公路橋頭沉降的成因及處理方案.docx

淺析公路橋頭沉降的成因及處理方案摘要：本文就橋頭沉降的成因進(jìn)行了分析，包括軟土路基處理不當(dāng)、臺(tái)背填料壓實(shí)不足、橋頭搭板設(shè)計(jì)欠妥、剛?cè)嵬蛔円鸪料莸?，同時(shí)就不同的處理方案進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：公路橋頭；沉降；成因；方案1 前言公路和橋梁在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要的角色，但同時(shí)也有一個(gè)常見的道路病害依舊未得到徹底解決：公路橋頭不均勻沉降。沉降后路面在臺(tái)背回填處出現(xiàn)沉陷或斷裂，容易引發(fā)橋頭跳車現(xiàn)象。而且隨著高速公路的迅速發(fā)展，人們對(duì)行車的快速、安全和舒適的要求越來越高，即對(duì)公路的質(zhì)量要求越來越高。公路橋頭沉降嚴(yán)重影響公路使用性能和運(yùn)輸效益的發(fā)揮，不僅影響人們行車的舒適性，甚至還有可能造成嚴(yán)重的交通事故。因此如何防治公路橋頭不均勻沉降問題，已引起公路建設(shè)行業(yè)的重視。本文將分析公路橋頭沉降的原因，并提出相應(yīng)的防治措施。2 橋頭差異沉降的成因分析橋頭差異沉降的產(chǎn)生和行成的原因是多方面的，包括地基地面條件、填料、施工材料以及設(shè)計(jì)、施工等多方面的原因。2.1 橋頭及臺(tái)后填方地基的受力與沉降變形分析不同的區(qū)域地質(zhì)情況有著較大的差異，作為橋臺(tái)及臺(tái)后填方地基的地層巖性狀況也千差萬別，如基巖（巖漿巖、沉基巖、變質(zhì)巖）地基、黃土地基、軟土地基、凍土地基、鹽漬土地基、膨脹地基等等，除基巖（指次堅(jiān)石以上的巖類）地基外，其他類型的地基一般情況在橋臺(tái)及臺(tái)后填方的作用下，均要發(fā)生不同程度的沉降或豎向固結(jié)變形，所以設(shè)計(jì)對(duì)地基必須進(jìn)行加固處理，如采用擴(kuò)大基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)等，以保證地基的穩(wěn)定性。橋臺(tái)及臺(tái)后填方的地基一般情況為同一性質(zhì)或同一類型的地層，但從目前情況看，僅對(duì)橋臺(tái)地基進(jìn)行加固處理設(shè)計(jì)，而對(duì)臺(tái)后填方路段下的地基一般不進(jìn)行加固處理設(shè)計(jì)。橋臺(tái)和臺(tái)后填方是兩個(gè)性質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)體，雖然橋臺(tái)作用在地基上的壓力大于臺(tái)后填方，但由于橋臺(tái)基礎(chǔ)一般都進(jìn)行了加固處理，所以一般不發(fā)生豎向沉降變形。而臺(tái)后填方的基礎(chǔ)一般不作加固處理，其豎向沉降變形都遠(yuǎn)大于橋臺(tái)下的地基變形，由于地基的這種差異變形，反映到上部，就出現(xiàn)了橋臺(tái)頂部和臺(tái)后填方段的差異沉降。2.2 臺(tái)后填料受水浸侵蝕及變形分析橋臺(tái)一般由漿砌片石和鋼筋砼砌筑，在橋臺(tái)和臺(tái)后填料之間或者錐坡部位，大氣降水易沿路面錐體下滲，下滲水對(duì)橋臺(tái)一般不產(chǎn)生破壞作用，但對(duì)土體填料易產(chǎn)生侵蝕和軟化，特別對(duì)于填方體壓實(shí)度不夠，產(chǎn)生侵蝕和軟化，降低強(qiáng)度，從而導(dǎo)致填方體變形。對(duì)砂礫石類填料，從填方橫斷面看一般填方體中部為砂礫石，兩側(cè)為土類，這種結(jié)構(gòu)只利于水的下滲，而不利于水的橫向排泄。對(duì)未加固的地基來說，填方體中部壓力大，向兩面?zhèn)冗吰碌膲毫χ饾u減少，從而使地基產(chǎn)生凹形沉降變形。當(dāng)水沿砂礫石下滲到地基后，下滲水不易快速排泄，從而軟化地基，并加速地基的變形。2.3 臺(tái)后填料壓實(shí)度分析靠近橋臺(tái)處填方體的壓實(shí)度很難達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，這也是一直困擾設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)。目前在設(shè)計(jì)上和施工中主要采用強(qiáng)夯、人工夯實(shí)、填筑砂料等方法和措施。對(duì)于輕型橋臺(tái)，重型壓路機(jī)靠近橋臺(tái)進(jìn)行壓實(shí)，但振動(dòng)壓路機(jī)可能破壞橋臺(tái)的結(jié)構(gòu)；而對(duì)于“U”型橋臺(tái)，重型壓路機(jī)難以靠近，從而使靠近橋臺(tái)部位的填方土體不易達(dá)到設(shè)計(jì)和壓實(shí)度要求，造成橋臺(tái)與臺(tái)后填方差異沉降。3 橋頭差異沉降的主要原因通過以上分析，可得知橋頭產(chǎn)生差異沉降的主要原因有：3.1 軟土路基處理不當(dāng)橋頭沉降很大部分原因是由地基土質(zhì)不良造成的。橋涵通常位于溝壑地段，土基常年浸泡在水中，此類土天然孔隙比和含水量較大，而且壓縮性高、滲透系數(shù)小、抗剪強(qiáng)度低，在此類軟土上填筑路基，極易產(chǎn)生沉降。而且橋頭路基的填筑高度通常都較大，使得基底所承受的附加應(yīng)力也較大，再加上車輛荷載作用，更容易產(chǎn)生地基沉陷，且沉降會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。在施工圖的設(shè)計(jì)上也易出現(xiàn)問題，如對(duì)地基的探測(cè)以及物理力學(xué)性質(zhì)研究出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致軟土路基處治方法不當(dāng)或處治遺漏。3.2 設(shè)計(jì)考慮不周在設(shè)計(jì)方面，通常存在兩個(gè)考慮不周的地方：3.2.1 壓實(shí)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員有時(shí)對(duì)施工過程中如何便于碾壓考慮不周，對(duì)于填料的要求不嚴(yán)格，臺(tái)背排水考慮欠佳。橋涵結(jié)構(gòu)物兩端的路堤，由于過水、跨線或通道的要求，一般填土都較高，低的3m 左右，高的可達(dá)10m 或更高，除了過水的橋涵兩側(cè)路堤往往浸淹，地基條件也較差，設(shè)計(jì)上對(duì)路基斷面結(jié)構(gòu)和邊坡防護(hù)上有所考慮外，其它多數(shù)情況對(duì)高路基設(shè)計(jì)上并無特別的要求，如壓實(shí)指標(biāo)均與一般路基無異。但由于路基較高，在填筑以后受到自重和行車荷載的作用，路基土必然要產(chǎn)生豎向變形。3.2.2 搭板設(shè)計(jì)搭板結(jié)構(gòu)常用于橋頭過渡段，若搭板設(shè)置不當(dāng)也易造成橋頭沉降現(xiàn)象。這主要有兩方面原因：（1）搭板強(qiáng)度不夠，載荷作用使其斷裂而引起橋頭線形突變，造成局部沉降。（2）根據(jù)橋梁的長(zhǎng)度，通常設(shè)置搭板長(zhǎng)度為：大中橋8m，小橋及涵洞5m。而在施工中路橋間填土高度不一樣，產(chǎn)生較大的相對(duì)沉降量，使得搭板長(zhǎng)度不足以起到順接作用。3.3 臺(tái)后填料不當(dāng)及壓實(shí)不足臺(tái)背填料選取不當(dāng)和壓縮不實(shí)也易引起路基的沉降。若選取的材料的強(qiáng)度不夠或摩擦角過小，使得路基的承載力和抗剪切能力不夠，在自身重量和外界載荷的作用下容易造成沉降。而臺(tái)背填料又位于臺(tái)背這個(gè)特殊位置，在筑路施工過程中不易被機(jī)械碾壓到，很難將填料顆粒間的孔隙完全消除，很難使土基的壓實(shí)度達(dá)到95%以上。這樣一旦在公路自重及車輛的垂直荷載與振動(dòng)作用下，便在一定期限內(nèi)時(shí)填料逐漸被壓縮，密實(shí)度逐漸增大，產(chǎn)生路基沉降。3.4 剛?cè)嵬蛔円鸪料萑袈访娴膭偠炔煌?，其在跳車處所產(chǎn)生的振動(dòng)效果也不同，剛性材料對(duì)能量的吸收要比柔性材料小。由于結(jié)構(gòu)物橋臺(tái)是由鋼筋混凝土澆注而成，整體剛度非常大，屬剛性體；而與其相連的道路剛性較小，屬柔性較大的塑性體。二者之間顯然存在著較大的剛度差，這必然引起它們間產(chǎn)生較大的剛度突變和較大的塑性變形相對(duì)差，即引起明顯的沉降現(xiàn)象。綜上所述，橋頭差異沉降形成的原因很多。而結(jié)構(gòu)差異、設(shè)計(jì)考慮不周和施工控制不嚴(yán)等綜合因素，導(dǎo)致了差異沉降的發(fā)生和發(fā)展。4 橋頭沉降的防治措施4.1 對(duì)地基加固進(jìn)行處理公路橋頭沉降大多是由軟土地基引起的，因此地基加固是處治地基的不均勻沉降最有效也是最關(guān)鍵的方法。對(duì)軟粘土而言，可采用排水法來使其固結(jié)，如通過設(shè)置塑料排水板來改善地基的排水條件，使地基承受附加荷載后，大大加快排水固結(jié)過程，進(jìn)而提高地基強(qiáng)度。對(duì)于軟弱地基而言，除了常規(guī)的排水固結(jié)措施外，目前國內(nèi)已有換土法、超載預(yù)壓法、注漿加固法、深層攪拌樁法、振動(dòng)碎石樁法和擠密砂樁法等方法。下面主要介紹深層攪拌法和注漿加固法在加固橋頭軟基中的應(yīng)用。4.1.1深層攪拌法深層攪拌法常用來加固飽和黏性軟土地基。目前應(yīng)用最多的為粉噴樁，它采用專門深層攪拌機(jī)械設(shè)備，并借助于壓縮空氣，從中心軸處向四周的土體噴出漿體或其他粉體固化劑，土體與漿體經(jīng)葉片攪拌結(jié)合并吸收周圍水分，最后在深層軟土中發(fā)生一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng)，形成一個(gè)整體的具有一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)復(fù)合地基，因而大大提高地基的承載力，減少工后沉降量。采用石灰粉噴樁加固軟黏土?xí)r，石灰能吸收軟土中的水分使土體中水分降低，并使土顆粒凝聚而形成較大的團(tuán)粒，同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成復(fù)合水化物，逐漸硬化后黏結(jié)在一起從而提高了地基的整體強(qiáng)度和抗剪切能力。水泥攪拌樁加固軟黏土?xí)r，水泥在加固過程中會(huì)發(fā)生水解和水化反應(yīng)，水化后生成的鈣離子能與土粒中的鈉離子交換，這些反應(yīng)使土顆粒形成不溶于水的、并且具有一定強(qiáng)度的含鈣化合物，從而提高軟土強(qiáng)度。攪拌樁的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：確定樁長(zhǎng)，選擇粉體固化劑類型及其摻入量；下臥層地基的驗(yàn)算；置換率和樁數(shù)的計(jì)算；樁位的平面布置。當(dāng)利用深層攪拌法處理臺(tái)后路基時(shí)，樁長(zhǎng)及置換率應(yīng)重點(diǎn)考慮。工程中通常路中央處的樁較長(zhǎng)，路肩處較短，近橋臺(tái)處較長(zhǎng)，一般路段較短。經(jīng)驗(yàn)表明，樁長(zhǎng)在10m 左右較宜，置換率以15%-25%最佳。粉噴樁固結(jié)法適用于深層淤泥爛黏土地基，能明顯的減少工后沉降，并且此工藝施工過程無振動(dòng)、無污染，不會(huì)對(duì)對(duì)周圍環(huán)境和建筑物產(chǎn)生影響，在軟土路基處理中得到廣泛應(yīng)用。但此方法不適合處理有機(jī)質(zhì)含量較高的軟黏土，尤其是地層中含有硫酸的區(qū)域，而且在冬季施工時(shí)易受氣溫的影響。4.1.2注漿加固法注漿加固法就是將拌制好的注漿液用注漿泵壓進(jìn)需加固的回填體中, 把回填體空隙中的空氣、水?dāng)D出, 注入的漿液通過充填、滲透、壓密等作用進(jìn)入回填體空隙中, 對(duì)回填體進(jìn)行膠結(jié); 同時(shí)在注漿液中加入一定量的微膨脹劑( 參量為1% 3% 水泥用量) , 通過微膨脹劑的膨脹對(duì)回填體進(jìn)行擠實(shí), 從而達(dá)到改善回填體的物理力學(xué)性能、提高其密實(shí)度和承載力的目的。注漿孔應(yīng)按照位置的不同設(shè)置間距，邊緣孔間距可稍小，中間孔間距可稍大。同時(shí)應(yīng)按照填料種類、壓實(shí)狀態(tài)、漿液濃度等因素，按照滲透壓密漿來計(jì)算漿液的擴(kuò)散半徑，確定合適的孔間距。當(dāng)注漿成孔后, 將管壁交錯(cuò)開孔的內(nèi)徑為2cm的鍍鋅鋼管放入注漿孔中, 管口周圍用水泥封閉, 留出管頭連接注漿管。注漿施工采用注漿泵進(jìn)行靜態(tài)注漿, 注漿時(shí)采用少量多次的方法, 密切注意觀測(cè)路基周圍是否有冒漿, 如果有應(yīng)立即停止注漿,換一個(gè)較遠(yuǎn)的孔繼續(xù)注漿, 并根據(jù)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)配合比試驗(yàn)漿液的初、終凝時(shí)間選擇合適的間歇時(shí)間, 再回來注原來這個(gè)注漿孔。注漿采用注漿壓力和注漿量進(jìn)行雙控, 注漿壓力一般控制在0.20.5MPa; 注漿量應(yīng)根據(jù)不同回填材料情況、注漿范圍、漿液擴(kuò)散、漿液配比等因素,估算出每孔的注漿量。當(dāng)注漿量超出估算量較大時(shí),應(yīng)分析原因, 如果沒有跑漿, 應(yīng)繼續(xù)注漿直到壓力表讀數(shù)很快上升時(shí)才停止注漿, 并補(bǔ)漿23次。正常注漿一般采用先稀漿后濃漿的注漿方法。注漿順序先邊緣后中間的方法, 并采取跳孔方式注漿。4.2 選擇合適的臺(tái)后填料若在臺(tái)背回填區(qū)范圍內(nèi)使用土作為填料，由于其內(nèi)摩擦角較小，若壓實(shí)質(zhì)量不好，易引起所填路基產(chǎn)生較大的沉降。在此范圍內(nèi)宜選用摩擦角大、強(qiáng)度高的填料，如巖渣、礫石、碎石、砂礫、石灰穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定土等，這些填料不僅壓實(shí)速度快，通常還具有較好的透水性，能減輕雨水的危害，使從臺(tái)背縫隙中滲入的雨水順利的沿排水管或盲溝排到路基外，這樣也有利于改善壓實(shí)性能，使路基達(dá)到較理想的密實(shí)度。此外，為了減輕路堤自重以降低地基應(yīng)力，可采用如粉煤灰等輕質(zhì)材料，用粉煤灰填筑橋涵臺(tái)背，可以有效降低地基的荷載，從而減少地基沉降以及路基對(duì)橋臺(tái)的側(cè)壓力。4.3 提高臺(tái)背材料的壓實(shí)度選擇好填料之后，對(duì)填料的壓實(shí)也很重要。壓實(shí)效果主要受這些因素的影響：含水量、碾壓層的厚度、地基的強(qiáng)度以及壓實(shí)機(jī)械的類型、碾壓遍數(shù)等等。首先要測(cè)定填筑材料含水量，壓實(shí)在最佳含水量的情況下進(jìn)行以取得最好效果；如果土的含水量過大，可摻入適量的石灰或采用翻松晾曬來降低含水量；如果含水量過小，則可澆撒適量的水后再進(jìn)行壓實(shí)。其次，壓實(shí)機(jī)械對(duì)一定含水量填筑材料的壓實(shí)狀態(tài)有很大影響。壓實(shí)機(jī)械類型、壓實(shí)遍數(shù)以及填土分層的壓實(shí)厚度是由土的種類和壓實(shí)度要求決定的，應(yīng)通過具體試驗(yàn)來確定。施工過程中盡可能擴(kuò)大施工場(chǎng)地，以便充分發(fā)揮一般大型填方壓實(shí)機(jī)械的使用，認(rèn)真施工，給予充分壓實(shí)，在不能用大型機(jī)械壓實(shí)的情況下，要用小型振動(dòng)壓路機(jī)或蛙式打夯機(jī)進(jìn)行壓實(shí)或進(jìn)行強(qiáng)夯。4.4 設(shè)置完善排水設(shè)施排水設(shè)施對(duì)填方的穩(wěn)定極為重要特別對(duì)靠近構(gòu)造物背后的填料，施工前應(yīng)做好排水使原地基排水固結(jié)必要時(shí)進(jìn)行換填或打樁排水固結(jié)。4.5 土工格柵處理橋臺(tái)涵背的填方土工格柵是一種抗拉強(qiáng)度較高的材料，具有良好的水穩(wěn)性，對(duì)路基土粒間存在一定的約束作用。在土基中間加土工格柵形成加筋土，增強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度，從整體上提高土體承載力和抗剪強(qiáng)度。加筋土的作用有：加筋土在承受荷載時(shí)，它與土體之間產(chǎn)生的摩擦作用能約束土體的側(cè)向變形，增強(qiáng)承載力；加筋土能提高抗剪強(qiáng)度，相應(yīng)的剪切變形較素土??；土工格柵使作用荷載均勻地分布在整個(gè)加筋土土層上，受力均勻，減小單位土體面積上壓強(qiáng)，從而降低沉降的可能性。由此可見，在臺(tái)后填筑中應(yīng)用土工格柵能夠有效降低土體受荷壓縮變形，很大程度上緩解橋頭沉降的程度。在施工土工格柵時(shí)，應(yīng)首先挖開基坑砌筑構(gòu)造物（橋臺(tái)、通道、涵洞），將構(gòu)造物砌到一定標(biāo)高（至少高于地面線）。然后用砂礫或者其他材料把構(gòu)造物兩端場(chǎng)地整平，并充分壓實(shí)并分層填筑礫石至構(gòu)造物的砌筑標(biāo)高。在構(gòu)造物兩端510mm范圍內(nèi)，鋪一層土工格柵，把3080mm長(zhǎng)的格柵伸入構(gòu)造物內(nèi)，然后再砌筑一層，把格柵的一端壓入構(gòu)造物中，壓入長(zhǎng)度至下而上逐漸減少即層與層之間剪切齒縫。砌筑時(shí)，壓入層的砂漿一定要充分，背包石壓緊格柵末端，不能留縫，以免影響層與層之間的粘結(jié)力，其余土工格柵用U型釘錨固在壓實(shí)好的路基上，格柵最好用雙向抗拉格柵，每層格柵的間距根據(jù)填土高度或按設(shè)計(jì)意圖施工。在進(jìn)行土工格柵施工時(shí)應(yīng)該注意控制土工格柵的各項(xiàng)性能指標(biāo)，由于它通常是由高密度聚乙烯材料擠壓成型，在20以下時(shí)，其抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足橫向不小于5kN/m，縱向不小于6kN/m，拉伸模量不小于100kN/m ；格柵層滿足填土1.5m以內(nèi)間距為40cm，1.5m 以外間距逐漸加大，下疏上密，長(zhǎng)度由下而上按1:1的坡率增加。4.6 臺(tái)后回填采用剛?cè)徇^渡段法結(jié)構(gòu)物臺(tái)后是用剛性很大的石塊或鋼筋砼澆筑而成，是剛性體，而路基一般是用柔性較大的土填筑而成，是強(qiáng)塑性體，顯然路基體與結(jié)構(gòu)物之間存在著較大的剛度差，這個(gè)剛度差的存在必然引起路基與結(jié)構(gòu)物之間產(chǎn)生較大的相對(duì)變形差和較大的剛度突變。所以臺(tái)后回填物應(yīng)使用剛度介于路基土和結(jié)構(gòu)物材料剛度之間的某種材料，并沿長(zhǎng)度方向變化其厚度，也即臺(tái)背回填與路基接頭采用一定的傾斜角相連接，臺(tái)后回填遠(yuǎn)薄近厚，使臺(tái)后回填整體剛度沿路長(zhǎng)度方向逐漸變化，從而實(shí)現(xiàn)臺(tái)背回填的剛?cè)?