軟土地基橋頭跳車成因及工程防治措施研究

/軟土地基橋頭跳車成因及工程防治措施探討奚健肖志榮（杭州市城建設(shè)計探討院有限公司杭州310001）（浙江科技學院建筑工程學院杭州310000）【摘要】本文從軟土地基的基本定義著手分析了高等級公路產(chǎn)生橋頭跳車的主要緣由，并詳細敘述了軟土地基處理過程中實行的一些方法，包括，換填法、超載預壓、袋裝砂井排水法、塑料排水板、水泥粉噴樁復合地基等常用方法。最終通過工程實例介紹了各種處理橋頭跳車方法的實際應用。本文所介紹的橋頭跳車的防治措施及詳細工程應用實例,可為類似工程供應有益參考?！娟P(guān)鍵詞】軟土地基橋頭跳車軟基處理處治措施0引言公路、鐵路都是線形帶狀的特別人工建筑物，不行避開地經(jīng)過不同的地質(zhì)地區(qū)，特別是在沿海地區(qū)，由于軟土地基分布廣泛，在公路、鐵路橋涵施工運用中，普遍存在一個問題，即路面在臺背回填處出現(xiàn)不同程度的沉降斷裂(沉降值一般為10～30cm，有的甚至超過60cm)，使車輛通過時產(chǎn)生跳動和沖擊，形成橋頭跳車問題，它始終是困擾橋梁工程技術(shù)人員的難題之一，既干脆影響行車速度，也影響了行車的舒適和平安，甚至造成行車事故，而且由于車輛的高速行駛在橋頭產(chǎn)生跳動和沖擊，對路面和橋梁產(chǎn)生附加的沖擊荷載加速橋臺、橋頭路面及橋梁伸縮裝置的破壞，也加快了車輛本身的損壞，干脆影響了公路的運用壽命和社會效益，因此如何解決高等級公路橋頭跳車問題已成為刻不待時的大事。1軟土地基的基本概念所謂軟土是軟弱粘性土的簡稱，是第四紀后期形成的海相、泄湖相、三角洲相、溺谷相和湖沼相的粘性土沉積物或河流沖積物，有的屬于新近淤積物。它一般是在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)生物、化學作用形成的。其中最為軟弱的是淤泥和淤泥質(zhì)土。這類土的特點是自然含水量高、自然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小。在荷載作用上，軟粘土地基承載實力低，地基沉降變形大，不勻整沉降也大，而且沉降穩(wěn)定歷時比較長。在比較深厚的軟粘土層上，結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的沉降往往持續(xù)數(shù)年乃至數(shù)十年之久。軟粘土地基是工程實踐中遇到最多而須要進行人工處理的地基，它廣泛地分布在我國東南沿海及內(nèi)地。2軟土地區(qū)橋頭跳車緣由分析2.1地基土質(zhì)不良造成的沉降

橋涵通常位于溝壑地段，地下水位較高，且多屬軟土。此類土自然含水量大于液限，自然孔隙比大，常含有機質(zhì)，壓縮性高，抗剪強度低，在軟土上填筑路基，便極易產(chǎn)生沉降(包括瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降)。同時，橋頭路基填筑高度較大，產(chǎn)生基底應力相對較大，在車輛荷載作用下，更簡潔引起地基沉陷，且變形穩(wěn)定歷時往往持續(xù)數(shù)年乃至數(shù)十年。就是在一些穩(wěn)定地基，在外荷作用下，也不行避開出現(xiàn)這個問題。

2.2臺背填料壓縮引起路基的沉降

臺后填料一般為滲透性材料，存在著多孔隙，施工中實行任何措施也難將填料顆粒間的孔隙完全消退。在車輛荷載和自身重力作用下，填料快速壓縮，孔隙率降低，便在短時間內(nèi)產(chǎn)生壓縮沉降，造成跳車。因此，壓縮沉降主要取決于填料性質(zhì)、施工條件及臺前臺背的防護排水工程的設(shè)置等狀況。在工程實踐中，就是施工時工序符合要求，壓實度達到要求，但臺后填土較高，隨著時間推移，也會產(chǎn)生不行避開沉降。有時臺后填土荷載對基底產(chǎn)生附加壓力，嚴峻時會使橋臺向后傾斜，發(fā)生不勻整下沉，危及行車平安。

2.3施工措施不當

當前一些施工隊盲目追求高速度，沒有嚴格按施工規(guī)程作業(yè)，臺背填土速度過快，對地基造成擾動和破壞，沒有充分時間固結(jié)，對臺背擋土墻等構(gòu)造物擠壓力大，施工時沒有按分層填筑、分層碾壓、分層檢測“三分法”施工。用料沒有把好質(zhì)量關(guān)，排水措施沒有做好，壓實度沒有達到要求。這些人為因素使高填土引道不穩(wěn)定，工后沉降大，且不勻整，也是造成跳車現(xiàn)象主要緣由之一。

2.4剛?cè)嵬蛔円鸬某料萏?/p>

剛度不同的路面在跳車處所產(chǎn)生的振動效果不同，柔性材料對能量的吸取要比剛性材料大。而橋臺由于巨大建筑作用，加上基礎(chǔ)處理較好，一般認為沉降已經(jīng)完成，相對于路基而言，沉降可視為零，而鋪裝層壓縮也不大，屬剛性體；而和結(jié)構(gòu)物橋臺相連的道路，具有剛性較小柔性較大的特性，屬彈塑性體。明顯，道路和結(jié)構(gòu)物橋臺之間存在著較大的剛度差，這個剛度差的存在必定引起道路和結(jié)構(gòu)物橋臺之間產(chǎn)生較大的塑性變形相對差和較大的剛度突變，勢必增加橋頭跳車的振動效果。

2.5橋臺結(jié)構(gòu)和引道連接設(shè)計不周

在基底未作徹底處理，而沉降還未穩(wěn)定時，應周詳考慮橋臺結(jié)構(gòu)和引道連接，在沒有質(zhì)量保證狀況下，不應當干脆澆砼板。大橋兩側(cè)引道，通車后兩側(cè)引道沉降是長期的，如先設(shè)過渡性路面，使路堤沉降基本完成后再改鋪原設(shè)計路面，狀況會好一些。設(shè)計時也應處理好橋梁和引道路面接縫問題，避開接縫損壞而造成跳車

3橋頭跳車病害防治措施探討

3.1地基處理

處理好臺后軟弱地基是限制橋頭跳車重要措施。目前對橋頭軟弱地基處理，現(xiàn)在國內(nèi)有換填法、超載預壓、袋裝砂井排水法、塑料排水板、水泥粉噴樁復合地基等常用方法。就目前狀況看，水泥粉噴樁復合地基加固軟土效果明顯，施工工期短，但費用高；超載預壓一般可利用施工荷載作為軟基預壓荷載，但施工工期較長，剩余沉降量也大；塑料排水板法加固效果好，工期較短，施工簡潔，閱歷較為成熟，是目前處理軟基較為常用方法。我們要依據(jù)當?shù)貙嶋H狀況，加以應用，使地基承載實力滿意設(shè)計要求。受造價約束，一般狀況可設(shè)置過渡性路面，加強養(yǎng)護補強措施，待沉降后再改鋪原設(shè)計路面，常用過渡性路面有預制水泥砼塊、瀝青過渡層等，都是解決好橋頭跳車有效方法。3.1.1置換及拌入法（換填法）假如軟土層排水條件差，厚度不大于1M，土質(zhì)為淤泥或含水量較高時，可將軟土層挖除確定厚度，換填滲水性好的材料如砂、礫石、片石、卵石等，并可參加確定劑量的水泥、石灰等，提高軟土地基強度，也就是我們經(jīng)常接受的換填石灰穩(wěn)定土，片石混凝土等方法，一般換填的厚度為30-100CM，石灰穩(wěn)定土時，白灰的劑量應不低于6%；摻加水泥的劑量應不低于4%。換填土相對來說造價高，但可以節(jié)約工期。這種方法是我們平原地帶經(jīng)常應用的，同時相對來說在技術(shù)指標上也比較保守。該法是在工程建設(shè)之前用大于或等于設(shè)計荷載的填土荷載，促使地基提前固結(jié)沉降以提高地基的強度。當強度指標達到設(shè)計要求數(shù)值后，缺陷去荷載，修筑公路路面。經(jīng)過堆壓預處理后，地基一般不會再產(chǎn)生大的固結(jié)沉降。堆載物一般用填土或砂石等散粒材料。施工填筑時接受分層分級施加荷載，從而限制加荷速率、避開地基發(fā)生破壞，達到地基強度慢慢提高的效果。該法施工簡潔，不須要特別的施工機械和材料，但軟土的排水固結(jié)時間較長，因此工期一般較長。公路工程上常先期對路基進行堆載預壓，再利用修筑橋梁的時間使其慢慢固結(jié)。如施工時間允許，可單位運用；如工期緊，可結(jié)合其它方法一起運用。

3.1.3接受袋裝砂井排水法加固橋頭軟基

袋裝砂井排水法是在一般砂井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種軟土地基處理方法，它是一般砂井的發(fā)展和提高。相對于一般砂井，此法用砂量少、施工便利、快捷。適用于松砂地基、雜填土或軟土，對地基土起置換作用、豎向排水作用和擠密作用，它的布置一般接受梅花形。理論和實踐表明，袋裝砂井的間距是影響固結(jié)速率最重要的因素之一。在附加荷載確定的條件下，井距愈小，固結(jié)愈快，井距愈大，固結(jié)愈慢。所以，在用袋裝砂井處理軟土地基時，原則上接受“細而密”的方案。主要施工工藝程序：整平原地面→機具定位→樁管沉入→加料壓密→拔管→機具移位。由于施工機械的影響，井距也不宜太小。井距太小，易使砂井四周的土受到擾動，地基土強度受到確定程度的減弱，并增加確定數(shù)量的沉降，而且還會使土固結(jié)系數(shù)降低，一般袋裝砂井的間距以1.0-1.5m為宜。當然詳細工程要依據(jù)軟土的特征和施工期限的要求，計算確定。目前，袋裝砂井排水法在公路工程中應用得最廣泛的一種方法。這種方法一般不單獨運用，往往結(jié)合砂墊層、土工布、堆載預壓或其它方法一起運用，效果更好。對于砂源豐富的地區(qū)，運用袋裝砂井法處理軟土地基，易于保證質(zhì)量，費用也較低。塑料排水板法

該法屬豎向排水體預壓類型，主要適用于透水性低的軟弱粘性土。作用原理和袋裝砂井相同，設(shè)計方法也基本相同，只是所用材料不一樣而已。塑料排水板是由芯體和濾套組成的復合體，或是由單一材料制成的多孔管道板帶，目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的多為寬10mm，厚4mm的帶狀有橫槽的塑料板，其外包有土工布。其主要施工工藝程序：整平原地面→攤鋪下層砂墊層→機具就位→塑料排水板→穿靴→插入套管→拔出套管→割斷塑料排水板→機具移位→攤鋪上層砂墊層。和袋裝砂井比較，塑料排水板具有施工速度較快，效率高，施工機械靈巧，對軟土地基的擾動較小，可工廠化生產(chǎn)，抗折實力較強等優(yōu)點。因此近年來在軟土地基中得到廣泛應用。該法可單獨運用，但為加速排水固結(jié)，削減后期沉降，一般都協(xié)作堆載預壓或超壓施工，使地基土的有效應力增大、抗剪強度和承載力及穩(wěn)定性都得以提高。其特點是施工簡便快捷，造價較低，但效果比上述兩種類型略差，仍存在少量工后沉降。

接受水泥粉噴樁復合地基加固橋頭軟基

該法屬加固土樁類型，主要適應于軟弱粘性土。噴粉樁法的正式名稱為粉體深層噴粉攪拌法，是膠結(jié)法處理軟土地基的一種。它利用水泥或石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，就地在軟土中利用壓縮空氣噴射石灰或水泥干粉，和軟土強行攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理-化學反應，使軟土固結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和確定強度的地基，以達到提高地基承載力、削減地基沉降量的目的。該法是本世紀60年頭由日本和瑞典分別開發(fā)的軟土加固新技術(shù)，其主要施工工藝程序：整平原地面→鉆機定位→鉆桿下沉鉆進→上提噴粉(或噴漿)、強制攪拌→復拌→提桿出孔→鉆機移位。它具有施工速度快，設(shè)備靈巧，便于移動，方法簡潔駕馭，處理深度較大等優(yōu)點，具工后沉降較小，排水固結(jié)時間短，尤其可較好地解決橋頭跳車現(xiàn)象。同時施工過程中路基填土速率不受限制，且無振動、無污染，對四周環(huán)境及建筑物無不良影響，近年來已在各地高等級公路得以廣泛應用。其最大優(yōu)點是工后沉降小，缺點是造價較高。3.2橋頭路面處理考慮橋臺和臺背路面在結(jié)構(gòu)、材料、剛?cè)?、脹縮等方面存在的差異，為了在其縱、橫向都能平順慢慢過渡，可實行以下措施：設(shè)置枕梁和搭板枕梁和搭板依據(jù)不同狀況應實行不同的布設(shè)方式：(1)橋梁為正交時，搭板預制安裝，板頂澆6cm厚30號鋼筋或鋼纖維砼鋪裝層，在搭板和砼路面相接處設(shè)置脹縫，在和搭板鄰近的2～3塊路面的板縫連續(xù)設(shè)置脹縫。(2)橋梁為斜交時，除用鋼筋砼搭板和鋪裝層整體現(xiàn)澆完成以外，還另設(shè)鋼筋砼漸變板。漸變板的塊數(shù)視橋梁斜交角度大小而定，大于70°、70°～45°和小于45。時分別設(shè)1、2、3塊板或以上，并考慮受力關(guān)系，其短邊應≮5m，長邊≯10m，搭板按簡支計算配筋，漸變板按構(gòu)造鋼筋位于板面下1/3～1/2板厚范圍。實踐證明接受此措施還應考慮到：(a)搭板的長度確定至關(guān)重要，一般接受＞5m長搭板為佳，且其長度和路堤填高成正比，并和土基狀況有關(guān)；(b)搭板按簡支板進行內(nèi)力優(yōu)化并配筋，面層按構(gòu)造鋼筋配筋，但在荷載作用于搭板時，板下路基會起到確定的支承作用，尤其當枕梁下沉時，部分搭板更受到路基支撐，使板頂產(chǎn)生局部拉應力，對這種困難的受力過程，設(shè)計時難以確定，故配筋和實際會有出入，枕梁按彈性地基梁計算，其關(guān)鍵問題在于確定地基(路基)反力的分布規(guī)律，而截止到目前關(guān)于彈性地基結(jié)構(gòu)計算的各種理論都只是部分地、不同程度地反映地基的實際性質(zhì)，只在確定范圍內(nèi)比較符合實際，故對于不同計算方法的適用范圍應予特別留意；(c)搭板頂面設(shè)置何種鋪裝層，設(shè)計時應考慮當其出現(xiàn)沉陷時須要運用的修補材料、修補方法，并結(jié)合實際狀況及相關(guān)問題，進行處理以達到滿意效果。設(shè)置變厚式埋板對瀝青砼路面，在橋臺連接處增設(shè)變厚式水泥砼埋板，對水泥砼路面，則將連接處的路面板改為變厚式。在搭板、埋板或變厚式板下，為保證連接部位的剛?cè)釋哟卧谒胶痛怪狈较蚓鶟u次變更，宜接受強度及回到彈模量均高于土基的路面結(jié)構(gòu)層材料，以提高該部位的整體受荷和抗沖實力，利于減小錯臺幅度，調(diào)整不勻整沉陷。路面類型過渡橋頭不勻整沉降緣由多，且難于根除，為此應依據(jù)橋涵的長度和接線填方長度在橋頭確定長度范圍內(nèi)鋪剛性過渡層或瀝青過渡層對橋頭路面接縫進行處理。(1)橋梁和水泥砼路面間的接縫處理不好常形成錯臺，產(chǎn)生橋頭跳車，使板局部遭到破壞，可接受圖1所示形式連接處理。其可基本消退面板因溫度應力撓曲變形而產(chǎn)生局部應力，進而減小板底結(jié)構(gòu)的不勻整沉陷導致的錯臺，并實現(xiàn)板底由半剛性向橋臺剛性過渡的設(shè)計要求，避開了因局部薄弱而產(chǎn)生的病害。圖1橋梁和水泥混凝土路面接縫處理(2)橋梁和瀝青路面的接縫，往往由于該處瀝青路面難以碾壓密實產(chǎn)生沉陷、錯臺或瀝青路面受推移造成擁包，可實行圖2所示處理措施加以解決。

圖2橋梁和瀝青路面的接縫處理(3)水泥路面和瀝青路面間的接縫，亦可接受類似處理措施得到解決。4工程應用實例4.1平陽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)某橋該橋橋頭地段，地表1.6m以下有厚約20m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，實行以下處理措施，以避開橋頭跳車。(1)在路面底至地面垂直距離H≥1.5m處，接受粉煤灰填筑路堤。因粉煤灰質(zhì)輕，透水性好，后期強度高，可有效降低地基應力，削減軟土地基沉降。同時路堤竣工后沉降量小，使橋頭的沉降差減小。(2)在≥3m的橋頭高路堤地基中做水泥加固粉噴樁。依據(jù)地基強度及路堤(或擋墻)完工后容許的剩余沉降量要求，確定樁長9～15m，間距1.5m。(3)橋頭設(shè)置搭板，橋頭路堤剩余沉降量雖限制在10cm內(nèi)，但仍出現(xiàn)和橋頭錯臺，因此經(jīng)在橋頭設(shè)5.5m通車三年后營運狀況良好。4.2溫州梧田大道某橋該橋為樁基重力式橋臺，摩擦樁長25m，臺后路堤設(shè)計高度5.5m。施工時臺后預留底寬9m，頂寬15m的缺口，架橋后用級配砂礫石填料并經(jīng)振動碾壓回填，其路堤先于缺口5～6個月填筑完成。當臺后路基將填筑到設(shè)計高度時，離臺面1～2m處出現(xiàn)有若干0.5～1.5cm寬、貫穿路基并接著發(fā)展的橫向裂縫。緣由是在其地表1.0m以下有新近沉積厚約2.5m的高壓縮性淤泥質(zhì)粘土。因其變形量大，沉降持續(xù)時間長，缺口處路堤完工后沉降將超過10cm，遂確定實行處理措施?；诳拷坊屡P軟土層的厚度相對不大，填料系屬透水性材料，接受超載預壓。(1)依據(jù)地基、路堤穩(wěn)定性允許的堆載時間，超載比取50%。(2)由確定的超載比反算地基和路堤的穩(wěn)定性，得出最小平安系數(shù)K=1.18。(3)超載預壓設(shè)邊樁、沉降板進行觀測，15h后測得路基堆載總沉降量12～13cm，因此接受措施產(chǎn)生了效果。(4)分格計算沉降觀測數(shù)據(jù)，得出剩余沉降量約為2.1cm，確定橋臺背設(shè)置8m長搭板，可以調(diào)整沉降差異。通過上述處理措施該橋通車至今無跳車現(xiàn)象。4.3同三線高速公路平蒼段某橋梁該橋和路途正交，原設(shè)計橋臺背接受5m鋼筋混凝土搭板一端置于橋臺蓋梁，另端擱置路基枕梁和水泥路面相接的處理方法，但效果不志向，仍存在跳車。為此先后考慮接受以下方案進行補救。(1)預設(shè)枕梁處計算沉降量，抬高枕梁標高、施工，以待其下沉回復，但竣工運營一年未能如愿。分析緣由在于沉陷數(shù)據(jù)計算難于和施工實際中質(zhì)量限制因素相吻合。(2)擬在枕梁下預設(shè)安放千斤頂?shù)目臻g，搭板按設(shè)計標高施工，待其完成后在日后沉陷時將千斤頂置入枕梁下的預留空間頂起填塞，使梁復原設(shè)計標高，但如此實施難度較大，且預料處理后的路面平整度較差。(3)仍按設(shè)計標高完成搭板施工，在其上鋪筑瀝青面層，如此若