路橋過渡段路基病害特征與處治技術(shù)

路橋過渡段路基病害特征與處治技術(shù)第一頁，共46頁。路橋過渡段路基病害特征與處治技術(shù)—楔型柔性搭板技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐第二頁，共46頁。講授大綱★背景材料★病害特征★處治技術(shù)★相關(guān)研究★工程應(yīng)用第三頁，共46頁。

改革開放以來，我國的公路建設(shè)飛速發(fā)展，全國高速公路可達(dá)3萬余公里，二級(jí)以上公路30萬公里。但從已交付的高等級(jí)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(tái)構(gòu)筑物與臺(tái)后填土銜接處存在差異沉降，使得路面形成臺(tái)階或顯著的縱坡變化，高速行駛的車輛通過時(shí)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上都有，只是數(shù)量多少和程度輕重的差別。

背景材料亟待解決的難題第四頁，共46頁。

“橋頭跳車”是公路中的常見病害,也是多年來困擾公路行業(yè)的一大難題。橋頭跳車輕則使車輛通過時(shí)產(chǎn)生跳動(dòng),對(duì)橋梁和路面造成附加沖擊,使司乘人員感到不適。嚴(yán)重的橋頭跳車,尤其在高速公路上,不僅使行車的不適感大大增加,車速大幅降低,甚至導(dǎo)致車輛失控而發(fā)生交通事故。同時(shí)，對(duì)路橋過渡段路面的大量維修養(yǎng)護(hù)不僅花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力,而且也產(chǎn)生了不良的社會(huì)影響。背景材料第五頁，共46頁。

滬嘉高速公路在建成一年后即開始進(jìn)行橋頭引道沉降處理，六年共五次對(duì)大多數(shù)橋頭進(jìn)行處理，工程總費(fèi)用982.6萬元。杭甬高速通車以來，花費(fèi)在橋頭路面治理的費(fèi)用也十分驚人。在美國，大約25%的路橋過渡段受到“橋頭跳車”的影響，每年為此花費(fèi)的維修費(fèi)用預(yù)計(jì)在1億美元以上。因此，橋頭跳車病害已成為高速公路建設(shè)質(zhì)量改善和提高的“攔路虎”，也是擺在各國工程技術(shù)人員面前的一大難題。背景材料第六頁，共46頁。

背景材料

橋頭跳車的表現(xiàn)形式有兩種，一是橋頭不設(shè)搭板時(shí)橋臺(tái)與路堤銜接處的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象；二是橋頭設(shè)置搭板時(shí)由于搭板路基端沉降引起的路橋過渡段縱坡變化。第一種形式，車速在60～140km/h時(shí)，臺(tái)階高度在1.5cm以上車輛行駛速度將受到影響，同時(shí)產(chǎn)生顛簸而形成跳車。第二種形式判定其嚴(yán)重與否的決定因素是搭板沉降前后的縱坡變化率。國內(nèi)外多數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)行車調(diào)查確定搭板容許坡差，瑞典的標(biāo)準(zhǔn)是4‰，法國規(guī)定為3.8～6‰。一些行車調(diào)查表明，對(duì)90～100km/h的車速，搭板縱坡變化值在4～6‰以下時(shí)，不會(huì)影響行車舒適性。京石公路使用狀況調(diào)查顯示，60km/h的車速，橋頭縱坡變化率在5‰以下時(shí)沒有跳車感覺。第七頁，共46頁。

背景材料

就目前我國的公路建設(shè)水平，要想徹底解決橋頭跳車現(xiàn)象是很困難的。但若采取一些行之有效的措施，使這一現(xiàn)象得以較大程度的緩解則是可以實(shí)現(xiàn)的。我們?cè)槍?duì)西南、西北地區(qū)（主要是云南、四川、陜西、甘肅等）具有代表性的高速公路進(jìn)行了比較細(xì)致的調(diào)查研究工作，調(diào)研的主要線路：①四川省以達(dá)州為基點(diǎn)對(duì)重慶、成都方向的高速公路及210國道的路橋過渡段進(jìn)行調(diào)研；②陜西省以西安市為基點(diǎn)對(duì)西寶、西銅、西臨高速進(jìn)行調(diào)研；③甘肅省以天巉、巉柳、柳忠、尹中、古永、白蘭高速沿線路橋過渡段為重點(diǎn)；④云南省對(duì)昆玉、昆石、玉元、元磨及大保線進(jìn)行了調(diào)研。第八頁，共46頁。

背景材料調(diào)研的主要內(nèi)容：

（1）線路名稱、橋的里程。

（2）橋臺(tái)類型：重力式、輕型（樁柱式、肋板式）及其它類型。

（3）填土類型及填筑方式：地基處理程度、壓實(shí)度、工期及填土高度。

（4）病害類型及破壞程度：整體側(cè)向滑移、路堤與橋臺(tái)間形成錯(cuò)臺(tái)、地面凹陷、搭板斷裂、搭板與路堤形成縱向坡度差等。

（5）所采取的防治措施及相應(yīng)的處治方法。第九頁，共46頁。

背景材料

調(diào)研結(jié)果（1）：四川地處我國西南地區(qū)，高速公路多位于山嶺重丘區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)和地形條件復(fù)雜，地下、地表水豐富，溝谷切割劇烈。據(jù)鉆孔調(diào)查發(fā)現(xiàn)已建成的橋臺(tái)臺(tái)背在處治前填土普遍存在以下問題：路段內(nèi)臺(tái)背填土的主要材料為塊狀泥巖夾土混合填料，碎石夾素填土，塊狀泥巖強(qiáng)度較高，但不易于壓實(shí)，且未經(jīng)很好處理的塊狀片石和土混合填料具有大空隙和局部架空結(jié)構(gòu)。一旦浸水或在車輛振動(dòng)荷載的長期作用下可能失穩(wěn)，造成填方土體的不均勻沉降。該區(qū)橋臺(tái)分重力式U型臺(tái)和輕型臺(tái)兩種，其中重式U型臺(tái)多為料石漿砌而成，基礎(chǔ)多為弱風(fēng)化基巖。臺(tái)背填料為就近的碎石、塊石和粘土混合料。輕型橋臺(tái)為樁柱式橋臺(tái)，地基一般為黃褐色粉質(zhì)粘土，鉆孔資料表明在注漿前橋頭回填料的壓實(shí)效果不是很好，回填段在處置前孔隙較多。第十頁，共46頁。

背景材料搭板未端形成錯(cuò)臺(tái)。該橋路堤填土為碎石土，填高13m，重力式U型臺(tái)，搭板長5m，基礎(chǔ)為弱風(fēng)化基巖，瀝青混凝土路面，搭板末端出現(xiàn)3.5cm垂直錯(cuò)臺(tái)。臺(tái)背路面局部沉降較大。該橋?yàn)檩p型臺(tái)，地基為沖填土，臺(tái)背換碎石、塊石混合土，未設(shè)搭板，橋頭有3cm不均勻沉降，最大沉降距橋臺(tái)4m處。第十一頁，共46頁。

背景材料調(diào)研結(jié)果（2）：陜西地處黃土高原腹地，西寶、西潼、西黃高速公路大多數(shù)路段處在渭河左岸一級(jí)階地上，其上堆積著第四紀(jì)新黃土，路基也多以這類黃土填筑而成，由于黃土地基的濕陷性沉陷、地下水較豐富，軟基較多，且部分路段路基施工質(zhì)量較差，雖然采取了許多措施，如注漿、混凝土樁置換、路面重鋪等措施但跳車現(xiàn)象依然嚴(yán)重，至2005年3月許多路段相繼出現(xiàn)路基沉陷、路面變形開裂、邊坡坍塌、橋臺(tái)背沉陷等病害，嚴(yán)重地影響車輛的正常行駛。前轍可鑒，后車之師，對(duì)在建或擬建的高等級(jí)公路來講，十分需要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平和工程管理水平，以便減少或減輕橋臺(tái)背路基沉陷病害。第十二頁，共46頁。

背景材料1.路基沉降及路面下陷。西寶高速灃河大橋?yàn)檩p型臺(tái)，臺(tái)背為黃土，填高5m，距橋頭5m處沉降達(dá)30cm。2.路基下沉搭板脫空。渭南大橋?yàn)檩p型臺(tái)，搭板長6m，臺(tái)背為黃土，填高2m，搭板未端橫向裂縫2cm，搭腔板底部脫空。3.路基沉降搭板斷裂。西寶高速一小橋?yàn)閁型臺(tái)，搭板長5m，填土高5.5m，路基下沉較大引起搭板斷裂。

（1）（2）（3）第十三頁，共46頁。

背景材料調(diào)研結(jié)果（3）：甘肅多位于隴西黃土高原，該處以黃土梁峁地形為主，多為新黃土，淺黃色，粉粒含量較高，結(jié)構(gòu)疏松，土質(zhì)均一，不顯層理，垂直節(jié)理與大孔隙十分發(fā)育，具強(qiáng)烈濕陷性。侵蝕切割嚴(yán)重，梁峁之間沖溝較發(fā)育，多呈V形溝，多呈樹枝狀，在黃土丘陵前緣斜坡地帶黃土陷穴發(fā)育，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象有濕陷性黃土、黃土陷穴、軟土、滑坡和巖堆。由于該區(qū)段的地下水水位較低，軟基對(duì)路基的影響不是主要的因素，但由于該路段的黃土粉粒含量較高，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，整體性差，而且具有強(qiáng)烈濕陷性，因此，該區(qū)除搭板末端有通常易產(chǎn)生的病害外，病害主要表現(xiàn)為路基的整體破壞和路基浸水后局部過量沉降。第十四頁，共46頁。

背景材料1.整體側(cè)向剪切破壞。天巉二專牛谷河橋?yàn)檩p型臺(tái)，地基為黃土，臺(tái)背回填砂粒及黃土，填高11m。出現(xiàn)長15m寬1.5cm的圓弧裂縫，并有3cm下沉,路基整體有側(cè)向滑移趨勢(shì)。2.整體橫向剪切破壞。巉柳高速太平溝橋?yàn)檩p型臺(tái)，填高4m，臺(tái)背有20cm下沉，護(hù)坡多處開裂，填土整體向橋臺(tái)滑移并有橫向剪切破壞。3.路基局部過量沉降。尹忠高速立交橋?yàn)閴K砌U型臺(tái)，填高8m，板端有15cm不均勻沉降,并在20m范圍形成縱向返坡。（3）（1）（2）第十五頁，共46頁。

背景材料調(diào)研結(jié)果（4）：云南高速公路同樣多位于山嶺重丘區(qū)，溝谷切割強(qiáng)烈，地表紅粘土層較薄，基巖多為石灰?guī)r或泥巖，地下水較豐富，地質(zhì)地形條件復(fù)雜。調(diào)研的主要線路有昆玉、昆石、玉元、元磨及大保高速公路。該地區(qū)在路面進(jìn)行重鋪后橋頭跳車現(xiàn)象并不十分明顯，但從現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查看橋頭跳車現(xiàn)象在路面重鋪前同樣比較普遍，而且路面重鋪后病害的隱患仍然存在。第十六頁，共46頁。

背景材料1.臺(tái)背過量沉降引起橋頭跳車。昆石高速k34+490橋，輕型臺(tái)，強(qiáng)風(fēng)化碎石夾土回填，填高6m，軟基路段，雖路面重鋪，但可看出臺(tái)背路面下沉約10cm。2.路基局部不均勻凹陷引起跳車。玉元高速楊武橋，重力式U型臺(tái)，路堤為強(qiáng)風(fēng)化碎石夾土回填，填高3m，從開挖處看重鋪前有8cm差異沉降，側(cè)墻開裂0.5cm。3.臺(tái)背差異沉降形成錯(cuò)臺(tái)引起跳車，大保高速k3+300橋，石砌重力式U型臺(tái)，粗粒土回填，填高8m，地基為基巖，臺(tái)背有2cm差異沉降。（3）（1）（2）第十七頁，共46頁。

病害特征1．路堤整體滑移

路堤的整體側(cè)向滑移是指路堤邊坡過陡或是受到破壞后,在上部重復(fù)荷載作用下形成縱向裂縫或沿破裂面整體下滑。對(duì)于樁柱式埋置式橋臺(tái)，臺(tái)前的土體基本處于無側(cè)限受壓狀態(tài)。當(dāng)錐坡受到破壞，且在自重和車輛的沖擊荷載作用下，土體有向橋內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)，形成橫向裂縫或整體下滑，使得橋頭部位的路基、路面產(chǎn)生較大的豎向位移，從而引起橋頭跳車。第十八頁，共46頁。

2．路基與橋臺(tái)間形成臺(tái)階

主要表現(xiàn)：①局部沉降發(fā)生在臺(tái)背與過渡段結(jié)合處，即最大沉降深度D距離橋臺(tái)背很近，形成錯(cuò)臺(tái)；②路基整體下沉，差異沉降D達(dá)到一定值時(shí)，引起橋頭跳車現(xiàn)象。

病害特征第十九頁，共46頁。

病害特征3．路面凹陷

路面凹陷也是一種常見病害，主要是由于路堤或地基的不均勻沉降引起，外部表現(xiàn)特征是路基沉降不均勻，路面破壞嚴(yán)重、凹凸不平。此模式的主要特征是：（1）過渡段內(nèi)的路基沉降不均，路面出現(xiàn)凹陷；（2）沉降的最大值距橋臺(tái)有一定的距離。第二十頁，共46頁。

病害特征4．搭板斷裂

搭板斷裂是用搭板法處理中產(chǎn)生的一種新病害。破壞特征主要表現(xiàn)為：（1）路基發(fā)生不均沉降，搭板底部脫空，沿脫空區(qū)受力較大的方向發(fā)生斷裂；（2）枕梁部分及其以外的路基沉降較??；（3）搭板較薄，不足以單獨(dú)承受上部荷載。第二十一頁，共46頁。

病害特征

5．搭板與路堤形成縱向坡度差

搭板在防止橋頭跳車方面成功的實(shí)例很多，但也有不足之處，當(dāng)路堤沉降較大或搭板長度不夠，縱向坡差超過一定范圍時(shí)，就會(huì)在搭板與路堤銜接處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，形成“二次跳車”。主要特征：（1）路基整體沉降過大；（2）搭板較短不足使橋臺(tái)與路基的差異沉降平穩(wěn)過渡；（3）搭板間一端簡(jiǎn)支于橋臺(tái)。第二十二頁，共46頁。

病害特征6．搭板末端產(chǎn)生差異沉降

因我國橋頭跳車問題比較突出,故在設(shè)計(jì)與施工中都采取一定措施，如在設(shè)置橋頭搭板的同時(shí)對(duì)搭板區(qū)段路基進(jìn)行注漿處理，這樣過渡段的下沉固然減小了，但往往忽略了對(duì)搭板以外路基的處理與壓實(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)營后在這一部位產(chǎn)生差異沉降，形成新的跳車現(xiàn)象。第二十三頁，共46頁。

發(fā)達(dá)國家由于高速公路起步早，現(xiàn)有的方法主要是補(bǔ)救維修。同時(shí)，由于其高速公路的路堤填土高度較低，通道數(shù)量較少，且施工周期較長，所產(chǎn)生的工后沉降較小，相應(yīng)產(chǎn)生的危害就小，處治的思路與處治費(fèi)用就會(huì)大不一樣。國內(nèi)也開展了很多這方面的研究工作，提出了一些處治方法，并在工程中積極推廣應(yīng)用。但有些方法處治機(jī)理不清，治標(biāo)不治本，故有成功的案例，也不乏失效的報(bào)道。究其原因，主要是沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，對(duì)處治方法的作用機(jī)理和適應(yīng)性沒有搞清楚，即使立題研究，也往往投入較少，只有宏觀調(diào)查資料，而缺少試驗(yàn)分析結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析較少。因此，方法的推廣應(yīng)用就必然受到限制。處治技術(shù)第二十四頁，共46頁。

路橋過渡段橋臺(tái)與路堤兩種材料剛度的較大差異是產(chǎn)生橋頭跳車的客觀因素，同時(shí)設(shè)計(jì)和施工中的一些不合理因素也加劇了橋頭跳車病害的發(fā)生。橋臺(tái)大多為混凝土結(jié)構(gòu)或圬工砌體，自身變形量可忽略不計(jì)，橋臺(tái)的沉降主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)的沉降，而高等級(jí)公路的橋梁主要以鉆孔樁為主，即使擴(kuò)大基礎(chǔ)，也建在很好的地基上，故橋臺(tái)沉降往往很小。而路堤沉降則由地基沉降和路基壓縮沉降兩部分組成?！皹蝾^跳車”主要是由路堤沉降造成的。處治技術(shù)第二十五頁，共46頁。

路橋過渡段路基沉降包括路基填土沉降和路基下地基沉降兩部分。這時(shí)，路基填土即是荷載體又是構(gòu)造體，橋頭段經(jīng)處治后之路基填土不僅要減小路基自身的變形，更重要的是該填土體還要適應(yīng)路基下地基產(chǎn)生的容許沉降變形。路基填土體消化自身的變形比較容易，而要消化地基的變形則比較困難。因此，一種處治方法的適應(yīng)性評(píng)價(jià)實(shí)際上就是研究其消化路基下地基沉降變形的能力。處治技術(shù)第二十六頁，共46頁。橋頭跳車處治方法處治思路處治方法減小路基壓縮變形①提高路基填土的壓實(shí)度②換填材料（砂礫石，碎石等）③擠密樁④加筋（土工網(wǎng)等）沉降過渡方法①橋頭搭板②漸變樁③柔性橋臺(tái)減少地基沉降①地基處理（粉噴樁，鋼渣樁，超載預(yù)壓，等等）②采用輕質(zhì)材料填筑路基（粉煤灰,聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）和發(fā)泡珍珠巖等）路面處理①預(yù)設(shè)反向坡度②設(shè)置過渡段路面

常用橋頭跳車處治方法一覽

處治技術(shù)第二十七頁，共46頁。

從協(xié)調(diào)和控制橋臺(tái)與路堤間差異變形的目的出發(fā)，應(yīng)用新型土工合成材料－土工格室，自主研發(fā)了楔型柔性搭板處治技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和沉降觀測(cè)結(jié)果表明，楔型柔性搭板技術(shù)協(xié)調(diào)橋頭差異沉降作用明顯，是一種成功的處治橋頭跳車病害的方法。新的橋頭跳車處治技術(shù)--楔型柔性搭板處治技術(shù)第二十八頁，共46頁。楔型柔性搭板：利用土工格室與填料構(gòu)成的具有強(qiáng)大側(cè)向限制和大剛度的柔性結(jié)構(gòu)層，結(jié)合臺(tái)背聯(lián)結(jié)技術(shù)，形成臺(tái)后楔型加固體，即能有效地消除地基沉降的影響，又能起到約束路堤的側(cè)向位移和擴(kuò)散荷載、減小路堤豎向位移的作用，從而達(dá)到消除橋頭跳車的目的。處治技術(shù)第二十九頁，共46頁。重力式

肋板式

樁柱式

楔型柔性搭板第三十頁，共46頁。

橋臺(tái)與路堤剛度相差懸殊，兩種材料在各種內(nèi)部及外部因素影響下的變形差異不可避免。因此，要達(dá)到消除橋頭跳車的目的，研究橋臺(tái)與路堤之間變形的協(xié)調(diào)和控制是研究處治技術(shù)的核心。相關(guān)研究第三十一頁，共46頁。相關(guān)研究

到底這些方法的適應(yīng)性如何，如何評(píng)價(jià)一些方法的優(yōu)劣，針對(duì)這些問題開展深入系統(tǒng)的研究，對(duì)于保證高速公路車輛的交通安全和舒適行駛，提高高速公路的社會(huì)效益、降低已建高速公路的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用、改善待建高速公路的質(zhì)量都具有十分重要的意義。第三十二頁，共46頁。項(xiàng)目共分8個(gè)研究專題：1．路橋過渡段路基下地基沉降與沉降模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研制2．車輛振動(dòng)與沖擊荷載作用性狀與動(dòng)載模擬系統(tǒng)研制3．路橋過渡段路基處治技術(shù)的適應(yīng)性與作用機(jī)理研究4．路橋過渡段路基填土動(dòng)力特性與相關(guān)參數(shù)研究5．路橋過渡段路基處治技術(shù)的仿真與優(yōu)化6．路橋過渡段路基設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究7．路橋過渡段路基施工工藝與質(zhì)量控制體系研究8．路橋過渡段路基病害治理的適應(yīng)性研究相關(guān)研究第三十三頁，共46頁。研究技術(shù)路線數(shù)值仿真與優(yōu)化調(diào)研與資料收集動(dòng)荷作用頻度與作用強(qiáng)度地基沉降特征分析車輛動(dòng)載模擬系統(tǒng)地基沉降模擬試驗(yàn)系統(tǒng)制定大比尺模型試驗(yàn)方案專家審議模型試驗(yàn)研究填土動(dòng)力特性與相關(guān)參數(shù)研究設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，施工工藝和質(zhì)量控制體系實(shí)體工程病害治理適應(yīng)性研究第三十四頁，共46頁。研究手段☆數(shù)值仿真軟件平臺(tái)（MARC)☆GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)☆車輛動(dòng)載模擬加載系統(tǒng)☆小比例沉降模型試驗(yàn)箱☆大比例沉降模擬試驗(yàn)臺(tái)☆現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備第三十五頁，共46頁。楔型加固體的拓?fù)鋬?yōu)化驗(yàn)證

在加固體布置時(shí)，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合感性認(rèn)識(shí)，采用了倒梯形的楔型加固方式，但缺乏相應(yīng)的理論支撐。如何將這種設(shè)計(jì)由“感性”變?yōu)椤袄硇浴?，基于連續(xù)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化理論，認(rèn)為最合理的加固方式應(yīng)是在一定加固面積約束條件下實(shí)現(xiàn)抵抗荷載和變形能力最強(qiáng)，以此對(duì)路橋過渡段路基加固體進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化考慮體積約束和結(jié)構(gòu)平衡方程，以結(jié)構(gòu)的柔順度最小，即剛度最大為目標(biāo)，其得到的最優(yōu)拓?fù)涞挚棺冃蔚哪芰ψ顝?qiáng)。即定義結(jié)構(gòu)柔順度為拓?fù)鋬?yōu)化函數(shù)，將其指定為目標(biāo)函數(shù)，指定結(jié)構(gòu)的名義總體積為約束函數(shù)。第三十六頁，共46頁。不同荷載作用下的最優(yōu)拓?fù)鋱D50%（b）55%

6m-10m-8m最優(yōu)拓?fù)鋱D

6m-10m-10m最優(yōu)拓?fù)鋱D面力荷載體力荷載面力體力荷