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摘要：桥涵台背的回填质量，直接影响“桥头跳车”现象的严重与否。本文结合施工时间，对桥涵台背的施工工艺、材料选用、质量控制等进行了分析。
关键字：桥头跳车 台背回填 处理措施
前言
“桥头跳车”现象在高等级公路中是很常见的问题，它严重影响车辆的运行，并对道路桥梁造成冲击破坏，极易引发各类机械故障导致的交通事故。关于如何避免“桥头跳车”问题，保障车辆运营的安全、快捷和舒适,降低养护和维修费用,我们以在建高速公路工程为依托,开展高速公路“桥、涵背”回填及处治技术研究,分析导致桥头跳车的主要原因,寻求解决这一病害的技术措施。笔者查阅了大量资料,并结合实际工程,提出一些粗浅的认识和处治方法,供设计及施工单位参考。
一、对于台背回填设计的探讨
造成“桥头跳车”的直接原因是桥台和涵洞(通道)与道路由于材料剛度的不同而在连接处产生差异性沉降,形成错台,导致跳车。
造成“桥头跳车”的间接原因主要有以下几方面:
(1)设计方面:缺少对构筑物及其相邻填筑体变形协调性的有效控制。
(2)构造方面:地基强度不够,而桥台和路基荷载的不同产生较大差异性沉降。
(3)回填材料方面:材料选用不当,施工控制不严。
(4)施工方面:回填区填土较高,方量集中而作业面狭窄,大型压实机具很难到位。
(5)台背后排水不畅和渗水软化,易积水下陷。
基于以上分析,笔者认为差异性沉降的产生受多方面因素影响,因此,需用刚柔过渡的设计观点,在回填区设置一定长度的过渡段,以减少材料在刚度上的差异,实现由刚性体向弹塑性体的过渡,解决“桥头跳车”问题。
二、关于过渡段的设置
过渡段的设置可以采用加设搭板、设置过渡台阶、铺设土工格栅和台背注浆等方法实现,而根据现场情况,将几种方法结合起来使用效果更佳。
1、设置搭板过渡
设置搭板可以使在柔性结构路段产生的较大沉降通过搭板逐渐过渡至桥涵结构物上,是解决“跳车”问题的重要工程措施。搭板的厚度一般为30 cm,布筋可参照现行设计规范。为防止搭板滑落可采取必要的加固措施。对于8 m以上的搭板,应在底部加设结构梁,以防止其断裂而失去作用。
2、合理设置过渡台阶
对于石材资源丰富的地区，可按如图1,做成坡度1：1或1：0.7的浆砌片石台阶,利用结构稳定的台阶来实现刚度的过渡。
对于7~8 m高的桥(涵)台,也可在路基原状土上直接开挖坡度1：1的台阶,从第四级台阶开始,按1 m的间距布设土工格栅,用碎(片)石等透水材料回填效果较好(图1、图2、图3)。
3、铺设土工合成材料
合理布设土工合成材料是利用加筋材料与构筑物之间的锚固力及格栅与回填材料之间的嵌锁力和界面的摩阻力将构筑物与回填材料联为一体,加强回填区的整体性。土工格栅的合理铺设不仅能有效地减少不均匀沉降,而且能使填方区回弹模量得到不同程度的提高,降低沉降量。大量研究和工程实例表明,土工格栅布设的竖向间距应越近路基顶面越密,基础底面附近可以较疏,自桥面向下7 m深度,其作用将明显减弱。因此,为合理使用材料,对于10 m以上的桥台建议先砌筑浆砌片石台阶再从一定高度起开始铺土工格栅。
4、 台背注浆
台背注浆是工程上较常采用的方法,一般分为变孔距注浆和变深度注浆,再结合搭板的设置,有一定的效果。但是存在成本较高,注浆效果难以检验,窜浆、漏浆和不利于台后排水等问题。另外,在时序上,又常常晚于搭板的浇注,对搭板造成一定的破坏。实际效果尚存争议。在详细查明试验区地层岩性情况后,对回填材料取样做了击实试验、三轴试验等性能测试试验,取得了必要参数后,利用数值模拟方法,预估填方应力分布,沉降中心部位,张拉应力区,应力重分布现象等,在试验区采取各类有效措施。
三、关于回填材料
选用强度高、压缩性小、易压实的透水性材料,既能满足回填材料在刚度方面的要求,也能满足塑性变形对回填区过渡段长度的要求,还能解决台背排水问题,可从根本上保证台背回填区的施工质量
1、级配碎石材料
级配碎石具有稳定性好、强度高、透水性好、内摩擦角大和经济等优点,是常用的工程材料,也是台背回填的优选材料。试验区所用的级配碎石是产于当地的灰岩,经机械破碎后制成(图4、图5),各方面指标都符合规范要求,通过材料配比试验,级配要求见表1。
图4细碎石 图5粗碎石
表1 实验区级配碎石材料颗粒级配表
由击实试验得级配碎石料最佳含水量为4.6%,最大干密度为2.15 g/cm3。施工流程为:底层验收-拌和-摊铺-粘土包边,压实-检测-修整。每层松铺高度不大于30 cm,用灌砂法,每层3个点检验压实度。由于级配碎石自身粘结性较差,所以需要用粘土包边,包边工作与回填同步进行,粘土与碎石之间用一层透水土工布隔离,并设置必要的排水措施(图6、图7)。
图6 机械摊铺、整平
图7 夯机压实
2、天然砂砾
在运输不便、材料紧缺而砾石资源丰富的河谷地区,也可考虑使用天然砂砾作为回填材料。天然砂砾含石量一般在70%以上,粗颗粒搭成骨架,细粒填充空隙,最大干密度可达2.32 g/cm3,配合土工格栅使用,严格控制施工质量能很好地减少回填沉降量。但要注意杂质的筛选且最大粒径不得大于10 cm,粒径大于5 cm的,不宜超过50%。
3、回填材料
选用强度高、压缩性小、易压实的透水性材料,既能满足回填材料在刚度方面的要求,也能满足塑性变形对回填区过渡段长度的要求,还能解决台背排水问题,可从根本上保证台背回填区的施工质量。
四、 现场试验和检测
为了检验试验段的性能,我们在现场做了压实度的检测、沉降观测和弹性模量的测试。
1、压实度的检测
（1）灌沙法检测
本法适用于现场测定基层的密度和压实度,具体操作可参阅《公路路基路面现场试验规程》(JTJ059-95)。
（2）面波密度仪测定压实度
该方法是无损检测(图8、图9),具有快速方便灵活等特点,利用面波在填筑材料中的传播速度,对比室内试验中获得的波速,既可以检测回填的均匀性,又可以检测填料的密实度。由两个多月的观测可以看出,用级配碎石材料分层压实,采用土工格栅控制整体性的方式回填效果较好,沉降量也较小。至浇筑搭板前,回填区的沉降已趋于稳定。
图8 面波测试仪 图9 安装反射波接收装置
2、沉降观测
过渡段的沉降观测采用特制的沉降板（60cm×60 cm×10 cm的钢板,中央焊接一根直径25的钢管,每20 cm一节,钢管两头车丝连接,与填埋同步;为防止丝口破坏,还制作了保护竹帽),在桥台背分两层埋设,填筑一半时埋一组,快结束时埋另一组,选取稳定的水准点,用精密水准仪观测(图10)。
图10 埋设第一组沉降观测装置
由两个多月的观测可以看出,用级配碎石材料分层压实,采用土工格栅控制整体性的方式回填效果较好,沉降量也较小。至浇筑搭板前,回填区的沉降已趋于稳定。
3、承载板测试
对试验区做了土基回弹模量的测试,并在路基处选择了压实度达到98%的区域与试验区作对比,现场采集数据后可按公式(1)进行线性回归,计算路基顶面回弹模量,可参阅《公路路基路面现场试验规程》(JTJ059-95)。由表4看出,虽然压实度都达到98%的几点,采用级配碎石作填料,土工格柵加强的地点回弹模量有较大的提高。
计算土基回弹模量的线性回归方程式:
(1)
式中,E0为土基回弹模量/MPa;μ为土的泊松比,根据部颁设计规范规定选用;Li为结束试验前的各级实测回弹变形值;Pi为对应于Li的各级压力值。
根据以上现场试验结果,可以得出:
(1)由于有浆砌片石台阶的存在,弥补了近台背区底部不易压实的缺陷,通过现场测试证明实际效果与数值模拟的结果基本吻合,所以采用浆砌片石台阶过渡的思路是合理的。
(2)铺设土工格栅不仅加强了回填区的整体性和均匀性,而且使回弹模量有了不同程度的提高。
(3)经过数值模拟和实际观测,土工格栅采用1.0 m层间距比2.0 m层间距效果好,且在近路面适当调小间距至0.4效果最好[9]。
(4)级配碎石严格按照每层不大于30 cm的松铺高度回填压实,可以取得较好的压实效果。
结论
通过对试验段桥台背的处治效果的实测表明,按照减小材料“刚度差”的思路入手,结合施工地区料源特点,采用浆砌片石台阶+土工格栅,用级配碎石作填料分层压实的施工方案,能有效提高桥台背路基抗变形能力和整体性,路基回弹模量也有明显增加,基本解决了“差异性沉降”问题,没有错台产生,“桥头跳车”现象得以控制。
参考文献
[1] 李峻利,姚代祖.路基设计原理与计算[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2] 冯道祥.台背回填材料及其稳定性[J].交通标准化,2004,130(6):91-93.
[3] 高俊合,葛折圣.公路桥涵台背回填材料的优选[J].市政技术,2006,24(5):286-288.
[4] 张洪云.公路桥涵台背回填设计与施工的探讨[J].交通标准化,2007,166(6):121-123.
[5] 罗建中.浅谈公路桥头跳车的成因及防治措施[J].山西建筑,2003,29(3):244-245.
[6] 吴宏恩.级配碎石砂回填结构物台背的施工方法[J].科技资讯,2006,(4):248-249.
[7] 刘典恩,李平.用天然砂砾进行桥涵台背回填的施工工艺与质量控制[J].桥梁机械与施工技术,2004,(8):36-37.
[8] 付宏渊.土工格网处理桥头跳车设计的现场试验分析[J].中外公路,2001,21(4):64-66.
[9] 郑健龙.桥台台背填土加筋的竖向布网间距设计方法研究[J].中国公路学报,1999,12(5):55-61.
[10] 兰建梅.桥头搭板的合理设置及台背回填[J].山西建筑,2007,33(15):327-328.
关键字：桥头跳车 台背回填 处理措施
前言
“桥头跳车”现象在高等级公路中是很常见的问题，它严重影响车辆的运行，并对道路桥梁造成冲击破坏，极易引发各类机械故障导致的交通事故。关于如何避免“桥头跳车”问题，保障车辆运营的安全、快捷和舒适,降低养护和维修费用,我们以在建高速公路工程为依托,开展高速公路“桥、涵背”回填及处治技术研究,分析导致桥头跳车的主要原因,寻求解决这一病害的技术措施。笔者查阅了大量资料,并结合实际工程,提出一些粗浅的认识和处治方法,供设计及施工单位参考。
一、对于台背回填设计的探讨
造成“桥头跳车”的直接原因是桥台和涵洞(通道)与道路由于材料剛度的不同而在连接处产生差异性沉降,形成错台,导致跳车。
造成“桥头跳车”的间接原因主要有以下几方面:
(1)设计方面:缺少对构筑物及其相邻填筑体变形协调性的有效控制。
(2)构造方面:地基强度不够,而桥台和路基荷载的不同产生较大差异性沉降。
(3)回填材料方面:材料选用不当,施工控制不严。
(4)施工方面:回填区填土较高,方量集中而作业面狭窄,大型压实机具很难到位。
(5)台背后排水不畅和渗水软化,易积水下陷。
基于以上分析,笔者认为差异性沉降的产生受多方面因素影响,因此,需用刚柔过渡的设计观点,在回填区设置一定长度的过渡段,以减少材料在刚度上的差异,实现由刚性体向弹塑性体的过渡,解决“桥头跳车”问题。
二、关于过渡段的设置
过渡段的设置可以采用加设搭板、设置过渡台阶、铺设土工格栅和台背注浆等方法实现,而根据现场情况,将几种方法结合起来使用效果更佳。
1、设置搭板过渡
设置搭板可以使在柔性结构路段产生的较大沉降通过搭板逐渐过渡至桥涵结构物上,是解决“跳车”问题的重要工程措施。搭板的厚度一般为30 cm,布筋可参照现行设计规范。为防止搭板滑落可采取必要的加固措施。对于8 m以上的搭板,应在底部加设结构梁,以防止其断裂而失去作用。
2、合理设置过渡台阶
对于石材资源丰富的地区，可按如图1,做成坡度1：1或1：0.7的浆砌片石台阶,利用结构稳定的台阶来实现刚度的过渡。
对于7~8 m高的桥(涵)台,也可在路基原状土上直接开挖坡度1：1的台阶,从第四级台阶开始,按1 m的间距布设土工格栅,用碎(片)石等透水材料回填效果较好(图1、图2、图3)。
3、铺设土工合成材料
合理布设土工合成材料是利用加筋材料与构筑物之间的锚固力及格栅与回填材料之间的嵌锁力和界面的摩阻力将构筑物与回填材料联为一体,加强回填区的整体性。土工格栅的合理铺设不仅能有效地减少不均匀沉降,而且能使填方区回弹模量得到不同程度的提高,降低沉降量。大量研究和工程实例表明,土工格栅布设的竖向间距应越近路基顶面越密,基础底面附近可以较疏,自桥面向下7 m深度,其作用将明显减弱。因此,为合理使用材料,对于10 m以上的桥台建议先砌筑浆砌片石台阶再从一定高度起开始铺土工格栅。
4、 台背注浆
台背注浆是工程上较常采用的方法,一般分为变孔距注浆和变深度注浆,再结合搭板的设置,有一定的效果。但是存在成本较高,注浆效果难以检验,窜浆、漏浆和不利于台后排水等问题。另外,在时序上,又常常晚于搭板的浇注,对搭板造成一定的破坏。实际效果尚存争议。在详细查明试验区地层岩性情况后,对回填材料取样做了击实试验、三轴试验等性能测试试验,取得了必要参数后,利用数值模拟方法,预估填方应力分布,沉降中心部位,张拉应力区,应力重分布现象等,在试验区采取各类有效措施。
三、关于回填材料
选用强度高、压缩性小、易压实的透水性材料,既能满足回填材料在刚度方面的要求,也能满足塑性变形对回填区过渡段长度的要求,还能解决台背排水问题,可从根本上保证台背回填区的施工质量
1、级配碎石材料
级配碎石具有稳定性好、强度高、透水性好、内摩擦角大和经济等优点,是常用的工程材料,也是台背回填的优选材料。试验区所用的级配碎石是产于当地的灰岩,经机械破碎后制成(图4、图5),各方面指标都符合规范要求,通过材料配比试验,级配要求见表1。
图4细碎石 图5粗碎石
表1 实验区级配碎石材料颗粒级配表
由击实试验得级配碎石料最佳含水量为4.6%,最大干密度为2.15 g/cm3。施工流程为:底层验收-拌和-摊铺-粘土包边,压实-检测-修整。每层松铺高度不大于30 cm,用灌砂法,每层3个点检验压实度。由于级配碎石自身粘结性较差,所以需要用粘土包边,包边工作与回填同步进行,粘土与碎石之间用一层透水土工布隔离,并设置必要的排水措施(图6、图7)。
图6 机械摊铺、整平
图7 夯机压实
2、天然砂砾
在运输不便、材料紧缺而砾石资源丰富的河谷地区,也可考虑使用天然砂砾作为回填材料。天然砂砾含石量一般在70%以上,粗颗粒搭成骨架,细粒填充空隙,最大干密度可达2.32 g/cm3,配合土工格栅使用,严格控制施工质量能很好地减少回填沉降量。但要注意杂质的筛选且最大粒径不得大于10 cm,粒径大于5 cm的,不宜超过50%。
3、回填材料
选用强度高、压缩性小、易压实的透水性材料,既能满足回填材料在刚度方面的要求,也能满足塑性变形对回填区过渡段长度的要求,还能解决台背排水问题,可从根本上保证台背回填区的施工质量。
四、 现场试验和检测
为了检验试验段的性能,我们在现场做了压实度的检测、沉降观测和弹性模量的测试。
1、压实度的检测
（1）灌沙法检测
本法适用于现场测定基层的密度和压实度,具体操作可参阅《公路路基路面现场试验规程》(JTJ059-95)。
（2）面波密度仪测定压实度
该方法是无损检测(图8、图9),具有快速方便灵活等特点,利用面波在填筑材料中的传播速度,对比室内试验中获得的波速,既可以检测回填的均匀性,又可以检测填料的密实度。由两个多月的观测可以看出,用级配碎石材料分层压实,采用土工格栅控制整体性的方式回填效果较好,沉降量也较小。至浇筑搭板前,回填区的沉降已趋于稳定。
图8 面波测试仪 图9 安装反射波接收装置
2、沉降观测
过渡段的沉降观测采用特制的沉降板（60cm×60 cm×10 cm的钢板,中央焊接一根直径25的钢管,每20 cm一节,钢管两头车丝连接,与填埋同步;为防止丝口破坏,还制作了保护竹帽),在桥台背分两层埋设,填筑一半时埋一组,快结束时埋另一组,选取稳定的水准点,用精密水准仪观测(图10)。
图10 埋设第一组沉降观测装置
由两个多月的观测可以看出,用级配碎石材料分层压实,采用土工格栅控制整体性的方式回填效果较好,沉降量也较小。至浇筑搭板前,回填区的沉降已趋于稳定。
3、承载板测试
对试验区做了土基回弹模量的测试,并在路基处选择了压实度达到98%的区域与试验区作对比,现场采集数据后可按公式(1)进行线性回归,计算路基顶面回弹模量,可参阅《公路路基路面现场试验规程》(JTJ059-95)。由表4看出,虽然压实度都达到98%的几点,采用级配碎石作填料,土工格柵加强的地点回弹模量有较大的提高。
计算土基回弹模量的线性回归方程式:
(1)
式中,E0为土基回弹模量/MPa;μ为土的泊松比,根据部颁设计规范规定选用;Li为结束试验前的各级实测回弹变形值;Pi为对应于Li的各级压力值。
根据以上现场试验结果,可以得出:
(1)由于有浆砌片石台阶的存在,弥补了近台背区底部不易压实的缺陷,通过现场测试证明实际效果与数值模拟的结果基本吻合,所以采用浆砌片石台阶过渡的思路是合理的。
(2)铺设土工格栅不仅加强了回填区的整体性和均匀性,而且使回弹模量有了不同程度的提高。
(3)经过数值模拟和实际观测,土工格栅采用1.0 m层间距比2.0 m层间距效果好,且在近路面适当调小间距至0.4效果最好[9]。
(4)级配碎石严格按照每层不大于30 cm的松铺高度回填压实,可以取得较好的压实效果。
结论
通过对试验段桥台背的处治效果的实测表明,按照减小材料“刚度差”的思路入手,结合施工地区料源特点,采用浆砌片石台阶+土工格栅,用级配碎石作填料分层压实的施工方案,能有效提高桥台背路基抗变形能力和整体性,路基回弹模量也有明显增加,基本解决了“差异性沉降”问题,没有错台产生,“桥头跳车”现象得以控制。
参考文献
[1] 李峻利,姚代祖.路基设计原理与计算[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2] 冯道祥.台背回填材料及其稳定性[J].交通标准化,2004,130(6):91-93.
[3] 高俊合,葛折圣.公路桥涵台背回填材料的优选[J].市政技术,2006,24(5):286-288.
[4] 张洪云.公路桥涵台背回填设计与施工的探讨[J].交通标准化,2007,166(6):121-123.
[5] 罗建中.浅谈公路桥头跳车的成因及防治措施[J].山西建筑,2003,29(3):244-245.
[6] 吴宏恩.级配碎石砂回填结构物台背的施工方法[J].科技资讯,2006,(4):248-249.
[7] 刘典恩,李平.用天然砂砾进行桥涵台背回填的施工工艺与质量控制[J].桥梁机械与施工技术,2004,(8):36-37.
[8] 付宏渊.土工格网处理桥头跳车设计的现场试验分析[J].中外公路,2001,21(4):64-66.
[9] 郑健龙.桥台台背填土加筋的竖向布网间距设计方法研究[J].中国公路学报,1999,12(5):55-61.
[10] 兰建梅.桥头搭板的合理设置及台背回填[J].山西建筑,2007,33(15):327-328.