橋頭跳車分析及處理

劉曉愛

(陜西省咸陽路橋工程公司)

1 橋頭跳車原因分析

目前的路橋過渡段常采用設搭板和不設搭板兩種情況。

1.1 設搭板時的沉降分析

使用鋼筋混凝土搭板的橋頭,橋頭搭板一端擱置在橋臺背上,另一端通過枕梁設在引道土體上。為了便于分析沉降差產生的過程,做出如下假設。

(1)竣工時橋面縱坡 i2b和搭板面的縱坡 i2a相等,均為i1。

(2)橋頭沉降過程中,搭板繞簡支端轉動,可以被視為平直的剛體。

(3)搭板和橋面的面層結構、厚度相同,不產生沉降差。

①橋頭跳車產生的過程。

橋頭沉降差產生的過程分為兩個階段:第一階段是竣工后至橋面縱坡 i2b等于搭板面縱坡i2a時,主要是由墩臺產生的沉降造成的縱坡變化即 Δ1=i2a-i1,其值不能過大,否則將造成橋面破壞、伸縮縫擠壞、支座條件變差等。第二階段是橋臺沉降及引道土體趨于穩定。此時橋面縱坡 i2b與搭板縱坡 i3不相等,兩者之間的縱坡差 Δ2=i3-i2b,其大小對行車的舒適性影響很大。

②沉降差異的表示。

為了進一步分析差異沉降的危害,需對沉降差異用某一數學表達式來表示。通過對沉降差異的形成過程分析,我們可以將搭板遠離臺端部,沉降趨于穩定時的沉降量Sa分成兩個部分,即

式中:Sb為橋臺基礎竣工后沉降量;ΔS為橋臺與搭板遠離臺端下土體之間的差異沉降量。

橋臺基礎預期竣工后沉降量可以用如下公式計算,即

式中:α1為橋臺基礎竣工后沉降值占基礎總沉降值的比例系數,主要與地基土類型有關(低壓縮性飽和粘土,α1=0.40;中壓縮性飽和粘土,α1=0.70;高壓縮性飽和粘土,α1=0.85)。α2為考慮橋臺基礎形式的系數,一般地,對于摩擦樁基礎,α2=1/500;對于擴大基礎,α2=1/300;L′為橋梁邊跨跨徑,m。

以 L表示搭板長度,以 ΔS表示橋臺基礎與搭板遠離臺端下土體的沉降差,α2表示橋面縱坡和搭板面縱坡的差異值。得到以下關系式

由此可見,橋臺與引道土體容許沉降差并不是一個常數,而是與縱坡差和搭板長度均有關系。

1.2 未設橋頭搭板時的沉降分析

未設置橋頭搭板的水泥混凝土路面、瀝青混凝土路面,由于橋臺和引道土體沉降差異在橋頭形成一個陡坎或臺階。從行車安全和舒適性來看,臺階對行車的影響比設置搭板時的影響要大。

未設置橋頭搭板時,由于橋臺和引道土體沉降差異在橋頭形成一個陡坎或臺階。為了便于分析,也將引道土體沉降趨于穩定時的總沉降量Sa分成兩個部分,即

式中:Sb為橋臺基礎的預期竣工后沉降量;ΔS為橋臺與引道土體之間的差異沉降值;ΔS就是臺背產生的臺階高度,對行車舒適性的影響很大。

2 路橋過渡段沉降病害處治的措施

臺背過渡段的差異沉降是眾多因素的影響而形成的,要解決這個問題,就必須從多個方面入手,對于不同的影響因素采用相應的方法解決。

2.1 臺背地基處理

地基可以分為天然地基與人工地基,直接放置基礎的天然土層稱為天然地基。如果天然地基土質過于軟弱或有不良的工程地質情況,需要進行人工加固或處理后才能修筑基礎,這種處理過的地基稱為人工地基。

對于軟土地基處理,目前國內已有換土法、超載預壓法、排水固結法、高壓噴射注漿法、振動碎石樁法、深層攪拌樁、擠密砂樁等方法,下面介紹采用深層攪拌法加固橋頭軟基的方法。

深層攪拌法是用于加固飽和粘性軟土地基的一種方法。深層攪拌法是 20世紀 60年代由日本和瑞典分別開發的軟土加固技術。目前應用最多的為粉噴樁,一般借助于壓縮空氣,采用專門深層攪拌機械設備,從不斷回轉的中心軸端向四周被攪松的土體噴出漿體或粉體固化劑(如水泥等),經葉片攪拌并吸收周圍水分,在加固的深層軟土中進行一系列物理、化學反應,使軟土硬結成具有整體性和一定強度的優質復合地基,從而提高橋頭軟土地基的承載力,減少沉降量(特別是工后沉降量),縮短固結期,提高邊坡穩定性。

一般對攪拌樁的設計主要從以下幾個方面考慮。

(1)攪拌樁的設計,包括確定樁長和選擇粉體固化劑(如水泥或石灰)的摻入量。

(2)置換率和樁數的計算。

(3)樁位的平面布置。

(4)下臥層地基的驗算。

對于利用深層攪拌法處理臺后路基時,應當特別考慮樁長及置換率。據資料表明,一般認為樁長在 10m左右比較有效,置換率以 15%～25%最佳。工程中通常路中央處的樁較長,路肩處較短;在近橋臺處樁長些,在一般路段處樁短些。

2.2 橋頭路基設計

橋頭過渡段路基必須密實、穩定而均質。影響路基強度和穩定的地面水和地下水,必須從采取攔截或排出路基以外的措施。一般要求填土處于干燥或中濕狀態,過濕狀態或強度與穩定性不符合要求的潮濕狀態的填土,必須經過處理。

在臺背回填區范圍內宜選用摩擦角大、強度高、壓實快、透水性好的填料,如巖渣、礫石、砂礫等。同時選用內摩擦角較大的填料也有利于從臺背縫隙中滲入的雨水沿盲溝或泄水管順利排到路基外,從而減緩雨水的危害,而且也有利于改善壓實性能,使路基容易達到設計要求的密實度。同時考慮到減輕路堤自重,有效降低地基應力,減少沉降并增大安全系數,可采用輕質材料如粉煤灰等,用粉煤灰填筑橋涵臺背,可以大大降低路堤對地基的荷載,有利于減少地基沉降以及路基對橋臺的側壓力。

臺背回填位于臺背這個特殊位置,壓路機難以碾壓到位,且機械振動力太大時,對臺墻會造成影響,因此臺背回填料的壓實質量是影響臺背回填沉降及跳車的一個重要因素。高速公路橋臺、涵身背后和涵洞頂部的填土壓實度標準,從填方基底或涵洞頂部至路基頂面均為95%,填料分層松鋪厚度宜小于 20cm,當采用小型夯具時,松鋪厚度不宜大于 15cm。

2.3 路面處理

路橋連接處設置橋頭搭板,可以使在柔性路堤產生的較大沉降逐漸過渡到剛性橋臺上。搭板的近臺端至于橋臺上,搭板與橋臺通過錨筋相連,并在搭板與橋臺接縫填入瀝青瑪蹄脂防治水分滲入。搭板的遠臺端擱置在路基上,路基沉降后搭板會產生縱向滑移,為此,必須在臺頂與搭板之端間設置錨栓。搭板形式分為等厚、變厚度和臺階形 3種。橋頭搭板長度設計應根據路基的容許工后沉降值計算確定,常取3～15m(當超過 8m時,宜設計成兩段式或三段式搭板)。由于在枕梁處發生局部下沉造成這一部位的跳車,搭板和路堤的銜接處也會有二次跳車產生,為避免二次跳車,可以在搭板尾端加設一段淺埋的變厚式埋板,其長度一般取3～5m,對于水泥混凝土路面,也可將與搭板連接處的路面板改為變厚式板。

2.4 其他處理

在設計和施工中,應保證施工中的排水坡度,設置必要的地下排水設施。在臺背回填土時可沿整個臺背豎直面用間斷級配碎石或礫石材料做透水層,以利于排除滲入土體的積水或因凍融產生的游離水,使土體保持永久性干燥狀態,防止塑性變形和地基下沉。

為了使填方壓實度達到要求,必須完善施工工藝、方法和強化施工質量管理,嚴格按照操作規程施工,加強建設監理工作,對臺背施工的填土材料、壓實機具、填土厚度進行檢查,分層驗收,層層把關,嚴格執行工序驗收制度,這樣才能確保橋涵兩端填土和路堤施工質量。