劉 秀，馮德成，曹一翔

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

高等級(jí)公路修建，除了同低等級(jí)公路一樣，需建造一定數(shù)量的跨越河流的橋涵構(gòu)造物，此外，為了控制出入車輛，免除側(cè)向干擾，還要設(shè)置相當(dāng)數(shù)量的立體交叉，包括大型的橋跨結(jié)構(gòu)物和通道涵，從而組成了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物群。橋梁與路堤是兩種性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)物，盡管橋梁與路基大都是同時(shí)施工，但由于對(duì)基底作用不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物本身變形出現(xiàn)差異，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，橋梁構(gòu)造物兩側(cè)與路堤填土銜接處將產(chǎn)生很大的沉降差。橋梁構(gòu)造物的沉降很小，但是路基的沉降在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將不斷增加。對(duì)一些已經(jīng)竣工通車的高等級(jí)公路的橋頭路堤進(jìn)行調(diào)查，這個(gè)差異沉降在路橋銜接處會(huì)形成幾厘米甚至十幾厘米的臺(tái)階。當(dāng)車輛高速度通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生顛簸跳躍，不但影響車輛行駛的舒適性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成車輛事故[1]，由于顛簸跳躍產(chǎn)生的沖擊力也將對(duì)橋梁構(gòu)造物造成不利影響。

1 橋頭跳車產(chǎn)生的原因分析

目前國(guó)內(nèi)修建的高等級(jí)公路中，橋涵、通道等構(gòu)造物在公路里程中所占比例越來越大。如果構(gòu)造物橋頭跳車現(xiàn)象嚴(yán)重，那通行能力勢(shì)必受到較大影響。表1是黑龍江省高等級(jí)公路橋頭跳車現(xiàn)象調(diào)查結(jié)果。由表1可見，公路上普遍存在橋頭沉降情況，而且沉降大體隨著建成時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。橋頭臺(tái)階原因的復(fù)雜，包括設(shè)計(jì)方面和施工方面的問題。但其根源就是橋梁構(gòu)造物與兩側(cè)的臺(tái)背回填土的沉降差異造成的[2]。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)，分析橋頭臺(tái)階形成的具體原因有如下幾個(gè)方面。

表1 高等級(jí)公路橋頭跳車情況

1.1 橋頭地基的沉降

橋梁構(gòu)造物多為跨越河流溝渠，其橋頭兩側(cè)地基軟弱，回填處天然地基承載力低，在高路堤重量的作用下，地基產(chǎn)生較大的沉降[3]。橋頭差異沉降主要是由路堤本身的塑性變形和地基的沉降所構(gòu)成的，如果修建在軟土地基上，將產(chǎn)生更大的沉降。對(duì)某高速公路橋涵地基地質(zhì)資料的統(tǒng)計(jì)分析可知，考慮行車荷載和路基路面結(jié)構(gòu)自重的作用，路堤的沉降量約為2～4 cm，而路堤的壓縮變形僅占總沉降變形的11%，而地基的沉降變形約占89%，當(dāng)?shù)鼗浫鯐r(shí)，地基沉降所占的比例還要更大一些。由此可見，橋頭路堤的沉降是以地基沉降為主的。根據(jù)理論計(jì)算，約有65%的結(jié)構(gòu)物的地基在20 a內(nèi)基本完成沉降，有35%的結(jié)構(gòu)物超過了20 a，最大的達(dá)到了100 a[4]。路堤本身完成沉降量一般只需幾年時(shí)間。為減少工后沉降差異，設(shè)計(jì)上用一定長(zhǎng)度的搭板，保證沉降差異的平順過渡。除此之外，還對(duì)橋頭地基進(jìn)行處理，使之在一定范圍內(nèi)形成復(fù)合地基的過渡段，保證橋頭路基基底沉降較小或不沉降的目的。

1.2 結(jié)構(gòu)物剛度差異

橋頭沉降差異發(fā)生在橋涵結(jié)構(gòu)物與路堤的銜接處，而橋涵結(jié)構(gòu)物與路堤二者剛度差異很大[5]。橋涵是剛性結(jié)構(gòu)物，基本上是不可壓縮的，橋涵結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的沉降是地基在其重量作用下的沉降。橋涵結(jié)構(gòu)物是通過墩臺(tái)基礎(chǔ)將重量傳遞給地基的，高等級(jí)公路上橋涵構(gòu)造物的基礎(chǔ)多為樁基礎(chǔ)，而樁基礎(chǔ)的沉降量非常小，所以橋涵結(jié)構(gòu)物整體沉降也就非常小。道路結(jié)構(gòu)物由路基和路面兩部分組成，屬于柔性結(jié)構(gòu)物，即使對(duì)某些半剛性基層、剛性面層的道路來說，也只能認(rèn)為是具有有限剛度，橋涵結(jié)構(gòu)物與路基路面的剛度相比，根據(jù)計(jì)算，其值可達(dá)到100倍甚至更大，因此，在二者的銜接處就容易產(chǎn)生差異沉降。如果橋頭引道路堤基底未經(jīng)處理，就會(huì)產(chǎn)生大的差異沉降。

1.3 橋頭路基的壓縮變形

在高等級(jí)公路設(shè)計(jì)中，對(duì)橋頭路堤填土的壓實(shí)度提出了較高的要求，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高等級(jí)公路路堤與橋臺(tái)連接處壓實(shí)度的要求不應(yīng)小于96%，并注意填料強(qiáng)度、地基處理等綜合設(shè)計(jì)。臺(tái)背回填材料的壓實(shí)度問題，是造成沉降差異的主要原因。路基不可能完全壓實(shí)，在行車荷載和填料自重的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定程度的壓縮變形，當(dāng)橋頭路堤填土較高時(shí)，其變形量也較大?？⒐ず舐坊钔敛牧显诤奢d作用下還會(huì)發(fā)生變形，其所產(chǎn)生的次固結(jié)沉降可能達(dá)到總沉降的10%左右，這是造成竣工后沉降的重要原因。另外，回填材料的選擇也影響橋臺(tái)后路基沉降，在橋臺(tái)后一定范圍內(nèi)應(yīng)選擇強(qiáng)度較高、容易壓實(shí)、固結(jié)快、透水性好、后期壓縮變形小的材料，如級(jí)配良好的卵石土、碎石土、中粗砂等。這些材料透水性好、抗壓強(qiáng)度高、易壓實(shí)，且排水性能好，不易產(chǎn)生凍害。也有的地區(qū)常采用石灰土進(jìn)行回填，石灰土強(qiáng)度高，使整個(gè)臺(tái)背形成板體結(jié)構(gòu)，減少工后沉降。

1.4 設(shè)計(jì)施工的不完善

由于橋頭路堤的特殊性，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)有特殊的考慮。但目前的路基設(shè)計(jì)填土材料多為與普通路段一樣采用細(xì)粒土，壓實(shí)度及其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也基本相同，沒有進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。施工中，通常是在完成橋涵結(jié)構(gòu)物以后再填筑兩端路堤，在橋涵兩端的作業(yè)段填土較高、土方量集中而施工面比較狹窄、工期緊迫，給施工帶來很多困難。由于臺(tái)背回填屬于路基施工中的隱蔽工程，如果施工控制不嚴(yán)格，容易造成壓實(shí)不足的問題。此外，臺(tái)后回填范圍較小，臺(tái)背處外形不規(guī)則，大型壓實(shí)機(jī)械的作業(yè)面狹小，這就不可避免地形成一定的壓實(shí)盲區(qū)。為解決此問題，應(yīng)擴(kuò)大橋頭回填范圍，保證大型機(jī)械設(shè)備能夠充分利用。根據(jù)不同的壓實(shí)機(jī)具，填筑的厚度應(yīng)也不同，一般不應(yīng)該大于15 cm，當(dāng)選用小型壓實(shí)機(jī)具時(shí)應(yīng)不超過10 cm，即薄層碾壓，保證回填材料的壓實(shí)度。

1.5 環(huán)境因素的影響

北方地區(qū)濕度、負(fù)溫度形成的冰凍對(duì)橋頭路堤的影響十分明顯。橋頭路堤處于兩種結(jié)構(gòu)物結(jié)合部位，不論是采用柱式或肋板式橋臺(tái)以及相應(yīng)的錐形護(hù)坡，還是輕型的薄壁橋臺(tái)，都使該處的路堤處于三面臨空的條件，在北方冰凍地區(qū)，冬季時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)值的凍脹以及春季的融沉，這些也會(huì)加劇沉降的形成。橋頭錐形護(hù)坡受水沖刷而使路堤產(chǎn)生水平位移導(dǎo)致沉降；雨和雪水由伸縮縫經(jīng)蓋梁流入錐體和臺(tái)背填土中造成沖刷等諸多原因，都會(huì)產(chǎn)生橋涵與引道路堤結(jié)合處的差異沉降，從而形成橋頭臺(tái)階。

2 橋頭跳車的防治措施

為減少路基在構(gòu)造物兩側(cè)產(chǎn)生不均勻沉降，減輕跳車現(xiàn)象，提高車輛行駛的舒適性，應(yīng)采用包括基底處理、填料選擇、施工壓實(shí)、排水處理等各種措施，并對(duì)橋臺(tái)和路堤進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

2.1 臺(tái)背地基的處理

橋頭路堤的沉降主要是由地基產(chǎn)生的，而地基處理的目的就是要減小沉降量或加速其沉降的完成。解決橋頭跳車問題應(yīng)重視橋頭地基加固處理，改善地基強(qiáng)度，提高地基承載力[7-10]。首先要徹底清淤，將橋頭所有含量超標(biāo)準(zhǔn)的土壤完全清除，直到符合強(qiáng)度要求為止，消滅填料地基隱患。處理時(shí)根據(jù)地基的狀態(tài)不同，采取的方法也應(yīng)不一樣，可以采用擠密、排水、超載預(yù)壓、反壓護(hù)道等多種措施，以便獲得減小沉降和加速沉降完成的效果。其處理原則是在保證工程質(zhì)量的前提下，因地制宜，比如軟土地基加固處理方法中粉噴樁、擠密樁獲得了較多的應(yīng)用[6]。當(dāng)?shù)鼗翞橛倌噘|(zhì)土、粉質(zhì)土、粘質(zhì)土?xí)r，可以在橋頭0～30 m范圍內(nèi)采用水泥攪拌樁處理，先清除表層腐殖土、泥炭層(高壓縮性土質(zhì))后回填中粗砂，其上做水泥攪拌樁，然后再填筑30 cm中粗砂。水泥攪拌樁樁長(zhǎng)穿越不良土層2～3 m，樁徑0.5 m，樁距1.5 m，采用梅花形布設(shè)，如圖1所示。實(shí)踐證明，水泥攪拌樁的應(yīng)用可以取得減小沉降、加速固結(jié)的效果。

圖1 水泥攪拌樁處理橋頭路基布置圖

2.2 臺(tái)背路基的填筑

路堤是與橋涵結(jié)構(gòu)物銜接的主體，同時(shí)又對(duì)地基加載。為了減小路堤本身沉降，可采用壓縮量小、透水性好的材料，如砂礫、碎石、碎石土等。如果采用非透水性土?xí)r，要在土中摻加石灰、水泥等，填料的最大粒徑不得超過5 cm。加強(qiáng)臺(tái)背回填碾壓，提高橋頭路基壓實(shí)度，使其不小于96%，在一定程度上能減少沉降差異量。在靠近橋臺(tái)邊緣，大型機(jī)械無法碾壓處，可使用小型沖擊夯或小型壓路機(jī)單獨(dú)壓實(shí)。這樣就使臺(tái)后各處都得到較好的碾壓，達(dá)到充分壓實(shí)。如圖2所示，從橋臺(tái)路基填筑地面5 m范圍內(nèi)開始，縱向采用1∶1的坡度與路基銜接，按照一定寬度挖臺(tái)階，分層填筑，厚度不應(yīng)大于15 cm，能有效的控制填筑路基的質(zhì)量。鋪設(shè)土工織物也能加大路基整體強(qiáng)度而使其沉降減小[11-14]。

圖2 橋頭路基填筑方式

2.3 設(shè)置搭板或其它過渡措施

設(shè)置搭板，使形成臺(tái)階的差異沉降在一定距離內(nèi)以坡度形式從路堤過渡到橋臺(tái)上，已在橋頭的設(shè)計(jì)中得到普遍采用。搭板一端放置在橋頭上，另一端設(shè)置在引道路堤的結(jié)構(gòu)層上，當(dāng)產(chǎn)生沉降差時(shí)，搭板將在橋頭和引導(dǎo)路堤間形成一個(gè)坡度，從而使車輛可以平順地在搭板上行駛，避免了在路堤銜接處的跳車。確定搭板截面尺寸的因素很多，主要為橋頭路堤容許工后沉降值、搭板的構(gòu)造型式和臺(tái)后路堤的填土高度等。從受力角度分析，一塊搭板長(zhǎng)一般不宜超過10 m。表2列出了主要根據(jù)橋頭路堤填土高度，以及橋梁跨徑的搭板的建議值。

表2 高等級(jí)公路搭板長(zhǎng)度建議值

橋頭搭板是一端簡(jiǎn)支在橋臺(tái)上，另一端擱置在橋頭引道路基或路面結(jié)構(gòu)蹭上的鋼筋混凝土板，由于緊靠近橋臺(tái)的一段引道填土往往難以達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和橋臺(tái)后排水不良的影響，會(huì)造成搭板下局部脫空。因此，設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)予以充分注意，采取相應(yīng)措施，當(dāng)測(cè)定評(píng)定板下有脫空時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用板下封堵措施，以便恢復(fù)地基的支撐，防止或減少水分的進(jìn)入和浸濕。

3 防止橋頭跳車處理的工程實(shí)例

建三江至虎林高速公路位于三江平原腹地，沿線溝渠多，水系發(fā)達(dá)，為避免橋臺(tái)后出現(xiàn)不均勻沉降，解決橋頭跳車問題，采取了如下的處理方式。

橋涵兩側(cè)地基常年受水浸濕，多呈淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)土、粘質(zhì)土且厚度達(dá)到1～3 m，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于橋頭路基地基，按照大中橋臺(tái)后0～20 m、小橋和明涵臺(tái)后0～15 m范圍內(nèi)采用水泥攪拌樁處理，先清除表層腐殖土、泥炭層(高壓縮性土質(zhì))后回填中粗砂，其上做水泥攪拌樁，然后再填筑30 cm中粗砂。水泥攪拌樁樁長(zhǎng)穿越不良土層2～3 m，樁徑0.5 m，樁距1.5 m。

橋頭路堤填筑材料，采取分層填筑風(fēng)化碎石、風(fēng)化砂及中粗砂的處理措施，每層壓實(shí)厚度不大于15 cm，并達(dá)到96%的設(shè)計(jì)壓實(shí)度要求，風(fēng)化碎石最大粒徑不應(yīng)大于5 cm。橋頭路堤填筑范圍，按照橋及明涵底面填筑長(zhǎng)度采用5 m，縱向采用1∶1的坡度與路基銜接；暗涵填筑高度為涵洞頂面標(biāo)高，底面填筑長(zhǎng)度采用3 m，縱向采用1∶1的坡度與路基銜接。為保證換填材料的穩(wěn)定，沿路基縱向做成階梯形。搭板按照表2進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)要求搭板下結(jié)構(gòu)層采用與路面基層相同材料填筑，避免搭板脫空現(xiàn)象。

建虎高速自2011年竣工通車兩年來，橋頭兩側(cè)路基穩(wěn)定平順，行車順暢，橋頭路基工后沉降滿足規(guī)范要求

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)橋頭差異沉降是由于橋臺(tái)臺(tái)背填土在行車荷載作用下塑性變形和地基的沉降所導(dǎo)致的，路基處理的質(zhì)量、臺(tái)后路堤的填筑材料、壓實(shí)度、設(shè)計(jì)施工的控制、以及自然環(huán)境都直接的影響橋頭差異沉降的發(fā)生及發(fā)展。

(2)對(duì)于橋頭兩側(cè)軟土路基，一定范圍內(nèi)采用攪拌樁、碎石樁等進(jìn)行加固擠密處理，可有效地防止路堤沉降。

(3)臺(tái)背填筑材料應(yīng)選擇透水性材料，提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并且控制填筑厚度，加大填筑范圍，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，能有效的防止橋頭差異沉降的發(fā)生。

(4)橋頭搭板是一種將橋臺(tái)和路堤的差異沉降進(jìn)行緩和過渡的措施，應(yīng)根據(jù)路堤填筑高度合理的進(jìn)行橋頭搭板的設(shè)計(jì)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]潘曉東，杜志剛，楊曉光.橋頭跳車對(duì)行車安全影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(5)：634-637.

[2]馮忠居，方貽立，龔堅(jiān)城，等.高等級(jí)公路橋頭跳車的危害及其機(jī)理的分析[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19(4)：33-35.

[3]鮑明偉.路基工程[M].北京：人民交通出版社，2005，3

[4]肖念婷，楊有海，師 歌.橋頭跳車及防治措施研究綜述[J].公路交通技術(shù)，2008(2)：94-97.

[5]趙 衡，劉曉明.橋頭跳車引起的路面受力計(jì)算分析[J].公路交通科技，2005，22(5)：59-62.

[6]周 健，曾慶有，王 浩.沉降控制復(fù)合樁基在橋頭跳車問題中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(1)：83-86.

[7]田小革，應(yīng)榮華，張起森.應(yīng)用土工格柵處理軟土地基上的橋頭跳車問題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(6)：744-746.

[8]李仁平，陳云敏，陳仁明.軟基中橋頭路基對(duì)臨近樁基的影響分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2001，14(3)：73-77.

[9]周 建，龔曉南，循環(huán)荷載作用下飽和軟粘土應(yīng)變軟化研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33(5)：75-78.

[10]黃 慶，王桂饒.橋頭跳車的幾種處理方法及適用條件[J].中南汽車運(yùn)輸，2000，81(3)：27-29.

[11]孟 杰，趙明華，邵旭東.砂樁復(fù)合地基防止橋頭跳車的研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(2)：41-43.

[12]申建偉.橋頭搭板的特殊設(shè)計(jì)計(jì)算[J].廣東公路交通，2001，67(1)：18～19.

[13]柏松平，橋頭跳車及其處理措施[J].云南交通科技，2000，12(6)：37-40.

[14]徐永麗，程培峰，孫志明.水泥混凝土橋面鋪裝層最不利荷載位置的確定[J].森林工程，2013，29(2)：94-96.