路桥过渡段路基病害特征与处治技术1

路桥过渡段路基病害特征与处治技术谢永利教授长安大学公路学院2007年9月—楔型柔性搭板技术的应用实践 讲授大纲★背景材料★病害特征★处治技术★相关研究★工程应用 改革开放以来，我国的公路建设飞速发展，全国高速公路可达3万余公里，二级以上公路30万公里。但从已交付的高等级公路特别是高速公路来看，存在着一定问题。其中较为普遍的是，在桥台构筑物与台后填土衔接处存在差异沉降，使得路面形成台阶或显著的纵坡变化，高速行驶的车辆通过时产生颠簸跳跃，从而导致桥头跳车现象的产生，这种现象几乎在每条高速公路上都有，只是数量多少和程度轻重的差别。背景材料亟待解决的难题 “桥头跳车”是公路中的常见病害,也是多年来困扰公路行业的一大难题。桥头跳车轻则使车辆通过时产生跳动,对桥梁和路面造成附加冲击,使司乘人员感到不适。严重的桥头跳车,尤其在高速公路上,不仅使行车的不适感大大增加,车速大幅降低,甚至导致车辆失控而发生交通事故。同时，对路桥过渡段路面的大量维修养护不仅花费大量人力、物力和财力,而且也产生了不良的社会影响。背景材料 沪嘉高速公路在建成一年后即开始进行桥头引道沉降处理，六年共五次对大多数桥头进行处理，工程总费用982.6万元。杭甬高速通车以来，花费在桥头路面治理的费用也十分惊人。在美国，大约25%的路桥过渡段受到“桥头跳车”的影响，每年为此花费的维修费用预计在1亿美元以上。因此，桥头跳车病害已成为高速公路建设质量改善和提高的“拦路虎”，也是摆在各国工程技术人员面前的一大难题。背景材料 背景材料桥头跳车的表现形式有两种，一是桥头不设搭板时桥台与路堤衔接处的错台现象；二是桥头设置搭板时由于搭板路基端沉降引起的路桥过渡段纵坡变化。第一种形式，车速在60～140km/h时，台阶高度在1.5cm以上车辆行驶速度将受到影响，同时产生颠簸而形成跳车。第二种形式判定其严重与否的决定因素是搭板沉降前后的纵坡变化率。国内外多数根据现场行车调查确定搭板容许坡差，瑞典的标准是4‰，法国规定为3.8～6‰。一些行车调查表明，对90～100km/h的车速，搭板纵坡变化值在4～6‰以下时，不会影响行车舒适性。京石公路使用状况调查显示，60km/h的车速，桥头纵坡变化率在5‰以下时没有跳车感觉。 背景材料就目前我国的公路建设水平，要想彻底解决桥头跳车现象是很困难的。但若采取一些行之有效的措施，使这一现象得以较大程度的缓解则是可以实现的。我们曾针对西南、西北地区（主要是云南、四川、陕西、甘肃等）具有代表性的高速公路进行了比较细致的调查研究工作，调研的主要线路：①四川省以达州为基点对重庆、成都方向的高速公路及210国道的路桥过渡段进行调研；②陕西省以西安市为基点对西宝、西铜、西临高速进行调研；③甘肃省以天巉、巉柳、柳忠、尹中、古永、白兰高速沿线路桥过渡段为重点；④云南省对昆玉、昆石、玉元、元磨及大保线进行了调研。 背景材料调研的主要内容：（1）线路名称、桥的里程。（2）桥台类型：重力式、轻型（桩柱式、肋板式）及其它类型。（3）填土类型及填筑方式：地基处理程度、压实度、工期及填土高度。（4）病害类型及破坏程度：整体侧向滑移、路堤与桥台间形成错台、地面凹陷、搭板断裂、搭板与路堤形成纵向坡度差等。（5）所采取的防治措施及相应的处治方法。 背景材料调研结果（1）：四川地处我国西南地区，高速公路多位于山岭重丘区，区内地质和地形条件复杂，地下、地表水丰富，沟谷切割剧烈。据钻孔调查发现已建成的桥台台背在处治前填土普遍存在以下问题：路段内台背填土的主要材料为块状泥岩夹土混合填料，碎石夹素填土，块状泥岩强度较高，但不易于压实，且未经很好处理的块状片石和土混合填料具有大空隙和局部架空结构。一旦浸水或在车辆振动荷载的长期作用下可能失稳，造成填方土体的不均匀沉降。该区桥台分重力式U型台和轻型台两种，其中重式U型台多为料石浆砌而成，基础多为弱风化基岩。台背填料为就近的碎石、块石和粘土混合料。轻型桥台为桩柱式桥台，地基一般为黄褐色粉质粘土，钻孔资料表明在注浆前桥头回填料的压实效果不是很好，回填段在处置前孔隙较多。 背景材料搭板未端形成错台。该桥路堤填土为碎石土，填高13m，重力式U型台，搭板长5m，基础为弱风化基岩，沥青混凝土路面，搭板末端出现3.5cm垂直错台。台背路面局部沉降较大。该桥为轻型台，地基为冲填土，台背换碎石、块石混合土，未设搭板，桥头有3cm不均匀沉降，最大沉降距桥台4m处。 背景材料调研结果（2）：陕西地处黄土高原腹地，西宝、西潼、西黄高速公路大多数路段处在渭河左岸一级阶地上，其上堆积着第四纪新黄土，路基也多以这类黄土填筑而成，由于黄土地基的湿陷性沉陷、地下水较丰富，软基较多，且部分路段路基施工质量较差，虽然采取了许多措施，如注浆、混凝土桩置换、路面重铺等措施但跳车现象依然严重，至2005年3月许多路段相继出现路基沉陷、路面变形开裂、边坡坍塌、桥台背沉陷等病害，严重地影响车辆的正常行驶。前辙可鉴，后车之师，对在建或拟建的高等级公路来讲，十分需要总结经验教训，提高设计、施工技术水平和工程管理水平，以便减少或减轻桥台背路基沉陷病害。 背景材料1.路基沉降及路面下陷。西宝高速沣河大桥为轻型台，台背为黄土，填高5m，距桥头5m处沉降达30cm。2.路基下沉搭板脱空。渭南大桥为轻型台，搭板长6m，台背为黄土，填高2m，搭板未端横向裂缝2cm，搭腔板底部脱空。3.路基沉降搭板断裂。西宝高速一小桥为U型台，搭板长5m，填土高5.5m，路基下沉较大引起搭板断裂。（1）（2）（3） 背景材料调研结果（3）：甘肃多位于陇西黄土高原，该处以黄土梁峁地形为主，多为新黄土，浅黄色，粉粒含量较高，结构疏松，土质均一，不显层理，垂直节理与大孔隙十分发育，具强烈湿陷性。侵蚀切割严重，梁峁之间冲沟较发育，多呈V形沟，多呈树枝状，在黄土丘陵前缘斜坡地带黄土陷穴发育，主要不良地质现象有湿陷性黄土、黄土陷穴、软土、滑坡和岩堆。由于该区段的地下水水位较低，软基对路基的影响不是主要的因素，但由于该路段的黄土粉粒含量较高，结构疏松，强度较低，整体性差，而且具有强烈湿陷性，因此，该区除搭板末端有通常易产生的病害外，病害主要表现为路基的整体破坏和路基浸水后局部过量沉降。 背景材料1.整体侧向剪切破坏。天巉二专牛谷河桥为轻型台，地基为黄土，台背回填砂粒及黄土，填高11m。出现长15m宽1.5cm的圆弧裂缝，并有3cm下沉,路基整体有侧向滑移趋势。2.整体横向剪切破坏。巉柳高速太平沟桥为轻型台，填高4m，台背有20cm下沉，护坡多处开裂，填土整体向桥台滑移并有横向剪切破坏。3.路基局部过量沉降。尹忠高速立交桥为块砌U型台，填高8m，板端有15cm不均匀沉降,并在20m范围形成纵向返坡。（3）（1）（2） 背景材料调研结果（4）：云南高速公路同样多位于山岭重丘区，沟谷切割强烈，地表红粘土层较薄，基岩多为石灰岩或泥岩，地下水较丰富，地质地形条件复杂。调研的主要线路有昆玉、昆石、玉元、元磨及大保高速公路。该地区在路面进行重铺后桥头跳车现象并不十分明显，但从现场的调查看桥头跳车现象在路面重铺前同样比较普遍，而且路面重铺后病害的隐患仍然存在。 背景材料1.台背过量沉降引起桥头跳车。昆石高速k34+490桥，轻型台，强风化碎石夹土回填，填高6m，软基路段，虽路面重铺，但可看出台背路面下沉约10cm。2.路基局部不均匀凹陷引起跳车。玉元高速杨武桥，重力式U型台，路堤为强风化碎石夹土回填，填高3m，从开挖处看重铺前有8cm差异沉降，侧墙开裂0.5cm。3.台背差异沉降形成错台引起跳车，大保高速k3+300桥，石砌重力式U型台，粗粒土回填，填高8m，地基为基岩，台背有2cm差异沉降。（3）（1）（2） 病害特征1．路堤整体滑移路堤的整体侧向滑移是指路堤边坡过陡或是受到破坏后,在上部重复荷载作用下形成纵向裂缝或沿破裂面整体下滑。对于桩柱式埋置式桥台，台前的土体基本处于无侧限受压状态。当锥坡受到破坏，且在自重和车辆的冲击荷载作用下，土体有向桥内移动的趋势，形成横向裂缝或整体下滑，使得桥头部位的路基、路面产生较大的竖向位移，从而引起桥头跳车。 2．路基与桥台间形成台阶主要表现：①局部沉降发生在台背与过渡段结合处，即最大沉降深度D距离桥台背很近，形成错台；②路基整体下沉，差异沉降D达到一定值时，引起桥头跳车现象。病害特征 病害特征3．路面凹陷路面凹陷也是一种常见病害，主要是由于路堤或地基的不均匀沉降引起，外部表现特征是路基沉降不均匀，路面破坏严重、凹凸不平。此模式的主要特征是：（1）过渡段内的路基沉降不均，路面出现凹陷；（2）沉降的最大值距桥台有一定的距离。 病害特征4．搭板断裂搭板断裂是用搭板法处理中产生的一种新病害。破坏特征主要表现为：（1）路基发生不均沉降，搭板底部脱空，沿脱空区受力较大的方向发生断裂；（2）枕梁部分及其以外的路基沉降较小；（3）搭板较薄，不足以单独承受上部荷载。 病害特征5．搭板与路堤形成纵向坡度差搭板在防止桥头跳车方面成功的实例很多，但也有不足之处，当路堤沉降较大或搭板长度不够，纵向坡差超过一定范围时，就会在搭板与路堤衔接处产生转角，形成“二次跳车”。主要特征：（1）路基整体沉降过大；（2）搭板较短不足使桥台与路基的差异沉降平稳过渡；（3）搭板间一端简支于桥台。 病害特征6．搭板末端产生差异沉降因我国桥头跳车问题比较突出,故在设计与施工中都采取一定措施，如在设置桥头搭板的同时对搭板区段路基进行注浆处理，这样过渡段的下沉固然减小了，但往往忽略了对搭板以外路基的处理与压实，经过一段时间的运营后在这一部位产生差异沉降，形成新的跳车现象。 发达国家由于高速公路起步早，现有的方法主要是补救维修。同时，由于其高速公路的路堤填土高度较低，通道数量较少，且施工周期较长，所产生的工后沉降较小，相应产生的危害就小，处治的思路与处治费用就会大不一样。国内也开展了很多这方面的研究工作，提出了一些处治方法，并在工程中积极推广应用。但有些方法处治机理不清，治标不治本，故有成功的案例，也不乏失效的报道。究其原因，主要是没有进行系统的研究，对处治方法的作用机理和适应性没有搞清楚，即使立题研究，也往往投入较少，只有宏观调查资料，而缺少试验分析结果，现场测试分析较少。因此，方法的推广应用就必然受到限制。处治技术 路桥过渡段桥台与路堤两种材料刚度的较大差异是产生桥头跳车的客观因素，同时设计和施工中的一些不合理因素也加剧了桥头跳车病害的发生。桥台大多为混凝土结构或圬工砌体，自身变形量可忽略不计，桥台的沉降主要体现在基础的沉降，而高等级公路的桥梁主要以钻孔桩为主，即使扩大基础，也建在很好的地基上，故桥台沉降往往很小。而路堤沉降则由地基沉降和路基压缩沉降两部分组成。“桥头跳车”主要是由路堤沉降造成的。处治技术 路桥过渡段路基沉降包括路基填土沉降和路基下地基沉降两部分。这时，路基填土即是荷载体又是构造体，桥头段经处治后之路基填土不仅要减小路基自身的变形，更重要的是该填土体还要适应路基下地基产生的容许沉降变形。路基填土体消化自身的变形比较容易，而要消化地基的变形则比较困难。因此，一种处治方法的适应性评价实际上就是研究其消化路基下地基沉降变形的能力。处治技术 桥头跳车处治方法处治思路处治方法减小路基压缩变形①提高路基填土的压实度②换填材料（砂砾石，碎石等）③挤密桩④加筋（土工网等）沉降过渡方法①桥头搭板②渐变桩③柔性桥台减少地基沉降①地基处理（粉喷桩，钢渣桩，超载预压，等等）②采用轻质材料填筑路基（粉煤灰,聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）和发泡珍珠岩等）路面处理①预设反向坡度②设置过渡段路面常用桥头跳车处治方法一览处治技术 从协调和控制桥台与路堤间差异变形的目的出发，应用新型土工合成材料－土工格室，自主研发了楔型柔性搭板处治技术。现场试验和沉降观测结果表明，楔型柔性搭板技术协调桥头差异沉降作用明显，是一种成功的处治桥头跳车病害的方法。自主研发了新的桥头跳车处治技术--楔型柔性搭板处治技术 楔型柔性搭板：利用土工格室与填料构成的具有强大侧向限制和大刚度的柔性结构层，结合台背联结技术，形成台后楔型加固体，即能有效地消除地基沉降的影响，又能起到约束路堤的侧向位移和扩散荷载、减小路堤竖向位移的作用，从而达到消除桥头跳车的目的。处治技术 重力式肋板式桩柱式楔型柔性搭板 楔型柔性搭板 桥台与路堤刚度相差悬殊，两种材料在各种内部及外部因素影响下的变形差异不可避免。因此，要达到消除桥头跳车的目的，研究桥台与路堤之间变形的协调和控制是研究处治技术的核心。相关研究 相关研究到底这些方法的适应性如何，如何评价一些方法的优劣，针对这些问题开展深入系统的研究，对于保证高速公路车辆的交通安全和舒适行驶，提高高速公路的社会效益、降低已建高速公路的养护维修费用、改善待建高速公路的质量都具有十分重要的意义。 项目共分8个研究专题：1．路桥过渡段路基下地基沉降与沉降模拟试验系统研制2．车辆振动与冲击荷载作用性状与动载模拟系统研制3．路桥过渡段路基处治技术的适应性与作用机理研究4．路桥过渡段路基填土动力特性与相关参数研究5．路桥过渡段路基处治技术的仿真与优化6．路桥过渡段路基设计与计算方法研究7．路桥过渡段路基施工工艺与质量控制体系研究8．路桥过渡段路基病害治理的适应性研究相关研究 研究技术路线数值仿真与优化调研与资料收集动荷作用频度与作用强度地基沉降特征分析车辆动载模拟系统地基沉降模拟试验系统制定大比尺模型试验方案专家审议模型试验研究填土动力特性与相关参数研究设计与计算方法，施工工艺和质量控制体系实体工程病害治理适应性研究 研究手段☆数值仿真软件平台（MARC)☆GDS动三轴试验系统☆车辆动载模拟加载系统☆小比例沉降模型试验箱☆大比例沉降模拟试验台☆现场试验测试设备 楔型加固体的拓扑优化验证在加固体布置时，根据工程实践经验结合感性认识，采用了倒梯形的楔型加固方式，但缺乏相应的理论支撑。如何将这种设计由“感性”变为“理性”，基于连续体的结构优化原理，应用拓扑优化理论，认为最合理的加固方式应是在一定加固面积约束条件下实现抵抗荷载和变形能力最强，以此对路桥过渡段路基加固体进行结构布局优化。拓扑优化考虑体积约束和结构平衡方程，以结构的柔顺度最小，即刚度最大为目标，其得到的最优拓扑抵抗变形的能力最强。即定义结构柔顺度为拓扑优化函数，将其指定为目标函数，指定结构的名义总体积为约束函数。 不同荷载作用下的最优拓扑图50%（b）55%6m-10m-8m最优拓扑图6m-10m-10m最优拓扑图面力荷载体力荷载面力体力荷载55%60%65%60%70% 数值仿真软件平台（MARC)MARC是国际上通用的最先进的非线性有限元分析软件，拥有丰富的单元库、材料模型库与求解器，能高效地求解各类结构的静动力线性与高度非线性、稳态与瞬态热分析及热－结构耦合问题、电磁场问题、流体力学问题等。自上世纪九十年代进入我国以来，在许多领域得到广泛应用。MARC程序拥有许多对用户开放的子程序，研究中已针对课题特点编制了用户子程序，实现了有效模拟。 基于MARC软件，相应编写了以下子程序⑴模拟地基非均匀沉降的边界条件子程序⑵模拟车辆移动分布荷载的子程序⑶非线性邓肯——张本构关系的子程序⑷模拟脱空区材料特性的子程序⑸模拟筋材与土体界面相互作用接触面单元子程序针对不同地基沉降条件，模拟柔性搭板与填土间的相互作用，在此基础上，对楔形柔性搭板的设计参数进行优化。数值仿真软件平台（MARC) GDS动三轴试验系统GDS动三轴仪系英国GDS公司生产的双向激振动三轴仪，是目前世界上很先进的动三轴试验仪器。 车辆动载模拟加载系统 模拟加载装置的布置图作用力随时间变化曲线 加载系统离心轴布置简图 小比例沉降模型系统先进科学的研究手段模型箱长3.2米，高2米，宽0.6米，呈长方体状，沉降控制用两个千斤顶。 先进科学的研究手段大比例沉降模拟试验台包括支撑系统、升降系统、托板系统、动力系统、控制系统及测试系统等部分。 大比例沉降模拟试验台先进科学的研究手段试验台支撑、升降与托板系统由138个机械千斤顶和230块正三角形面板组成。