對軟基橋頭跳車問題的思考

摘要：隨著我國經濟的迅猛發展，高速公路的建設在全國各地也迅速展開，隨之而來的則是高速公路使用中不斷出現的各種病害。其中，長期困撓廣大工程技術人員的橋頭跳車這一難題也越來越突出。如何有效地控制橋頭跳車，保證高速公路運營的安全性和舒適性已越來越引起人們的廣泛關注。本文簡要地分析了橋頭跳車產生的原因及其對道路和行車的一些不利影響，同時以氣泡混合輕質土應用于臺背填土為例，詳細地分析了路基的沉降及橋臺所承受的土壓力的減輕效果。

關鍵詞：公路 軟基 橋頭跳車 氣泡混合輕質土

高等級公路(包括高速公路)在使用后不久，普遍存在一個問題:路面在臺背回填處出現不同程度的沉降斷裂(沉降值一般為10～30 cm，有的甚至超過60cm)，使車輛通過時產生跳躍和沖擊，從而對橋涵和路面造成附加的沖擊荷載，使司機和乘客感到顛簸不適，甚至造成車輛大幅度減速，嚴重的可導致交通事故(特別是車輛機械事故)。因此，橋頭跳車問題已成為高等級公路的工程質量和造價的重要影響因素。本文將在簡要分析引起橋頭跳車原因的基礎上，提出一種全新的解決辦法。

1 橋頭跳車產生的原因

軟土地基上的橋頭跳車是一個比較復雜的技術問題，通常受許多不確定因素的影響，如軟土厚度及其性質、軟基處理的效果、路基的填筑高度、臺背填料的施工質量、設計參數、計算方式等，其計算沉降量與實際沉降量常常不太相符，有時甚至出入較大。通常可將橋頭跳車產生的主要原因概括為以下幾個方面。

1.1 地基土質不良造成的沉降

土質不良產生沉陷是橋頭跳車的最主要原因。橋涵通常位于溝壑地段，地下水位較高，且多為軟基，此類土具有天然含水量往往大于液限、天然孔隙比大、常含有機質、壓縮性高、滲透系數小、靈敏度高、抗剪強度低等特點，多屬于飽和的正常壓密軟粘土，一旦受到擾動，天然結構易受破壞，強度便顯著降低；加上橋頭路基填筑高度較大，基底所承受的附加應力相對較大，在車輛荷載作用下，更容易引起地基沉陷，且沉降穩定歷時往往持續數年乃至數十年。

1.2 臺背填料壓縮引起路基的沉降

壓縮沉降主要取決于填料性質、施工條件及臺前臺背的防護排水工程的設置等情況。為了減少臺背自身的工后沉降，一般采用多孔隙的滲透性填料，但由于橋臺附近地方狹窄，施工時壓實機具不能緊靠臺背，填料顆粒間孔隙無法完全消除；或填料質量差，達不到設計要求和規范標準等；在公路自重及車輛的垂直與振動荷載作用下，填料會不可避免地產生壓縮沉降，造成跳車。

1.3 剛柔突變引起的沉陷跳車

剛性不同的路面在跳車處所產生的振動效果不同，柔性材料對能量的吸收要比剛性材料的大。由于橋梁通常是支撐在巖層上的剛性結構，具有較大的整體剛度；而與結構物橋臺相連的道路相對屬于柔性體，具有剛性較小柔性較大的特性，屬彈塑性體。顯然，道路與結構物橋臺之間存在著較大的剛度差，這個剛度差的存在必然引起道路與結構物橋臺之間產生較大的塑性變形差異及較大的剛度突變，加重了橋頭跳車的振動效果。

綜上所述，橋梁是支撐在巖層上的剛性結構，幾乎不產生沉降，而與結構物橋臺相連的路堤相對屬于柔性體，工后沉降大，兩者在連接處出現較大的沉降差(如圖1)，傳統的設計、施工方法很難解決這一問題，其結果導致路基沉陷、路面破壞、橋臺樁基側移甚至破壞，從而增加了工程建設及維修費用。

2 橋頭跳車對道路及行車的影響

為了減少橋頭跳車對路面結構的破壞，降低對行車的影響，高速公路橋涵兩端通常都設有5～10m長的搭板。由于搭板兩端沉降量的不同，在搭板兩端形成一縱坡轉折(圖2，以縱坡I=1.5%為例)。汽車在這種橋頭路段的行車機理極為復雜，不同的搭板長度、不同的沉降值及不同的車型車速的影響程度各不相同。為了方便，本文把汽車輪胎經過橋頭2個縱坡轉折時的行車線形近似地按2個相切的反向豎曲線來考慮。當汽車行至A 、C 點間凸曲線路段時，形成的離心力為F=mv2/R。當汽車緩行時，大部分離心力F可由自重抵消，而當F大于自重時，汽車就會發生離心運動而沿著凸曲線的切向騰空，形成跳車和顛簸。車輛通過橋頭時騰空產生的跳動和沖擊，又造成對橋梁和道路的附加荷載，加速了對路面、橋頭搭板、支座及伸縮縫的損壞，同時也加劇了車輛機件的磨損，降低其使用壽命。此外，跳車時車輛顛簸，引起駕駛員和乘客的身體和心理不適，嚴重時會影響駕駛員的正常操作，造成行車事故。可見橋頭跳車危害之大，必須高度重視。

3 氣泡混合輕質填土技術解決橋涵跳車問題

由以上分析可知，橋涵跳車的直接原因是橋涵與路基連接處附近的沉降發生了突變。緩解橋頭跳車的最好方法就是要使橋涵與路基連接處附近的沉降曲線的梯度變化緩慢、均勻，為此，必須解決以下三個方面的問題：①消除臺背填料自身的壓縮沉降；②緩解橋涵與路基連接處附近填料的剛性突變；③減少橋涵背軟土地基的沉降。這就要設法使處于正常壓密狀態的軟土地基處于超固結狀態。

為更好地解決以上三個問題，目前處治橋涵跳車問題的有效方法之一為運用氣泡混合輕質填土技術。

氣泡混合輕質土具有輕質性( 容重：5～13kN/m3)、良好的流動性(泵送距離1500m)、施工性(無需振搗和機械碾壓)、強度的可調節性(300～1500kPa)、固化后的自立性(可垂直填土)及耐久性等優點。這種填料的自身不存在壓縮沉降問題，剛性比一般的填土路基要好得多，可大大地減輕路堤的填土荷載，降低地基應力，抑制軟基的沉降、側移和破壞；通過在橋臺背部填充恰當形狀的楔形輕質土體，可大大縮減橋臺與路基連接處附近的差異沉降，使沉降曲線連續、緩慢而均勻地變化，從根本上消除高速公路中的橋涵跳車問題。此外，這種技術還可縮短施工工期，抑制軟基的側向擠壓，對橋臺幾乎沒有推擠力，可提高結構物的使用壽命。

采用氣泡輕質填土比目前常用的橋涵背回填中粗砂的直接施工費用稍高一些，但這種技術可簡化橋涵背回填砂之前基礎的處理，簡化橋臺等結構物的擋土結構，可大幅度地縮短施工工期、節省用地、降低由于軟基的工后沉降所需要的高昂維護費用、降低車輛損耗，提高行車的舒適性和安全性等。