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1、摘 要路基沉降特别是差异沉降是土力学中的重要研究课题，而由台背路基差异沉降引起的桥头跳车更是高速公路建设中需要解决的重要问题,因此,研究台背路基的沉降特点,分析差异沉降形成的原因,了解差异沉降的控制标准,这对有效选择解决桥头跳车的台背处理方法具有重要的理论意义和实际意义。关键词：高速公路；差异沉降；台背；桥头跳车目 录第一章 绪论11.1引言11.2桥头跳车产生原因研究现状11.2.1路基本身的压缩11.2.2.地基的沉降21.2.3地质分布不均匀21.2.4.支座和防护工程的移动21.2.5.局部沉陷21.2.6.桥台与台后填土连接处的刚度差异21.2.7.不合理的施工和设计31.3 桥头跳
2、车机理分析研究现状31.3.1 设搭板路桥过渡段跳车机理分析31.3.2 未设搭板路段错台时跳车机理分析51.4 桥头跳车处理方法研究现状61.4.1地基处理61.4.2填料处理71.4.3搭板缓坡处理71.4.4找平处理81.4.5排水处理81.4.6横向加筋处理91.5本文的研究对象和主要研究内容9第二章 台背路基的沉降变化规律及沉降预测方法研究102.1前言102.2台背路基的应力特征及沉降计算方法102.3台背路基的沉降变形规律122.3.1一般台背路基的沉降规律122.3.2 台背路基与一般路基的沉降规律比较132.3.3 特殊条件下的台背路基与一般路基沉降规律比较132.4 台背路
3、基的沉降预测方法142.4.1 Compertz曲线模型的建立152.4.2 Compertz模型参数的计算162.4.3 工程实例的比较与分析182.4.3.1 计算结果182.4.3.2 计算结果比较和分析202.5小结20第三章 台背路基工后沉降取值标准的研究223.1 概述223.2 台背路基工后沉降的取值标准223.2.1台背路基容许工后沉降233.2.2沉降后桥面与搭板之间的容许坡差243.2.4台背前后的沉降差(即台阶高度)253.3路基工后差异沉降值的取值标准263.4台背路基工后沉降与结构层施工沉降速率关系的统计分析263.4.1路基沉降及稳定变化情况的统计分析263.4.2
4、路基工后沉降预测的统计分析293.5 小结31第四章 结论324.1 结论324.2有待进一步研究的问题32参考文献34致 谢36第一章 绪论1.1引言 随着我国国民经济的快速发展，公路修建里程不断增加，道路等级也不断提高，特别近几年，为了拉动经济的发展，我国在公路建设上投入了大量资金，高等级公路发展迅速。但是，从高等级公路特别是高速公路的运营状况来看，还存在着不少问题，其中较为普遍的是桥头跳车问题。桥头跳车是指道路与桥梁台背的衔接区域出现的路面或搭板变形、断裂，甚至坑槽，从而使车辆行驶经过该区域受到冲击后发生明显跳跃、颠簸的现象1,2。桥头跳车不仅会降低行车舒适性，迫使车辆减速，还会对桥梁和
5、道路造成附加的冲击荷载，从而加速了桥台、桥头搭板、支座及伸缩缝的损坏。桥面与引道路面之间过大的不均匀沉降还会造成行车失控，诱发交通事故。这与高速公路要求车辆行驶快速、安全和舒适严重相悖。同时，随着公路等级的提高，涵洞、通道、桥梁等构造物在公路里程中所占比例越来越大，平均每公里有3座之多，甚至个别线路达45座。因此，桥头跳车已经造成了严重的问题。为了防止桥头跳车，必须不断地对桥梁两端出现的沉陷、断裂等进行及时的维修处理。修补养护难度大，要花费大量的人力、物力和财力。更为重要的是，维修后不久问题就会继续出现，长期的修补又会导致更为严重的问题，最后只能采取结构性修筑来解决，而且经常在两三年内又需要重
6、新修补，但是仍然很难使路况恢复得完好如初。因此，桥头跳车己成为高等级公路运营中急待解决的问题。1.2桥头跳车产生原因研究现状桥头跳车主要是由于桥台和引道路堤之间的差异沉降引起的。一般地桥台的沉降很小，而引道路堤沉降较大，从而在两者之间造成差异沉降。造成引道路堤沉降的原因主要有:1.2.1路基本身的压缩 桥头路基的施工一般在桥台工程完成和一般路段的大部分路基成型以后才进行，因此在桥涵两端的作业段填方较高、工期紧迫、土方量集中而施工面比较狭窄，给施工带来很多困难。由于作业面狭窄和靠近桥台涵洞端墙的这部分填土平面形状不规则，大型压实机械很难作业。当缺乏适宜的压实机具时，常常采用人工夯实，密实度往往达
7、不到要求。同时，由于过水、跨线或通道的要求，桥头路基一般较高，路堤除承受行车荷载外，还承受较大的自重应力(特别是路基下部土体)，当路基的压实度不足时，路基就会发生较大的固结变形。此外，在桥台与引道之间发生差异沉降以后，路堤顶部还受到车辆的冲击荷载作用，导致路基发生动力固结。1.2.2.地基的沉降桥涵通常位于沟壑地段，与其它路段相比，桥台背后地物地貌相对较差，通常其地下水位较高，孔隙比大，含水量高，强度低，压缩性大，多属软弱地基。在其上填筑路基肯定会产生较大变形。同时，桥头路基填筑高度一般较大，产生的基底附加应力相对较大。因此，台后的地基沉降比一般路段要大。1.2.3地质分布不均匀在工程地质勘察
8、中，大约每隔100m进行一次钻孔取样。而修建高等级公路时，路基宽度很大，通常双向四车道路堤顶面都在26m以上，坡脚在40m以上；同时，引桥路堤的长度也可达到上百米甚至更长。所以在如此大的范围内都按照一个点的地质勘察报告进行统一的设计和施工，必然会使桥头路堤产生不均匀沉降。从另外一个方面看，邻近桥涵路段地基差且不均匀，地基处理不可能在该路段采用很多不同的处理方法，这样必然会产生路堤的不均匀沉降。1.2.4.支座和防护工程的移动 在台后土压力的作用下，支座和台前防护工程将或多或少地发生水平位移，从而造成土体发生侧向变形。1.2.5.局部沉陷 路堤与桥涵构造物的连接部位有的设计了接缝，但经长时间使用
9、由于行车荷载和自然因素的影响极易发生损坏；有的是连续铺装，但在使用中经常产生裂缝。接缝和裂缝在竖向往往很深，雨水和融雪水容易沿缝渗漏，对路面结构层和土基产生冲刷和浸蚀，造成各种细料的流失以及增加结构层与土基的含水量，从而造成局部沉陷。1.2.6.桥台与台后填土连接处的刚度差异 桥台与台后填土连接刚度不同。由于桥涵结构物具有较大的刚性，而台后路基和路面组成的道路属于半刚性或柔性结构；公路建成后，随着时间的推移，台后填土产生较大的压缩变形，与其相比，桥台基础产生的沉降变形相对小得多。当二者的相对沉降差达到一定程度时，搭板出现沉降或断裂，在台后便出现跳车现象。1.2.7.不合理的施工和设计 (1)软
10、弱地基没有进行必要的处理，或在基底顶面未设置适当的排水设施，从而使路堤在通车后沉降过大。 (2)填料选择不当，填料的压实度（特别是邻近桥台部分）不符合要求。 (3)施工工序不当。比如在没有完成桥台和挡土墙之前就填土，填筑速度过快等。 (4)在桥台路堤的连接处设计不合理，致使在车辆及雨水作用下产生裂缝，并使该处下部填料及基层受损，形成跳车。 除了桥头处的差异沉降外，桥台与引道之间的构造差异也会造成桥头跳车。桥与路的分界处前后一是刚性体，一是柔性体，在结构刚度上差异很大。柔性材料对能量的吸收要比刚性材料大，故在刚柔突变处必然引起振动的突变，即引起跳车。1.3 桥头跳车机理分析研究现状桥头跳车在不同
11、的路面类型及桥头连接情况下，表现为不同的跳车形式。高等级公路中路面结构分水泥混凝土路面的刚性结构和沥青混凝土路面的柔性结构，桥头连接形式可分为搭板连接及无搭板连接。设置搭板路段由于沉降引起的行车线形为折线，搭板两端则因纵坡的变化形成一个突变的纵坡转折；对未设置搭板路段其桥头形成一台阶式跳坎。它们对行车的影响及车辆在桥头的跳车机理均不相同。1.3.1 设搭板路桥过渡段跳车机理分析高等级公路中桥头搭板的设计是根据桥头填土的高度来确定的，现行设计中一般搭板长度取值为3米、5米、6米、8米不等，由于搭板两端路基沉降量的不同，必然在搭板两端形成一纵坡转折(如图1.1)。以搭板长6米为例，若搭板A端沉降1
12、2cm，那么搭板两端的纵坡改变为12/600=2。图1.1设搭板的路桥过渡段示意图对高速行驶的车辆来说，转折纵坡对车辆是很不利的。纵坡转折不仅会加剧汽车的颠簸，影响行车舒适，甚至会出现行车事故。汽车在桥头的行车机理是十分复杂的，不同搭板长度、不同沉降值及不同车型、车速，其影响程度均不相同。现把汽车轮胎经过桥头两个纵坡转折时的行车线形近似地按两个相切的反向竖曲线考虑，如(如图1.2)所示。图1.2引起跳车的线型简化模式当车辆由桥面方向行驶通过桥头搭板时，车辆行驶的是A-C点间的折线路段，由于该区间纵坡变化一般很小，可以把该段区间近似看作一段凸型竖曲线路段，当汽车行驶通过时，则会在竖曲线上形成向心
13、加速度，产生向心力，其值为: （1.1）式中:F汽车产生的向心力，N； M汽车质量，包括车身自重及所载货物与人的质量，kg； V汽车通过时的行驶速度，m/s； R凸型竖曲线半径，m。向心力F会使人、车产生部分失重，当行驶经过桥头搭板至连接搭板的路面后，向心力即消失，实际上，人、车在此瞬间会受到等于向心力F的反作用力，据有关资料研究表明，当人体受到自身重量10%左右的外部力量突然冲击时，乘客稍感到不适，但基本上还比较满意；当人体受到自身重量20%左右的外部力量冲击时，车辆会形成不同程度的颠簸或跳动，乘客己感到明显的不舒适，但基本上还可以接受。向心力越大，乘客感觉越明显；当向心力大于自重时，汽车就
14、会腾空飞跃，可能出现汽车冲出行车道，甚至造成翻车事故。这里把向心力F10%汽车重量时的状态称为临界跳车状态，把向心力F20%汽车重量时的状态称为极限跳车状态。由定义可知，临界跳车状态基本上属于比较舒适状态，而极限跳车状态属于可接受状态，超过这个状态汽车不适合长期运行。汽车在不同车速情况下，分别对应有不同的临界跳车和极限跳车竖曲线半径。由式(1.1)可得: 式中:F不同跳车状态对应的向心力，。则： （1.2）对于高速公路或一级公路，取设计行车速度V为1O0km/h(即27.78m/s)，当时，即汽车处于临界跳车状态时，竖曲线半径R为:当时，即汽车处于极限跳车状态时，竖曲线半径R为:也就是说，当搭板长度L为6m，桥头枕梁处沉降为12cm，即纵坡变化率为2%时的近似竖曲线半径为:，这种情况下若汽车速度达到100km/h时，一定会出现跳车现象。由式(1.2)以及上例分析可知，临界跳车竖曲浅半径为极限跳车竖曲线半径的2倍，因此，在下述分析中仅取，即仅对临界跳车状态予以讨论。如图(1.2)所示，搭板长度L，搭板两端A、B点的纵坡变化率为i的近似竖曲线半径R为： （1.3）式中:搭板AB的变坡角度；由于实际角度很小，所以近似取,。 汽车临界跳车状态在不同的行车速度情况下分别对应有不同的临界跳车竖曲线半径，而由(式1.3)可知，竖曲
