線對比圖2.7小磨公路K157+541沉降板實測曲線與預測曲線對比并且繪出了模型的預測擬合誤差曲線(見圖2.8、圖2.9)。圖2.8 K157+364各模型的預測 圖2.9 K157+541各模型的預測擬合誤差曲線 擬合誤差曲線.2 計算結果比較和分析由圖2.5、2.6的二沉降板實測曲線和預測曲線的對比圖中可以看出，兩種方法都可以較好地對實測曲線進行擬合，較為符合實際臺背

49、路基沉降變化規(guī)律。由兩圖中的曲線擬合對比，結合表二的預測結果可以看出，compertz曲線法較雙曲線法對臺背路基沉降的擬合精度更高，離散性也不大，因此compertz曲線法對臺背路基沉降的擬合是合適的、準確可行的。在對臺背后期沉降的預測也同樣顯示了compertz曲線法的這種優(yōu)點，例如本文對K157+541沉降板12背處的病害防治有重要的意義，而這個特點是雙曲線函數(shù)所不具備的。表2-3小磨公路K157+364、K157+541最大沉降預測值沉 降 板 編 號K157+364K157+541最大沉降量預測值（mm）52.0279.652.5小結1.臺背路基由于壓實度普遍比一般路基要低,因此在施工

50、期間的沉降量明顯大于一般路基。2.臺背路基的特點是：在填土條件相同的條件下，臺背地基的土中應力小于一般路段的地基應力，但臺背路堤的壓實度較低，所以臺背地基的沉降與一般路基相比，具有地基沉降較小，路堤沉降相對較大的特點。3.對于特殊的高填方臺背和高填方路基,沉降變化特征不同于一般地質條件下的臺背路基和一般路基,在施工后期,高填方路基的沉降量增大趨勢明顯,而臺背路基呈現(xiàn)波動狀態(tài),且高填方路基的沉降量反而大于高填方臺背.4.本文利用compertz曲線法對臺背沉降進行擬合預測,它不但可以較真實地反映地基全過程的沉降量與時間的關系，預測結果的準確性高，其原理算法易于理解接受，適應性也較廣，并且適用于對

51、瞬時加載、性線加載或多級加載的地基沉降預測問題。因此，該方法在臺背路基沉降預測中具有較高的推廣應用價值。5.Compertz曲線法和雙曲線法都可以較好的模擬臺背路基的沉降量時間曲線，對于粗略估計，二者都是可以使用的。但由誤差比較可以看出顯然compertz曲線法比雙曲線法的預測精度要更高一些，具有更高的穩(wěn)定性。6.可以利用compertz曲線的有界性通過放大時間變量，從而得出最終穩(wěn)定沉降量，這對避免橋頭臺背路面板斷裂、橋頭跳車等病害有很直觀的意義。7.可以通過不同的方法進行沉降的預測，在通過精度的比選來得出最優(yōu)方法，從而提高預測精度。 第三章 臺背路基工后沉降取值標準的研究3.1 概述容許工后

52、沉降量是填土路堤控制剩余沉降（即路基的總沉降量和施工期間沉降量之差）的指標。對于橋頭臺背路基而言，若設有搭板，則指搭板末段下土體的容許工后沉降，通常采用搭板容許縱坡變化值作為控制：若不設搭板，則會發(fā)生縱坡變化，指發(fā)生縱坡變化的末端土體的容許工后沉降?，F(xiàn)國內外研究成果對路基工后沉降提出了不同的指標,包括臺背路基容許工后沉降量、臺背前后的沉降差、設搭板時的搭板容許縱坡變化值和橋臺與搭板之間的容許坡差作為其控制。由于臺背處路基填土壓實不夠和其狹小空間的限制，使得臺背填土達不到所要求的壓實度，在工后行車荷載的反復作用下，必定會產(chǎn)生不同程度的差異沉降。而且，由于結構物設計要求的限制下部基礎較好，故而其頂部豎向變形幾乎為零。這樣就必然造成臺背處的差異沉降。由于這種差異沉降的存在，一方面造成路面平整度的降低，從而導致橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生：另一方面，由于臺背路基的局部沉降，使得路基結構層產(chǎn)生附加應力，而其值是隨沉降的增加而增大的，所以當沉降達到某一個限值的時，必然由于過大的附加應力而導致路面結構層的破壞。為了盡量緩解乃至完全避免以上病害的發(fā)生，在實際工程中采用了加固地基、選擇合適的填料以及夯實標準，設置橋頭搭板等技術措施，然而，這些技術措施的適用性和有效性，除了施工的因素以外，關鍵問題是確定一個工后差