从设计的角度分析桥头跳车的影响和防治

2022-12-31

随着我国高速公路的建设发展, 桥头跳车现象已成为高速公路多发常见的病害, 所谓桥头跳车是指公路桥头出现了错台, 即桥 (涵) 台和路堤连接处沉降高差超过一定值 (1cm) , 而引起的一种行车现象, 造成行车产生明显的颠簸不适及其他一些危害, 直接就可能引起安全问题, 车辆在跳动时会使车轮损失部分牵引力, 这样就可能造成意想不到的后果;桥头跳车还会造成桥面损伤, 车辆本身也会因跳动的冲击而受损。本文从桥梁设计的角度分析桥头跳车对汽车以及桥梁产生的影响以及如何在设计阶段防止这种现象的发生。

1 产生桥头跳车的原因

桥台基础和路基的沉降差异是产生桥头跳车现象的主要原因, 桥台基础和路基会产生沉降差异, 主要是由两者的基础形式决定的, 路基主要是建筑在土基之上, 土基的不良状况, 特别是软土地基, 液限值较大, 可压塑性高, 抗剪能力很低, 稳定性差, 在遭受路基填方的静荷载和车辆动荷载作用下, 地基强度显著降低, 造成路基沉降较大, 桥台基础一般采用桩基础, 桩尖落到持力层, 其沉降量甚小, 设计控制工后的沉降量一般为2cm～3cm。这样就导致了路基与桥台之间的相对沉降, 形成台阶, 产生桥头跳车现象。

另外, 环境因素影响也会使桥台台背路基强度降低, 变形增大。桥台部分基本不受自然条件的影响而产生明显的变形, 而桥台台背路基则不同:在雨、雪、冰冻等温度和湿度变化影响下路基会发生变化, 在外界荷载作用下, 变形比较明显, 这样就必然导致路桥结合处出现跳车。

2 在设计阶段对桥头跳车的分析

在设计过程中, 设计所依据的规范[1]在路桥连接处没有共同的设计参数和控制指标, 是不连续的。在国家通用规范中, 桥梁的设计着重在结构、地基承载力和稳定性上进行计算, 对总体沉降只作一般规定, 跨径100m之内不必验算。在桥头引道 (路堤) 的设计上, 除对线型、路肩标高等做一些要求外, 只对引道一定长度 (5m～10m) 内的填料、锥坡及防护提出了一般性要求。而两者从抗变形能力 (弹性模量) 看, 无论是轻型桥台还是重力式桥台, 其弹性模量值是桥台台背路堤填土 (或石渣、掺灰等) 弹性模量值千倍左右, 两者在沉降方面产生了明显差别。具体设计应用时, 除一些特大桥梁外, 在路桥连接处的道路设计遵循一般路基设计规范, 没有专门的设计要求 (路面设计以整体弯沉和弯拉应力作为控制指标, 路基设计以压实度和高度来控制竖向变形) 。路桥分别按各自的参数指标进行设计, 没有统一的标准, 没有共同的设计参数和控制指标, 因而两者在设计上是不连续的。所以, 对路桥工程而言, 其从最初开始, 就存在着先天不足, 对路桥受荷后的不一致变形的产生, 即桥头跳车的出现留下了隐患。

3 从设计上防治桥头跳车现象

在设计阶段, 主要从两方面考虑防止桥头跳车现象, 其一是搭板的设计, 其二是对于天然地基的处理。

设置桥台搭板可以使在柔性路堤上产生的较大沉降逐渐过渡至刚性桥台上, 使车辆通过时跳跃现象大为减少。对搭板的设计应注意以下几点。

(1) 搭板长度的确定应根据填高和沉降量大小来确定 (这与桥梁长短无关) 。填高和沉降量越大, 搭板长度则要求越长, 搭板长度至少在6m以上。

(2) 搭板的近台端一般搁置在桥台前墙顶面或其牛腿上。当桥头引道为刚性路面时, 搭板的纵坡可采用与路面设计纵坡平行方式 (称平置式搭板) ;而当引道为柔性路面时, 则搭板的远台端常置于路面面层与基层之间 (称斜置式搭板) 。

(3) 设置变厚式埋板为避免二次跳车常在搭板的尾端加设一段浅埋的变厚式埋板, 其长度一般取3m～5m, 对于水泥混凝土路面, 也可将与搭板连接处的路面板改为变厚式板。在搭板、埋板或变厚式板的下层, 为保证与桥台连接部位的刚柔层次在水平和垂直方向均能渐次变化, 建议采用强度及回弹模量均高于其它路段相对应路面的结构层材料, 以提高该部位的整体受荷和抗冲能力, 有利于减少错台幅度, 调整不均匀沉陷, 改善桥头跳车或二次跳车现象。

(4) 搭板端部地基必须做处理, 以提高其刚度。

地基处理主要是对于路基的处理, 以及对桥台台背的回填处理。

首先要分段计算与分析天然地基状态下的沉降与稳定情况, 确定是否需要对路基进行处理。对需作处理的路段, 初定处理方法, 计算与分析处治后的沉降和稳定情况。若计算通过, 则方案基本被确定, 对不能通过的需调整处理深度、间距或变换处理方式, 重复计算直至满足沉降标准和稳定性要求为止。

路基处理宜采用超轻质材料作路堤铺设, 轻质材料可以减轻路堤自重, 有效降低地基应力, 减少沉降并增大稳定安全系数把好路基填土或填料质量关。其次, 选择渗水性好、强度高、压实快的材料, 冰冻地区还应选择抗冻涨强的材料, 如碎石、沙砾、工业废渣、碎石土、石灰土等, 并且全断面不能混填。

台背回填宜选用摩擦角大、强度高、压实快、透水性好的填料, 如岩渣、砾石、砂砾等。回填高度视路堤高度而定, 一般取2m～4m。桥台台背回填处理的另一方式是在路基上部 (约50cm范围内) 设置水泥稳定料改善层, 使路堤体的刚度有所提高。

4 结语

对于桥头跳车现象, 我国进行了大量的研究, 取得了显著的成果并应用于实际, 如湖南大学土木工程学院陈昌富教授领衔的课题组, 与湖南长常高速公路建设公司、潭邵高速公路建设公司联合组成研究组, 从1999年起, 历时5年, 通过一系列的试验和研究提出了刚柔平稳过渡处治理论。他们同时开发了一种由搭板、半刚性挤密桩复合地基和盖板组成的加固桥台台背的结构体系, 顺利实现了从刚度相对较大的桥台到刚度相对较低的路堤的平稳过渡。

这一成功的案例激励着我们设计人员在解决桥头跳车这一现象上进行更加广泛的研究和实践。

摘要：分析了在设计过程中, 由于路桥连接处没有共同的设计参数和控制指标, 从而为桥头跳车这一现象的产生留下了最初的隐患。本文在搭板设计、地基沉降方面阐述防治桥头跳车的相关方法、措施及取得的研究成果。

关键词：桥头跳车,设计参数,控制指标,设计阶段