高速公路桥头跳车成因和处治技术的分析和研究

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  摘要:桥头跳车在高速公路上是司空见惯,是指公路桥头两端及伸缩缝(桥头引道)处的因作用产生不均匀沉降或伸缩缝破坏导致公路路面纵坡上出现搓台而引起车辆驶过桥头时产生的跳跃现象。造成高速公路桥头跳车的成因很有,既有设计方面原因,也有施工、监理方面的原因。本文通过对高速公路桥头跳车的成因进行系统的分析,并阐述桥头跳车的处治技术,为高速公路设计、施工等方面从业人员提供了一些有意义的借鉴。
  关键词:高速公路 桥头跳车 成因分析 处治技术 研究。
  中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)07(c)-0000-00
  随着我国经济快速发展和人们对舒适生活的高要求,桥头跳车问题已经成为“众矢之的”,解决好这一顽疾是工程界和学术界一项重要的任务。目前,国内外还均未彻底地解决好这难题。研究并解决好桥头跳车难题,对我国经济建设、科技进步和社会发展等方面的都将具有理论意义与实用价值。
  1 桥头跳车机理分析
  对于高速公路来说,造成桥头跳车的原因有不均匀沉降、刚度突变、施工管理缺陷和车速与行驶车辆本身性能等,其中不均匀沉降是主要因素。
  1.1 桥头两端刚柔结构相接处沉降不均匀
  桥梁与路基、路面的组成材料 、刚度、强度、胀缩性等均存在差异。桥台结构物一般采用钢筋混凝土整体浇注,具有较大的整体刚度,力学性质为刚性体,变形和沉降非常小。桥头路基路面一般具有柔性较大的特性,力学性质为弹塑性体,变形随意性较大。在车辆荷载、结构自重、自然因素作用下,桥梁与道路同时发生沉降,但两者的沉降量有很大差异,造成柔性道路与刚性结构物之间的连接处发生不均匀沉降,产生搓台,加上桥头连接处刚度突变,受到外力冲击时易形成集中应力,导致桥头行车时不平稳流畅发生桥头跳车。
  1.2 在高速路桥头施工过程中,施工、监理等各方面监管控制不严,未能严格按照规范要求施工或者疏于监管,导致台背填料压实度达不到要求,为工后路堤稳定埋下隐患。
  2 高速公路桥头产生不均匀沉降的类型及其分析
  2.1 桥头不均匀沉降的类型
  总体来说,高速公路桥头不均匀沉降大致分为三类:纵向坡道(引道)沉降、桥头道路横向沉降以及破坏沉降。
  1)纵向坡道(引道)沉降
  这种类型的沉降最常见。主要表现为构筑物与路面不连顺,纵向坡面上出现断点(线),在刚柔结构连接处不接顺,出现一高一低的搓台。这种类型的沉降有整体沉降,也有局部沉降。
  2)桥头道路横向沉降
  这种类型的沉降主要是桥头路堤横断面及路拱坡度出现较大变化,结合处常出现横向高低不平、犬牙交错的现象。主要是因为路堤中心和路肩处由于土中应力不同而产生不均匀沉降, 这种情况多发生在软土地基高路堤段。
  3)破坏沉降
  由于受车辆行驶外力作用以及自然雨水浸泡等因素,桥头路堤强度受到破坏,接顺处出现不规则的“坑”,在构造物台背的过渡段上发生局部高低差的现象。
  2.2 桥头不均匀沉降成因分析
  造成桥头不均匀沉降的原因主要有以下几个方面。
  1)桥台地基的沉降
  公路桥台(包括涵洞)一般采用刚性很大的钢筋混凝土浇筑而成,是刚性结构。基于安全的考虑,无论是设计还是施工方面,对桥台构造物下地基的沉降和稳定性控制的都很严格,所以结构工后沉降量都很小,基本上可以忽略不计。这也是造成桥头搓台的主要因素之一。
  2)路堤下天然地基的沉降
  天然地基沉降是造成桥头发生不均匀沉降的主要原因之一。天然地基的沉降从道路开始建造时就开始发生,一直持续到工后很长时间,甚至伴随道路存在而存在。道路刚开始施工时,天然地基受到扰动,原有的平衡稳定遭到破坏。随着路堤的不断填筑,天然地基承受自重以及路堤荷载作用发生沉降徐变。通车之后,天然地基又受到路堤传导过来的车辆荷载作用,产生工后沉降变形,该变形较大且变形稳定, 沉降往往持续数十年之久。
  天然路基这种沉降变形(含自身沉降徐变)的大小受路堤填料的性质(如容重等)及其填筑高度影响,沉降量变化不一。
  3)路基填料压缩引起的沉降
  路基填料压缩引起的沉降包括施工沉降和工后固结沉降。施工沉降是指路基填料在外力作用(压路机碾压等)下,填料间的空隙变小、结构密实而产生的形变。施工沉降在路基填筑施工期间就随之完成了。工后固结沉降是指路基在路堤静载长时间作用及车辆的动荷载反复作用下,路基填料颗粒间的粘滞蠕变以及侧向形变,造成路堤沉降。工后固结沉降量一般情况下很大,是引起桥头跳车的主要因素。
  造成工后固结沉降的因素也很多。通常情况下,公路桥涵台背回填施工是在桥台完成之后才进行的。由于桥台台背施工空间比较狭小,加上保护桥台安全的考虑和需要,碾压台背回填料基本上不用大型压实机具,常用采用小型夯实机械或人工夯打。如果现场施工管理和监理工作不到位的话,靠近台背一定范围内的路基密实度就极可能远远低于设计图纸与规范标准的要求。
  随着时间的推移,通车之后在汽车荷载反复作用下,桥头路堤一定范围内路堤填料的颗粒结构会受到不均匀压缩,其应力向路堤两侧及桥台底部扩散,路堤填料逐渐被压缩, 孔隙率降低,密实度增大,产生较大的塑性变形和弹性变形(主要是塑性变形)。这种不可恢复的塑性变形是内部土颗粒间的蠕变和侧向变形造成的,随着这种塑性变形不断积累,变形越来越大,剩余沉降逐渐完成,路堤缓慢固结,工后固结沉降基本完成。工后固结沉降就形成了桥头刚柔结合处的沉降差,导致桥头跳车发生。
  路堤填土工后固结沉降主要取决于填料性质、路堤基础、施工工艺等。
  4)桥头路堤排水不畅导致的渗水破坏
  在桥涵和路堤的连接部位,存在缝隙, 雨水会沿缝隙渗入, 对路面结构层和路堤产生浸泡、冲刷和侵蚀, 增加路面各结构层和路堤的含水量,甚至造成各种细粒土的流失, 使填土的强度指标大打折扣。 随着路堤和各结构层的破坏, 外部车辆荷载对路面和路基的冲击作用下, 必然造成桥头路堤沉陷,造成路面开裂出现搓台产生跳车现象。如养护维修不及时,这种恶性循环会使破坏程度呈加速发展的趋势。   5)其他因素
  如设计优化、施工工艺(层压厚度、施工顺序等)以及现场管理等都对不均匀沉降都有较大的影响。
  比如设计方面,通常情况下,设计单位比较注重对桥台及台背回填方面的设计,对桥台及桥头路堤地基也基本上都进行精心设计。但对高速公路线路地质资料重视不够,同时也缺乏必要的现场勘测资料,致使桥台处路堤加固施工失当,造成先天性沉降。台背路堤及桥头路面排水设计也往往比较粗糙,大部分桥头路面没有设置拦水缘石,雨水会渗入路堤引起路堤填料强度减弱,易形成沉降。
  3 桥头跳车的处治技术措施概述
  3.1 设计方面
  通过设计做好顶层规划,优化设计方案。设计过程中,设计单位提前做好线路地质调查,取得详实的参数资料。同时引入整体设计理念,将桥涵结构物与公路路堤及其地基状况综合在一起思考、规划。设计时,确定相对较高且合理的压实度参数指标,设置完善的桥头排水规划和排水系统,优选填筑材料。
  3.2 施工方面
  1)精心挑选路堤填筑材料。
  一方面,施工要积极与设计互动,在桥头路堤可能的范围内采取必要措施,挑选好的填筑材料,减少桥头填料压缩蠕动变形。尤其是桥头台背回填的处理。桥头台背一定范围内尽量采用易于压实、模量较大、透水性能较好的材料填筑,比如用砂砾石、碎石土等代替粘土填充台背,因砂砾石等材料工程力学性能较好,不易变形。再者,近来国内还有许多高速公路台背回填采用泡沫混凝土、泡沫乙烯、陶粒等轻质工程材料,同样也是为了减少形变。这样,通过设计与施工的互动,选择那些抗形变的材料回填桥头台背,就能在一定程度上减少路基自身的压缩蠕动变形量,从而很好地控制沉降。
  另一方面,采取特殊的施工方案,减少桥头路堤沉降滑移。在高速公路施工中,常用的方法是利用土工布、锚固隔栅等的抗张拉性能,根据现场实际需要在桥头台背回填中分层布设施工,碾压成型后,路堤整体固结,这样就在一定范围内减缓或阻止填料向台背沉降的可能,同时也使填料内部的应力得到部分扩散和转移,从而提升路堤填料的抗形变能力。
  2)设置桥头预压。
  设定前置预压的方法在桥梁工程中常常被采用,在桥头跳车处治中也可以采用这样方法。具体的做法是:在桥头路堤可能产生沉降的范围内,结合现场路堤沉降的经验,设置一定的纵向路面超高,然后采取相对合理的桥头预压来减消桥头路堤的沉降量。该方法简便实用,原理就是利用桥头预压传导路堤荷载,对地基施加一定的附加应力,让桥头地基中孔隙水压力增加。经过一定时间的预压,孔隙水压力趋向原始稳定的应力状态,地基逐渐固结,沉降趋于稳定,从而消除桥头沉降差以达到避免桥头跳车的目的。
  这种前置预压的方法有一定的局限性,需要极其丰富的施工经验和较强现场沉降值预判能力,否则,容易弄巧成拙,反而会引起相反的效果。
  3)采取措施减少刚度差,尽量使刚柔结构平稳过渡。
  桥头桥台构筑物是刚性的,变形极微,而桥头相接的路堤确实柔性结构,形变量较大。二者之间刚度差十分明显。为弱化二者的刚度差,在公路施工实践中,通常采用设置桥头搭板的方法,使刚柔结构缓和转换、平稳过渡,消除桥头跳车。桥头搭板一般用钢筋混凝土制作而成的,和桥台刚度接近,在路堤和桥头之间衔接设置,起刚柔转换过渡作用。
  也有采取柔性桥台的,目的也是一样:消除刚度差以达到减缓桥头跳车。
  4)从控制路堤滑移的角度考虑,在桥头路堤某些特定范围内设置一定数量的桩,维护路堤稳定、阻止路堤发生滑移,间接地达到减少沉降的作用。如CFG桩、水泥搅拌桩、碎石桩等。
  5)其他的施工方法。如果强夯法、排水固结法、注浆法、换填法、置换法等,这些方法在一定程度上都能起到控制沉降的作用,只是每种方法都有其局限性,要因地制宜,合理采用。
  3.3 养护方面
  高速公路在运营过程中,加强线路巡查至关重要。道路巡查时如发现当桥头处开始出现破坏时,应及时进行施工补救。否则,任由其发展会加速桥头路面和路基的破坏。因为车辆行驶通过桥头被破坏的地方时,腾空产生的跳动和冲击会造成对桥梁和道路的附加荷载,加速了桥头搭板,支座及伸缩缝的损坏。因为一旦桥头开始跳车,造成对道路和桥梁的附加荷载,汽车荷载对路面的作用力要比没有出现破坏时大几倍,破坏力很强。如果在公路养护过程中及时对桥头破损部位进行修补,则可以大大减小路面的应力,阻止破坏进一步发展,对消除桥头跳车也有积极意义。
  3.4 加强相关管理
  1)加强现场管理,优化施工工艺,强化质量管理,落实质量责任,确保施工符合规范和标准要求。
  2)加强设计、施工、监理等多方协调机制,必须严格控制现场施工质量。通过合理的设计、严格的施工管理,有效地提高施工质量,最大限度地减少路堤的工后沉降量。
  3)优选设计、施工和监理单位,加强监督管理,强化制约机制。
  4)积极采用各种新技术、新工艺、新设备、新材料,学习国内外先进设计、施工、管理经验,大胆尝试和借鉴,极力尽量消除或减弱公路桥头跳车病害。
  结论
  高速公路桥头跳车主要是桥头刚柔相接处沉降不均匀,出现沉降高差造成搓台,车辆行驶通过搓台处是形成跳跃。通过对桥头沉降原因深入地研究和分析,我们有针对性地就具体原因采取相应的施工和管理措施,减轻甚至消除桥头跳车现象,为设计、施工、监理等提供有益的参考。
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