路桥过渡段路基病害特征与处治技术

●路桥过渡段路基沉降特征●车辆动荷载作用性状●路基填土动力特性●路桥过渡段路基模型试验研究●路桥过渡段处治技术适应性及作用机理 路桥过渡段路基沉降特征路基沉降主要由两部分组成，即地基沉降和路堤填土的沉降。对软土地基来说地基沉降占主要部分，而对高填路堤则路堤本身的沉降占相当大的比例，不可忽略。由于台后填土往往较高，地基沉降与路堤本身的压缩变形都十分明显，可能产生较大的不均匀沉降。从目前的状况来看，针对地基沉降的研究相对较多，而对于路堤本身的压缩变形研究相对较少。因此，研究路桥过渡段路基沉降特征，对把握工后沉降量、正确选择相应的处治方法十分关键；再则从研究处治技术对地基沉降的适应性出发，其沉降特征也是大比尺模型试验地基变形有效模拟的前提。本项目通过有限元分析、室内压缩试验、现场实测，分别针对路桥过渡段地基的沉降特征、路堤的沉降特征和路基工后沉降的计算方法开展了深入研究。 路桥过渡段路基沉降特征地基沉降特征分析分析条件：河滩相和湖海相软土地基分析内容：(1）地基固结沉降变化特性(2）地基沉降曲线变化特征◎曲线斜率与割线转角特征◎最大值沉降与斜率及割线角度变化关系 沉降曲线斜率与割线转角特征 关系曲线图最大值沉降与斜率及割线角度变化特征 路堤沉降特征分析◎路堤沉降构成◎路堤变形阶段◎地形条件对路堤沉降的影响◎路堤沉降与填土高度的关系◎路堤沉降与时间的关系◎路堤沉降与分层填筑的关系路桥过渡段路基沉降特征 路堤变形过程可分为三个阶段（1）塑性－弹性变形阶段：填筑过程中，土经过摊铺、洒水、分层碾压而被压缩，塑性变形是主体。随着填土高度的增加，下层土受上层土的荷载作用，开始发生压缩变形，这一阶段的变形明显地表现出填土高度与压缩量正相关，故路堤横断面方向中间变形大，两侧变形量小。（2）不均匀变形阶段：在变形过程中，在横断面上，由于填方的不均匀及侧向无约束，应力分布不同于自重应力，出现边坡应力下降，堤内应力集中，易产生剪切变形，这就造成横向不均匀变形，这种变形在施工后期和使用期内比较明显。（3）蠕变变形阶段：蠕变过程复杂，蠕变过程中仍有弹塑性变形存在。路桥过渡段路基沉降特征 实测路堤沉降变化分布特征 路堤内部沉降变化曲线逐级加荷与一次加荷比较沉降与填土高度关系曲线施工期沉降与填土高度关系曲线 路桥过渡段路基沉降特征路基工后沉降计算路堤填筑用土大多是经过开挖、重塑、搬运和再压实的土，属于非饱和土，而非饱和土的固结理论迄今为止尚不成熟。因此，如何计算路基填土体本身未完成的沉降量是一个很难解决的问题。在总结大量的室内压缩试验和现场测试成果的基础上，本项目采用改进的分层总和法计算路堤填土的总沉降，建立了力、变形和时间的路堤沉降计算模型，从而较好地解决了路堤填土的工后沉降计算问题。 车辆动荷载作用性状车辆动荷载的影响车辆动载对道路的损伤远大于车辆静载的影响，传统的半经验公式认为，道路结构的损坏大体与轮载的四次方成正比。路面与路基的损坏是由数百辆重型卡车驶过引起的，而非同一时间内数千辆轿车或轻型车经过而造成。由此可以明显看出，加剧桥头跳车的主要因素是重型车辆和交通流量。因此，要想正确地在试验台上模拟真实道路的受力情况，必须对不同车辆，尤其是重型车辆，作用于路面的载荷进行准确测量，然后根据交通流量统计，合理构成载荷谱，再通过模拟加载装置，实现道路荷载模拟的真实再现。通常车辆动载信号都是以正弦波来模拟，但实际上车辆动载是一连串的脉冲信号，也即一连串的瞬态冲击。尤其是当遇到路面突起，如桥头沉降，这种瞬态冲击将变得更大。因此，在模拟试验台上，不应以正弦波信号加以模拟，而应该准确得到车辆对路面的冲击波形，并对车辆信号的出现周期进行较为准确地测量，从而对加载装置提出合理、科学的指导。 车辆动荷载的测试常用的道路载荷测量主要有两种：（1）台式称重系统：轮胎底部支撑面全部作用到称重台上，使用应变计或其它静态敏感元件,可在车辆静止状态下称重。如果在高速下测量，车轮颠簸和悬挂系统振荡的动态效应会影响精度，振荡的波长通常会超过称重台的宽度，通过多个系统求平均值可以满足精度要求。但由于台式称重系统使用钢框架安装的高成本限制了它的应用。（2）条状传感器WIM系统：条状载荷传感器可安装到狭窄的路面凹槽中，因而很经济。一般采用排列多个传感器获得动态信号平均值。因为条状传感器的宽度比轮胎印迹窄,力信号必须沿车轮接触长度积分。因此,条状传感器的性能主要取决于积分时段内信号的质量和传感器与路面相互作用的长期稳定性。本项目选择第二种测试系统，采用石英式载荷传感器。车辆动荷载作用性状 道路载荷测量系统示意图典型轮载曲线 车辆触发红外传感器安装称重传感器试验车辆后轮通过称重传感器试验车辆 轿车动态载荷曲线车速10km/h车速50km/h车速40km/h车速20km/h 载重车动态载荷曲线车速5km/h车速25km/h车速40km/h车速50km/h 模拟载荷谱的构成每一车辆对路面的作用都是一个含有两个以上脉冲的冲击信号，因此，模拟载荷的基本构成应该根据轴数、车速和交通量来进行。例如，对中型车而言，模拟载荷应以两个不同幅值的半正弦脉冲组成，两脉冲之间的时间间隔，取决于车速。假设根据交通量统计，该型车的年通过量为1000辆，则模拟载荷周期为1000/年，也即以上述两脉冲信号为基信号，脉冲数为1000，构造模拟加载信号。N=1000模拟荷载谱组成T=2*前后轴时间差车辆动荷载作用性状 载荷谱模拟由以下三元素构成：（1）幅值：取决于车型（小型、大客、载重、超大型），选取代表性的车辆测量得到；（2）双轴、三轴或多轴不同车速下的轴载测量时间差：选取代表性的车辆测量得到；（3）交通流量：不同车型的统计，决定载荷谱的作用时间。对于三轴车辆或多轴车辆而言，由于后轴到第三轴的距离很短，在较高车速下作用于路面的脉冲间隔就很短，这对模拟加载装置提出了较高要求，即在很短的时间里，产生两个较高的脉冲。根据现在的技术水平，还无法做到。因此，通过考虑载荷的实际作用性状和模拟加载装置的实现能力，将第二、三轴的载荷加权叠加，以一个半正弦脉冲来表达，载荷幅值为两者之和，作用时间为两者的算术平均值。而对于特大型载货列车，由于载荷大，车速慢，对桥头跳车不敏感，且交通流量小，故在加载模拟中不加考虑。车辆动荷载作用性状 路基填土动力特性研究目的土体在往复动荷载作用下将产生随时间而发展的振动变形（含塑性振陷变形和弹性变形）往往容易被忽略，实际上，有些工程问题的振动变形是不能被忽略的，如路桥过渡段路基，车辆动荷引起的弹塑性变形就不应被忽略。土在动荷载作用下的变形受许多因素的影响。如：动荷幅值的大小；动荷波形的不同；动荷频率的大小；动荷作用时间的长短。土的动变形也受土材料的影响，即土体干密度的大小；土含水量的大小，土材料的区别等。本项目研究的目标就是通过室内GDS动三轴试验，探求动荷作用下公路压实土的工程特性。 研究内容及实施方案1.主要内容（1）不同压实度、不同含水量条件下压实黄土的动力特性。（2）压实石灰黄土的动力特性。2.实施方案（1）素压实黄土、石灰黄土的击实试验研究。（2）素压实黄土、压实石灰黄土的无侧限抗压试验研究。（3）素压实黄土、压实石灰黄土的动三轴试验研究。（4）素压实黄土、压实石灰黄土的动力特性分析研究3．关键技术高密度土样在动三轴试验中高精度量测土的动变形。路基填土动力特性 试验研究主要成果通过试验研究高密度压实黄土、石灰土的动本构关系，动阻尼特性，动强度特性和动变形特性，主要结论如下：（1）一般情况下，土的动应力应变关系呈双曲线形态，高含水量时，特别是含水量接近饱和时，土的动应力应变关系呈软化特性。（2）土的动模量随着固结应力、干密度的增大而增大，随着含水量的增大而减小，且偏压时的动模量较均匀时大。（3）土的动阻尼随动应变、含水量的增大而增大，随干密度和固结应力的增大而减小。（4）土的振陷系数一般呈弱线性关系，但对含水量特别敏感，随含水量的增大，振陷系数曲线趋向非线性。（5）土破坏时的动应变一般不会超过3％，对石灰土，其破坏时的动应变基本都小于1％。路基填土动力特性 路桥过渡段路基模型试验研究为了深入分析楔形柔性搭板技术的作用机理，也为了比较不同处治方法对地基沉降的适应性、加固效果等，首次从跳车处治措施对地基沉降的适应性出发，应用沉降模拟平台，开展室内小比尺模型试验与大比例原型试验研究、共进行了九种不同工况的对比试验。填土中埋设压力盒，分析楔形柔性搭板加固体应力的变化规律，分层观测土层的沉降，绘出相应的沉降曲线。通过对试验成果的分析，得出楔形柔性搭板加固台背的适应性及布置形式。试验研究目的 小比例模型试验的九种工况：①细砂填料，格室呈上密下疏、上长下短布置，底板两端同时分级下降至8cm,此工况实际应用最为广泛。②细砂填料，未放置土工格室，底板两端同时分级下降至8cm，此工况是对比有无土工格室的影响。③实际工程用土填料，其他与第一工况同，此工况是对比不同填料的加固效果。④细砂填料，格室尽量布置在台后填土顶面，底板两端同时分级下降至8cm，此工况是对比格室布置不同时的加固效果。⑤细砂填料，格室等间距布置，底板两端同时分级下降至8cm，此工况也是对比格室布置不同时的加固效果。⑥细砂填料，格室均双层布置，底板两端同时分级下降至8cm，此工况是对比在增加格室用量情况下的加固效果。⑦细砂填料，格室布置同第一工况，底板沉降近桥台侧分级降至8cm，远桥台一侧不下降。此工况是对比不同地基沉降情况下的加固效果。⑧基本同第七工况，但底板沉降的一端在远桥台处。⑨实际工程用土填料，格室尽量布置在台后填土顶面，底板两端同时分级下降至8cm，此工况是对比第四工况。路桥过渡段路基模型试验研究 小比例模型试验共进行了9组试验 小比例模型试验的主要结论（1）土工格室的布置以上密下疏的形式最为有利，这样既节省材料，又可得到良好效果。（2）采用双层土工格室加固台后填土效果显著，在经济条件容许的情况下可适当加大格室用量。（3）对于近桥台端沉降较大的情况，格室的加固效果最好，而此工况在工程实际中最为常见。（4）土工格室对于砂土和黄土均有明显的加固作用。（5）台后填土高度越高，土工格室的削减因地基沉降而导致路面下沉的作用越明显。路桥过渡段路基模型试验研究 路桥过渡段路基模型试验研究大比例模型试验的七种组合工况：①重力式桥台＋土工格室楔形柔性搭板＋砂砾填料；②重力式桥台＋土工格室楔形柔性搭板＋黄土填料；③重力式桥台＋土工格栅＋砂砾填料，格栅间距50cm，边坡坡率1：1.5，采用土工格栅包边；④轻型肋板式桥台＋土工格室楔形柔性搭板＋砂砾填料；⑤轻型肋板式桥台＋土工格室楔形柔性搭板＋黄土填料；⑥轻型肋板式桥台＋土工格栅＋砂砾填料，格栅间距50cm，边坡坡率1：1.5，并采用土工格栅包边；⑦重力式桥台采用灰土换填，边坡坡率为1：1。 共进行了6组试验大比例模型试验 大比例模型试验的主要结论（1）利用柔性搭板处治路桥过渡段，可有效改善桥头路堤的不均匀沉降，路基顶面沉降曲线平顺，差异沉降减小，最大值仅为3mm。（2）通过模型试验研究，得出三种不同处治方式的适应性：①当地基沉降控制在为12cm时，采用土工格室柔性搭板结合砂砾料处治效果较好；②当地基沉降较小时，三种情况处治效果相差不大，采用何种方式可根据当地施工材料的种类来决定。（3）利用数值技术建立试验仿真模型可有效补充模型试验工况组合，扩大试验范围。路桥过渡段路基模型试验研究 路桥过渡段处治技术适应性及作用机理背景分析公路桥头跳车处治中，设置搭板、换填路堤材料、加筋是常用的处治方法。这些手段对减小路堤总沉降、缓和桥台与路堤的沉降差起到了一定作用，且不乏成功的工程实例。但从目前桥头跳车病害反映的情况来看，这些处治措施也存在不少问题，如搭板断裂和二次跳车，桥头错台等，针对这些问题，虽然也开展了不少研究，取得了一些成果，但都没有起到治本的效果。究其原因，是因对处治方法的适应性和作用机理没搞清楚，从而在处治方法的选用上带有一定的盲目性，造成其在应用过程中出现了较多病害。如前所述，对一种处治措施的适应性研究实际是分析其消化地基沉降变形的能力，这里通过模拟不同的地基沉降模式，分析其变形与力学性状，从而研究路桥过渡段处治措施对地基沉降的适应性能力大小和作用机理，以期对实际工程应用有所指导。 路桥过渡段处治技术适应性及作用机理刚性搭板的适应性分析（1）通过搭板与路基不同接触状态时的力学性状分析表明，当搭板弹性支承于路基土上时，板底弯拉应力较小；当脱空区长度小于1.08m时，其对搭板受力没有影响，随着脱空区长度的继续增加，板底弯拉应力显著增加，当搭板与路基土完全脱空时，其受力状态与简支板相似。因此，搭板脱空长度是影响搭板受力状态的主要因素。设计时，可保守地按简支板进行搭板的内力计算。（2）搭板对地基沉降的适应性分析表明，地基沉降的增大将引起搭板纵坡变化率的增大，从而产生桥头跳车现象。因此，地基沉降是影响搭板纵坡变化率的主要因素。搭板对地基沉降的适应性表现为：长度6m的搭板适用于处理地基沉降在3cm以内的桥头路段；8m长度的搭板适用于处理地基沉降在4cm以内的桥头路段，而10m搭板适用于处理地基沉降在5cm以内的桥头路段。 路桥过渡段处治技术适应性及作用机理换填路基适应性分析（1）桥头路堤换填压缩模量大的填料可以明显减小路堤的压缩变形，同时沿路堤高度1：1的楔性“刚柔过渡”换填方式不仅可大大减少换填量，更有利于协调其沉降差。（2）当地基为均匀沉降模式时，路堤沉降量主要体现在地基沉降值的大小，换填方式无法起到消化地基沉降的作用。（3）当桥头地基存在局部软弱区域时，桥头路堤换填抗剪强度高、具有一定整体性的填料（如灰土），能够较好地消化地基的不均匀沉降，而砂粒填料次之，粘土最差。但换填灰土一定要保证施工压实，使其形成为一个整体。 路桥过渡段处治技术适应性及作用机理平面加筋技术适应性分析（1）土工格栅利用其较大的拉伸模量，通过其与土体的界面摩擦和咬合作用，限制路堤填土的侧向位移，提高土体的抗剪强度和抗变形能力，从而减小路堤的压缩变形值。且随路堤变形模量的减小，作用更显著。（2）土工格栅变形后也存在“网兜效应”，从而使荷载的分布趋于均匀；（3）土工格栅一端锚固于桥台上，利用其抗拉伸能力，阻止桥台附近土体的向下沉降，同时也减小桥头路基和地基的竖向应力。针对桥头路堤平面加筋处治技术提出建议：（1）平面加筋材料应选用具有较大拉伸刚度的筋材，同时应换填内摩擦角较大的填料；（2）平面加筋材料对于减小路堤自身的压缩变形较为有效，但消化地基沉降变形的能力较差，因此，土工格栅加筋技术适用于处治地基条件较好的桥头过渡段。当地基较差时，应结合其它方法进行综合处治。 计算模型图路桥过渡段处治技术适应性及作用机理楔形柔性搭板适应性分析 楔形柔性搭板处理区的沉降特征路桥过渡段处治技术适应性及作用机理 楔形柔性搭板处理区的位移特征(△=10cm)(△=5cm)(△=0cm)路桥过渡段处治技术适应性及作用机理 应力云图(△=10cm)应力云图(△=5cm)应力云图(△=0cm)楔形柔性搭板处理区的应力特征路桥过渡段处治技术适应性及作用机理 不同地基条件下路基底部应力曲线路桥过渡段处治技术适应性及作用机理 路桥过渡段处治技术适应性及作用机理适应性分析结论（1）土工格室较大的限制侧向变形能力不仅限制了其中填料的侧胀，同时其构成的复合体具有较大的刚度和拉伸强度，通过界面摩阻力和粘附力也限制了周围土体的侧向变形,提高了土体的抗剪强度，从而减小了路堤本身的压缩变形。（2）由于土工格室复合体具有较大的压拉强度、抗剪强度和一定的弯拉强度特性,通过其一端锚固于桥台,一端伸入路基中，能有效地阻止了上层土体的向下沉降,从而在复合层下面产生松动区。同时由于土工格室的多层连续布置,使得路堤的沉降在每一层中都得到消减,使得桥台与路堤之间的沉降差在较长的范围内得到平缓过渡。（3）由于松动区的存在,路基竖向应力明显减小，桥台附近一定范围内地基的附加应力也得到减小,这样不仅减小了路基的压缩变形,也减小了地基的沉降形。（4）格室变形后产生的”网兜支承效应”使荷载分布趋于均匀。 ★柔性搭板的设计原则技术可行、施工方便、造价经济、效果明显★柔性搭板的适用范围适用性主要体现在对地基条件的要求上：即台背地基的工后沉降要满足公路软土地基设计与施工技术规范规定≤10cm的要求;计算不符合要求时，必须对台背地基进行处理。工程应用 ★柔性搭板的设计要素间距：布置上密下疏，顶层间距1m左右，底层间距2m左右，中间距从1m到2m逐渐过渡层数：布置层数视地基条件与路堤高度而定，当地基条件较差、填土较高时，布置3～5层，地基条件较好时，布置2～3层。长度：按楔形布置，自上而下长度逐渐减短，顶层8～12m，底层3～4m,中间几层逐渐过渡。布置宽度为整个路基横断面。厚度：地基较差时，柔性搭板顶部须连续布置4～5层，可把下面2～3层长度减短为4m,地基较好时布置2～3层。工程应用 ★柔性搭板的设计优化●路基填料的影响●柔性搭板布置间距的影响●柔性搭板布置长度的影响●柔性搭板顶层厚度的影响●柔性搭板厚度的影响●柔性搭板布置层数的影响工程应用 土工格室材料检查验收整平地面并振压土工格室与台背固定件安装张拉铺设土工格室装载机或汽车填料推土机初平填料人工挂线整平填料压路机碾压检查验收★柔性搭板的施工工艺工程应用 该项技术已在甘肃柳忠高速、古永高速、刘白高速、临清高速、兰临高速、武威过境段、陕西靖王高速、山西祁临高速及福建厦门等路桥过渡段中得到成功应用。通过实体工程的实施，进一步完善了楔形柔性搭板处治技术整套的施工工艺和质量保证措施。工程应用 针对实体工程，开展了大规模的承载板与弯沉试验，并进行工后沉降观测。承载板与弯沉试验结果表明，楔形柔性搭板布置区的强度和刚度相对于未布置区均有较大提高，从而改善了台背填土扩散荷载和降低沉降的能力，减小桥头的不均匀沉降。路面工后沉降观测表明，楔形柔性搭板处治技术很好地协调了路桥过渡段的沉降差，减小了总沉降值，从而消除了桥头跳车病害，达到处治目的。工程应用 实体工程应用 实体工程实景 柳忠高速于2002年6月建成通车，两年多的运营，经楔型柔性搭板处治后的台后路堤与桥台的沉降差得到很好协调，路线纵坡过渡平缓，桥头跳车病害没有发生。实践表明，楔型柔性搭板技术可较好地解决桥头跳车病害，研究成果能对黄土地区的高等级公路建设提供借鉴；经测算，根据课题研究提出的台后楔型柔性搭板处治方法较优化前采用刚性搭板＋土工格栅＋换填处治方法节约工程造价约30％，依托工程中6个台后处治共节约工程费44万元。同时，也大大减少了运营期间台后的养护维修费用，社会效益明显。工程应用 自2001年来，采用楔型柔性搭板技术，对兰临、刘白、临清、罗定四条高速公路全线桥台背进行了优化设计，并付诸实施。经跟踪监测，该方法有效实现了桥台和路基模量的平缓过渡，减小台背不均匀沉降，取得良好效果，达到预期目的。据测算，兰临高速节省工程费380万元（降低工程费用约30％），刘白高速节省工程费410万元（降低工程费用约24％），共计节省工程费760万元（降低工程费用约15％），罗定高速节省工程费1420万元（降低工程费用约24％），共计节省工程费2970万元，直接经济效益显著。该技术也极大减少了公路运营维修养护费用1850万元，间接经济效益明显。工程应用 古永、清嘉和武微过境段等高等级公路经楔形柔性搭板处治后，台后路堤与桥台的沉降差得到很好协调，路线纵坡过渡平缓，楔形柔性搭板技术较好的解决了桥头跳车病害。研究成果能对今后黄土地区的高等级公路建设提供借鉴。经测算，提出的台后楔形柔性搭板处治方法较优化前采用刚性搭板＋土工格栅＋砂砾填料处治方法节省工程造价约15～20％。古永高速节省费用570万元。清嘉高速节省费用890万元，武威过境段节省费用530万元。同时，也减少了运营期台后的养护维修费用1530万元，间接经济效益显著。工程应用 项目成果在工程实践中切实可行，易于推广。先后在柳忠、兰临、刘白、临清、罗定、古永、清嘉和武威过境段等各条高速公路上试验、推广和应用，收到显著效益，并可显著减少运营期台后的养护维修和汽车行驶轮胎磨损费，间接经济效益显著。理想地解决了黄土地区台后跳车的质量通病，在工程生产中推广应用可明显创造经济效益、技术效益和社会效益，推广潜力很大。工程应用 ★在甘肃高速公路建设中已得到认可与广泛应用；★陕西靖王高速、山西祁临高速及福建厦门等路桥过渡段中得到成功应用；★在河南、福建、广东等省得到初步应用并得到推广。工程应用 欢迎批评指正