董 軍

(廣西鐵路投資(集團)有限公司建設工程部)

1 路基沉降機理分析

1.1 地基變形機理分析

通常橋涵結構多位于溝壑地段,地基含水量較高,孔隙比大,壓縮性大,強度低,在其上填筑路基肯定會產(chǎn)生較大變形。而且橋頭段路堤比一般路段填筑高度要高 5～10m左右,會產(chǎn)生較大基底附加應力,也會引起地基沉降。并且在填土容重相同時,地基沉降變形會隨著填土高度的增加而增大。

土體壓縮變形主要是由壓力使土體孔隙間的水分排出,導致土顆粒相互靠攏所造成的,這一過程稱為土的固結。土體壓縮變形的速度是由孔隙水分的排出速度決定的,這便是土體變形的時間效應,其導致了臺背地基土的沉降變形是一個逐漸發(fā)展的過程,而不會立即完成。

由于受河水水位的影響,橋臺臺背地基大部分為飽和地基,因此可用飽和地基固結理論來說明其壓縮沉降過程。建立坐標系如圖 1所示。

圖1 橋臺臺背地基示意圖

固結度U＞30%時,可用下式近似表示Uz與時間因子Tv的關系

式中

式中:Tv為時間因子;Cv為固結系數(shù);e0為土體初始空隙比; H為土層厚度;k為土體滲透系數(shù);a為土體壓縮系數(shù)。

由式(1)可見,在一定荷載的作用下,地基固結度變化的速度僅與地基土的初始孔隙比、滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)等性質有關。我國高速公路建設期較短,規(guī)范對橋頭地基的固結度沒有要求,常出現(xiàn)臺背地基固結不足的情況,為公路竣工后發(fā)生沉降留下隱患。

1.2 路堤變形機理分析

(1)土體的附加壓縮變形。

土體是非線性材料,外部條件改變時會產(chǎn)生一定的附加壓縮變形(如浸水、受壓等)。在用擊實土作壓縮試驗時,當土樣在某一荷載作用下壓縮已趨于穩(wěn)定后,如果加水使之飽和,土樣會出現(xiàn)明顯的附加壓縮變形,如表 1所示。

表1 不同的填筑含水量時土樣的附加壓縮量

從表1數(shù)據(jù)可見,土樣在含水量偏高時其附加壓縮要大一些。據(jù)研究,細粒土的變形模量在飽水狀態(tài)僅為干燥狀態(tài)下的10%～90%,而且與土的種類和密實程度有較大關系。臺背填土高度越大,本身的模量越小,附加壓縮量也越大。臺背填土的結構在水和荷載的作用下也隨之發(fā)生變化,附加壓縮變形累計下來,形成橋頭臺階,并不會隨著土的干燥而恢復。

(2)臺背填土在重荷載下累計塑性變形。

路基受土體壓縮性和密實程度不均勻性的影響,受力后會產(chǎn)生塑性變形。試驗得到的應力應變關系曲線,可見,路基在荷載作用后,回彈變形εev立即消失,而土體產(chǎn)生塑性體應變 εpv不能在卸荷后恢復到原狀。土基內產(chǎn)生的塑性累積變形會隨著荷載作用次數(shù)的不斷增加而逐漸增大。重復應力值過高時,則總應變的增長速率會逐漸增長,直到剪切破壞為止。常在土的濕度小于 70%液限時,此重復應力的臨界值為 0.45～0.55倍的靜載作用強度。低于此臨界值的重復應力范圍內,總應變的累積規(guī)律可表示為

式中:N為應力重復作用次數(shù);a為應力一次作用下的初始應變;b為應力增長率。

從以上分析可知,由于土體具有彈塑性特征,使得臺背填土具有較強的柔性特征,與采用混凝土澆筑的橋臺的剛性相比,二者存在較大的剛度差異,車輛荷載作用下導致二者產(chǎn)生塑性累積變形的差異。

1.3 設置橋頭搭板引起的沉降分析

橋頭搭板彈性支承于路基上時,搭板長度范圍內的路基土所受豎向壓應力,搭板的受力性狀與路基土的反力有關。由于搭板簡支于牛腿上,靠近橋臺處的路基土所受應力較小。路基豎向應力會隨著汽車荷載的移動而出現(xiàn)兩個峰值,一是搭板支承路基端,二是汽車荷載作用處。當汽車荷載作用于搭板末端時,便會在該處路基產(chǎn)生最大豎向應力集中,從而產(chǎn)生較大的塑性變形,引起搭板末端過量沉降。此外,由于不能完全準確的估計出路基的沉降量,在路基沉降較大時搭板與板后路基間還會產(chǎn)生較大的縱向坡差。

2 橋頭過渡段路基沉降的防治對策

2.1 地基處治對策

(1)靜壓注漿法。靜壓注漿法是用氣壓、液壓或電化學原理,將水泥漿等漿液注入各種介質的裂縫或孔隙,使其固化后改善地基的力學性能。這種方法適用于雜填土地基、軟粘土地基、淤泥以及濕陷性黃土地基等,具有價格便宜、設備簡單、施工方便、操作不受時間限制等優(yōu)點,目前已在路橋過渡段地基處治中得到廣泛的應用。靜壓注漿方法按其依據(jù)的理論可分為滲透注漿法、壓密注漿法、劈裂注漿法和電動化學注漿法 4種。

(2)旋噴樁法。旋噴樁法是利用旋噴鉆機,通過注漿管道將水泥漿液從高壓噴嘴中高速噴射,使液流獲得巨大能量切削土體,同時鉆桿邊旋轉邊緩慢提升,使?jié){液與土體充分攪拌混合,膠結硬化后便形成一個個柱狀固結體,并與樁間土一起形成復合地基,以改善土的變形性質,提高地基的承載力和抗剪強度,減少地基的沉降變形。此法具有機械化程度高、施工速度快、成本低等特點。

(3)樹根樁托換法。此法是在套管導向下用旋轉方法鉆進,進入地基土中至設計標高,鉆孔直徑 100～300mm,清孔后下放鋼筋,再用壓力灌注水泥砂漿或細石混凝土,最后成樁。此法能最大限度地保持原有的地基與結構物之間的平衡狀態(tài),在不破壞地基土對結構物的支撐作用的情況下對地基進行加固。

(4)換填法。該法是挖去路基底面以下一定范圍內的軟弱土層,并填上質地堅硬、強度較高、性能穩(wěn)定的砂、石、灰土、煤渣、礦渣等材料,經(jīng)分層填筑和壓實后成為良好的人工地基。此法工程量大,處理效果一般,目前已不常用。

(5)混凝土擠密樁法。此法是用鉆機鉆孔至不良地基中,再將干混凝土分層壓實,干混凝土在壓力作用下對周圍的不良土體起擠密作用,并吸收擠出的水分,固結后與周圍土體形成改良后的復合樁基礎。

2.2 路堤處治對策

(1)注漿法。注漿法不僅可以用來處理軟土地基,而且還可用于加固路堤,其基本原理在前面已經(jīng)論述,但由于路堤經(jīng)過碾壓和換填處理后壓實度高,含水量低,故常用壓密注漿法、滲透注漿法和劈裂注漿法。

(2)托換法。路堤處治中也常用樹根樁托換法,與路基處理不同的是,在處理過渡段路堤時多于搭板相結合。

(3)換填法。在路堤填筑過程中,換填主要是對由于環(huán)境變化(如路面破壞后路面水入滲、地表水浸泡等)和在施工中選用不當?shù)奶盍隙鹇坊两档牟糠滞馏w進行換填處治。

(4)土工織物。土工格室和土工格柵等土工織物也常用于路堤工程中,其作用原理是:通過在填土中分層平鋪土工格柵(室),并將其一端固定于橋臺,另一端與臺背連接,由于土工格柵(室)具有高強度、高彈性、大變形特性,可將其上部土體自重荷載和車輛荷載部分地傳遞到橋臺,可在一定程度上分層阻止填料沿臺背沉降。此外,格柵(室)與土體的相互作用能將荷載擴散到一個較大的范圍內,改善土體內部的受力狀態(tài),達到減少外部荷載對土體的壓縮沉降,使臺背與填土交界部位的階梯狀沉降變?yōu)檫B續(xù)漸變沉降。

2.3 路面處治對策

(1)橋頭搭板。橋頭搭板實際上是一種簡支梁,其厚度一般大于 30cm,長度根據(jù)路堤與橋臺預期沉降量、道路等級和車輛荷載而定。它的作用機理是通過設置橋頭搭扳,使柔性路堤的沉降逐漸過渡至剛性橋臺上,將集中的不均勻沉降量分散在搭板長度內。采用橋頭搭板時應先將已發(fā)生破壞的路基和路面清除,換填性能良好的土體并壓實后,再設置橋頭搭板,以便使路基的過量沉降或可能發(fā)生的不均勻沉降在搭板范圍內實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。

(2)設置變剛度路面結構。此法是先在橋頭路面鋪設一種特殊的梯形搭板,但為實現(xiàn)路面結構的剛度變化,還要在其上鋪設柔性路面材料,這樣能有效減少橋頭過渡段路基的不均勻沉降。

(3)采用過渡性路面。當臺背填土已發(fā)生并可能繼續(xù)發(fā)生大量沉降的時候,可采用設置過渡性路面,即在沉降處補充鋪設預制水泥混凝土六棱塊、半剛性過渡層或瀝青過渡層等,便能確保行車暢順,有效避免跳車現(xiàn)象。

3 結束語

總之,路橋過渡段路基沉降是目前最為常見的路橋質量病害之一,并且危害較大,廣大路橋工作者一定要予以充分的重視,并采取合理的對策來進行防治。道路是由路基、路堤和路面共同組成,所以應對這些部位進行綜合處理,以便從根本上防治過渡段路基沉降。

[1] 張文.橋頭跳車原因分析及防治對策[J].路基工程,2007, (3).

[2] 楊春華.臺背路基工后沉降取值標準及應用研究[J].中外公路,2007,(4).

[3] 謝永利.公路建設中的巖土工程問題[A].巖石力學新進展與西部開發(fā)中的巖土工程問題[D].北京:中國科學技術出版社,2002.