桥头沉降差异分析及处理

　　【摘要】公路是国民经济的重要命脉，从已投入使用的公路特别是高速公路来看，常见的道路病害是路面在台背回填处出现沉陷或断裂，车辆通过台背回填处跳车。文章对桥头的沉降差异进行了分析，并初步提出一些处理措施。
　　【关键词】桥头沉降；差异分析；措施
　　一、 沉降差异产生的原因分析
　　目前的路桥过渡段常采用设钢筋混凝土搭板和不设搭板两种情况。本文就这两种情况下过渡段的沉降机理进行分析。
　　（一）设搭板时的沉降分析
　　对于使用钢筋混凝土搭板的桥头过渡段，桥头搭板的一端搁置在桥台背上，另一端通过枕梁设在引道土体上。为了便于分析沉降差产生的过程，我们做出如下假设：
　　（1）竣工时桥面和搭板面的纵坡相等，均为i1；
　　（2）桥头沉降过程中，搭板绕简支端转动，且可以被视为平直的刚体；
　　（3）搭板上和桥面上的面层结构和厚度相同，不产生沉降差。
　　1．桥头过渡段沉降差产生的过程
　　由于影响因素较多，为了便于分析问题，假设在沉降过程中存在桥面纵坡i2b等于搭板面纵坡i2a的情况(如图1)，这样可以将桥头沉降过程分为以下两个阶段。
　　图1设桥头搭板时沉降差异示意图
　　
　　第一阶段是竣工后至桥面纵坡i2b等于搭板面纵坡i2a时这一过程，主要是桥面由于墩台产生沉降凡造成纵坡变化(Δ1=i2a－i1)控制，其值不能过大，否则将造成桥面破坏，伸缩缝挤坏及支座条件变差。因此，各国的桥梁设计规范均有限制。
　　第二阶段是桥台沉降趋于稳定后至整个引道土体趋于稳定。此时的主要特点是桥面纵坡i2b与搭板纵坡i3不相等，两者之间称为纵坡差△2，即△2=i3一i2b其大小对过渡段的行车舒适性影响很大。
　　2．沉降差异的表示
　　为了进一步分析差异沉降的危害，需对沉降差异用某一数学表达式来表示。通过对沉降差异的形成过程的分析，我们可以将搭板远台端部沉降趋于稳定时的总工后沉降量Sa分成两个部分，即
　　Sa＝Sb+△S
　　式中，Sb一桥台基础的预期工后沉降量；
　　△S一桥台与搭板远离台端下土体之间的差异沉降量。
　　桥台基础预期工后沉降量可以用如下公式计算，即
　　Sb=α1α2L'
　　式中，α1一桥台基础工后沉降值占基础总沉降值的比例系数，主要与地基土类型有关。对于低压缩性饱和粘土，α1＝0.40；对于中压缩性饱和粘土，α1＝0.70；对于高压缩性饱和粘土，α1＝0.85。
　　α2一考虑桥台基础形式的系数，一般地，对于摩擦桩基础，α2=1/500；对于扩大基础，α2=1/300。
　　L'一桥梁边跨跨径(m)
　　以L表示搭板长度，以△S表示桥台基础与搭板远离台端下土体的工后沉降差，α2表示桥面纵坡和搭板面纵坡的差异值。如图1所示，得到以下关系式
　　△S＝（△1＋△2）×L
　　由此可见，桥台与引道土体容许沉降差并不是一个常数，而是与纵坡差和搭板长度均有关系。
　　（二）未设桥头搭板时的沉降分析
　　未设置桥头搭板的水泥混凝土路面、沥青混凝土路面，由于桥台和引道土体沉降差异在桥头形成一个陡坎或台阶(如图2所示)。从行车安全和舒适性来看，台阶对行车的影响比设置搭板时的影响要大。
　　图2未设桥头搭板时沉降差异示意图
　　
　　未设置桥头搭板时，由于桥台和引道土体沉降差异在桥头形成一个陡坎或台阶。为了便于分析，也将工后引道土体沉降趋于稳定时的总沉降量Sa分成两个部分，即
　　Sa＝Sb+△S
　　式中，Sb一桥台基础的预期工后沉降量；
　　△S一桥台与引道土体之间的差异沉降值；
　　△S就是台背产生的台阶高度，对行车舒适性的影响很大。
　　二、路桥过渡段沉降病害处治的措施
　　台背过渡段的差异沉降是众多因素的影响而形成的。要解决这个问题，就必须从多个方面入手，对于不同的影响因素采用相应的方法解决。
　　（一）台背地基处理
　　地基可以分为天然地基与人工地基。直接放置基础的天然土层称为天然地基。如果天然地基土质过于软弱或有不良的工程地质情况，需要进行人工加固或处理后才能修筑基础，这种处理过的地基称为人工地基。
　　对于软土地基处理，目前国内已有换土法、超载预压法、排水固结法、高压喷射注浆法、振动碎石桩法、深层搅拌桩、挤密砂桩等方法，下面介绍采用深层搅拌法加固桥头软基的方法。
　　深层搅拌法是用于加固饱和粘性软土地基的一种方法。深层搅拌法是20世纪60年代由日本和瑞典分别开发的软土加固技术。目前应用最多的为粉喷桩，一般借助于压缩空气，采用专门深层搅拌机械设备，从不断回转的中心轴端向四周被搅松的土体喷出浆体或粉体固化剂(如水泥等)，经叶片搅拌并吸收周围水分，在加固的深层软土中进行一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性和一定强度的优质复合地基，从而提高桥头软土地基的承载力，减少沉降量(特别是工后沉降量)，缩短固结期，提高边坡稳定性。
　　采用石灰粉喷桩加固软粘土，其原理与公路常用的石灰加固土基本相同。石灰与软土主要发生以下作用：石灰的吸水、发热、膨胀作用；离子交换作用；碳酸化作用(化学胶结作用)、火山灰反应以及结晶作用。这些作用使土体中水分降低、土颗粒微聚而形成较大的团粒，同时土体化学反应生成复合水化物在水中逐渐硬化而与土颗粒粘结一起从而提高了地基的物理力学性质。水泥搅拌桩加固软粘土地原理是在加固过程中发生水泥的水解和水化反应；水泥水化生成钙离子与土粒的纳离子交换使土粒形成较大团粒。这些反应使土颗粒形成凝胶体和较大颗粒；颗粒间形成峰高状结构；生成稳定的不容于水的结晶化合物，从而提高软土强度。
　　一般对搅拌桩的设计主要从以下几个方面考虑：
　　1．搅拌桩的设计，包括确定桩长和选择粉体固化剂(如水泥或石灰)的掺入量；
　　2．置换率和桩数的计算；
　　3．桩位的平面布置；
　　4．下卧层地基的验算。
　　对于利用深层搅拌法处理台后路基时，应当特别考虑桩长及置换率。据资料表明，一般认为桩长在l0m左右比较有效，置换率以15%～25%最佳。工程中通常路中央处的桩较长，路肩处较短；在近桥台处桩长些，在一般路段处桩短些。

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