桥头跳车处治措施的研究.docx

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桥头跳车处治措施的研究

桥头跳车处治措施的研究

国外早在上世纪五、六十年代就开始重视桥头引道与桥台的差异沉降问题，如西欧国家就非常重视软土地基的处理，国内外消除桥头差异沉降的主要措施是设置桥头过渡段，过渡段常采用路堤桩（Embankmentpiles）处理桥头地基。

欧洲、北美及日本等已广泛应用土工格网、桥头搭板处治高速公路桥头跳车问题，进行了系列的理论研究和试验。

发达国家高速公路起步较早，路堤填土高度较低，且施工周期较长，所产生的工后沉降较小，相应产生的危害较小。

近二十年来，我国公路建设处于飞速发展的阶段，施工周期短，施工条件恶劣，特殊的地理环境和现实因素决定了桥头跳车的处治思路与方法的多样性。

表1列举了桥头跳车常见的处治措施。

表1桥头跳车处治方法

桥头跳车处治措施

处治思路

处治方法

减少地基沉降

①不良地基处理（超载预压，换填，塑料排水板，粉喷桩，注浆法，强夯等）

②采用轻质材料填筑路基（粉煤灰，聚苯乙烯泡沫塑料EPS，发泡珍珠岩等）

减小路基

压缩变形

①提高路基填土的压实度

②加筋（土工格栅，土工格室）

③注浆补强、挤密桩

④改良台背填料（如采用石灰石，水泥土，二灰土等）

差异沉降

平稳过渡

①渐变桩

②柔性桥台、半整体式桥台

路面处理

①桥头搭板

②设置过渡段路面

③预设方向坡度

1强夯法

强夯法广泛的应用于地基沉降处治工程中。

强夯法一般采用100～400kN的重锤，从6～40m的高处自由落下，对地基土施加强大的冲击能，在地基中形成冲击波和动应力，将地基土压密、振实，以加固地基土，达到提高强度、降低压缩性。

对地基的强夯处治，一方面是对地基产生压实和挤密作用；另一方面是通过强夯对地表下一定深度土层施加动力荷载，达到破坏土体结构强度、结构性大孔隙的作用。

（1）强夯处治的作用

①提高承载能力

对于天然地基采用强夯处治后，地基承载能力将会成倍提高。

对于粘土，承载力可提高103倍：

对粉质砂土，承载力可提高4倍以上；对砂土及泥灰岩土，承载力可提高2～4倍。

②减少不均匀沉降

通过一系列均匀的夯击及严格的施工控制，地基土体压缩性可降低2～10倍，大大改善了地基的均匀性。

能使施工加荷后的地基差异沉降值控制在规定限度以内。

在工程使用上可以忽略不计地基的差异沉降。

③缩短工期

经验表明，经强夯一遍，可使5～12m厚的砂质冲击层产生瞬间沉降15～50cm；再夯一遍，又可产生瞬时沉降约为初始沉降的60％。

这种强迫沉降的速度是一般其他方法所不能比拟的。

每台设备加固地基的效率平均每天为300～600mz（根据土质及处治深度而异）。

当强夯设备退场时，地基上各种路基工程和结构工程可立即开始，无须等待，因而较其它方法缩短工期。

（2）强夯施工步骤

①清理并平整施工场地；

②标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；

③起重机就位，使夯锤对准夯点位置；

④测量夯前锤顶高程；

⑤将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后，放下吊钩，测量锤顶高程，若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平；

⑥重复步骤5，按设计规定的夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击；

⑦重复步骤3～6，完成第一遍全部夯点的夯击；

⑧用推土机将夯坑修平，并测量场地高程；

⑨在规定的时间间隔后，按上述步骤逐次笼成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。

（3）强夯施工要求和检测

①开夯前应检查夯锤重和落距，以确保单击夯击能量符合设计要求；

②在每遍夯击前，应对夯点放线进行复核，夯完后检查夯坑位置，发现偏差或漏夯应及时纠正；

③按设计要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量；

④一遍夯击完成后，应检测夯坑深度、夯点间距和处治宽度。

检查强夯施工记录，基础内每个夯点的累计夯沉量，不得小于试夯时各夯点平均夯沉量的95％，合格后方可填平；

⑤满夯后，对场地进行平整和压实，应达到规范要求的各项指标，并测量高程，填写地面标高变化；

⑥满夯结束7d后，在每500～1000m2面积内任选一处，应从夯击终止时的夯面起，每隔50～100cm取土样测定土的干密度、力学及物理等指标；

⑦当需要采用静力触探等方法测定强夯土的承载力时，宜在地基强夯结束一个月后进行。

根据试验和测试结果，应对不合格处进行补夯，或采取其它补救措旌，达到试夯或设计规定的指标。

强夯处理原地基与铺筑砂砾、灰土垫层相比，减免了使用砂砾、石灰等建筑材料：

对于处治面积大于5000m2的情况，处治费用也较低，一般在20元/m2以下，处治效果也十分显著。

但有时候必须依据实际情况，从经济性和处治效果方面相比较后选用处治方法。

（4）强夯法处治地基注意事项

①地基的处理范围应大于基础的平面尺寸，每边超出基础外缘的宽度不宜小于3m；

②施工前应按设计要求在现场选点进行试夯，在同一场地内如土性基本相同，试夯可在一处进行，若差异明显应在不同地段分别进行试夯；

③在试夯过程中，应测量每个夯点每夯击一次的下沉量（简称夯沉量）。

最后两击的平均夯沉量不宜大于5cm，或按试夯结果确定；

④试夯结束后，应从夯击终止时的夯面起，每隔50cm取土样进行室内试验，测定土的干密度、压缩系数等物理及力学指标；

⑤试夯结果不满足设计要求时，可调整夯锤质量、落距或其它参数重新进行试夯，也可修改设计方案。

2排水固结法

在台背填土较高，软弱土层较厚时，地基沉降变形很大时，仅靠换填不能有效解决问题，需对地基进行深层处治，此时可考虑采用排水固结法。

排水固结法是在修筑构造物前，对天然地基或己设置竖向排水体的地基加载预压，使土体固结沉降基本完成或大部分完成，从而提高地基土的强度，减少地基工后沉降的一种地基加固处理方法。

排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成。

常用排水系统由砂井、塑料排水板、砂垫层等，主要作用在于改变地基的排水边界条件，缩短排水距离和增加孔隙水排出的途径；加压系统由两类：

堆载法和真空法，主要作用在于增大地基土的固结压力，促使地基固结。

排水系统与加压系统总是联合使用的。

只设排水系统，不施加固结压力，土中的孔隙水没有压差，不会发生渗透固结；只施加固结压力，不设排水体，孔隙水就很难排出，地基土的固结沉降就需要较长的时间。

排水固结法包括袋装砂井、塑料排水板、超载预压，真空堆载预压等，排水固结法工程造价较低，但预压工期较长，工后沉降较大，而搅拌桩复合地基可以大大减小地基总沉降量，并能使之在较短时间内趋于稳定，但其工程造价较高，且施工质量不能完全保证。

①真空预压法最早是瑞典皇家地质学院杰尔曼教授于1952年提出的软土地基处理方法。

我国20世纪50年代末开始真空预压法的试验研究，1980年开始推广应用。

理论和实践证明了真空预压和堆载预压的加压效果可以叠加，因此开发了真空堆载联合预压法。

张海霞，王保田结合宁靖盐高速公路工程中使用真空堆载联合预压法处理软土地基的试验，用对比试验结果说明了处理效果和有效处理深度。

2003年谢弘帅等从应力路径的观点出发，研究真空降水堆载联合预压法加固高速公路桥坡深厚软弱地基的加固机理，提出了相应的沉降计算方法和设计原理。

2004年陈兰云等通过桥头试验段的现场监测，对真空堆载联合预压加固软基进行了研究。

②袋装砂井堆载预压法是在天然地基中设置袋装砂井等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加荷，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐渐提高的方法。

胡加林结合某高等级公路袋装砂井堆载预压法处理软土路基工程实测资料，围绕该法处理软基课题中的沉陷与稳定问题进行系统的研究。

③复合加筋排水褥垫。

2008年蔡晓光，刘汉龙采用二维平面应变Biot固结有限元模型对复合加筋排水褥垫软土路堤进行了数值模拟，表明复合加筋排水褥垫可以满足水平排水要求，另外与传统的水平排水砂垫层相比，该技术可降低地基附加正应力和超孔隙水压力，有效抑制路基侧向变形的发展，减小路基沉降与不均匀沉降，提高路基稳定性，加筋效果显著。

3复合地基处理法

复合地基是指通过置换、搅拌等方式在原地基中植入增强体，由原地基和增强体两部分组成的人工复合体地基。

结构物的荷载由原地基和增强体共同承担。

根据原地基中增强体的方向，复合地基又可以分为纵向增强体和横向增强体两大类。

复合地基分类如图1所示。

图1复合地基分类

复合地基作为一种行之有效的地基处理手段优点在于：

处治后地基强度增长快，强度高，侧向水平位移明显减小。

①振冲碎石桩

振冲法就是采用振冲碎石桩加固湿软地基的方法,它的碎石桩用水力冲孔或机械钻孔后填上碎石用振密来完成,因而也叫作振冲碎石桩。

它的施工机具简单方便、造价低、工期短，而且对砂性大的湿软地基加固效果也尤为明显。

另外,由于它加固后对地基抗震能力的增强,所以在地震区便更可以突显其优点。

这些桩本身的强度比挤密砂桩的强度就要高很多,同时它也有竖向排水的效果，它经济迅速而且技术效果非常好，所以它是一种很好的加固方法。

振冲碎石桩是利用振冲器借高压水成孔，投以碎石使之密实，在土体中形成一个密实的桩体。

碎石桩作用有二：

一是复合地基作用，即桩体与桩间土共同构成复合地基，以提高地基的承载力；二是排水固结作用，碎石桩的桩体为一良好的排水通道，在路堤荷载的预压下使桩间土固结，强度提高。

振冲碎石桩最大的特点是桩径较大（一般为0.8m～1.2m），故承载力高。

此外，振冲碎石桩的成桩设备较简单，便于运输。

但施工时用水量较大，冲出来的泥浆可能污染施工现场。

②水泥搅拌桩

水泥搅拌桩是用于加固饱和软粘土地基的一种技术，它利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械，在地基深处将原状软土和水泥强制搅拌，经过物理化学作用生成一种特殊的、具有较高强度、较好变形特性和水稳定性的混合柱体，它对提高软土地基承载力、减少地基的沉降量有明显效果，是一种人工复合地基，搅拌桩是复合地基的主要承载部分。

③预应力管桩

预应力管桩作为采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心细长混凝土预制构件,它具有单桩承载力高、对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强、施工速度快、工效高、工期短、抗弯性好、成桩质量可靠等优点,可应用于处理高等级公路软基路段。

王爱军以具体试验为背景,对预应力管桩在高等级公路软基处理中的应用进行了研究。

④土工格栅、土工格室

土工格栅是国外上世纪60年代开发的一种新型工程加固材料，因其优良的力学性能、抗变形能力与抗老化性能在欧美国家广泛地用于路基路面加固、软土地基处理。

土工格栅处治桥头跳车的原理是，在填土中沿路线方向分层平铺土工格栅，格栅层的一端固定于桥台，另一段与台背连接，利用土工格栅变形的连续性及其高强度、高弹性、大变形特性，将车辆荷载及上部土体的自重荷载部分地传递到桥台，在台背局部范围内，分层阻止填料沿台背沉降；与此同时，通过格栅与土体的相互作用，改善局部荷载作用下土体内部的受力状态，将荷载扩散到一个较大的范围内，从而达到减少外部荷载对土体的压缩沉降，延长沉降特征长度，使台背与填土交界部位的阶梯状沉降变为连续渐变沉降。

1996年喻泽红等对采用土工网来处治路桥过渡段沉降差进行了详尽的有限元分析，结合实地观测数据及模型试验进行土工网加固桥头土体的机理分析。

2002年戴为民等运用有限元分析的方法对土工格栅处理桥头跳车机理进行分析。

2004年凌建明等对土工网在桥头引道路堤中的应用进行研究，室内试验研究路基土与土工网之间综合摩擦阻力、张力膜效应及不同土工网铺设间距对复合土反应模量的影响。

土工格室是一种三维网状格室结构，在网状内部填入泥土、碎石、混凝土等松散物料，将能构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体。

土工格室相对于平面结构的土工网、±工格栅的一个最大差异是其三维网状结构对充填料提供了较大的侧向约束作用，格室侧壁对其中填料产生了向上的摩擦支承力，从而形成一个具有较大抗拉强度与抗剪强度的复合体。

牛思胜应用新型土工合成材料一土工格室，提出了楔形柔性搭板处治技术。

⑤CFG桩

CFG桩全名为碎石粉煤灰混凝土桩，是由房建基础工程的沉管灌注桩演变而来，桩在房建的沉管灌注桩的基础上去掉钢筋骨架（降低造价），改变其混凝土的配合比，掺入粉煤灰来改善混凝土的和易性和工作性。

CFG桩复合地基是近年发展起来的地基处理技术，桩与桩间土通过褥垫层形成CFG桩复合地基，具有加速土体固结、承载力大且可调性强、沉降变形小和沉降稳定快等优点。

CFG桩和桩间土一起通过褥垫层（由碎石和石屑组成）形成CFG复合地基，对于CFG桩处治构造物台背地基而言，为了使沉降变形达到递减变化的目的，可以调节桩进入地面以下的长度来控制地基的沉降量，即采用渐变桩实现桥台与路堤的刚柔过渡。

CFG桩处治台背地基主要有三方面作用：

a.置换作用；b.挤密作用；c.褥垫层作用。

a.置换作用

CFG桩不同于碎石桩，它是具有一定粘结强度的混合料，在荷载作用下CFG桩的压缩性明显比其周围软土小，因此基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应力集中现象，复合地基的CFG桩起到了置换的作用。

载荷试验结果表明，在无垫层情况下，CFG柱单桩复合地基的桩土应力比为24.3～29.4，四桩复合地基桩土应力比为31.4～35.2；而碎石桩复合地基的桩土应力比为2.2～2.4。

由此可见，CFG桩的桩土应力比明显大于碎石桩复合地基的桩土应力比，亦即其置换作用显著。

b.挤密作用

CFG桩采用沉管法施工，由于振动和挤密作用使桩间土得到挤密。

试验表明，加固后地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小，密度、压缩模量均有所增加，说明经加固后的桩间土已挤密。

c.褥垫层作用

桩和桩间土由于变形模量相差很大，使得它们的变形差别较大。

设置由石屑和碎石等松散体材料组成的褥垫层后，使调整桩土相对变形的问题从根本上得到解决，且褥挚层使桩间土的有效接触应力增加，提高了桩间土的抗剪强度，使得桩体承载力得到提高；另外对于地基的不均匀沉降也有一定的补偿作用。

⑥新型的桩基型式

a.现浇硷薄壁筒桩处理桥头软基

薄壁筒桩的技术特点：

薄壁筒桩的桩体强度高，限制了地基土体的侧向变形，因为侧向挡土的效果非常明显，这样也可以大大减小路基软土的挤出量，与此同时还增强了地基土体的变形稳定与抗滑稳定；由于薄壁筒桩承载力比较高，在采用薄壁筒桩处理由“厚淤泥下层与硬壳上层”组成的二元土层结构时，深部淤泥层的压缩变形通过薄壁筒桩的上部硬壳层承担侧摩阻力，这样的效果就可以看成降低软弱下卧层的变形，增大硬壳层的厚度，这对减少路基的沉降有特别好的效果，在防治桥台位移、桥头跳车方面取得了相当好的效果。

　　我们在对浇混凝土薄壁筒桩进行经济技术分析时，分析认为，薄壁筒桩的试验研究充分证明了它的双重性能：

有效地防止软土地基的侧向滑移的抗滑性能和良好的群桩基础承载性能。

并且这个技术很突出的优点值得我们去推广：

与粉喷桩相比，薄壁筒桩的加固深度、路基稳定、沉降量等方面都比粉喷桩有优势，检测手段快速、简单，并且施工质量可靠，成本比粉喷桩还低，薄壁筒桩在软土深度大于15m的地段有着粉喷桩无法替代的作用。

与塑板桩相比，具有沉降少，薄壁筒桩加固软基，填筑期短，无需预压等特点，在单位处理成本考虑的时候，虽然薄壁筒桩成本较高，但对地基强度低、工后沉降要求高的路段，综合考虑施工工期、后期维护费用等方面的因素，薄壁筒桩处理软基具有明显的优势。

试验研究与应用实践证明：

现浇硅薄壁筒桩属薄壁结构，具有成桩速度快、自动排土、施工周期短、单桩承载力较高、无泥浆污染等优点，用该技术处理高填方桥头软基技术构思新颖、科学合理且易于实施，经该技术处理后的桥头路基后下沉降低，这个技术为解决高等级公路软土地基桥头跳车及其他建筑物地基加固问题提供了一种全新的方法，具有普遍推广意义。

b.带帽预应力管桩在桥头深厚软土路基施工中的应用

　　采用静压桩机按设计终压力值打到深厚软土地基中,施工至设计深度,桩与桩之间可以采用焊接的方式,然后可以在桩头浇筑桩帽,并在它的上铺设一层钢丝格栅从而来提高软土路段整体路基稳定性的一种方法，其中钢丝格栅一般要求采用高强度整体式弹簧钢丝焊接成网片,然后在它的表面涂覆塑料而成的钢塑格栅。

带帽静压预应力管桩处理桥头深厚软基是将采用先张法预应力和掺加磨细料、高效减水剂、由专业厂家生产等先进工艺,并把混凝土经过离心脱水密实成型,经过高压、常压两次蒸汽养护而制成的一种细长空心等截面预制混凝土构件,即预应力高强混凝土管桩。

2001年刘代全提出了采用半刚性挤密桩复合地基加固桥头搭板枕梁下路堤实现路、桥的刚柔过渡方法。

2002年，俞亚南等采用粉喷桩处理桥头软基，分析了粉喷桩作用机理及其处理效果。

2003年刘恒新，温晓贵等采用低强度混凝土桩处理桥头深厚软基发现其能大幅度减小沉降,减小对桥台基础的水平推力,具有显著的经济效益。

2006年周健，曾庆有，王浩首次将基于沉降的桩基设计方法应用到桥梁桩基的设计实践中。

通过调整桩长和桩数，使桩基沉降从桥梁主跨往边跨逐步增大，开辟了解决桥头跳车问题的新途径。

2009年王斌等了提出采用带帽大间距（>2.5m）PTC刚性桩复合地基处理深厚软基，以达到控制沉降的目的。

刘汉龙，王新泉，陈永辉结合申嘉湖杭（上海―嘉兴―湖州―杭州）高速公路嘉兴段Y型沉管灌注桩处理桥头软基实体工程，获得了路堤荷载下桩帽间土体表面应力、桩帽上应力及桩帽下土体表面应力的分布及变化规律。

2011年，张俊等人结合银川绕城高速西北段非典型软弱土路基处治工程,利用现场监测的方法对非典型软弱土路基的处治措施及沉降规律进行了研究。

4设置桥头搭板

通过对桥头搭板的设置可以改善桥头跳车，也是目前我国对解决“桥头跳车”现象中最为常用的一种解决的方式，其方法产生的效果明显、施工方便也较简单。

桥头搭板一般主要是以钢筋混凝土板的形式出现，常用的搭板长度有3米板、6米板、8米板和10米板等等类型，国内较为普遍的搭板都是以单幅路基宽为基础的单块整板形式出现。

在沿路基横向方向，如果路面较宽时，有时也将搭板分成2块或者2块以上。

在一般的桥梁设计以及施工过程中，在桥台处设置桥头搭板过程中时，往往采取的措施是将桥头搭板的一端通过锚栓置于桥台台后的牛腿上，桥头搭板的另一端置于地基枕梁上，在我国的设计手册上面就有相关方面的内容，其中公路桥梁手册中对搭板进行了分类，如果搭板按其埋置的深度方式来分类则可以分为半埋式搭板以及地面式搭板两大类。

地基上的枕梁结构属于搭板构造的一部分，在桥头搭板的构造设计当中也是不可缺少的重要部分。

枕梁在搭板受力过程中起到辅助受力的作用，而且枕梁相当于加劲横梁，不但起到具有纵向支撑的作用，同时使搭板顺向的计算路径相应地减短，不利的受力情况减少，增大了搭板抵抗破坏的能力，其设置的目的也是为了防止桥头跳车现象，对减少桥梁以及路基的损坏程度起到相当大的作用，同时对减少桥头搭板随地基沉降也起到一定的作用。

搭板设计的基本思路是将桥台与路堤衔接处因较大差异沉降引起的路面纵坡突变通过设置桥头搭板进行缓和过渡，将路面纵坡变化限制在容许范围内，从而达到消除桥头跳车的目的。

在桥头设置搭板的意图就是通过一定长度的刚性板将台阶转换为一定的坡度使行车在路桥相接处平稳过渡。

搭板的设置是出于台背后填土和地基必然发生沉降的特征考虑的，搭板设计要考虑刚性板下由于填土沉降而导致支撑脱空的特征，因此对于桥头搭板设计一般采用简支板设计，搭板的一端支撑在桥台的牛腿上，另一端搁置在路堤上，为使搭板端部受理均匀，一般在端部设计枕梁。

5采用轻质材料填筑法

EPS（发泡聚苯乙烯）是一种轻型高分子聚合物，具有超轻质、强度和弹性模量较高、耐水性好等特点。

EPS用以填筑路堤在国外已有较长的历史，1972年挪威国家道路研究实验室（NRRL）首次使用EPS填筑桥头路堤，瑞典、日本、荷兰、加拿大等国也有工程应用的实例。

2003年高燕希等对EPS块体以及混凝土和EPS颗粒混合体进行应力与应交分析，之后进行软基上桥台台背填筑EPS的结构分析，结果表明采用EPS填筑路基可以防止桥头跳车，减轻桥台受台后填筑物的侧向推挤作用。

2005年朱向荣在EPS块体动三轴试验研究中，研究不同加载频率、循环次数和围压下EPS块体强度和模量等变化规律，为EPS块体的工程应用提供理论依据。

另外，EPS块体在高填路堤及台后填筑等工程的运用，都取得了良好的效果。

泡沫混凝土是一种轻质、流动性强、强度可调节、耐久性好的材料，它轻质强的特殊性质在建筑物的补偿地基中有工程运用。

作为轻质回填材料它可降低路基的整体自重，减少对结构物的侧向荷载。

2002年高倩等较全面地分析了泡沫混凝土的材料组成及制备工艺，讨论泡沫混凝土性能的影响因素。

2003年陈忠平、肖礼经、蔡力等从泡沫混凝土的基本性质及现场施工制备出发，介绍将泡沫混凝土运用于公路工程实践的研究。

2005年周卫东等研究现浇轻质泡沫混凝土的制备方法和性能，采用正交试验分析了胶结材料、泡沫剂等对泡沫混凝土性能的影响程度。

吕永雄结合广东省惠澳大道淡澳大桥南岸引道路堤软基处理中采用EPS的工程实践，进行了技术经济分析。